Geologický průzkum poškozených památek

Úvod

Horninový materiál podléhá zvětrávacím procesům, které jsou chemického, fyzikálního nebo biologického původu. Velice často dochází k působení více faktorů najednou. Mezi hlavní příčiny fyzikálního zvětrávání patří teplotní změny (např. v důsledku změn oslunění), působení mrznoucí vody a tlak vyvolaný krystalizací solí v pórovém prostoru hornin. Mezi pochody zapříčiňující chemické zvětrávání patří zejména působení vody a v ní rozpuštěných látek, přičemž obecně platí, že reaktivita těchto roztoků stoupá s jejich teplotou. Voda se do styku s horninovým materiálem může dostat buď z atmosférických srážek, nebo kontaktem s vodou podzemní, která je za určitých podmínek rovněž agresivní (např. síranová agresivita). Srážkové vody jsou obecně agresivnější v městských aglomeracích než v přírodních oblastech. V neposlední řadě na horninový materiál působí činnost organismů, jež mohou svou činností přispívat  jak  k  fyzikálnímu, tak k chemickému zvětrávání. Samozřejmě v mnoha případech nelze zamezit různým příčinám degradace, neboť zvětrávací procesy probíhají neustále i bez našeho přispění. Je však možné  zmírnit  jejich dopad, např. výběrem odolnějšího typu hornin pro konkrétní podmínky v místě stavby nebo provedením takových opatření, aby bylo zvětrávání  v  důsledku  nám  známých  příčin  minimalizováno.  Z hlediska odolnosti jsou vůči zvětrávacím procesům nejméně odolné sedimentární horniny, jejichž zastoupení je ve stavebním materiálu tuzemských historických objektů s ohledem na jejich dostupnost hojné. Mezi nejvíce používané sedimentární horniny v tomto směru patří pískovce, vápence a opuky.

Geologický průzkum kvádrového zdiva

V posledních letech je věnována značná pozornost zejména důležitosti geologického průzkumu kvádrového zdiva pro účely rekonstrukce historických objektů. Identifikace příčin poškození jednotlivých horninových kvádrů může přispět ke zdárnému provedení sanačních prací a následnému zamezení vzniku nových obdobných typů poškození. V rámci návrhu rekonstrukce kvádrového zdiva jakéhokoli historického objektu by měl být zahrnut jeho geologický průzkum. Ten by měl provádět nejlépe geolog se zaměřením na stavební horniny, inženýrský geolog nebo přinejmenším velice zkušený restaurátor, který bude pro investora sestavovat restaurátorský záměr. Kvádrové zdivo historických objektů je nejčastěji tvořeno více druhy stejného petrografického typu horniny (např. pískovců). Jednotlivé horninové kvádry by měly být proto přiřazeny k jednotlivým druhům hornin a zároveň by měly být u každého kvádru popsány jeho hlavní rysy zejména s ohledem na jeho barevnost, strukturu a degradaci. Všechny tyto informace by měly být ideálně zaneseny do spárořezu či jiné databáze spojené s obrazovou dokumentací. Pro upřesnění geologického průzkumu je vhodné odebrat vzorky alespoň od kaž- dého typu horniny s ohledem na míru jejich poškození.

Mezi hlavní laboratorní metody geologického průzkumu kvádrového zdiva patří: petrografický rozbor polarizační mikroskopií, mikroskopické studium zaměřené na stanovení příčin a míry degradace a dále pak celá řada zkušebních postupů, jejichž výsledky jsou využitelné zejména s ohledem na posouzení míry degradace. Mezi tyto metody např. patří: Stanovení měrné a objemové hmotnosti a celkové a otevřené pórovitosti podle ČSN EN 1936; Stanovení součinitele nasákavosti vodou působením vzlínavosti podle ČSN EN 1925; Stanovení nasákavosti vodou za atmosférického tlaku podle ČSN EN 13755; Stanovení pevnosti v tlaku podle ČSN EN 1926. Uvedený výčet není samozřejmě výčtem všech možných a dostupných zkušebních metod, ale výběrem těch v praxi nejpoužívanějších. V případech, kdy lze z nějakého důvodu očekávat speciální druh namáhání horninového  materiálu  (např.  působení  sil  vedoucích k tvarovým deformacím), je možno soubor provedených zkoušek rozšířit. Mimo výše uvedené normové postupy jsou ještě vhodné zkoušky zaměřené na ohodnocení vnitřní struktury horninového materiálu. Pro tyto účely lze využít např. metodu rtuťové porozimetrie a rentgenové mikrotomografie (obr. 2). Z chemických analýz je pro účely průzkumu kvádrového zdiva vhodné zejména stanovení vodorozpustných solí.

Důležitost geologického průzkumu kvádrového zdiva můžeme ilustrovat na případu kostela sv. Jakuba Většího v Srbči (obr. 1). Předmětem průzkumu bylo v tomto případě zejména soklové zdivo kostela, které je tvořeno převážně pískovci (obr. 3). Na základě prozkoumání daného objektu je patrné, že problémem kamenného zdiva i přilehlých omítek je vlhkost vzlínající z okolního terénu a základů, navíc dotovaná přímým způsobem deštěm a v zimě ležícím sněhem, která přispívá k degradaci kamene i omítek několikerým způsobem. Dlouhodobě působící vlhkost narušuje a vymývá pojivo kamene i omítek, dále přistupuje degradace materiálů v důsledku zamrzání vody ve struktuře kamene i omítek. Vyvstala také otázka případného negativního vlivu solí.

Aby bylo možno potvrdit, nebo vyvrátit výše  uvedené  hypotézy, byly odebrány horninové vzorky a ty byly podrobeny laboratornímu průzkumu. V prvé řadě byl proveden mikroskopický průzkum, který potvrdil petrografické zařazení hornin a zároveň vysokou míru degradace horninového materiálu. V další řadě byly ve vzorcích stanoveny vodorozpustné soli (viz tab. 1). Dva odebrané horninové vzorky vykázaly velmi vysoký stupeň zasolení sírany (nejspíše sádrovec, případně ettringit) a jeden vzorek velmi vysoký stupeň zasolení chloridy. Obsah dusičnanů je zvýšen pouze u jednoho vzorku. V následující tabulce jsou uvedeny koncentrace detekovaných solí v jednotlivých horninových vzorcích včetně odpovídajícího stupně zasolení podle ČSN P 73 0610 [2].

Díky provedeným analýzám byl v tomto případě mj. potvrzen výrazný vliv krystalizace solí na degradaci horninového materiálu a mohly tak být navrženy sanační práce. Z toho důvodu bylo navrženo provedení snížení zasolení povrchových vrstev parou.

V poslední době se prosazuje větší využití zkušebních metod in-situ, tj. bez odběru vzorků a laboratorního průzkumu. V tomto případě je však nutno upozornit na některá úskalí, která jsou spojena s jejich použitím. Ilustrativní je v tomto případě např. využití Schmidtova tvrdoměru pro posouzení pevnostních charakteristik horninového materiálu. Ten může být na rozdíl např. od betonu značně heterogenní, takže hodnota naměřená na jednom místě nemusí vůbec odpovídat hodnotě naměřené o pouhých pár centimetrů vedle. Tento vliv se uplatňuje např. u magmatických hornin majících porfyrickou strukturu, kdy přítomnost vyrostlic v daném místě výrazně snižuje pevnostní charakteristiky, avšak v průměru má hornina pevnost vysokou. Stejně tak získané výsledky ovlivňuje vlhkost zdiva, jelikož přítomnost vody  v pórovém systému hornin vede k výraznému snížení jejich pevnosti. Na tento vliv jsou citlivé zejména sedimentární horniny, např. pískovec.

Geologický průzkum základového zdiva a podloží

Základové zdivo historických objektů je mnohdy převážně tvořeno přírodním kamenem, který stejně jako horninový materiál kvádrového nadzemního zdiva podléhá zvětrávání. U hornin v podloží se rovněž mění jejich vlastnosti v důsledku zvětrávání. Materiál základového zdiva a geologického podloží je velmi často identický nebo alespoň podobný, jelikož  stavitelé  využívali  přednostně  stavební  materiál  z blízkého okolí. Přítomnost vody může rovněž způsobit rozpouštění a vyluhování pojiva a tím negativně ovlivnit soudržnost hornin. Z uvedených důvodů je v případě konstrukcí zhotovených ze sedimentárních hornin zcela zásadní eliminovat průnik vlhkosti do základového zdiva a přilehlého geologického podloží.

Geotechnický monitoring

Jak bylo zmíněno v předchozí kapitole, jádrové vrty pro geologický průzkum (horninové vzorky ze základového zdiva i z podzákladí) je velmi výhodné využít i pro účely geotechnického monitoringu. S touto skutečností je samozřejmě nutno počítat již při plánování umístění takovýchto vrtů a situovat je do takových míst, kde by měl být následně geotechnický monitoring prováděn. Z vrtného jádra je často možné určit i polohu základové spáry, ale je nutné použít šetrné metody vrtání. Provedené vrty je obvykle vhodné osadit měřicími pažnicemi, které umožní velmi přesné sledování vývoje deformací. Existuje několik vhodných metod k určení deformací podloží – klouzavý deformetr/mikrometr, inklinometr, extenzometr, popř. kombinovaná sonda pro monitoring 3D deformací.

V případě kostela Všech svatých v Heřmánkovicích byly v zdech nad klenbami a pod varhany zjištěny trhliny (obr. 5a), které mohou být zapříčiněny například nestejnoměrným sedáním základů v kombinaci s degradací základového zdiva, svahovými pohyby, vysokou vlhkostí základového zdiva a jeho promrzáním nebo změnami teploty. Pro účely sledování chování podpovrchové části konstrukce a podzákladí byly realizovány 12 m hluboké vrty vystrojené kombinovanými pažnicemi umožňujícími velice přesný 3D monitoring deformací (obr. 5b).  Oba  vrty  jsou  opatřeny  geodetickými  značkami  a  propojeny s nivelačními body umístěnými v obvodových stěnách kostela, což umožňuje v dlouhodobém horizontu detekci mj. nestejnoměrného sedání kostela.

Závěr

Stav horninového materiálu  v  nadzemním  a  základovém  zdivu  a v geologickém podloží/podzákladí ovlivňuje stabilitu historických objektů. Vzhledem k tomu, že každý genetický typ horniny má odlišné vlastnosti, měl by být prvním krokem geologického průzkumu petrografický popis horninového materiálu. V druhé řadě je vhodné podrobit horninový materiál laboratornímu výzkumu, jenž bude zaměřen na stanovení jeho mechanických a fyzikálních vlastností, jako jsou otevřená pórovitost a nasákavost. Tyto dvě vlastnosti velmi ovlivňují chování jak použitého horninového materiálu, tak horninového materiálu v podloží objektu ve vztahu ke stabilitě konstrukce zejména s ohledem na přítomnost vody v systému.

Cílem článku bylo upozornit na důležitost geologického průzkumu a zároveň poukázat na vhodnost propojení jeho výsledků s geotechnickým monitoringem. Geotechnický monitoring poskytuje informace o chování podzákladí jako celku a jsme díky němu schopni detekovat jeho deformace a jejich vývoj. Laboratorní geologické  vyhodnocení vzorků může poskytnout detailní informace o vlastnostech horninového materiálu nejen z nadzemního kvádrového zdiva, ale i z geologického podloží/podzákladí. Z těchto důvodů je zřejmé, že známe-li rozsah deformací podzákladí a jeho  vlastnosti,  můžeme  být schopni stanovit jejich příčinu a případná sanační opatření.

Poděkování
Tento příspěvek vznikl za podpory interního grantu ČVUT SGS18/044/OHK1/1T/11 Aplikace komplexního přístupu ke geologickému průzkumu lokality a následnému geotechnickému monitoringu.

Zdroje:
[1] ZÁLESKÝ, J. a K. KOVÁŘOVÁ. Impact of Subsoil and Foundation on Technical Conditions of Historical Buildings, Geotechnika, 19/1, 2016, pp. 41–48.
[2] ČSN P 73 0610. Hydroizolace staveb – Sanace vlhkého zdiva – Základní ustanovení. Praha: ÚNMZ, 2000, p. 20.
[3] ZÁLESKÝ, J et al.: System of Long-term Monitoring of Historical Buildings in the Prague Castle Area. Proceedings of the Second International Conference Soil Structure Interaction in Urban Civil Engineering. Zürich: ETH, 2002, pp. 497–500. ISBN 3-00-009169-6.