Катастрофы: неистовая Земля
Шрифт:
Тогда как удаление воды является главной причиной уплотнения одних осадков, привнос воды может вызвать сходные результаты в некоторых других осадках. Лёсс представляет собой эоловые алевритовые отложения, которые встречаются в разных концах света. Когда лёсс впервые намокает, он подвергается гидре» уплотнению, сопровождающемуся значительным сокращением объема. Если при ирригационных работах в аридных или полуаридных зонах встречается лёсс, возникают сложности. Район, расположенный к западу от города Фресно, в Центральной Калифорнийской долине, испытал обширное проседание вследствие гидроуплотнения. Ирригационные каналы поставляли в этот район воду, земля намокала, и результатом этого стала просадка на 5 м с повреждением зданий, дорог, трубопроводов, скважин и, наконец, самих каналов. В последнее время найдено решение этой проблемы: земля затопляется водой заранее, чтобы гидроуплотнение произошло до того, как
Справедливо было бы отметить, что слабые просадки не являются помехой для строительства, особенно в тех случаях, когда оно ведется не в прибрежных, а во внутриконтинентальных районах. Однако проседание таит в себе серьезную опасность, если оно неоднородно для одного и того же строения, что может быть обусловлено разной степенью уплотнения грунтовых материалов. Ряд домов, построенных вдоль одной улицы в Ноттингеме (Англия) в начале XX века, — яркий пример этого явления. Через много лет после того как эти дома были возведены, одна из стен последнего дома так сильно осела, что жителям пришлось покинуть его. В поисках причины проседания исследователи обнаружили старинную карту, которая была составлена задолго цо строительства осевших домов. На ней был показан небольшой карьер, край которого лежал как раз под поврежденным домом. Позднее карьер, вероятно, был засыпан бытовыми отбросами, и на поверхности от него не осталось никаких следов. Проектировщики домов не сделали ни малейшей попытки исследовать место застройки и даже не проверили имеющиеся документы и карты. Поэтому дом, одна сторона которого стояла на твердой породе, другая — на уплотненном мусоре, был обречен.
Наклонение и повреждение строений может быть обусловлено не только разной степенью уплотненности их основания, как это было в Ноттингеме, но и другими причинами. Любое здание, построенное на мягкой и пластичной глине, находится в неустойчивом равновесии, и даже самое слабое нарушение этого равновесия повлечет за собой осадку здания. Падающая Пизанская башня, привлекающая множество туристов, фигурирует во всех работах по оседанию грунта. Древний город Пиза был построен на широкой плоской равнине, лежащей почти на уровне моря; над городом возвышаются хребты Апеннин. Хотя плоский рельеф и был благоприятен для строительства, однако рыхлые осадки, из которых сложена равнина, а также инженерно-геологические условия закладки фундамента надо считать крайне неподходящими для любой крупной постройки.
Падающая Пизанская башня представляет собой колокольню, пристроенную к собору. Главное здание собора, сооруженное в XI веке, пострадало от проседания, которое произошло вскоре после того как строительство его было закончено. Однако собор наклонился незначительно, поскольку высота и ширина его различались ненамного. Возведение колокольни началось веком позже, в 1173 г. Через несколько лет, когда были готовы три этажа, башня уже наклонилась так сильно, что архитектор остановил строительство и покинул Пизу. Поскольку вес башни теперь не возрастал, она стабилизировалась и движение прекратилось, так что в 1275 г. другой архитектор решил продолжить строительство, ликвидировав наклон добавлением лишних слоев каменной кладки по осевшей стороне, другими словами, башне был искусственно придан изгиб. Однако башня продолжала наклоняться. Ее постройка закончилась только в 1350 г., после того как за работу взялся третий архитектор и на оседающую стену было добавлено еще несколько слоев кладки. С тех пор башня непрерывно продолжает наклоняться, и на сегодняшний день она отстоит от вертикали более чем на 5 м.
Движение, которому подверглась Пизанская башня, определяется техническим термином «неравномерная осадка». Общая осадка башни составляет около 2 м; чтобы попасть в ее входную дверь, надо спуститься по ступенькам, ведущим вниз. Но 2 м — это средняя цифра. В связи с наклоном южная сторона башни осела примерно на 3 м, а северная — на 1 м. Неодинаковая осадка первоначально была связана с небольшими изменениями в подстилающих отложениях. Когда появился наклон, сдвиг центра тяжести башни создал вращающий здание момент, который возрастает с увеличением наклона. Непосредственно под поверхностью земли залегает слой алевритов и глин плиоценового возраста. Этот слой мощностью 4,6 м очень пластичен и легко поддается сжатию. Простое лабораторное испытание этих осадков на физическую прочность сразу же позволило бы предсказать их уплотнение и осадку под действием веса башни. Фундамент башни состоял всего-навсего из кольцеобразной каменной кладки диаметром около 18 м, заложенной на 1,5 м ниже уровня земной поверхности. Башня поднимается на 55 м, т. е. ее высота в 3 раза превышает ширину основания. Если такую конструкцию установить на очень мягких алеврите и глине, то наклон неизбежен.
Поверхностный слой под башней постепенно переходит в слой песка, залегающий в интервале между 4,6 и 9,2 м. Песок, в сущности, не поддается сжатию, и он гораздо менее подвижен, чем глино-алевритовые пласты. Хотя песок и не является идеальным фундаментом, он почти наверняка играет положительную роль в сдерживании скорости осадки и сохранении относительно небольшого угла наклона башни. Можно даже предполагать, что 3-метровый слой глин и алевритов, залегающий между фундаментом башни и песком, к настоящему времени стал прочнее в связи с осушением при медленном уплотнении под нагрузкой. Этим и объясняется, почему башня все еще стоит вот уже в течение 700 лет. Однако слой песка, залегающий на глубине примерно 5—10 м, содержит тонкие глинистые и алевритовые зоны, которые становятся мощнее по направлению к югу. Их сильная подверженность сжатию объясняет первоначальный наклон башни. К тому же под слоем песка залегает более мягкая пластичная глина, прослеживающаяся до глубины 40 м, где она^подстилается горизонтомплот-ных песков. Движения в глино-алевритовом, песчаном и глинистом слоях могут начаться в любой момент, и тогда наклон башни должен увеличиться.
Что же ждет знаменитую Пизанскую башню? Она вполне может быть зафиксирована в ее теперешнем положении путем подведения фундаментов и закрепления их на слое песка, лежащем на глубине 39,7 м. Уже было испробовано впрыскивание жидкого цементного раствора в подстилающие осадки, однако это не дало заметных результатов. Надо искать какое-то другое смелое решение, причем необходимо учитывать тот факт, что работать придется под такой слабоуравновешенной постройкой. Предложен ряд проектов укрепления башни. При благоприятном стечении обстоятельств они будут успешно проведены в жизнь, в противном случае Пизанская башня сможет продержаться еще примерно столетие.
Проседание при удалении грунтовых жидкостей
Уплотнение рыхлых осадков, ведущее к проседанию грунта, почти невозможно предотвратить, если нагрузка, оказываемая на материал, обусловливается крупным строением. В большинстве случаев такое уплотнение сопровождается удалением воды из пор под давлением. Песок фактически не поддается сжатию, и вода из него вытесняется с трудом. Однако если межзерновая вода откачивается из песка и соседствующих с ним глинисто-алевритовых отложений, то падение гидростатического давления может повлечь за собой значительное уплотнение и последующие сдвиги грунта. Поскольку пески, особенно их несцементированные или слабо консолидированные разновидности, представляют собой высокопродуктивные водоносные горизонты, то грунтовые воды всегда активно откачивались из них. Во многих случаях это сильно влияло на состояние земной поверхности.
В долине Сан-Хоакин в центральной Калифорнии выпадает очень мало осадков. Интенсивное сельское хозяйство в этом районе обязано своим существованием ирригационным водам, большая часть которых откачивалась из осадков, подстилающих долину. Это были пески и грубозернистые алевриты, мощность которых местами превышала 600 м. Из этих пород в течение XX века активно извлекались воды, и в результате произошло проседание грунта, затронувшее площадь в несколько сотен квадратных километров, максимальная глубина просадки составила более 8 м. При понижении артезианского напора на 6–9 м грунт оседал на 30 см. Поскольку долина Сан-Хоакин — это район сельскохозяйственных земель, такое опускание, хотя оно и сопровождалось даже образованием трещин в грунте, не повлекло за собой катастрофических последствий. Забавно, что основное повреждение в долине Сан-Хоакин было нанесено ирригационным системам, которые сами и явились его причиной. Движение грунта разрушило многие скважины (ремонт скважины обходится до 1 млн. долл. в год), и ирригационные каналы с их очень низкими перепадами постоянно надо было восстанавливать. Чтобы прокладывать каналы через осевшие районы, не затопляя их, необходимо создавать длинные насыпи. Очевидно, единственным способом борьбы с проседанием в долине Сан-Хоакин является прекращение откачки грунтовых вод. Частичная их замена водами, которые подаются с гор, позволила значительно снизить скорость проседания грунта.
Подобное проседание в городских районах, особенно в тех, которые находятся почти на уровне моря, может иметь гораздо более разрушительные последствия. Так, значительная часть Токио пострадала от проседания, происходившего со скоростью 15 см в год в связи с извлечением воды из подстилающего горизонта алевритов. Многие крупные здания Токио были построены на более глубоко залегающих слоях плотной породы, поэтому создавалось впечатление, что они поднимаются, в то время как окружающая поверхность оседает. Движение было таким сильным, что к 1961 г. площадь около 40 км 2на окраине Токио оказалась ниже уровня моря. Эти районы пришлось защищать большими и дорогостоящими дамбами.