8 років тому
Немає коментарів

Sorry, this entry is only available in
Російська
На жаль, цей запис доступний тільки на
Російська.
К сожалению, эта запись доступна только на
Російська.

Уплотнение — это естественный процесс, при котором осадки уменьшаются по объему, что чаще всего происходит вследствие давления перекрывающих осадочных слоев. Большинство осадочных пород отлагается в воде, и уплотнение — это часть процесса превращения их в твердую породу. Следует отметить, что геологи называют это уменьшение первоначального объема уплотнением, тогда как инженеры-строители называют его консолидацией. Отсюда и происходит термин «неконсолидированные осадки», обозначающий рыхлые, крошащиеся и еще не уплотненные породы. Для инженеров термин «уплотнение» относится к искусственным методам, таким как трамбовка или вибрация, вызывающим сокращение объема, называемое ими консолидацией. В последующих разделах термин «уплотнение» будет использоваться в геологическом смысле этого слова.
Экстремальный случай уплотнения касается породы растительного происхождения — торфа. Определить уплотнение торфа сложно, так как этот процесс может продолжаться миллионы лет, до тех пор пока торф в конце концов не превратится в уголь. Можно считать, что торф уплотняется более чем в 10 раз относительно своего первоначального объема. Большая часть этого сокращения связана с удалением воды, что лежит в основе уплотнения большинства осадков. Следовательно, уплотнение торфа может сильно зависеть от деятельности человека. Район Фенланд к югу от залива Уош в восточной Англии являет собой классический пример уплотнения торфа и проседания, связанного с осушением (поскольку торфяники создают очень плодородную землю). В 1848 г. в лежащий ниже торфа слой была поставлена железная труба, по положению которой можно судить о погружении поверхностных слоев. К 1932 г. земля осела более чем на 2,5 м, а мощность торфяного слоя сократилась почти на 4,5 м. Уплотнение на 56 % произошло менее чем за 100 лет. В 1848 г. нижние слои торфа уже были значительно уплотнены под влиянием веса перекрывающих пород, уплотнение продолжается и в настоящее время.
Если из торфа удалена вода, то идет дальнейшее сокращение объема, связанное с потерей материала при окислении. В маломощных слоях торфа это может в конце концов привести к непригодности их для сельскохозяйственного использования из-за недостаточной мощности. В США есть примеры проседания торфа, особенно на Флоридской низменности. Здесь уровень грунта при культивации падает примерно на 30 см за 10 лет. При этом участки максимального проседания примыкают к осушительным каналам. Дельта реки Сакраменто в Калифорнии представляет собой обширный торфяной район, который осушался в сельскохозяйственных целях. Вследствие этого местность опустилась ниже уровня моря, и при возникновении проломов в искусственных речных дамбах происходят грандиозные наводнения.
Торф является не единственным материалом, который так сильно уплотняется. Голландские инженеры при осушении земель, ранее покрытых морем, обнаружили, что глины уплотнились на 25–50 % в зависимости от размера зерен и содержания алеврита. Глины по сравнению с торфом сокращаются в объеме в меньшей степени, кроме того, это не связано с химическими изменениями. Поэтому последствия процесса легче предсказать. Собор Темпль в городе Бристоль (Англия) был построен в XIV–XV веках, когда геологические условия установки фундамента еще были неизвестны. Возведенный на влажном грунте аллювия реки Эйвон, он имел шансы устоять. Сейчас башня собора отклонена на 1 м 22 см от первоначального положения, но все еще стоит. В более просвещенные времена, т. е. недавно, в городе Ноттингем (Англия) было построено промышленное предприятие на похожем с геологической точки зрения месте — на аллювии реки Трент. Были приняты во внимание и учтены уплотнение и просадка, и сооруженные заводские корпуса осели с очень небольшими деформациями. Зато возникла дополнительная проблема — наклон флигелей, расположенных в сфере оседания, вызванного большими зданиями.
Можно рассмотреть еще случай со строительством зернового элеватора в центральной Канаде между 1911 и 1913 г. Он был возведен на тонкозернистых алевритистых глинах озерно-ледни-кового происхождения. Бетонный фундамент на ростверке размещался в котловине глубиной 3,5 м. Испытания показали, что глина на этой глубине может выдержать необходимую нагрузку. Но когда в октябре 1913 г. впервые был засыпан зерновой силос, элеватор сразу осел на 30 см и в течение 24 ч отклонился на 26° от вертикали. К счастью, бетонная конструкция не была сильно повреждена. Впоследствии обнаружилось, что под верхними достаточно прочными слоями глины на глубине около 10 м залегали более сырые и гораздо менее надежные породы. Именно эти породы не были проверены заранее и осели под нагрузкой. Потом элеватор был выпрямлен, а его фундамент помещен на глубину 16 м, где подстилающей породой служил твердый песчаник. Элеватор функционирует до сих пор.
Дельты являются районами активного осадконакопления, где проседание происходит не только в результате уплотнения самих осадков, но и вследствие других причин. Дельта реки Миссисипи в Соединенных Штатах активно изучалась, было рассчитано, что уплотнение осадков обусловливает проседание в среднем на 9 см за 100 лет. Кроме уплотнения имеет место опускание пород земной коры, связанное с нагрузкой дельтовыми осадками, оно составляет 2 см за 100 лет. Одновременно происходит повсеместное повышение уровня моря на 9,8 см за 100 лет, которое затрагивает и дельту. Амплитуды проседания приведены усредненные, и если учитывать местные вариации, зависящие от типа осадков, то перспективы положения уровня дельтовой области кажутся весьма неясными. Город Бэйлайз на Луизианской стороне дельты был оставлен жителями в 1888 г. во время эпидемии лихорадки, а через 50 лет улицы города оказались на 1 м 22 см покрытыми водой.
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 канал будет построен.
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.