Уплотнение рыхловатых осадков, ведущее к проседанию грунта, практически нереально предупредить, если нагрузка, оказываемая на материал, обусловливается большим строением. Почти всегда такое уплотнение сопровождается удалением воды из пор под давлением. Песок практически не поддается сжатию, и вода из него вытесняется с трудом. Но если межзерновая вода откачивается из песка и соседствующих с ним глинисто-алевритовых отложений, то падение гидростатического давления может повлечь за собой существенное уплотнение и следующие сдвиги грунта. Так как пески, в особенности их несцементированные либо слабо консолидированные разновидности, представляют собой высокопродуктивные водоносные горизонты, то грунтовые воды всегда интенсивно откачивались из их. В почти всех случаях это очень оказывало влияние на состояние земной поверхности.
В равнине Сан-Хоакин в центральной Калифорнии выпадает сильно мало осадков. Насыщенное сельское хозяйство в этом районе должно своим существованием оросительным водам, большая часть которых откачивалась из осадков, подстилающих равнину. Это были пески и грубозернистые алевриты, мощность которых местами превосходила 600м. Из этих пород в течение XX века интенсивно извлекались воды, и в итоге вышло проседание грунта, затронувшее площадь в несколько сотен квадратных км, наибольшая глубина просадки составила более 8 м. При снижении артезианского напора на 6–9 м грунт оседал на 30 см. Так как равнина Сан-Хоакин — это район сельскохозяйственных земель, такое опускание, хотя оно и сопровождалось даже образованием трещинок в грунте, не повлекло за собой чертовских последствий. Весело, что основное повреждение в равнине Сан-Хоакин было нанесено оросительным системам, которые сами и явились его предпосылкой. Движение грунта разрушило многие скважины (ремонт скважины обходится до 1 млн. долл. в год), и оросительные каналы с их очень низкими перепадами повсевременно было надо восстанавливать. Чтоб прокладывать каналы через осевшие районы, не затопляя их, нужно создавать длинноватые насыпи. Разумеется, единственным методом борьбы с проседанием в равнине Сан-Хоакин является прекращение откачки грунтовых вод. Частичная их подмена водами, которые подаются с гор, дозволила существенно сбавить скорость проседания грунта.
Схожее проседание в городских районах, в особенности в тех, которые находятся практически на уровне моря, может иметь еще более разрушительные последствия. Так, значимая часть Токио пострадала от проседания, происходившего со скоростью 15 см в год в связи с извлечением воды из подстилающего горизонта алевритов. Многие большие строения Токио были построены на более глубоко залегающих слоях плотной породы, потому создавалось воспоминание, что они подымаются, в то время как окружающая поверхность оседает. Движение было таким сильным, что к 1961 г. площадь около 40 км2 на окраине Токио оказалась ниже уровня моря. Эти районы пришлось защищать большенными и дорогостоящими дамбами.
Схожие препядствия появляются и в Китае, к примеру в городке Шанхай. Под Шанхаем залегают неконсолидированные осадки мощностью 300 м, содержащие огромное число водоносных горизонтов, из которых откачивается вода. Общая глубина просадки в районе судостроительной верфи за период меж 1921 и 1973 г. составила 2,5 м. Участившиеся тут случаи затопления вызвали пробы уменьшить скорость проседания. Так, проводилась закачка воды назад в скважины во время мокроватых сезонов. Это делалось для поддержания уровня грунтовых вод в период сухих сезонов, когда грунтовые воды приходится откачивать.
При извлечении грунтовых вод просадке подвергаются не только лишь пески и алевриты. К примеру, в Лондоне вода активно откачивалась из мела, на котором стоит город, и в итоге артезианский напор свалился на 10-ки и даже сотки метров. Падение давления поровых вод в перекрывающих мел глинах Лондон-Клей вызвало проседание около 30 см. К счастью, этого недостаточно, чтоб повлечь за собой значимые последствия.
Проседание района вокруг городка Саванна (штат Джорджия) происходит вследствие откачки вод из толщ известняка. Большая часть известняков, даже если они трещиноватые и содержат водоносные горизонты, довольно высокопрочны, чтоб выдержать всякую нагрузку. Но третичные известняки Окала под Саванной являются исключением: они очень пористые, слабо консолидированные и при уменьшении давления поровых вод уплотняются. Очень суровому проседанию подвергся также район меж городками Хьюстон и Галвестон (штат Техас), расположенный западнее Саванны. Начавшись в 1943 г., проседание к 1961 г. местами достигало полутора метров; этот процесс длится в текущее время со скоростью 7,5 см в год.
Проседание в большинстве случаев бывает связано с извлечением воды из песочных водоносных горизонтов, но время от времени оно может быть вызвано откачкой из толщ проницаемых осадков другой воды — нефти либо каких-то смесей. К примеру, город Ниигата в Стране восходящего солнца подвергся чертовскому проседанию и местами погрузился ниже уровня моря вследствие извлечения- соляных смесей, содержащих метан. Нефть является 2-ой по значению после воды предпосылкой проседания. Броский тому пример — опускание в Лос-Анджелесе.
Портовый район Лонг-Бич на юге Лос-Анджелеса размещен конкретно над месторождениями нефти Уилмингтон, находящимися в личном владении. Из маленького купола в толще осадков мощностью около 180 м в значимых количествах откачивались как нефть, так и вода. Результатом этого явилось образование чаши проседания эллиптической формы, имевшей в поперечнике практически 10 км и повторявшей очертания лежащей под ней геологической структуры. В центре этой чаши вертикальное опускание за период с 1928 по 1971 г. достигнуло 9 м. Горизонтальное движение по бокам чаши местами составило 3 м. Возмещение убытков, нанесенных городку, превысило 100 млн. долл. Более пострадавшей оказалась морскчя судоверфь, большая часть которой на данный момент находится ниже уровня моря и окружена высочайшими бетонными стенками. Эти стенки приходится повсевременно надстраивать, по другому море зальет верфь.
К 1957 г. ситуация в районе Лонг-Бич стала так небезопасной, что Министерство юстиции США воспретило эксплуатацию тут нефтяных скважин. Был предложен проект, согласно которому следовало закачать миллионы л. воды назад в грунт по 200 скважинам. Эта процедура должна была не только лишь вернуть давление воды в осадках и тем закончить проседание, да и прирастить напор нефти в других, еще применяемых скважинах. Вправду, нагнетание воды является стандартным способом увеличения продуктивности нефтяного месторождения, хотя в этом случае оно рассматривалось только в качестве побочного эффекта. Работы прошли так удачно, что к 1963 г. проседание было в значимой степени остановлено, а в неких местах даже скомпенсировано. Нужно отметить, что полезный эффект был достигнут в относительно обычной ситуации, вообщем же возможность полного восстановления уровня, существовавшего до проседания, ничтожна и просит предусмо-трения многих причин.
К огорчению, закачка воды не разрешает задачи проседания того типа, который существует и до настоящего времени в городках Венеция и Мехико.
Венеции — всемирно известному городку, представляющему из себя истинное произведение искусства, — грозит настоящая опасность разрушения, так как она повсевременно опускается ниже уровня моря. Венеция была заложена более 1300 годов назад. Город находится практически в центре большой лагуны, длина которой 56 км, ширима 10 км. Лагуна’ разделена от Адриатического моря длинноватым рядом песочных валов, которые еще в XVIII веке были укреплены дамбами. При всем этом были оставлены три пролива, открывающиеся в лагуну.
Венеция издавна мучается от проседания. В 1902 г. обвалилась, превратившись в груду камешков, колокольня собора Святого Марка. Настолько полному разрушению подверглись немногие строения, но равномерно опускается большая часть строений, так как весь город оседает. Приблизительно 70 % площади городка в текущее время находится на высоте чуток больше метра над средним уровнем моря, и эта территория нередко подвергается затоплению. Наводнения, именуемые тут «аква альта» («высокая вода»), обоснованы совместными действиями ветра, прилива, резких колебаний уровня Адриатического моря, осадков и пониженного атмосферного давления. Самая страшная «аква альта» отмечалась в 1966 г., когда вред, нанесенный городку, был оценен в 30 млн. фунтов стерлингов. Наводнения становятся все более частыми. Если на рубеже XIX и XX веков они происходили в среднем каждые 5 лет, то к 1930 г. стали повторяться раз в год, а начиная с 1960 г. — даже три раза в год. Затопление площади Святого Марка на данный момент уже нужно считать событием предрешенным.
Строения Венеции были построены на древесных сваях, погруженных в дно мелководных частей лагуны. Отложения, подстилающие лагуну, представляют собой неконсолидированные материалы четвертичного возраста мощностью около 800 м, под которыми залегают еще наименее плотные осадки, датированные плиоценом. Четвертичные отложения приблизительно на 50 % состоят из песков, на 35 % — из алевритов и на 15 % — из алевритовых глин. При таком фундаменте в морских дельтовых критериях следует ждать проседания. В Венеции же есть огромное количество предпосылок для этого.
Археологические исследования проявили, что проседание лагунной зоны в доисторические времена местами достигало 6 м, а с древнеримских времен составило 2–3 м. Таким макаром, среднее проседание в древности приравнивалось приблизительно 1 см в год — такая скорость, ожидаемая в любом дельтовом районе, где идет аккумуляция осадков. Основная дельта реки По размещена несколько южнее Венеции, и осадконакопление в этом районе вызывает изгибание слоев коренных пород под нагрузкой аккумулированных осадков. Так как четвертичные отложения мощностью около 800 м имеют мелководное происхождение, опускание фундамента за этот период составило, по-видимому, также около 800 м. В то же время должно было осуществляться уплотнение осадков, но лабораторные исследования керна скважин, пробуренных под Венецией, проявили, что такое первичное уплотнение значимой роли в проседании городка не играет.
В XX веке скорость проседания чертовски возросла, как демонстрируют последующие данные о среднем опускании в год: 1926–1942 гг. — 0,23 см; 1943–1952 гг. — 0,35 см; 1953–1961 гг. — 0,50 см. Разумеется, появились какие-то новые причины, и самым основным из их нужно считать откачку грунтовых вод. Венеция всегда снабжалась водой, извлекаемой через неглубокие скважины из бессчетных водоносных горизонтов в четвертичных отложениях. Но с начала нашего века потребность в воде значительно возросла. Начиная с 1930 г. фабричным предприятием в городке Маргера (западнее Венеции) в подстилающих лагуну осадках было пробурено более 7000 скважин. Активная откачка снизила гидростатический напор под Маргерой более чем на 18 м, а под Венецией — более чем на 7,5 м. Наибольшее уплотнение осадков вышло в интервале меж глубинами 100 и 300 м, а большая часть скважин в Маргере откачивали воду из водоносных горизонтов, залегающих на глубине от 200 до 300 м. К счастью для Венеции, удаление грунтовых вод не привело к очень сильному уплотнению осадков и проседание составляет в среднем около 1,5 см на каждый метр падения артезианского напора. Для сопоставления можно отметить, что в Центральной Калифорнийской равнине отмечена скорость опускания в 6 раз больше, а оседание в Мехико составляет 15 см на каждый метр падения артезианского напора.
Имеются и другие причины, обусловливающие неизменное опускание Венеции. Огромную нагрузку на осадки вызвала насыщенная застройка лагунного района, развернувшаяся в XX веке. Не считая того, начиная с 1935 г. из четвертичных отложений, залегающих под дельтой реки По, добывался природный газ, пока в 1955 г. добыча его не была запрещена из-за проседания. Но не так давно было высказано предположение, что извлечение газа вызывало проседание исключительно в районе, расположенном еще южнее самой Венеции.
Ко всем известным различным типам проседания суши нужно добавить еще увеличение уровня моря. Этот процесс, происходящий в мире, связан с постепенным таянием полярных льдов вследствие неизменного увеличения средней температуры на Земле. Подъем уровня моря эквивалентен опусканию суши на 1,5 см в столетие.
Таким макаром, опускание Венеции происходит как в итоге естественных процессов, так и вследствие деяния еще более сильного фактора — извлечения воды. Последнее воздействие, непременно, может быть предотвращено. Но только циклопическое разрушительное наводнение 1966 г. подвигнуло правительство к действиям. В 1973 г. было отпущено более 200 млн. фунтов стерлингов на защитные сооружения. Другим принципиальным результатом действий правительства было воспрещение откачивать воды из горизонтов под Маргерой. Был построен акведук, подающий воду из реки Силь, протекающей к северу от городка. Благодаря этому гидростатическое давление в осадках, залегающих под Венецией, стало повышаться, а проседание зи последние пару лет существенно сократилось, но оно не тормознуло, так как природные процессы продолжают развиваться.
Из многих выдвинутых предложений по спасению Венеции выделяются два проекта.
Какой-то из них заключается з том, чтоб установить большие плавучие плотины в каналах меж лагуной и Адриатическим морем. При наводнении эти плотины можно закрепить и тем отвратить увеличение уровня воды в городке. Единственным недочетом этого проекта является резкое сокращение приливно-отливной чистки каналов Венеции, что по сей день спаслло город от засорения отбросами, которые просто спускаются в каналы. Потому в цена этого проекта должны заходить расходы на сооружение современной очистной системы для всего городка. Нужно отметить, что этот план ориентирован на защиту от воды, а не на предотвращение проседания, которое в дальнейшем востребует все более нередкого закрытия плотин, т. е. вероятной изоляции лагуны.
Другой, более смелый, проект предугадывает фактическое приподнятие всего городка. В дно лагуны предлагается врыть стенку глубиной около 100 м и длиной 13 км, которая стопроцентно окружала бы город. Она должна изолировать водоносные, горизонты в песочных осадках, залегающих конкретно под городом, от их продолжений под остальной частью лагуны, так как песочные пласты, по существу, горизонтальны и подстилаются водонепроницаемыми глинами. Потом воду следует накачивать назад в водоносные горизонты, что повысит давление поровых вод. В итоге город приподнимется, так как осадки опять расширятся, по последней мере до собственного прежнего объема. Правда, могут появиться определенные трудности; к примеру, замедление движения грунта при трении о стенку может определить куполообразное выгибание местности городка. Но этот план все таки дает наилучшее решение препядствия, чем 1-ый, и опыт Лос-Анджелеса по закачке воды указывает, что таковой проект может сработать. Если же этого не произойдет, Венеция будет медлительно опускаться до того времени, пока совершенно не пропадет под водами собственной известной лагуны.
Город Мехико размещен очень живописно: он раскинулся в широкой котловине с плоским дном на 2257 м выше уровня моря и окружен горами. Котловина имеет длину более 80 км и среднюю ширину 24 км. Она пересекается обилием маленьких речек. Плоская форма дна котловины обоснована массивным слоем подстилающих осадков, представленных грубозернистыми песками, перекрытыми тонкозернистыми глинами. Геологический разрез этого района имеет последующее строение.
Нижняя пачка песков и галечников выслеживается до глубины 500 м; ее обломочный материал представлен приемущественно вулканическими андезитами. Эти отложения являются высокопродуктивным водоносным горизонтом. Залегающие выше две массивные пачки верхнеплейстоценовых глин сходны меж собой; они представлены бентонитами, т. е. состоят приемущественно из монтмориллонита с маленький примесью других глинистых минералов, также глинистых алевритов. Хотя все глинистые минералы имеют некую способность задерживать воду благодаря слабеньким электронным связям, монтмориллонит проявляет это свойство посильнее всех. При увеличении в тыщи раз под электрическим микроскопом можно созидать, что кристаллическая структура монтмориллонита состоит из полых трубочек, схожих на макароны, которые и присваивают монтмориллониту способность абсорбировать воду.
Верхний слой глины имеет среднюю пористость 88 %, а нижний — около 82 %. Другими словами, 88 % (либо 7/8) верхнего слоя мягенькой глины — это вода, и только 12 % —твердый минеральный материал. Тот факт, что вода в глинистых минералах связана (хотя и очень слабо), значит, что этот материал представляет собой не просто водянистую грязюка, а является очень мягеньким, пластичным веществом. На таковой породе не следовало бы строить большой город. К огорчению, все это стало понятно через много лет после того, как город Мехико был построен.
Проседание Мехико в первый раз было отмечено в XIX веке; в это время как раз была усилена откачка воды из скважин, пройденных в высокопродуктивных песочных водоносных горизонтах, залегающих ниже 50-метровой отметки. К 1959 г. часть городка осела на 4 м, наибольшее проседание составило 7,6 м. Скорость опускания в текущее время приметно возросла, так как город вырастает, а как следует, вырастает и откачка воды. С 1898 по 1938 г. каждогоднее проседание в среднем составляло 4 см, за последующие 10 лет оно возросло до 15 см, в период 1948–1952 гг. достигнуло 30,5 см, а местами даже превысило 60 см. К 1948 г. стало ясно, что предпосылкой проседания Мехико является добыча воды, но еще многие годы после чего было более 3000 скважин, поивших возрастающий город и сразу подтачивавших его фундамент.
Артезианский напор в основных водоносных горизонтах до выкачивания воды размещался приблизительно на уровне поверхности грунта, в конце 50-х годов XX века он понизился на 20–30 м. Разумеется, падение гидростатического давления в песках и галечниках вышло очень стремительно, но при очень низкой проницаемости перекрывающих слоев глины вода через их сочилась очень медлительно. Это связывание воды глиной в этом случае имело подходящие последствия, так как оно замедлило общее падение давления и, как следует, проседание грунта. В итоге проседания многие обсадные трубы скважин вышли на поверхность. Так, одна из скважин, пробуренная до глубины 90 м, была остановлена, при этом ее обсадная труба находилась на уровне поверхности земли. К 1954 г. этот район погрузился на 6 м, а обсадная труба выступила из грунта на 5,5 м. Это ясно указывает, что практически все проседание было обосновано уплотнением верхних 90 метров осадков.
К огорчению, выход обсадных труб на земную поверхность — не единственное последствие проседания Мехико. Были повреждены строения, очень пострадали водопровод и осушительные каналы, в особенности в тех местах, где шло неоднородное проседание, вызванное разной нагрузкой. Пожалуй, самым грустным последствием проседания было повреждение прекрасного Дворца роскошных искусств, находящегося в самом центре городка. Строительство дворца началось в 1904 г. и было закончено исключительно в 1934 г. Если фундаментом служила бетонная площадка шириной 3 м, высшая часть которой находилась на уровне поверхности земли. Еще до того момента, когда началось строительство, бетонный настил приметно прогнулся посредине и во время возведения строения он больше проседал, погружаясь в землю. К 1908 г. отчасти построенное здание опустилось более чем на 1,5 м, а через два года в фундаменте появилась трещинка. В 1910 г. была изготовлена попытка стабилизировать дворец, и в подстилающий слой глины было залито в виде водянистого раствора 70 000 мешков цемента. Но тонкодисперсная структура глины не позволяла раствору распределиться однородно, и заместо цементирования и стабилизации вышло последующее: цементный раствор ишак в виде сгустков и сказал дополнительную нагрузку на глину, что, возможно, ускорило предстоящее проседание.
Через 5 лет вокруг дворца были забиты железные сваи, потому что подразумевали, что опускание обосновано боковым смещением глины под воздействием нагрузки. Но эти меры тоже оказались бесплодными, ведь глина не съехала, а просто уплотнилась вследствие просачивания воды вниз. Невзирая на это строительство длилось, и уже построенный дворец больше погружался в землю. На данный момент он погрузился более чем на 3 м ниже уровня окружающих улиц. Неоднородность проседания обоснована огромным весом дворца. Чтоб попасть на его нижний этаж, нужно спуститься по ступеням, ведущим вниз. Более легкие дверные арки погрузились меньше и потому оторвались от головного строения. Проезжие части окружающих дворец улиц растрескались и заполучили наклон по направлению к дворцу.
Подведение соответственных несущих конструкций, опирающихся на песочные породы, залегающие на глубине 33,6 м, стремительно приостановило бы проседание Дворца роскошных искусств. Этот инженерный проект полностью осуществим. Забивка глубочайших свай применялась при постройке многих современных построек в городке. Но эти сваи, как и обсадные трубы скважин, с течением времени начинают выступать над поверхностью земли — по мере того, как длится проседание окружающих улиц. Потому таковой метод не дает в Мехико полного решения трудности. Нужно приостановить проседание, ликвидировав его причину, а для этого нужно уменьшить откачку вод. В 1952 г. начали подводить воду к городку, извлечение грунтовых вод было остановлено, а на последующий год стали закачивать воду назад в обезвоженные, ранее водоносные горизонты. В итоге к 1974 г. проседание городка уменьшилось до 2,5 см в год, что уже полностью приемлемо. Красивым прототипом инженерного решения препядствия борьбы с проседанием грунтов является Латиноамериканская башня. Это 43-этажное административное здание, построенное в 1951 г., было установлено на сваях, которые на 34 м погружены в грунт и добиваются толщи песчаника. В окружающем здание районе вода из глин не откачивается, и породы потому не испытывают дополнительного уплотнения. Латиноамериканская башня размещена всего в одном квартале от Дворца роскошных искусств, но вход в нее соответствует уровню земли.