Уплотнение — это естественный процесс, при котором осадки уменьшаются по объему, что в большинстве случаев происходит вследствие давления перекрывающих осадочных слоев. Большая часть осадочных пород отлагается в воде, и уплотнение — это часть процесса перевоплощения их в твердую породу. Необходимо подчеркнуть, что геологи именуют это уменьшение начального объема уплотнением, тогда как инженеры-строители именуют его консолидацией. Отсюда и происходит термин «неконсолидированные осадки», обозначающий рыхловатые, крошащиеся и еще не уплотненные породы. Для инженеров термин «уплотнение» относится к искусственным способам, таким как трамбовка либо вибрация, вызывающим сокращение объема, называемое ими консолидацией. В следующих разделах термин «уплотнение» будет употребляться в геологическом смысле этого слова.
Экстремальный случай уплотнения касается породы растительного происхождения — торфа. Найти уплотнение торфа трудно, потому что этот процесс может длиться миллионы лет, до того времени пока торф в конце концов не перевоплотится в уголь. Можно считать, что торф уплотняется более чем в 10 раз относительно собственного начального объема. Большая часть этого сокращения связана с удалением воды, что лежит в базе уплотнения большинства осадков. Как следует, уплотнение торфа может очень зависеть от деятельности человека. Район Фенланд к югу от залива Уош в восточной Великобритании являет собой традиционный пример уплотнения торфа и проседания, связанного с осушением (так как торфяники делают очень злачную землю). В 1848 г. в лежащий ниже торфа слой была поставлена стальная 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 практически на 4,5 м. Уплотнение на 56 % вышло наименее чем за 100 лет. В 1848 г. нижние слои торфа уже были существенно уплотнены под воздействием веса перекрывающих пород, уплотнение длится и в текущее время.
Если из торфа удалена вода, то идет предстоящее 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, в особенности на Флоридской низменности. Тут уровень грунта при культивации падает приблизительно на 30 см за 10 лет. При всем этом участки наибольшего проседания примыкают к осушительным каналам. Дельта реки Сакраменто в Калифорнии представляет собой широкий торфяной район, который осушался в сельскохозяйственных целях. Вследствие этого местность опустилась ниже уровня моря, и при появлении проломов в искусственных речных дамбах происходят превосходные наводнения.
Торф является не единственным материалом, который так очень уплотняется. Голландские инженеры при осушении земель, ранее покрытых морем, нашли, что глины уплотнились на 25–50 % зависимо от размера зернышек и содержания алеврита. Глины по сопоставлению с торфом сокращаются в объеме в наименьшей степени, не считая того, это не связано с хим переменами. Потому последствия процесса легче предсказать. Собор Темпль в городке Бристоль (Великобритания) был построен в XIV–XV веках, когда геологические условия установки фундамента еще были неопознаны. Построенный на мокроватом грунте аллювия реки Эйвон, он имел шансы устоять. На данный момент башня собора отклонена на 1 м 22 см от начального положения, но все еще стоит. В более просвещенные времена, т. е. не так давно, в городке Ноттингем (Великобритания) было выстроено промышленное предприятие на схожем 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 маленькими деформациями. Зато появилась дополнительная неувязка — наклон флигелей, расположенных в сфере оседания, вызванного большенными зданиями.
Можно разглядеть еще случай со строительством зернового элеватора в центральной Канаде меж 1911 и 1913 г. Он был построен на тонкозернистых алевритистых глинах озерно-ледни-кового происхождения. Бетонный фундамент на ростверке располагался в котловине глубиной 3,5 м. Тесты проявили, что глина на этой глубине может выдержать нужную нагрузку. Но когда в октябре 1913 г. в первый раз был засыпан зерновой силос, элеватор сходу ишак на 30 см и в течение 24 ч отклонился на 26° от вертикали. К счастью, бетонная конструкция не была очень повреждена. Потом обнаружилось, что под верхними довольно крепкими слоями глины на глубине около 10 м залегали более сырые и еще наименее надежные породы. Конкретно эти породы не были испытаны заблаговременно и осели под нагрузкой. Позже элеватор был выпрямлен, а его фундамент помещен на глубину 16 м, где подстилающей породой служил жесткий песчаник. Элеватор работает до сего времени.
Дельты являются районами активного осадконакопления, где проседание происходит не только лишь в итоге уплотнения самих осадков, да и вследствие других обстоятельств. Дельта реки Миссисипи в Соединенных Штатах интенсивно изучалась, было рассчитано, что уплотнение осадков обусловливает проседание в среднем на 9 см за 100 лет. Не считая уплотнения имеет место опускание пород земной коры, связанное с нагрузкой дельтовыми осадками, оно составляет 2 см за 100 лет. Сразу происходит повсеместное увеличение уровня моря на 9,8 см за 100 лет, которое затрагивает и дельту. Амплитуды проседания приведены усредненные, и если учесть местные варианты, зависящие от типа осадков, то перспективы положения уровня дельтовой области кажутся очень неясными. Город Бэйлайз на Луизианской стороне дельты был оставлен жителями в 1888 г. во время эпидемии лихорадки, а через 50 лет улицы городка оказались на 1 м 22 см покрытыми водой.
Тогда как удаление воды является главной предпосылкой уплотнения одних осадков, привнос воды может вызвать схожие результаты в неких других осадках. Лёсс представляет собой эоловые алевритовые отложения, которые встречаются в различных концах света. Когда лёсс в первый раз намокает, он подвергается гидре» уплотнению, сопровождающемуся значимым сокращением объема. Если при оросительных работах в аридных либо полуаридных зонах встречается лёсс, появляются трудности. Район, расположенный к западу от городка Фресно, в Центральной Калифорнийской равнине, испытал пространное проседание вследствие гидроуплотнения. Оросительные каналы поставляли в этот район воду, земля намокала, и результатом этого стала просадка на 5 м с повреждением построек, дорог, трубопроводов, скважин и, в конце концов, самих каналов. В ближайшее время найдено решение этой трудности: земля затопляется водой заблаговременно, чтоб гидроуплотнение вышло до того, как канал будет построен.
Справедливо было бы отметить, что слабенькие просадки не являются помехой для строительства, в особенности в тех случаях, когда оно ведется не в прибрежных, а во внутриконтинентальных районах. Но проседание таит внутри себя суровую опасность, если оно неоднородно для 1-го и такого же строения, что может быть обосновано разной степенью уплотнения грунтовых материалов. Ряд домов, построенных вдоль одной улицы в Ноттингеме (Великобритания) сначала XX века, — броский пример этого явления. Через много лет после того как эти дома были построены, одна из стенок последнего дома так очень осела, что жителям пришлось покинуть его. В поисках предпосылки проседания исследователи нашли древную карту, которая была составлена за длительное время цо строительства осевших домов. На ней был показан маленькой карьер, край которого лежал как раз под покоробленным домом. Позже карьер, возможно, был засыпан бытовыми отбросами, и на поверхности от него не осталось никаких следов. Проектировщики домов не сделали ни мельчайшей пробы изучить место застройки и даже не проверили имеющиеся документы и карты. Потому дом, одна сторона которого стояла на жесткой породе, другая — на уплотненном мусоре, был обречен.
Наклонение и повреждение строений может быть обосновано не только лишь разной степенью уплотненности их основания, как это было в Ноттингеме, да и другими причинами. Хоть какое здание, построенное на мягенькой и пластичной глине, находится в неуравновешенном равновесии, и даже самое слабенькое нарушение этого равновесия повлечет за собой осадку строения. Падающая Пизанская башня, привлекающая огромное количество туристов, бытует во всех работах по оседанию грунта. Старый город Пиза был построен на широкой плоской равнине, лежащей практически на уровне моря; над городом высятся хребты Апеннин. Хотя тонкий рельеф и был благоприятен для строительства, но рыхловатые осадки, из которых сложена равнина, также инженерно-геологические условия закладки фундамента нужно считать очень неподходящими для хоть какой большой постройки.
Падающая Пизанская башня представляет собой колокольню, пристроенную к собору. Главное здание собора, сооруженное в XI веке, пострадало от проседания, которое вышло скоро после того как строительство его было закончено. Но собор наклонился некординально, так как высота и ширина его различались ненамного. Строительство колокольни началось веком позднее, в 1173 г. Через пару лет, когда были готовы три этажа, башня уже наклонилась так очень, что конструктор приостановил строительство и покинул Пизу. Так как вес башни сейчас не рос, она стабилизировалась и движение закончилось, так что в 1275 г. другой конструктор решил продолжить строительство, ликвидировав наклон добавлением излишних слоев каменной кладки по осевшей стороне, другими словами, башне был искусственно придан извив. Но башня продолжала наклоняться. Ее постройка завершилась исключительно в 1350 г., после того как за работу взялся 3-ий конструктор и на оседающую стенку было добавлено еще несколько слоев кладки. С того времени башня безпрерывно продолжает наклоняться, и на сегодня 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; чтоб попасть в ее входную дверь, нужно спуститься по ступенькам, ведущим вниз. Но 2 м — это средняя цифра. В связи с наклоном южная сторона башни осела приблизительно на 3 м, а северная — на 1 м. Неодинаковая осадка сначало была связана с маленькими переменами в подстилающих отложениях. Когда появился наклон, сдвиг центра масс башни сделал крутящий здание момент, который растет с повышением наклона. Конкретно под поверхностью земли залегает слой алевритов и глин плиоценового возраста. Этот слой мощностью 4,6 м очень пластичен и просто поддается сжатию. Обычное лабораторное испытание этих осадков на физическую крепкость сразу позволило бы предсказать их уплотнение и осадку под действием веса башни. Фундамент башни состоял всего-навсего из кольцеобразной каменной кладки поперечником около 18 м, заложенной на 1,5 м ниже уровня земной поверхности. Башня подымается на 55 м, т. е. ее высота в 3 раза превосходит ширину основания. Если такую конструкцию установить на очень мягеньких алеврите и глине, то наклон неизбежен.
Поверхностный слой под башней равномерно перебегает в слой песка, залегающий в интервале меж 4,6 и 9,2 м. Песок, в сути, не поддается сжатию, и он еще наименее подвижен, чем глино-алевритовые пласты. Хотя песок и не является безупречным фундаментом, он практически наверняка играет положительную роль в сдерживании скорости осадки и сохранении относительно маленького угла наклона башни. Можно даже полагать, что 3-метровый слой глин и алевритов, залегающий меж фундаментом башни и песком, к истинному времени стал прочнее в связи с осушением при неспешном уплотнении под нагрузкой. Этим и разъясняется, почему башня все еще стоит вот уже в течение 700 лет. Но слой песка, залегающий на глубине приблизительно 5—10 м, содержит тонкие глинистые и алевритовые зоны, которые становятся сильнее по направлению к югу. Их мощная подверженность сжатию разъясняет начальный наклон башни. К тому же под слоем песка залегает более мягенькая пластичная глина, прослеживающаяся до глубины 40 м, где она^подстилается горизонтомплот-ных песков. Движения в глино-алевритовом, песочном и глинистом слоях могут начаться в хоть какой момент, тогда и наклон башни должен возрости.
Что все-таки ожидает известную Пизанскую башню? Она полностью может быть зафиксирована в ее теперешнем положении методом подведения фундаментов и закрепления их на слое песка, лежащем на глубине 39,7 м. Уже было испробовано впрыскивание водянистого цементного раствора в подстилающие осадки, но это не отдало приметных результатов. Нужно находить какое-то другое смелое решение, при этом нужно учесть тот факт, что работать придется под таковой слабоуравновешенной постройкой. Предложен ряд проектов укрепления башни. При подходящем стечении событий они будут удачно проведены в жизнь, в неприятном случае Пизанская башня сумеет выдержать еще приблизительно столетие.