Тонущие города
Шрифт:
До сих пор мы рассматривали этот вид оседания как вредный процесс. Но одно из правил изобретательства — обрати вред на пользу — не обошло и это явление. Действительно, если понижение напора или уровня подземных вод приводит к сжатию грунтов, почему бы не использовать его там, где это необходимо, скажем при строительстве на слабых грунтах?
В 1935 г. советский инженер М.Е. Кнорре изобрел способ уплотнения оснований под сооружения, сущность которого — в понижении уровня подземных вод путем их откачки из скважин. (Обратите внимание на дату, тогда еще литературных сведений о «вредном» оседании не было, так что, пожалуй, правильнее говорить не об обращении вреда на пользу, а о широком «вредном» распространении полезного эффекта.) Однако полезное применение этого эффекта ограничивается, по-видимому, единичными случаями,
Один из примеров возможности полезного применения этого эффекта (пока на стадии предложения) относится к задаче сохранения падающей Пизанской башни. Профессор Э. Нонвейллер (Загребский университет, Югославия) иллюстрирует этим примером теорию дренажного уплотнения грунтов.
Колокольня в Пизе (Италия) известна своим необычайно большим наклоном. Башню начали строить в 1173 г. и, возведя 4 этажа, строительство прекратили. В это время башня уже заметно осела и наклонилась. Почти через 100 лет, в 1272 г., строительство возобновили и вскоре вновь остановили, закончив седьмой этаж. Еще через 90 лет надстроили восьмой этаж с колокольным шатром, закончив строительство в 1370 г. На каждой стадии строители стремились выправить наклон башни, возведя очередные этажи вертикально. В результате ось башни получилась в виде ломаной линии, ее секции имеют разный наклон. В 1974 г. верх башни на высоте более 58 м отклонился от вертикали на 5,34°, причем скорость продолжающегося наклона составляла 7,5 угловых минут за этот год. Считают, что в предстоящие 50 лет, если ничего не будет предпринято, башня потеряет стабильность и упадет.
В основании башни лежат недавно сформировавшиеся грунты (во время Римской империи здесь было море): до глубины около 10 м — слабые пески и илы, под ними — 15-метровый слой пластичной глины, 2–3-метровый слой песка, 13-метровый пласт глины и затем плотный песок. В результате наклона башни нагрузка на грунт распределена неравномерно, увеличиваясь в сторону наклона. Это следствие наклона является одновременно причиной продолжающегося «падения» башни: увеличивающееся с одной стороны давление дополнительно уплотняет грунт, тогда как с противоположной стороны грунт остается менее уплотненным. Тенденция к продолжающемуся наклону может быть ликвидирована, если с наименее нагруженной стороны башни уплотнить и осадить грунт дополнительной нагрузкой.
Эта дополнительная нагрузка может быть создана, например, временной насыпью грунта или железобетонной плитой, притянутой к поверхности анкерами (последний вариант предложил К. Федер из Австрии)..
Дополнительную нагрузку можно создать и понижением уровня подземных вод. С этой целью профессор Э. Нонвейллер предлагает устроить систему дренажных скважин, размещенных в основании башни со стороны, обратной наклону, и с помощью вакуума уменьшать давление воды в порах глинистого пласта на глубине от 10 до 25 м (рис.66). Преимущество этого способа в том, что процессом консолидации грунта и его осадки можно легко управлять, изменяя величину вакуума в скважинах. В частности, во внешних скважинах целесообразно создавать более глубокий вакуум, чем во внутренних. Расчетом было установлено, что в течение года угол наклона башни можно уменьшить на 0,24°, т.е. башня может быть приведена в состояние, в каком она была 160 лет назад. Последующее регулируемое действие вакуумного дренажа позволит добиться прекращения «падения» башни, т.е. стабилизировать угол ее наклона.
Помимо рассмотренной, существует еще много причин оседания поверхности земли. В ряде городов выделяют более 20 генетических типов вертикальных смещений, основную роль среди которых играют техногенные факторы. К ним относятся статические и динамические нагрузки на грунты от веса сооружений, вибрации оборудования и транспорта. Чаще всего обусловленные ими оседания
Большие площади могут занимать территории, поверхность которых оседает под воздействием подземных выработок. Проходка подземных выработок оказывает влияние на расположенную над ними толщу грунтов, изменяя их напряженное состояние и часто приводя их в движение. Особенно это проявляется на территориях угольных месторождений, разрабатываемых подземным способом с обрушением горных пород в выработанное пространство. Сдвижение и деформация грунтов в массиве достигают поверхности и образуют мульды проседания, осложняющие наземное строительство на территориях угольных бассейнов.
Эффективное средство предупреждения этих опасных последствий — выемка угля с последующей закладкой выработанного пространства. Для проведения этих работ создаются комплексы породозакладочных машин. Применяются и другие инженерные решения, но их сущность аналогична: заменить выработанный из земли материал другой опорой, препятствующей деформации лежащей выше толщи пород. Эта проблема актуальна для многих стран мира, большой опыт по ней накоплен в СССР и других промышленно развитых странах — Англии, США и др.
Оседания поверхности земли часто связаны с широко распространенными просадочными явлениями. Просадке — быстрому оседанию поверхности на глубину до нескольких метров — подвержены при водонасыщении лессовые и подобные им грунты, мощные толщи которых занимают обширные территории на юге европейской части Союза, в Средней Азии, во многих странах на разных континентах.
Строительство и эксплуатация зданий и сооружений на просадочных грунтах являются предметом забот большого раздела инженерной геологии, строительной науки и практики. Решение этой проблемы идет разными путями: ликвидацией причины просадок, т.е. предотвращением поступления воды в грунт, преобразованием свойств грунтов с целью ликвидации их просадочности, проведением просадки перед строительством.
Оседание поверхности земли происходит еще по ряду причин и в разных условиях. Карстовые пещеры в известняках являются естественной причиной провалов поверхности. Разнообразные деформации поверхности земли происходят в зоне вечной мерзлоты.
Все эти и подобные им явления часто происходят не по естественным природным причинам, а в связи с деятельностью человека. В инженерной геологии существует понятие техногенез — геологическая деятельность технически вооруженного человека. Эта деятельность включает переработку огромных масс горных пород при добыче полезных ископаемых и строительстве, преобразование рельефа земной поверхности, изменение режима поверхностных и подземных вод и многое другое. Изменяя природу, человек не только достигает тех конкретных целей, к которым он стремится, но вызывает и косвенные, часто не учтенные последствия. Оседания поверхности земли — это чаще всего именно такие косвенные последствия, вредные и иногда опасные для людей. Научиться их предвидеть и учитывать в своей деятельности — одна из важных задач современной науки и техники.
ГОРОДА ПОД ЗЕМЛЕЙ
Город, особенно крупный современный город, — это не только здания, улицы и все остальное, что мы видим на поверхности. Это еще и большое подземное хозяйство — от подвалов зданий до тоннелей к станций метро.
Рост численности населения, проблемы обеспечения его жильем, работой, многообразным обслуживанием, нарастающее насыщение городов транспортом привело к росту городов по всем координатам: к вширь, и ввысь, и вглубь. Не одновременно, а именно в этой последовательности, потому что рост вглубь, освоение подземного пространства наиболее сложно и дорого. Но необходимо. Основные причины этой необходимости — возрастающий дефицит свободных территорий, особенно в центральных районах крупнейших городов, где одновременно с решением градостроительных проблем должны быть сохранены памятники культуры и искусства; транспортные проблемы; оздоровление городской среды; стремление сделать города красивыми и удобными для жизни.