Катастрофы: неистовая Земля - Тони Уолтхэм

Верхний слой глины имеет среднюю пористость 88 %, а нижний — около 82 %. Другими словами, 88 % (или 7/8) верхнего слоя мягкой глины — это вода, и только 12 % —твердый минеральный материал. Тот факт, что вода в глинистых минералах связана (хотя и очень слабо), означает, что этот материал представляет собой не просто жидкую грязь, а является очень мягким, пластичным веществом. На такой породе не следовало бы строить большой город. К сожалению, все это стало известно через много лет после того, как город Мехико был построен.

Проседание Мехико впервые было отмечено в XIX веке; в это время как раз была усилена откачка воды из скважин, пройденных в высокопродуктивных песчаных водоносных горизонтах, залегающих ниже 50-метровой отметки. К 1959 г. часть города осела на 4 м, максимальное проседание составило 7,6 м. Скорость опускания в настоящее время заметно увеличилась, поскольку город растет, а следовательно, растет и откачка воды. С 1898 по 1938 г. ежегодное проседание в среднем составляло 4 см, за следующие 10 лет оно увеличилось до 15 см, в период 1948–1952 гг. достигло 30,5 см, а местами даже превысило 60 см. К 1948 г. стало ясно, что причиной проседания Мехико является добыча воды, но еще многие годы после этого существовало более 3000 скважин, поивших растущий город и одновременно подтачивавших его фундамент.

Артезианский напор в главных водоносных горизонтах до выкачивания воды располагался примерно на уровне поверхности грунта, в конце 50-х годов XX века он понизился на 20–30 м. Очевидно, падение гидростатического давления в песках и галечниках произошло очень быстро, но при крайне низкой проницаемости перекрывающих слоев глины вода через них просачивалась очень медленно. Это связывание воды глиной в данном случае имело благоприятные последствия, поскольку оно замедлило общее падение давления и, следовательно, проседание грунта. В результате проседания многие обсадные трубы скважин вышли на поверхность. Так, одна из скважин, пробуренная до глубины 90 м, была остановлена, причем ее обсадная труба находилась на уровне поверхности земли. К 1954 г. этот район опустился на 6 м, а обсадная труба выступила из грунта на 5,5 м. Это ясно показывает, что почти все проседание было обусловлено уплотнением верхних 90 метров осадков.

К сожалению, выход обсадных труб на земную поверхность — не единственное последствие проседания Мехико. Были повреждены здания, сильно пострадали водопровод и осушительные каналы, особенно в тех местах, где шло неоднородное проседание, вызванное разной нагрузкой. Пожалуй, самым печальным последствием проседания было повреждение великолепного Дворца изящных искусств, находящегося в самом центре города. Строительство дворца началось в 1904 г. и было закончено только в 1934 г. Если фундаментом служила бетонная площадка толщиной 3 м, верхняя часть которой находилась на уровне поверхности земли. Еще до того момента, когда началось строительство, бетонный настил заметно прогнулся посредине и во время возведения здания он все больше проседал, погружаясь в землю. К 1908 г. частично построенное здание опустилось более чем на 1,5 м, а через два года в фундаменте появилась трещина. В 1910 г. была сделана попытка стабилизировать дворец, и в подстилающий слой глины было залито в виде жидкого раствора 70 000 мешков цемента. Однако мелкозернистая структура глины не позволяла раствору распределиться однородно, и вместо цементирования и стабилизации произошло следующее: цементный раствор осел в виде сгустков и сообщил дополнительную нагрузку на глину, что, вероятно, ускорило дальнейшее проседание.

Через 5 лет вокруг дворца были забиты стальные сваи, так как предполагали, что опускание обусловлено боковым смещением глины под влиянием нагрузки. Однако эти меры тоже оказались бесплодными, ведь глина не съехала, а просто уплотнилась вследствие просачивания воды вниз. Несмотря на это строительство продолжалось, и уже возведенный дворец все больше погружался в землю. Сейчас он опустился более чем на 3 м ниже уровня окружающих улиц. Неоднородность проседания обусловлена гигантским весом дворца. Чтобы попасть на его первый этаж, надо спуститься по ступеням, ведущим вниз. Более легкие дверные арки погрузились меньше и поэтому оторвались от главного здания. Проезжие части окружающих дворец улиц растрескались и приобрели наклон по направлению к дворцу.

Подведение соответствующих несущих конструкций, опирающихся на песчаные породы, залегающие на глубине 33,6 м, быстро остановило бы проседание Дворца изящных искусств. Этот инженерный проект вполне осуществим. Забивка глубоких свай применялась при постройке многих современных зданий в городе. Но эти сваи, как и обсадные трубы скважин, со временем начинают выступать над поверхностью земли — по мере того, как продолжается проседание окружающих улиц. Поэтому такой способ не дает в Мехико полного решения проблемы. Необходимо остановить проседание, ликвидировав его причину, а для этого надо сократить откачку вод. В 1952 г. начали подводить воду к городу, извлечение грунтовых вод было остановлено, а на следующий год стали закачивать воду обратно в обезвоженные, ранее водоносные горизонты. В результате к 1974 г. проседание города уменьшилось до 2,5 см в год, что уже вполне приемлемо. Прекрасным образцом инженерного решения проблемы 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 достигают толщи песчаника. В окружающем здание районе вода из глин не откачивается, и породы поэтому не испытывают дополнительного уплотнения. Латиноамериканская башня расположена всего в одном квартале от Дворца изящных искусств, однако вход в нее соответствует уровню земли.

Проседание и обрушение в кавернозных известняках

Известняк известен тем, что эта порода часто содержит полости. Такие совершенно открытые пустоты представляют реальную опасность для стабильности земной поверхности. Когда слои породы, лежащие над полостью, обрушиваются, это вызывает проседание, обычно резкое — в противоположность медленной осадке, обусловленной проседанием пластичных отложений. С другой стороны, известняк обычно бывает очень прочным (его часто используют как строительный материал), и поэтому он способен образовывать своды даже над довольно большими пустотами (естественные полости могут иметь диаметр до 250 м). Кровля полости характеризуется тенденцией к частичному обрушению, пока не достигнет стабильной куполообразной формы. Большие камеры имеют ответвления и коридоры гораздо меньшего размера. Подземное обрушение даже в непрочных, сильнотрещиноватых известняках обычно происходит локализованно и в небольших масштабах.

Сочетание таких свойств, как прочность известняка, замедленность процессов растворения породы и ограниченный размер большинства полостей, делает обрушение их кровли сравнительно редким событием. В центральной части штата Флорида, где имеются обширные залежи известняка, несколько лет назад произошло обрушение полости. Внезапно, за одну ночь в открытой местности образовалась пропасть с отвесными стенами глубиной 30 м и диаметром около 34 м. Ее появление, вероятно, было обусловлено обрушением маломощной кровли над полостью довольно значительных размеров. Мел — тонкозернистая разновидность известняковых пород, обладающая малой прочностью. Мел подстилает обширные площади в южной Англии и северной Франции. Во Франции, недалеко от города Труа, в конце 60-х годов в результате обрушения меловых отложений образовался провал глубиной 15 м и диаметром 9 м.

Хотя большинство случаев обрушения известняков имело гораздо меньший масштаб, кавернозные породы представляют потенциальную опасность для построек. В 1956 г. в Пен-Парке города Бристоль (Англия) было предложено построить школу. В местных исторических документах упоминалось о большой пещере с вертикальным входом, который был закрыт веком раньше, после того как в нее свалился и разбился человек. Утверждалось, что кровля пещеры находится на глубине 6 м от поверхности земли. Вход был вскрыт, пещера тщательно осмотрена, и в результате этого обследования решено было выбрать другое место постройки. Известняк — не единственная порода, содержащая полости. Гипс и каменная соль, как уже отмечалось, тоже могут быть кавернозными, однако они менее прочны и быстрее растворяются, поэтому процесс проседания идет здесь по-иному. Обрушение же в базальтовых лавах сравнимо с проседанием известняка. Лавовые потоки, извергаемые вулканом, состоят из расплавленной породы, которая охлаждается и затвердевает, причем быстрее в своей поверхностной части. В базальтовых лавах еще горячие нижние слои могут вытекать из-под затвердевшей корки, в результате чего образуются полости.