Тонущие города

Для пояснения этого явления рассмотрим упрощенную модель (рис. 64). Интересующие нас свойства грунтовой толщи — ее вес и сжимаемость — изобразим в виде груза, лежащего на пружине. Поместим эту систему в сосуд с водой и вспомним закон Архимеда. На затопленный груз действует выталкивающая сила, а на пружину давит вес груза за вычетом выталкивающей силы. Теперь отольем часть воды, понизим ее уровень на глубину h_В. Груз затоплен не полностью, выталкивающая сила уменьшилась, а следовательно, сила, действующая на пружину, увеличилась. Под воздействием этой добавочной нагрузки (она равна разности выталкивающих сил до и после понижения уровня воды) пружина сжимается и груз опускается на глубину h_Д. Это и есть оседание поверхности.

^{Рис. 64. Модель оседания поверхности земли при понижения уровня подземных вод}

^{1 — груз; 2 — пружина}

Реальность, конечно, сложнее и многообразнее этой простой схемы. Процесс оседания поверхности зависит от очень многих факторов, в первую очередь — от геологического строения территории и ее гидрогеологических условий.

Ближе всего к рассмотренной модели случай, когда понижение уровня подземных вод происходит в сравнительно однородной толще грунта, заключающей в себе единый водоносный горизонт (рис.65, а). В этих условиях откачка воды приводит к образованию депрессионной воронки, внутри которой происходит осушение грунта. Вода отфильтровывается из пор и каждая грунтовая частица освобождается от взвешивающего давления воды. «Тяжелеет» весь осушенный грунт в пределах депрессионной воронки и под этой нагрузкой происходит его сжатие.

На первый взгляд, парадокс: мы выкачиваем из грунта воду, т.е. убираем вес воды, казалось бы, нагрузка должна уменьшиться, а не увеличиться. Противоречия здесь нет, весь вопрос в том, к чему приложены нагрузки. Давление воды передается только на лежащую ниже воду, это давление нейтрально по отношению к грунту (оно и называется в механике грунтов нейтральным давлением). Частицы грунта испытывают всестороннее давление окружающей их воды, но вес их от этого не увеличивается, наоборот, он уменьшается в результате воздействия выталкивающей силы. Вес же грунтовых частиц, контактирующих друг с другом, передается на лежащие ниже грунтовые частицы, это давление называется эффективным. Оно и создает нагрузку, способную уплотнять грунт.

величина добавочной нагрузки, возникающей при осушении грунта, составляет примерно 8 Н/см² на каждые 10 м понижения уровня воды. Добавочная нагрузка передается и на лежащий ниже водонасыщенный грунт, происходит его уплотнение. В результате оседает земная поверхность.

Такие случаи характерны главным образом для осушения месторождений полезных ископаемых и строительного водопонижения на небольшую глубину (до десятков метров): однородные водоносные толщи грунта редко распространяются на большие глубины.

^{Рис. 65. Оседание поверхности земли при понижении уровней (напоров) подземных вод}

^{а — при осушении однородной толщи грунта; б — при понижении напора в изолированном пласте; в — при понижении напора в слоистой толще грунта (слева — до откачки воды, справа — при откачке);}

^{1 — уровень подземных вод до откачки воды; 2 — депрессионная воронка; 3 — слабопроницаемый слой грунта; 4 — напорный водоносный слой; 5 — перетекание воды}

Чаще встречается слоистое строение грунтовых толщ, при котором геологический разрез представлен чередованием водопроницаемых (например, песчаных) и водоупорных (например, глинистых) слоев (рис.65, б). В подобном случае откачка воды, нефти или газа из промежуточного проницаемого слоя приводит к уменьшению напора (давления) на непроницаемую кровлю этого слоя, что также ведет к перераспределению давлений грунта и увеличению нагрузки. Возвратимся к модели. Для этого случая ее надо выполнить таким образом, чтобы груз плотно — в виде поршня — перемещался в сосуде. В этом случае дополнительная нагрузка на пружину при снижении уровня воды возникнет не по закону Архимеда, а в результате уменьшения давления на нижний торец поршня. При уменьшении взвешивающего противодавления на 0,1 МПа (при понижении напора воды на 10 м) дополнительная нагрузка составит 10 Н/см².

По этой схеме, как видим, осушения грунта не происходит, изменяются только величины напоров и давлений. Сжатию подвергается не вся толща грунта, а только ее часть, расположенная ниже непроницаемой кровли пласта, из которого производится откачка. Такие условия характерны для, глубоких горизонтов, изолированных от лежащих выше толщ плотными непроницаемыми породами.