Author: Ларионов А.К.
Tags: подземное строительство земляные работы фундаменты строительство тоннелей геология инженерия
Year: 1974
Text
в
А.К.Ларионов
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ
ИЗДАНИЕ ТРЕТЬЕ
ПЕРЕРАБОТАННОЕ И ДОПОЛНЕННОЕ
МОСКВА • «НЕДРА» • 1974
УДК 624.131.1
Анатолий Константинович Ларионов
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ
Издание третье переработанное и дополиеинсе
Редактор издательства А. И. Панова Художники А. Я. Гладышев и Е. П. Суматохин
Художественный редактор В. В. Евдокимов
Технический редактор В. В. Соколова Графики-иллюстраторы А. М. Якубов, Б. Д. Кондратьев Корректор А. Н. Ильина
Сдано в набор 2/VII 1974 г. Подписано в печать 7/Х 1974 г. Т-17815. Формат 84Х108’/зг. Бумага маш.-мелов Печ. л. 8,75. Усл. печ. л. 14,78. Уч.-изд. л. 14,16. Тираж 75000 экз. Зак. № 260/5030-2. Цена 58 коп.
Издательство «Недра», 103633, Москва, К—12, Третьяковский проезд, 1/19.
Владимирская типография
Союзполиграфпрома при Государственном комитете Совета Министров СССР по делам издательств, полиграфии н книжной торговли
Владимир, ул. Победы, д. 18-6,
„ 20806-515 Л------------
043(01)—74
102—74
© Издательство «Недра», 1974
ПРЕДИСЛОВИЕ
Настоящая книга рассказывает о грозных геологических явлениях, о путях покорения человеком природы, о поисках и неудачах, об успехах и ошибках. Ее главная задача — ознакомить широкий круг читателей с молодой наукой—инженерной геологией.
Первые два издания быстро разошлись, что свидетельствует о значительном интересе читателей к настоящей книге.
«Занимательная инженерная геология» не только имеет познавательное значение, но и оказывает помощь молодежи в выборе профессии. Она, несомненно, полезна геологам и строителям, в той или иной степени соприкасающимся с решением инженерно-геологических задач.
Третье издание книги подверглось некоторой переработке и дополнениям, связанным с развитием инженерной геологии.
ПРЕЖДЕ ЧЕМ СТРОИТЬ
ПРОЧНА ЛИ ПОВЕРХНОСТЬ ЗЕМЛИ!
БИОГРАФИЯ ГРУНТОВ
ПРОЧНА ЛИ ПОВЕРХНОСТЬ ЗЕМЛИ?
Несомненно, в детстве вы слышали сказки, в которых повествовалось о волшебных замках и крепостях, парящих над землей. Кто не увлекался фантастическими путешествиями Гулливера, встретившего целый летающий город — Лапуту? Сегодня человек, выйдя в космос, претворяет в жизнь самые дерзновенные фантазии. Однако его домом всегда была и останется Земля. На ее поверхности протекает жизнь и основная инженерная деятельность людей. Жилые дома и заводы, мачты и башни, аэродромы и ракетодромы, мосты и плотины располагаются на земной поверхности. Как говорят строители, она призвана служить основанием для построек.
Возникает законный вопрос: всегда ли поверхность Земли является надежной основой для зданий? С первого взгляда может показаться, что она достаточно прочна и нерушима. Однако многовековой опыт строителей опровергает это, Нередко «матушка»-земля ведет себя по отношению к сооружениям, возводимым человеком, как злая мачеха.
Достаточно вспомнить трагедии в Чили и Скопле, землетрясения в Ашхабаде и Ташкенте. Не проходит и недели, чтобы газеты и радио не принесли нам известий о неожиданных оползнях, провалах поверхности и других явлениях. История сохраняет память о катастрофических погружениях целых островов на дно океана. А гибель загадочной Атлантиды? Можно продолжить и далее список подобных катастроф, происходящих на поверхности Земли и долго сохраняющихся в памяти человечества, но и сказанное свидетельствует о том, что земля не всегда оказывается надежным основанием.
Еще в древности люди пытались разгадать причины грозных явлений. Не находя ответа на эти вопросы, они создали в своем представлении всемогущих богов, гнев которых порождал катастрофы и изменения поверхности Земли.
Прошло время, и развитие геологической науки позволило ответить на многие недоуменные вопросы. Оказалось, что поверхность Земли постоянно находится под воздействием внешней космической и солнечной энергии и внутренней энергии нашей планеты. Последняя связана главным образом с радиоактивными процессами, гравитационными силами и магнитно-электрическими полями. Все эти могучие силы природы, воздействуя на поверхность Земли, и порождают грандиозные геологические процессы, воздвигающие горы и образующие морские впадины.
В наше время появился третий источник изменений поверхности Земли, вызывающий многие нежелательные явления, — инженерная деятельность человека. Она ведет к обрушению поверхностей над шахтными полями, обвалам и оползням на склонах, подсекаемых дорожными выемками, заболачиванию или засолению обширных территорий и многим другим катастрофическим явлениям.
Ученым стали известны причины явлений, но возникли новые проблемы. Как предсказать неожиданные изменения поверхности? Как оценить их размеры и интенсивность? Наконец, что необходимо сделать для обеспечения прочности сооружений, создаваемых строителями? Поисками ответов на эти вопросы занимается одна из молодых отраслей геологии — инженерная геология.
9
Но этим не исчерпываются ее задачи. Инженерная геология помогает строителям определить прочность горных пород, слагающих поверхность Земли.
Кто из нас не любовался красивыми высотными зданиями Москвы, телевизионными башнями и другими величественными сооружениями! Сколько знания и искусства приходится вкладывать в создание подобных инженерных произведений. Стремись сделать их прочными и надежными, строители изобрели много разнообразных искусственных материалов (рис. 1). Среди них главное место занимает король материалов — железобетон. Каждый квадратный метр его поверхности способен выдержать давление в 5 и даже 10 тысяч тонн. Это равносильно массе 250—500 груженых вагонов.
Используя подобные материалы, строители создают монолитные и высокопрочные постройки.
Задумывались ли вы над тем, сколько весит такая постройка? Если мы вооружимся карандашом и сделаем подсчеты, то обнаружим, что масса даже сравнительно небольших жилых зданий высотой в 3—5 этажей оценивается довольно внушительной цифрой — в 4—15 тысяч тонн. Если сделать такой же подсчет для высотных зданий Москвы, то масса возрастет до 200—300 тысяч тонн.
10
Вот какой груз должна держать на себе Земля на участке застройки!
Теперь посмотрим, что собой представляет поверхность Земли. Прежде всего обнаруживаем, что она сложена самыми различными горными породами (называемыми строителями также грунтами). В сравнительно редких случаях это очень прочные природные образования: гранит, песчаник, известняк, — часто во много раз превосходящие по прочности железобетон. Зачастую, однако, встречаются рыхлые породы, такие, как песок, глина, суглинок. Свойства этих грунтов зависят от происхождения и природных условий, в которых им приходится существовать. Прочность их незначительна. Примером могут служить сильно увлажненные глины, которые не выдерживают давления в 5—10 тонн на квадратный метр, т. е. их прочность оказывается в тысячу раз меньше железобетона. Из рис. 1 видно, насколько велика разница между прочностью рыхлых грунтов, слагающих поверхность Земли, и строительными материалами, из которых сооружаются постройки.
Посмотрите на рис. 2. Вы видите аварию, которая произошла с железобетонным элеватором в Канаде. Слабые рыхлые породы, оказавшиеся в одной из частей его основания, во время постройки сильно уплотнились, вызвав одностороннюю осадку в 8,8 метра. Элеватор наклонился на 27 градусов. И что же? Породы основания разрушились, а железобетонная надземная часть осталась прочной и нерушимой.
Сохранение монолитности надземной части позволило строителям успешно выпрямить сооружение.
Однако не всегда такие аварии кончаются благополучно. На рис. 3 изображен момент неожиданного падения стометровой колокольни собора св. Марка в Венеции. Катастрофа произошла в 1902 г. вследствие разрушения грунтов, слагающих основание.
По свидетельству древнеримского историка Корнелия Тацита (55—120 гг.): «Некто Отилий, вольноотпущенник, решившись выстроить в Фиденах амфитеатр для гладиаторских представлений, с одной стороны, не положил фундамента на прочном грунте, с другой, не скрепил прочными союзами деревянных стропил...
...Переполненное здание пришло в сотрясение и, обрушиваясь внутри или рассыпаясь наружу, стремглав увлек-
11
Рис. 2. Авария элеватора в Канаде
Рис. 3. Падение колокольни собора св. Марка в Венеции, вызванное разрушением грунтов основания
12
ло с собой и покрыло огромную массу смертных, как смотревших на зрелище, так и стоящих кругом амфитеатра...».
Оказывается, породы, слагающие поверхность Земли, во многих случаях настолько непрочны, что возведение на них построек является опасным делом. Возникает ряд вопросов. Почему одни породы надежны для строительства, а другие опасны? Как отличить прочные участки от ненадежных? Можно ли все же строить здания на слабых грунтах?
Бесспорно, вопросы сложны, однако жизнь требует четких и обоснованных ответов на них. Инженерная геология и ее важнейшая составная часть — грунтоведение, изучающие разнообразные свойства грунтов (горных пород), успешно приходят на помощь строителям в решении самых сложных задач.
Знакомство с инженерной геологией полезно каждому. Разделы этой науки, раскрывающие причины катастрофических явлений, помогают борьбе с суевериями.
Мы живем в чудесное время построения светлого коммунистического будущего, когда самая смелая фантазия претворяется в действительность. С каждым днем наша социалистическая Родина становится все более могучей, все более прекрасной. Советский человек строит гигантские электростанции, проводит каналы, создает искусственные моря, пересекает тысячекилометровые пространства высоковольтными линиями и газопроводами, завоевывает Космос.
И везде рядом со строителем шагает инженер-геолог, помогающий разобраться в сложной природной обстановке земной поверхности и найти правильные решения для обуздания мощных сил природы.
БИОГРАФИЯ ГРУНТОВ
Чудесные создания природы — горные породы— многие тысячелетия являются верным спутником человека. Для людей древности они служили оружием и инструментом. Древние шумеры воздвигали из камня и глины величественные храмы. Первые книги были написаны человеком на пластинках из обожженной глины. Египтяне строили из камня свои неповторимые пирамиды и храмы. Из горных пород человек научился выплавлять металлы и получать ценнейшие материалы для строительства и промышленности. Без сомнения современный мир не смог бы существовать без горных пород. В истории человечества камни нередко обожествлялись и являлись объектом суеверий. В сказках и мифах народов Кавказа горные породы часто фигурируют как живые существа. У некоторых народов, населяющих горные районы Азии, до сих пор бытуют представления о возможности превращения живых существ в камни и обратного перехода их в живую природу. Если бы горные породы умели говорить, то каждая из них поведала бы нам интересную ис
14
торию своего существования. Как и у живых существ, в биографии пород можно условно говорить о «рождении», жизни, развитии и, наконец, «смерти». Конечно, эти термины в данном случае не имеют биологического значения.
Геологи сумели прочесть историю камней, открыть тайны их образования. Это оказалось возможным потому, что все этапы жизни горных пород оставляют следы на их составе, структуре, свойствах. Очень большое значение для изучения истории пород имеют расположение их в земной коре и остатки растений и организмов, часто обнаруживающиеся в их массе. Зная, в какой период жили те или иные представители фауны и флоры, можно судить и о возрасте слоев. Наконец, дата рождения пород может устанавливаться по степени распада радиоактивных элементов, входящих в состав пород.
Изучая и сопоставляя наблюдения, геологи шаг за шагом выясняли биографии пород. Оказалось, что их можно разделить по происхождению, или, как говорят геологи, по генезису (слово греческое, обозначающее в переводе на русский язык — происхождение), на 3 группы. К первой относятся изверженные массивно-кристаллические породы, образовавшиеся при застывании магмы на поверхности (излившиеся — эффузивные) или в толще Земли (глубинные — интрузивные). Сначала они представляли собой расплавленную массу, жидкую илй вязкую, имеющую температуру, превышающую 11 — 12 тысяч градусов по Цельсию. Прошло время, они остыли и в результате сложных процессов превратились в твердые и прочные породы: гранит, базальт, диорит и т. д. Оказавшиеся на поверхности Земли массивные образования подвергаются действию ветра, тепла и холода, воды и льда. Из года в год сотни тысяч, миллионы лет последние точат, разъедают и растворяют эти твердые породы, превращая их в груды обломков, мелкие и тончайшие частицы (рис. 4).
Такое механическое и химическое разрушение пород геологи называют выветриванием. Образовавшиеся обломки подхватываются потоками воды, ветром и уносятся. Проделав тот или иной путь, они накапливаются на материках, в долинах рек, на дне морей, образуя рыхлые скопления, из которых с течением времени формируются разнообразные породы, носящие название осадоч-
15
Рис. 4. Выветрелый массив прочных пород
ных. Осадочные породы образуют вторую большую группу пород.
Пути накопления осадочных пород весьма разнообразны, это и определяет различие их свойств и состава. В их образовании, помимо внешних агентов (воды, колебаний температуры, ветра и т. д.), деятельное участие принимают растения и животные. Это их деятельности обязаны своим образованием мел, известняки-ракушечники, торф и другие аналогичные породы.
Осадочные породы также претерпевают со временем большие изменения. Они уплотняются, в их среде появляются новые минералы, выпадающие из природных растворов, циркулирующих в породах.
Отлагающиеся на некоторых участках морей толщи осадков своим весом вызывают прогибание дна.
На таких местах возникают многокилометровые скопления осадочных пород. В нижних слоях этих толщ под действием высоких давлений и температур происходит перекристаллизация и образование нового, третьего ти
16
па — метаморфических пород. Характерной чертой их является высокая плотность и часто сланцеватость. Метаморфические породы также не остаются без последующих изменений. При образовании гор породы сминаются в грандиозные складки, слои изгибаются и разрываются. Часто в результате этих процессов метаморфические породы из недр Земли поднимаются и оказываются на поверхности, где их вновь ожидают процессы выветривания.
Современный этап геологической истории отличается появлением нового фактора, изменяющего не только горные породы, но и весь облик Земли,—инженерной деятельности человека. Она охватила громадные пространства материков. Люди ведут большие работы по добыче ископаемых, строительству каналов, искусственных морей, изменению растительности, климата и т. д. Их многообразная деятельность способствует разрушению одних пород и созданию других, получивших название антропогенных (от греческого слова антропос — человек).
РОЛЬ БИОГРАФИИ ГРУНТОВ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ
Советская школа инженерной геологии учит, что строительные свойства грунтов формируются входе истории их возникновения и развития. Вот почему инженер-геолог, стремясь ответить на вопросы строителей о прочности поверхности какого-либо участка земли, первым делом старается восстановить геологическую историю формирования толщи грунтов. Вот здесь и приходят на помощь «биографические» данные о происхождении пород.
Магматические породы отличаются высокой прочностью. Они могут выдерживать очень большие давления: от 8 до 40 тысяч тонн на квадратный метр. Строительство на таких породах чаще всего не вызывает затруднений. Встречаются затруднения лишь при возведении построек на сильно разрушенных выветриванием или разбитых трещинами породах.
Несколько меньшей прочностью обладают метаморфические породы, но и они являются хорошими основаниями для зданий и сооружений.
Однако чаще всего строителям приходится иметь дело с возведением построек на осадочных грунтах. Вот
17
здесь-то и важно знать разнообразие путей образования и историю последующего существования пород.
Пожалуй, самыми плотными осадочными отложениями являются древние морские породы. Наименее надежными осадочными грунтами оказываются современные аллювиальные (речные) отложения на затопляемых во время паводков пойменных террасах, а также в низовьях и дельтах рек. Не уступают им и современные илистые отложения, накапливающиеся на дне озер и морей, болотные и торфянистые грунты, а также пылеватые рыхлые породы, отлагающиеся ветром на континентах. Осадочные образования иногда оказываются настолько слабыми, что возведение на них зданий становится опасным.
Во многих случаях верхняя часть земной коры представляет собой «слоеный пирог», в котором последовательно друг на друга налегают породы разного возраста и происхождения. Это заставляет изучать строение толщи на определенную глубину. Наконец, для выявления изменения геологического строения по площади строительства составляется специальная инженерно-геологическая карта. На ней выделяются районы опасные и надежные для строительства.
Всегда ли изучаемая порода выходила на дневную поверхность?
Дело в том, что лежащий в настоящее время на поверхности грунт в прошлом мог находиться на значительной глубине под покровом других пород. В последующее время вышележащая толща была размыта водой. Если мощность существовавшего когда-то покрывающего слоя была 100 метров, то грунт был обжат давлением в 200 тонн на квадратный метр, что соответствует весу многоэтажных зданий. Ясно, что постройка зданий может производиться на таком «предварительно» обжатом грунте без всяких опасений.
Одной из достаточно плотных поверхностных континентальных пород является так называемая валунная глина, отложившаяся под ледником, покрывавшим когда-то северные районы европейской части СССР.
Современные наука и техника вооружили инженера-геолога богатым арсеналом средств для исследования грунтов.
Таким образом, происхождение и история существования грунтов определяют их строительные свойства.
ИНТЕРЕСНЫЕ ГРУНТЫ
ПОГОВОРИМ О ПЕСКАХ
ГЛИНИСТЫЕ ГРУНТЫ ГЛИНЫ
САМЫЕ СЛАБЫЕ
ПУТЕШЕСТВУЮЩИЕ ПЕСЧИНКИ
ПОГОВОРИМ О ПЕСКАХ
Древнегреческий философ-математик Пифагор как-то поставил своих учеников в тупик, задав им вопрос, сколько песчинок на Земле.
В одной из сказок, рассказанных Шахерезадой царю Шахрияру в течение 1001 ночи, говорится, что «войска царей были бесчисленными, как песчинки в пустыне».
Сколько песчинок на Земле или даже в пустыне, подсчитать сложно. Но зато можно довольно легко установить приблизительное число их в одном кубическом метре песка. Подсчитав, мы обнаружим, что в таком объеме количество песчинок определяется астрономическими цифрами в 1,5— 2 миллиарда штук.
Таким образом, сравнение Шахерезады было по меньшей мере неудачным, так как если бы сказочным царям понадобилось столько солдат, сколько содержится зерен только в одном кубическом метре песка, то для этого пришлось бы призвать под ружье все мужское население земного шара. Да и этого было бы недостаточно.
20
Рис. 5. Песчаное море (фото Б. Федоровича)
Откуда появились на Земле несметные количества песчинок? Чтобы ответить на такой вопрос, давайте поближе познакомимся с этой интересной породой.
Обширные континентальные пространства Земли покрыты песками. Их можно встретить на побережьях рек и морей, в горах и на равнинах. Но особенно много песка скопилось в пустынях. Здесь он образует могучие песчаные реки и моря.
Если мы полетим в самолете над пустынями Кызылкум и Каракум, то увидим необъятное песчаное море (рис. 5). Вся его поверхность покрыта могучими волна-
21
Рис. 6. Вид песчинок под микроскопом
ми, как бы застывшими «и окаменевшими в самый разгар невиданной бури, охватившей колоссальные пространства». В пустынях нашей страны песчаные моря занимают площадь, превышающую 56 миллионов гектаров.
Рассматривая песок через увеличительное стекло, можно увидеть тысячи песчинок, имеющих различные размеры и очертания. Одни из них имеют округлую форму» Другие отличаются неправильными очертаниями (рис. 6).
Пользуясь специальным микроскопом, можно измерить диаметр отдельных песчинок. Самые крупные из них поддаются измерению даже при помощи обычной линейки с миллиметровыми делениями. Такие «грубые» зерна имеют диаметр 0,5—2 мм. Песок, состоящий из частиц таких размеров, называют крупнозернистым.
Другая часть песчинок имеет диаметр 0,25—0,5 мм. Песок, состоящий из таких частиц, получил название среднезернистого.
Наконец, самые мелкие зерна песка имеют диаметр от 0,25 до 0,05 мм. Измерить его удается только при помощи оптических приборов. Если в песках преобладают подобные песчинки, то сии получают название мелкозернистых и тонкозернистых.
22
Как же образуются песчинкиг
Геологи установили, что их возникновение имеет длинную и сложную историю. Прародителями песка являются массивные породы: гранит, гнейс, песчаник. Мастерской, в которой происходит процесс превращения этих пород в песчаные скопления, является сама природа.
Изо дня в день, из года в год горные породы подвергаются выветриванию. В результате даже такая прочная порода, как гранит, распадается на обломки, которые все более и более дробятся.
Часть продуктов выветривания растворяется и уносится. Остаются самые стойкие по отношению к действию атмосферных агентов минералы, главным образом кварц — окисел кремния, одно из самых устойчивых соединений на поверхности Земли.
В значительно меньшем количестве в песках могут содержаться полевые шпаты, слюды и некоторые другие минералы.
На этом не заканчивается история песчинок. Для образования крупных скоплений необходимо, чтобы зерна превратились в путешественников.
ПОЧТИ КРУГОСВЕТНОЕ ПЛАВАНИЕ
Дождь льет как из ведра. Куда ни посмотришь, всюду несутся мутные потоки воды. Зачерпнем в стакан из такого потока немного жидкости и оставим ее в покое. Через некоторое время увидим, что на дне образовался слой песка, а вода стала менее мутной.
Мы выхватили из потока вместе с дождевой водой песчинки-путешественницы. Поток — один из главных путей перемещения образовавшихся в результате выветривания зерен.
Потоки дождевой или речной воды, двигаясь со скоростью 0,3 метра в секунду, захватывают и переносят тонкий песок. Когда же их скорость достигает 1 метра в секунду, то они могут передвигать не только крупный песок, но и мелкий гравий. Наконец, если поток имеет скорость 2 метра в секунду, то он может переносить гальку диаметром до 10 см (рис. 7).
Такова сила журчащего потока воды.
Размывая поверхность земли, дождевые потоки подхватывают песчинки и несут их в реки. Если песчинка
23
a----
——-— —
Рис. 7. Чем быстрее движется вода, тем крупнее зерна она переносит
а — при скорости 0,3 м/с; б — при скорости 1 м/с; в — при скорости 2 м/с
Рис. 8. Количество песка и
глины, выносимое реками
в год:
а б в г
а — Волгой (до 1940 г.), б — Амударьей; в — Янзцы; г — Амазонкой
не задержится где-либо в реке, то она может достигнуть моря.
В течение года реки выносят колоссальные количества взвешенного материала — песка, ила, глины (рис. 8). Например, Волга до создания водохранилищ выносила 20 миллионов тонн взвесей. Сейчас это количество значительно сократилось. Еще больше взвесей выносит в Аральское море Амударья. Их годовое количество определяется цифрой в 570 миллионов тонн.
Река Янцзы каждый год приносит в Желтое море свыше 2,5 миллиарда тонн песка, ила и глинистых частиц. Вынесенные в море зерна либо оседают на дно, образуя песчаные отложения, либо продолжают свое путешествие. Последний случай возможен, если песчинки увлекаются морскими или океаническими течениями.
Так песчинка, подхваченная водой, может совершить почти кругосветное плавание.
Конечно, не всем зернам песка удается проделать такой длинный путь. Часть их задерживается в руслах дождевых потоков, оседает в долинах рек. Значительное количество тонких песчинок отлагается в низовьях рек, где вода движется медленнее. Здесь их скопления образуют массу песчаных островов. Воды реки, прокладывая себе дорогу среди них, образуют множество протоков и рукавов. Эти участки рек называют дельтами. Посмотрите на карту СССР. Вот дельты Волги, Дона, Кубани, Терека — все они состоят из сотен и Даже тысяч песчано-иловатых островков, отделенных друг от друга рукавами и протоками.
Скопления песчинок образуются также на берегах и прибрежных частях морей и океанов. Пески, отложенные водой, получили название аллювиальных и морских.
ПО ВОЗДУХУ И ВПРИПРЫЖКУ
Части песчинок не устраивает водный транспорт и они отправляются в путешествие по воздуху. Ветер способен переносить частицы по воздуху и волочением, а то и вприпрыжку по земле. Небольшой ветерок, скорость которого не превышает 6,5 метра в секунду, поднимает в воздух и переносит тонкие и мелкие песчинки диаметром меньше 0,25 мм. Умеренный и сильный ветер (10 метров в секунду) способен транспортировать зерна диаметром до 1 мм. Если ветер становится очень сильным и штор-
25
< О' 25мм
Рнс. 9. Чем больше скорость ветра, тем крупнее переносимые нм частицы:
а — при слабом ветре (6,5 м/с); б — при сильном ветре (10 м/с); в — при штормовом ветре (20 м/с)
мовым (20 метров в секунду), то его мощный поток увлекает не только песчинки, но и мелкие камешки (рис. 9).
Подхваченные ветром тонкие и мелкие зерна песка могут совершать дальние путешествия, переноситься на многие сотни и даже тысячи километров. Можно привести много интересных примеров подобного странствования песчинок. Канарские острова находятся в 200— 300 километрах от берегов Африки. Восточные ветры, дующие с этих берегов в сторону островов, регулярно переносят большое количество тонкого песка. Это ведет к накоплению на восточных берегах островов Фуэрте-вентура и Гран-Канария многочисленных песчаных холмов.
В нашей стране можно привести немало примеров подобного переноса тонкого песка и пыли. Так, при сильных восточных ветрах тонкие песчинки и пыль в больших количествах транспортируются по воздуху из песчаных пространств Каракумов на западные берега Каспийского моря.
Более крупные песчинки часто переносятся на значительные расстояния качением по поверхности земли. Даже при сильных ветрах они редко поднимаются выше 3—4 метров над поверхностью земли. Встречая на своем
26
Рис. 10. Средний и крупный песок особенно сильно истачивает ннжние части скал, придавая им грибовидную форму
пути препятствия в виде выступов массивных пород или построек, они их энергично бомбардируют. В пустынных местностях можно часто наблюдать странные грибовидные формы скал (рис. 10). Их нижняя часть, до высоты
27
2—4 метров, бывает особенно интенсивно источена ударами (механическая коррозия) тысяч и миллионов средних и крупных зерен, увлекаемых потоками воздуха.
Путешествие песчинки по воздуху чаще всего прекращается тогда, когда она попадает в места, мало или совсем недоступные для ветра или покрытые растительностью.
Накапливающиеся таким путем рыхлые пески названы геологами по имени мифического древнегреческого бога ветра эоловыми песками.
БИЧ ПОБЕРЕЖИЙ
Путешествующие пески в ряде случаев являются большой помехой для строительства. Это превращает их в объект серьезного инженерно-геологического изучения. Особенно опасны скопления движущихся песков. Давайте познакомимся с этой разновидностью песчаных пород.
Там где дно моря и пляж состоят из песка, ветер, дующий с моря на сушу, выносит его на прилегающие береговые участки.
Если за пляжем имеются кустарники, трава или неровности рельефа, то они задерживают песчинки. Постепенно на таких местах накапливаются сначала небольшие бугорки, а затем целые холмы песка. Их наветренная сторона пологая, а подветренная крутая (рис. И). Такие скопления песка, называемые дюнами, являются бичом побережий. Подобные передовые дюны быстро растут за счет все новых порций песка, приносимого ветром с пляжа. Достигнув определенной величины, дюна начинает передвигаться внутрь материка. Это движение происходит за счет перемещения ветром песчинок по пологому склону вверх до гребня и последующего падения частиц вниз по крутому подветренному склону. За передовой образуется новая дюнная гряда, которая также приходит в движение. Таким образом могут возникнуть десятки подвижных дюнных гряд (рис. 12).
Рис. II. Образование и перемещение дюны на берегу моря
28
Море ____
Рнс. 12. Схема образования дюнных гряд
Передвигающиеся дюны приносят много бед: засыпают поля, дома и целые селения.
Особенно большое распространение получили дюны вдоль Атлантического побережья Франции. Именно здесь, у французского города Аркашона, находятся самые высокие дюны Европы. Они представляют собой миниатюрные горные хребты с «дымящимися» при ветре, как у вулканов, вершинами. Ширина полосы, захваченная в этих местах подвижными песками, достигает 9— 10 километров. Обычная высота дюн в этом районе измеряется десятками метров. Наиболее крупные дюнные скопления достигают 70—90 метров.
Неумолимо двигаясь внутрь материка, подвижные пески засыпают на своем пути все. В XVIII веке они погребли селение Сулан у мыса Гавр, местечки Рамбли и Бельфонтен в Пикардии. Колокольня в Судане, погребенная в 1744 г., после прохождения «волны» песков вновь открылась, а в 1859 г. уже вся церковь была очищена от песка. Скорость движения дюн во Франции колеблется от 10 до 25 метров в год.
Широко распространены дюны на южных берегах
29
Балтийского и Северного морей, а также на побережье Финского залива.
В ФРГ, на острове Зильт, расположенном в Северном море, подвижными песками были засыпаны деревни Рантум и Ниблум. При этом в деревне Рантум они разрушили две церкви.
Дюнные гряды не редкость и на морских побережьях нашей страны. Особенно известны подвижные пески в прибалтийских республиках (Латвийской и Литовской ССР), в районе Калининграда, у Сестрорецка (в 34 километрах от Ленинграда). Встречаются дюны и на побережьях Каспийского и Черного морей.
В окрестностях города Лиепая возвышается крупнейшая дюна Латвии, носящая звучное имя Кьюппе Калис. Ее высота достигает 70 метров. Там, где сейчас высится эта гора песка, в XVII веке располагалось цветущее селение. Подвижные пески безжалостно уничтожили и погребли дома и сады,поля и,дороги.
Дюны образуются не только на морских побережьях, но и на песчаных берегах рек. Их можно встретить в долинах Днепра, Дона и других рек. Размеры этих дюн значительно меньше.
МОРЯ ПЕСКА
Грандиозные количества песка накопились в пустынях Кызылкум, Каракум, Сахара, Рубэль-Хали (Аравия) и многих других. То светло-серые, то золотистые пески создают разнообразный по форме рельеф. В одних местах они представляют собой ровные, гладкие поверхности, в других — громоздятся в холмы разных размеров и конфигураций. Скопления рыхлого песка в пустынях, напоминающие прибрежные дюны, получили арабское название барханов.
Интересная их форма. Если взглянуть на барханы с высоты птичьего полета, можно увидеть, что они имеют серповидную форму, их острые концы напоминают рога (рис. 13). Примечательно, что эти рога, как флюгер, всегда повернуты в ту сторону, куда дует ветер.
Иногда встречаются и другие формы барханов. Например, в Сахаре, в отличие от среднеазиатских, они имеют более сложные очертания и в плане напонимают латинскую букву «S».
Барханы сравнительно редко одиночны. Подгоняемые ветром, они собираются вместе, образуя вытянутые (ча-30
сто на значительные расстояния) цепи, или гряды. В Сахаре встречаются гряды протяженностью в 100 километров. Несколько таких цепей, или гряд, образуют массивы барханных песков.
Как морские валы движутся в пустыне друг за другом могучие скопления песка. Между крупными грядами иногда возникают своеобразные коридоры. Благодаря ровной
поверхности И уплотненности Рнс. 13. Бархан (вид сверху) песка они очень удобны для
передвижения по пустыне. Ширина таких природных до-
рог измеряется сотнями, а то и тысячами метров.
Высота гряд в пустынях Средней Азии достигает 60— 70 метров. В пустынях Аравийского полуострова встречаются барханные цепи стометровой высоты. Но особенно велика высота песчаных гряд в Сахаре. Здесь они образуют могучие цепи двухсотметровой высоты. Над ними возвышаются отдельные песчаные пирамиды. Профессор Каирского университета Капо-Рей указывает, что такие
пирамидальные скопления песка нередко достигают высоты 300—500 метров.
Пирамиды рыхлого песка несколько меньших размеров образуются и в пустынях советской Средней Азии.
В замечательной книге «Лик пустыни» Б. А. Федорович приводит такое интересное сравнение: «На сооружение самой большой египетской пирамиды — фараона Хеопса (Хуфу) — понадобилось 2300 каменных глыб, каждая весом в 2,5 тонны, и строили ее, по преданиям, 100 тысяч рабов в течение 20 лет. А ведь Хеопсова пирамида— пигмей по сравнению с песчаной, так как ее высота 147 метров, а не 500 ...». Вот какую грандиозную работу производит ветер — создатель песчаных пи-
рамид.
Пески пустыни, так же как и дюны побережий, могут передвигаться по направлению господствующего ветра. Самой большой подвижностью обладают барханы, расположенные отдельно, вне гряд и цепей. Передвижение
31
Рис. 14. Пустыня наступает (фото Б. Федоровича):
а —засыпанная старая крепость Анка; б — засыпанные дома у промысла Вышка
последних вряд ли достигает сколько-нибудь значительной величины.
Например, ученый Капо-Рей считает, что барханные массивы Сахары передвигаются со скоростями, мало заметными для человека. Скорость перемещения отдельно расположенных барханов более заметна и колеблется от 5—6 до 15—25 метров в год.
32
Подвижные пески затрудняют передвижение по пустыне, заносят колодцы.
Перемещаясь, барханы нередко погребают на своем пути сады, дома и даже целые селения. Приведем некоторые исторические примеры.
В XIV веке в результате передвижения песчаного массива Уаран в Сахаре был засыпан цветущий оазис Абуэ-ир. Под песчаным покровом оказались жилые дома, пальмы и поля.
В 1907 г. в селении Ин-Сале (Сахара) жил знаменитый физик Фуко. В настоящее время дом, в котором он проживал, наполовину засыпан наступающим песком пустыни. В этом же районе обнаружена засыпанная пальмовая роща. Песок покрыл пальмы вместе с кронами.
В пустынях Кызылкум и Каракум также известны засыпанные селения и оазисы (рис. 14).
Борьба с движущимися песками в пустынях нашей страны является важной государственной задачей. В ее решении принимают участие наряду с инженерами-геологами и гидротехники, и ботаники, и лесомелиораторы, и специалисты многих других отраслей науки и техники. Упорным трудом советские люди перечеркнут на карте среднеазиатских республик слово «пустыня».
КАК ОСТАНОВИТЬ
ДВИЖЕНИЕ ПЕСКА1
Пройдемся с вами по берегам Рижского взморья. Сотни дюн прибрежного района заросли сосной и кустарниками (рис. 15). Они крепко спят, закованные корневой броней растений.
Ученые считают, что одной из основных причин возникновения массовых передвижений песков в прибрежных районах является уничтожение древесной и кустарниковой растительности. Стоит лишь где-либо на песчаном берегу моря вырубить лес, как сейчас же пески «оживают».
Высокая подвижность песков в пустынях в значительной степени является следствием отсутствия растительности.
В пустынных районах Советского Союза более 10% площади занято подвижными песками. Освоение этих территорий прежде всего требует остановки, или, как говорят, закрепления песков.
33
Рнс. 15. Дюны, закрепленные растительностью
Советское правительство уделяет большое внимание решению этой задачи. Для этой цели созданы специальные научно-исследовательские институты, опытные станции.
Ученые и инженеры давно ломают голову над вопросом, как остановить пески. Лучший ответ дала нам сама природа. Нужно засадить подвижные пески древесной, кустарниковой или травянистой растительностью, и тогда пески остановятся.
Ученые упорно искали растения, обладающие цепкой корневой системой, которые могли бы существовать и быстро развиваться на маловодных песках. Постепенно были выявлены десятки подобных растений. Сейчас широко применяют для посадки на песках злаки седину, песчаный овес, дикую рожь, саксаул, береговую пшеницу. Прекрасные результаты дает посадка в соответствующих климатических условиях сосны и песчаной акации.
Закрепление песков растительностью не всегда дает эффект, часто семена растений убивает иссушающая жара или их выдувает ветер вместе с песком. Поэтому идут поиски и других способов остановки движения песчаных массивов.
Для предохранения от заносов железных и шоссейных дорог, каналов и населенных пунктов часто применяют механическую защиту. На пути движущихся пес
34
ков устанавливают специальные щиты, которые и задерживают их. Эта система напоминает известную читателю защиту дорог от снега. К сожалению, она дает лишь временный эффект.
Главная часть механической защиты — щиты (рис. 16). Их строят разной высоты: от 10 до 70 сантиметров. Материал для изготовления щитов может быть самый различный: дерево, камыш, хворост и т. д.
Инженер В. Палецкий рассказывает о пользе, которую принесла механическая защита среднеазиатской железной дороге. До ее установки движение поездов на песчаных участках происходило только днем (речь идет о дореволюционном периоде). При сильных ветрах поезда двигались медленно, часто останавливаясь. Каждый состав сопровождала бригада рабочих, которая расчищала перед поездом занесенные песком рельсы.
Иногда можно было быстрее дойти до места пешком, чем доехать на поезде.
Картина резко изменилась после установки задерживающих пески щитов и посадки растений. Поезда стали
Рис. 16. Схема защиты от песчаных заносов
35
ходить и днем, и вечером. Необходимость в частой расчистке путей отпала, скорость движения стала нормальной.
После Октябрьской революции были проведены комплексные работы по закреплению подвижных песков на участках, прилегающих к среднеазиатской железной дороге. С тех пор песчаные заносы, прерывающие движение, практически не наблюдались.
Для закрепления песков предлагались и другие способы механической защиты. Так, неоднократно предпринимались попытки предохранить песчаную поверхность от выдувания покрытием ее камнями, хворостом или травой.
Однако столь громоздкий метод не получил широкого распространения.
Ученые подумали, а что если песчинки связать друг с другом, превратить песок в прочную сцементированную массу, чтобы ветер был не в силах ее развеять?
Эта идея оказалась достаточно плодотворной. В Агрофизическом научно-исследовательском институте для этой цели применили разбавленные водой битумные эмульсии. Эти эмульсии обходятся дешево, так как изготавливают их из отходов нефтяной промышленности.
Такой метод особенно успешно применяется в комплексе с посадкой растений. После засева подвижных песков на их поверхность разбрызгивается водный раствор эмульсии. Вода испаряется или уходит в глубь песка. Битум же остается на поверхности, связывая между собой песчинки. Образующаяся пленка вполне достаточна, чтобы сохранить песок от развевания, а зерна растений от выдувания вплоть до момента развития растений.
Количество расходуемого битума сравнительно невелико: одна тонна на гектар подвижных песков.
Остановимся на другом способе цементации песчинок. На поверхность песчаного массива наносят концентрированный соляной раствор. Вода испаряется, а соли остаются и скрепляют зерна. Е. С. Останин в качестве подобного раствора взял воду из Кара-Богаз-Гола, которая представляет собой рапу — концентрированный соляной раствор.
В последнее время на помощь инженерной геологии пришла химия. Учеными создано новое, поистине чудодейственное, синтетическое вещество — полиакриламид.
56
Если водным раствором этого вещества полить поверхность подвижных песков, то на ней быстро образуется тонкая пористая и прочная пленка. Она пропускает воду и воздух, что позволяет развиваться растениям. Семена растений под этой пленкой хорошо всходят и в результате образуется сплошной зеленый ковер, окончательно останавливающий пески. Сейчас производство полиакриламида организовано на ряде заводов Советского Союза, поэтому он становится все более доступным для применения в народном хозяйстве в большом масштабе.
ДВУЛИКИЙ ЯНУС
ДОМ, ПОСТРОЕННЫЙ НА ПЕСКЕ
Представьте себе, что вы собираетесь строить дом на песчаном грунте. Несомненно, вам придет в голову известная притча о «безрассудном человеке», вздумавшем построить «дом свой на песке». В наказание за подобное «легкомыслие» после первого же дождя и ветра дом был разрушен. Отсюда пошло гулять по свету выражение «построено на песке». Эта крылатая фраза употребляется в тех случаях, когда хотят сказать о чем-нибудь необоснованном и непрочном. Насколько верна подобная оценка песка? Всегда ли постройка на нем опасна?
На память приходит знакомая картина песчаного пляжа. При каждом шаге по сухому песку нога глубоко в него погружается. Движение по рыхлой золотистой поверхности песка требует значительных усилий.
Вспомните, с каким трудом связана езда по рыхлым песчаным дорогам. Колеса, не встречая твердого грунта, буксуют, погружаясь в песок, автомобиль безнадежно застревает.
Перелистывая страницы летописи строительного искусства, мы можем встретить не одно печальное описание разрушений зданий, мостов, плотин, построенных на песках.
Мы уже готовы «осудить» песок. Но подожди, читатель! Строителям не менее широко известно, что много тысяч домов, мостов, промышленных сооружений построено на песках и в Советском Союзе и за рубежом (рис. 17). Все они стоят многие годы прочно и нерушимо. Выходит, что песок — надежная опора для построек и притча напрасно его очернила. Мы пришли в тупик. По-
37
Рис. 17. Дома, прочно стоящие иа песке
ставленный вопрос оказывается не таким простым, как нам показалось вначале. Как у римского бога времени Януса, у песка оказывается два противоположных лица.
Чем же можно объяснить, что одна и та же песчаная порода ведет себя по-разному? Оказалось, что главная причина заключается в структуре песков, которая определяется взаиморасположением отдельных зерен. Возьмите стакан и наполните его песком. Если теперь вы постучите по дну и стенкам стакана, то песок уплотнится и в образовавшееся пустое пространство можно будет добавить новую порцию песка. Значит в одном и том же объеме песчаного грунта может содержаться разное количество зерен одного и того же размера. Объясним зто йвление на примере укладки биллиардных шаров.
Можно довольно легко обнаружить, что при различных способах укладки шаров будет изменяться пространство между ними. При этом самая плотная укладка будет такая, когда в углубление между двумя шарами располагается третий — верхний (рис. 18,в). Как бы вы ни пытались, плотнее уложить шары не удается. Пористость (объем пространства между шарами, деленный на объем всей нашей модели) при такой их укладке будет наименьшей, равной 25,8%. Давайте теперь верхний ряд шаров разместим на нижнем так, чтобы опорой для них
38
явились не впадины, а выступы нижнего ряда (рис. 18,а). Легко убедиться, что при подобной укладке пористость будет максимальной. Независимо от размера шаров она окажется равной 47,6%.
Возможны и другие способы размещения шаров, но получаемая пористость всегда будет иметь промежуточные значения: меньше 47,6% и больше 25,8%.
Размещение зерен в породе в общих чертах напоминает расположение шаров. Оно лишь немного усложняется разнообразием форм песчинок. При этом несколько изменяются величины наибольшей и наименьшей пористости, а также количество промежуточных комбинаций. Но при всех условиях в песках выделяют два крайних случая: максимально плотной укладки (пористость 25—28%) и наиболее рыхлой (пористость 47—50%). На величину пор оказывают влияние размер зерен, их форма и характер сочетания песчинок.
При рыхлой укладке пористость тонкозернистых песков будет всегда выше, чем крупнозернистых.
При движении по плотным пескам нога человека почти не погружается в грунт, но в рыхлых песках она проваливается на каждом шагу по щиколотку, что происходит не столько за счет уплотнения, сколько за счет выдавливания песчинок из-под стопы в стороны.
Положим на поверхность песка какой-либо груз. Под его тяжестью песчаный грунт начинает быстро уплотняться.
Этот процесс при ближайшем рассмотрении представляет собой уменьшение пористости. Ясно, что пески с рыхлой укладкой будут давать большее уплотнение, а плотные — меньшее. Когда строится здание, то осадка песчаного основания происходит по мере возведения по-
Рис. 18. Зависимость плотности песка от укладки зерна:
а — рыхлая укладка; б — средняя до плотности укладка; в — самая плотная укладка
39
стройки. С ростом уплотнения площадь соприкосновения песчинок возрастает, увеличивается сила трения между ними.
При чрезмерных давлениях на песок, превышающих трение, в определенных условиях возможно выдавливание песка из-под подошвы здания. Возникают большие осадки. Если их величина различна под разными частями дома, то неминуемо возникновение трещин и даже разрушений.
Ученый И. В. Яропольский обнаружил, что если одна часть песчаного массива перемещается относительно другой, то в рыхлых песках этот процесс ведет к уменьшению, а в плотных к увеличению пористости. Если в процессе сдвига пористость песка не меняется, то говорят, что он обладает «критической пористостью». Было обнаружено, что песок, насыщенный водой и имеющий пористость, превышающую критическую при сдвиге, под давлением отжимающейся из его пор воды способен неожиданно переходить в разжиженное состояние. Постройки, возведенные на таком грунте, могут получить неожиданные повреждения.
Из изложенного ясно, что на плотных песках можно смело возводить дома. Они хорошо выдерживают нагрузку на 1 квадратный метр поверхности в 20—50 тысяч килограммов (рис. 19). Если же мы захотим постро-
Рис. 19. Давление, которое выдерживает мелкозернистый песок разной плотности:
а — рыхлый; б — средней плотностн; в — плотный
40
ить дом на рыхлых песках, то необходимо как следует подумать. Особенно опасно строительство на насыщенных водой рыхлых песках, имеющих пористость, превосходящую критическую. Однако современная наука и техника позволяют строить дома даже на рыхлых и разжиженных песках.
ПОРАЗИТЕЛЬНЫЙ ОПЫТ
В ящик насыпан песок. На его поверхности лежат гаечный ключ и металлический брусок. Под действием расположенного под ним механизма ящик заставляют вибрировать. Возникают странные явления: лежащие на поверхности металлические предметы быстро «утопают» в песке. На смену им из песка, как пробки, выскакивают легкие предметы: шахматные фигурки и деревянная ложка. Что за чудо! Песок ведет себя, как вода: тяжелые предметы «утопают», легкие «всплывают».
В чем же дело? Это явление объясняется просто. При вибрации сила трения между частицами в рыхлых песках сильно уменьшается. При определенной вибрации величина внутреннего трения становится настолько малой, что грунт начинает вести себя, как жидкость. Предметы более тяжелые, чем объемный вес песка, при данной пористости «утопают» а легкие «всплывают».
Подобное явление «разжижения» песков, вызываемое вибрацией, не раз приводило к авариям и разрушениям не только установок, вызывающих колебания грунта, но и расположенных вблизи стен, несущих колонн и других конструкций.
Изучение этого процесса показало, что не все колебания вызывают подобное разжижение. Наблюдениями установлено, что имеется «опасный интервал» частот (в пределах 500—2500 колебаний в минуту), в котором и проявляются описанные явления.
На одной из электростанций основанный на плотном песке фундамент турбогенератора, вращающегося со скоростью 1500 оборотов в минуту, дал в течение времени осадку в 30 сантиметров. Инженеры, делавшие расчет, не учли влияния вибрации и дали ошибочную величину предполагаемой осадки (всего лишь в 2 сантиметра, в 15 раз меньше действительной).
Было замечено, что вибрация быстро уплотняет рыхлые пески, превращает их в плотные. Эта удачная наход-
41
Рис. 20. Глубинный гидровибратор в работе:
1 — кран; 2 — гидровибратор; 3 — иасосиые устройства; 4 — уплотненный слой песка
ка привела к созданию целого арсенала методов виброуплотнения песчаных грунтов. Проведенные исследования показали, что лучше всего вибрация действует на увлажненные пески. Поэтому перед началом уплотнения песок смешивают с водой.
Объединив усилия, ученые и инженеры создали два главных типа вибраторов, вызывающих уплотнение пород: поверхностные и глубинные; первые устанавливают непосредственно на поверхности песка, тогда как вторые погружают в глубь песчаного массива.
Поверхностные вибраторы — это щиты с установленными на них механизмами, вызывающими вибрацию. Тяжелые поверхностные вибраторы устанавливают, как тракторы, на гусеничном ходу. С их помощью осуществляют уплотнение песка до глубины 1—3 метров.
Глубинные вибраторы представляют собой трубы, в которых заключен механизм, вызывающий вибрацию. С их помощью можно уплотнять рыхлые пески до глубины 6—7 метров. При каждом погружении глубинного вибратора грунт уплотняется в диаметре 2—3 метров (рис. 20).
Применение вибрации позволяет уменьшить пористость песка на 9—12%, т.е. рыхлый песок превратить в плотный. Можно ли превратить рыхлый песок в массивную породу?
В старых сказках злой, волшебник по мановению чудесной палочки превращает хлеб в камень. Эти чудеса 42
никого сейчас не удивили бы. Действительность далеко превзошла самые удивительные сказки. При строительстве первой очереди Московского метрополитена встала необходимость борьбы с рыхлыми водонасыщенными песками. Упорные поиски привели Б. А. Ржаницына к открытию способа искусственного окаменения песка. Он был успешно применен не только при строительстве Московского метрополитена, но и на канале им. Москвы, на стройках многих заводов, электростанций и мостов.
Тайна этого метода проста. Известно, что из всех солей кремниевых кислот только одна — силикат натрия — хорошо растворяется в воде. Это послужило основанием дать ей оригинальное название: «жидкое стекло». Добавим к водному раствору силиката натрия раствор хлористого кальция. Почти на глазах «жидкое стекло» перестает быть жидкостью и превращается в камень. Это превращение происходит в результате сложной реакции, при которой образуется кремниевая кислота, цементирующая песок.
Теперь представим, что мы стоим на строительной площадке, где осуществляется силикатизация. Мы увидим, как в грунт погружают трубу (инъектор). После каждого этапа ее углубления производят нагнетание раствора «жидкого стекла». Погрузив трубу до заданной
Рис. 21. Сравнительная прочность силикатизированного песка и некоторых строительных материалов:
а — песок несиликатизированный; б — песок силикатизированный; в — известняк-ракушечник; г — красный кирпич
43
глубины, нагнетание силиката натрия прекращают. Вы-таскивая трубу с теми же интервалами, с которыми погружали, в песок, уже насыщенный жидким стеклом, вводят хлористый кальций. Через несколько часов песок затвердевает.
Нарастание прочности полученного камня происходит в течение месяца. К концу этого срока он выдерживает давление в 400—600 тысяч килограммов на квадратный метр.
Прочность силикатизированного песка не уступает некоторым типам известняков (рис. 21). Например, известняк, добываемый в знаменитых каменоломнях Одессы, выдерживает в сухом состоянии давление 250—300 тысяч килограммов на квадратный метр. Если же он увлажнен, то его прочность оказывается еще меньше (до 140 тысяч килограммов на квадратный метр). С другой стороны, прочность силикатизированного песка значительно уступает прочности природного кремнистого песчаника.
В результате силикатизации вокруг одной скважины образуется столб окаменевшего песка диаметром от 1 до 4 метров.
Чтобы превратить рыхлый песок в камень на участке жилого дома, имеющего длину 40 метров при ширине в 20 метров, нужно создать сеть из 130—140 силикатных столбов. Рыхлый песок на участке будущего сооружения превращается в камень.
ЗАГАДОЧНЫЕ ПЕСКИ
Ученые упорным трудом, шаг за шагом, постигают тайны природы. Все, что казалось необъяснимым и загадочным вчера, становится ясным и понятным сегодня.
Многие процессы и явления, протекающие в песчаных пустынях, казались средневековым людям таинственными. Неожиданно налетающие песчаные бури, самумы, неукротимые в своем движении подвижные пески вызывали суеверные представления. Иссушающий зной, отсутствие воды, бесконечные барханы пустыни порождали у человека страх. Изучая пески, геологи сумели не только объяснить движение песка и выявить его законы, они научились их останавливать и закреплять.
Уже в глубокой древности человек задавал вопрос,
44
откуда появились целые моря песка? Крупнейшая в СССР песчаная пустыня Каракумы (черные пески), названная так туркменами за ее маловодье, знойность, песчаные бури, подстерегающие на каждом шагу путника, долгое время являлась загадкой. Но и ее геологи сумели разгадать.
Самоотверженный труд исследователей позволил установить, что на месте этой пустыни более миллиона лет назад было море. Когда оно ушло, то по образовавшейся равнине потекли реки—Амударья, Теджен, Мургаб и др. Они и принесли своими водами пески, покрывающие Каракумы.
Теперь пески покорены человеком. Лишь отдельные явления, возникающие в песках, еще не разгаданы до конца, но и их очередь уже наступила.
ПОЮЩИЕ, ЛАЮЩИЕ, ВСХЛИПЫВАЮЩИЕ
Путешествуя по Терскому берегу Кольского полуострова, Д. К. Макаревский встретил звучащие пески. Двигаясь по песчаному пляжу, он обнаружил, что на каждый шаг пески отвечают звуками, напоминающими глухое ворчание собаки. По мере дальнейшего движения звуки становились выше на тон. К ним примешивались какие-то всхлипывания, появляющиеся при отделении ноги от песка. Макаревский рассказывает: «Налетевший порыв ветра взметнул песок и вокруг меня все запело, зазвенело. Поразительна была при этом чистота звука, на близком расстоянии напоминавшего переливы флейты или «piano» высоких нот органа.
Если по поверхности песка я проводил ладонью, получался звук, напоминающий вой маленькой сирены... Мешочек, в который был взят образец песка, при встряхивании точно взлаивал. Если я пытался этот мешочек помять, он начинал хрюкать и взвизгивать, как поросенок. На удар кулаком или ладонью по поверхности песок отзывался сильным гулким звуком. Черта, проведенная по песку карандашом, палочкой или ножом, свистела».
Необычайная способность песков издавать разнообразные звуки была известна в древности. Старинные китайские летописи IX века сохранили нам одно из первых письменных свидетельств этого явления. На их пожелтевших страницах рассказывается о «холме поющих
45
песков» в одной из провинций Китая. Пески на его склонах издавали необычайные звуки. При движении по ним людей возникающие звучания приобетали громоподобный характер.
Неутомимый путешественник Марко Поло в своих записках впервые поведал европейцам о поющих песках пустынь Центральной Азии. Он писал: «Но есть там чудо: едешь по той пустыне ночью и случится кому отстать от товарищей... и как станет тот человек нагонять своих, заслышит он говор духов, и почудится ему, что товарищи зовут его по имени... И вот еще, что и днем люди слышат голоса духов, и чудится им часто, точно слышишь, как играют на многих инструментах, словно на барабане...». Для Марко Поло эти звуки пустыни были необъяснимой тайной — голосами духов.
Это поразительное явление давно известно арабам, населяющим пустыни Юго-Западного Египта.
Вот как оно описывается очевидцами: «Был вечер. Караван остановился среди бесконечных барханов, гряд и волн песка, громоздящихся со всех сторон, вплоть до линии горизонта. Солнце зашло, и на пустыню опустился черный покров ночи. Бесчисленные звезды, мягко мерцающие в высоте, почти не давали света. Стояла полная тишина, которая лишь изредка нарушалась стуком посуды, фырканьем животных и приглушенным говором.
Внезапно из пустыни раздался вибрирующий гул, быстро нарастающий. Его сила была столь велика, что люди, испуганные этими звуками, вынуждены были наклоняться друг к другу и кричать на ухо, иначе речь тонула в этом могучем реве.
Вскоре к этому гулу присоединилась музыка от других источников, приведенных в действие первоначальным нарушителем тишины. Среди несшихся из пустыни звуков иногда можно было различить звучание виолончели, контрабаса или фагота. Этот сверхестественный хор звучал непрерывно на протяжении пяти минут, пока не восстановилась опять полная тишина».
Местное население считало эти звуки порождением духов пустыни. Арабы могут рассказать множество фантастических поверий. В них возникающие звуки объясняются гневом мифических джинов.
Звучащие пески известны почти во всех частях света. Отсутствуют сведения о них только в Австралии и, ко-
46
Рис. 22. Звуки, издаваемые пустынными (а) и прибрежными (б) песками
нечно, нет их в одетой ледяным панцирем Антарктиде.
В Советском Союзе поющие пески встречаются во многих местах. Интересные сведения приводит С. В. Обручев о звучащих песках Прибайкалья, Рижского взморья, Семиречья. Обнаружены подобные пески и на берегах Днепра.
Автору довелось в 1949 г. встретить «поющие» пески в Ростовской области около станицы Цимлянской. Здесь на левом берегу реки Цимлы, у места ее впадения в Дон, раскинулась обширная песчаная равнина, покрытая ку-чугурами — мелкими бугристыми скоплениями рыхлого песка. Как-то в жаркий июльский день, проходя в 5—6 метрах от берега реки Цимлы, мы заметили, что на каждый шаг песок отвечает довольно высоким звуком, напоминающим взвизгивание.
Интересно отметить, что пустынные и прибрежные пески звучат по-разному. Если для первых характерны более низкие тона, находящиеся в пределах малой октавы, то особенностью вторых являются высокие звучания в пределах второй и даже третьей октавы (рис. 22).
Причины, вызывающие эти странные звучания песка, пока недостаточно ясны. Одни ученые предполагали, что звуки порождаются трением друг о друга миллионов передвигающихся чистых зерен кварца. Другие утверждали, что пение песка объясняется возникающим при движении расширением и сжатием зерен. Эти колебания передаются заключенному между ними воздуху. Их мы и воспринимаем в виде звуков.
Интересное объяснение было дано английским ученым Р. Бегнольдом. Он считал что причиной пения песка является возникновение во время движения на поверхности зерен кварца электрических зарядов. Ученый
47
Давление предполагал, что их появление связано с
пьезоэлектрическими свойствами этого минерала. Как известно, кристаллы кварца при сжатии образуют на поверхности электрический заряд (рис. 23), который и является проявлением пьезоэлектричества.
Оригинальный опыт осуществил Я. В. Рожко. Он взял обычный речной песок, высушил его и очистил от посторонних примесей, затем поместил песок между двумя пластинками конденсатора. Пользуясь
Давление школьной электрофорной машиной, наэлек-рис аз воз- тризовал его. Высыпав после этого песок в никновсние за- ШеЛКОВЫЙ ПЛЭТОК, РоЖКО Обнаружил, ЧТО верхности по" при сжатии в руке он издает скрипящие
кварка при сжатии (пьезоэлектрический эффект)
звуки.
Этот опыт подтверждает несомненную роль поверхностных зарядов кварцевых песчинок в звучании песков.
Дальнейшее глубокое изучение этого интересного явления позволит дать более обоснованное объяснение причин звучания песка. Как видно, последнее слово остается за физиками.
Заметим, что способность издавать звуки проявляется лишь в рыхлых песках. Можно предположить, что поверхностные электрические заряды обусловливают не только «пение» песка, но и его высокую подвижность и разрыхленность. С этой позиции звучание песка не может не интересовать грунтоведов и инженеров-геологов.
ПЕСКИ. НАВОДЯЩИЕ УЖАС
Среди различных типов песков встречаются и такие, которые наводят ужас. Их называют зыбучими песками. Встречается эта разновидность водонасыщенных песчаных грунтов крайне редко. Строительство на участках их распространения без специальных дорогостоящих работ невозможно.
Яркое художественное описание зыбучих песков йоркшира (остров Великобритания) дал английский романист У. Коллинз. Вот некоторые выдержки из его рассказа:
«...Песчаные дюны спускаются тут к морю и оканчиваются двумя остроконечными скалами, выступающими
48
Рис. 24. Зыбучие пески
из воды друг против друга. Одна называется Северным, а другая — Южным утесом. Между этими двумя скалами лежат самые ужасные зыбучие пески на всем йоркширском побережье. Во время отлива что-то происходит в их глубине, заставляя всю поверхность песков колебаться самым необычайным образом... Уединенное и страшное место... Даже птицы, как мне кажется, улетают подальше от зыбучих песков».
Движение их поверхности связано с регулярным притоком и оттоком из них океанической воды. Коллинз так описывает этот процесс: «Начался прилив, и страшный песок стал содрогаться. Коричневая масса его медленно поднималась, а потом вся она задрожала... Это похоже на то, будто сотни людей задыхаются под этим песком — люди силятся выйти на поверхность и погружаются все глубже в его страшную пучину... Бросьте камень и посмотрите, как втянет его песок».
Зыбучие пески способны затягивать не только мелкие предметы, но и случайно попавших в них животных. Иногда их жертвой становятся и неосторожные путники (рис. 24).
Другой английский романист Р. Л. Стивенсон так описывает эти страшные пески: «...При отливе обнажались широкие полосы зыбучих песков — гроза всей округи. Говорили, что у самого берега между мысом и островом эти пески поглощают человека в четыре с половиной минуты...».
49
Известный французский географ Э. Реклю писал, что в индийских пустынях, в районах Гадрамаута, встречаются места, покрытые мелкозернистым зыбким, засасывающим песком. Брошенный в эти пески тяжелый лом тонет в них, как в воде, погружаясь на глубину, превосходящую 100 метров.
КАК ОБРАЗУЮТСЯ ЗЫБУЧИЕ ПЕСКИ!
Чтобы возникли зыбучие пески, необходимы определенные условия. Для их образования совершенно недостаточно, например, скопления тонкозернистых песков, насыщенных водой. Такие пески встречаются очень часто, но зыбучестью они или совсем не обладают, или она проявляется очень незначительно.
Несомненно, должны существовать особые причины, порождающие неустойчивое состояние таких песков.
Таким фактором на побережье морей и океанов может явиться регулярное поднятие уровня воды в песках, взмучивающей песчинки. Эту роль выполняют приливные волны.
Известно, чго в океанах и морях под действием сил притяжения Солнца и Луны два раза в сутки возникают приливы и отливы воды. Колебание уровня моря при этом находится в пределах от десятых долей метра до 21 метра. Приливные волны, таким образом, являются первым действующим фактором. Но и они не могут создать зыбучих песков. Для этого необходимо, чтобы мелкозернистые пески были защищены от прямого поступления приливных волн выступами твердых пород или песчаными косами.
Вода, поступающая во время прилива в такой массив из недр песка, как бы приподнимает его своим давлением и взвешивает. Такое поступление воды снизу вверх и вызывает «странные» явления на поверхности этих песков: «...пространство зыбучих песков морщится и дрожит...».
Помимо песчаных зерен зыбучие пески содержат также более тонкие илистые и глинистые частицы. Это придает им своеобразную буроватую окраску. Присутствие малых частиц является еще одним действующим фактором. Тонкие частицы уменьшают водопроницаемость песков. Этим объясняется тот важный факт, что во время отлива, когда уровень воды в море становится значи
5!)
тельно ниже, чем в зыбучих песках, вода в них в большей степени сохраняется.
Регулярные поднятия воды из глубин зыбучих песков взмучивают зерна и создают своеобразную укладку их.
Мы уже знаем, как располагаются песчинки в рыхлых песках. В зыбучих песках их размещение вследствие особых условий может быть еще более рыхлым. Они располагаются в виде неустойчивых нагромождений, показанных схематично на рис. 25.
Такое расположение песчинок крайне неустойчиво, поэтому они стремятся перейти в обычные, более устойчивые формы размещения. Этому препятствуют вода, находящаяся в порах, и регулярное воздействие взвешивающих давлений со стороны приливных волн. Определенную роль играют и тонкие пылеватоглинистые частицы, как бы склеивающие более крупные песчаные зерна.
Если на поверхность зыбучего песка попадает какой-либо тяжелый предмет, то его вес вызовет разрушение структурных рыхлых нагромождений песчинок. При этом освобождающиеся зерна перемещаются под действием тяжести в глубину массива.
Десятки, сотни тысяч одновременно перемещающихся в глубь массива песчинок захватывают тяжелый предмет и засасывают его. В данном случае действуют две
Рис. 25. Расположение зерен в зыбучих песках
51
силы: собственная тяжесть предмета и вес перемещающихся в глубь зыбучих песков бесчисленных песчинок.
Извлечь засасываемый предмет из объятий зыбучего песка очень трудно. Для этого нужно приложить большую силу, во много раз превышающую его вес.
Причины возникновения зыбучих песков в пустынях пока не установлены. Можно предполагать, что и в этом случае мы имеем дело с водонасыщенными тонкозернистыми песками и со сверхрыхлым расположением песчинок.
Зыбучесть песков иногда может быть вызвана искусственно. Например, при строительстве одного из крупных сооружений из котлована в тонкозернистых песках производилась откачка воды. Подъем воды из недр массива на поверхность дна котлована привел к расстройству структуры песка и развитию его зыбучести. Стоящие здесь насосные установки погрузились под действием собственного веса более чем на 6 метров.
Нельзя не отметить, что обратный процесс — опускание уровня воды, при котором движение потока направлено сверху вниз, ведет к уплотнению песчаных массивов. Это иногда используется для повышения плотности рыхлых песков.
ПЛЫВУЩИЕ И ТЕКУЩИЕ
Еще в глубокой древности строители встретились с оплывающими, насыщенными водой песками. Такие Грунты были названы плывунами. Много неприятностей доставляют строителям эти грунты. Когда их не трогают, они тихо и мирно покоятся в земле. Но вот какая-либо траншея или котлован под фундамент вскрыли их. Спячка кончилась, плывун, как одержимый, начинает течь, заполняя все углубления и уничтожая работу человека.
ВЫРУЧИЛА РЖАНАЯ МУКА
Интересный случай из своей богатой практики рассказал профессор Евдокимов-Рокотовский. Известно, что при строительстве Сибирской железной дороги, пересекшей необозримые пространства нашей Родины от Челябинска до Владивостока, строителям пришлось встретиться с самыми различными явлениями и процессами в грунтах. Так, при устройстве моста через одну из мелких рек 52
в горной местности котлован пришлось рыть в мелкозернистых песках. К огорчению строителей стенки котлована никак не желали держаться вертикально. Прилагая большие усилия, рабочие могли за день вычерпать песок на небольшую глубину. А утром на другой день они были свидетелями того, что все их труды оказывались напрасными. Было решено сделать из досок ограждение стенок котлована, но и это не помогло. Зловредный песок стал проникать через дно. Кругом котлована начала проседать поверхность земли. Странным было то, что по поверхности жидкого песка, затапливающего котлован, можно было ходить, как по асфальту. Можно было даже подпрыгивать, и тогда вся масса песчаного грунта упруго пружинила. Но стоило человеку остановиться и некоторое время постоять на одном месте, как через несколько минут его ноги начинали погружаться в песок.
Долго ломали голову: как быть, как довести котлован до требуемой глубины? Один опытный землекоп предложил высыпать в котлован навоз и ржаную муку, а затем тщательно смешать их с жидким песком. Сначала от этого совета отмахнулись, а затем решили попробовать.
Привезли 5 возов навоза и мешок ржаной муки. Высыпали их в котлован и перемешали с песком. Когда через несколько часов попробовали рыть, то к удивлению всех, стенки его держались вертикально и не оплывали, грунт не тек, превратившись в густую вязкую массу. Так простые русские мастера решили эту задачу.
Дальнейший опыт показал, что через некоторое время (10—20 суток) песок опять разжижался, но этого времени было вполне достаточно, чтобы сделать неглубокий котлован и сложить нижнюю часть фундамента. Этот народный способ борьбы с оплыванием водонасыщенного песка применяют при рытье небольших канав, котлованов и сейчас. Помимо муки, используют навоз, древесный уголь, сено, солому и некоторые другие менее ценные материалы. Их действие несколько слабее ржаной муки, но зато стоимость во много раз ниже.
ГРУНТ ПЛЫВЕТ
Как-то решили построить на берегу одной из рек цех судоверфи. Стали рыть котлован под фундамент и неожиданно наткнулись на песок-плывун. Непрерывным пото
53
ком в котлован начала поступать разжиженная песчаноиловатая масса. Она сначала текла тонкими струйками. Чем больше углубляли котлован, тем интенсивнее становился поток грунта. Из стенок стали вываливаться целые глыбы грунта. На их месте образовались пещеристые углубления.
Что делать? Решили оградить стенки от плывущего грунта, забили по периметру котлована стенки из досок, или, как их называют строители, «шпунтовые ограждения». Но и это оказалось бесполезным. Плывун тек под напором не только из стенок, но и со дна...
Попытались откачивать из котлована воду, вместе с ней стал выноситься песок. При этом из насоса выливалась не столько вода, сколько непонятная жидкость, похожая по цвету на цементное молоко.
Пришлось отступить и отказаться от устройства котлована, основав здание на сваях.
Нужно сказать, что строители вовремя прекратили откачивать воду с песком из котлована. Дело в том, что по мере откачки из стенок и дна выносится песок. Такой вынос вызывает явление, носящее название механической суффозии. Явление суффозии было впервые описано русским ученым А. П. Павловым, который заметил, что потоки подземных вод могут растворять и выносить породы, а это вызывает оседание лежащей над ними поверхности земли.
В дальнейшем обнаружилось, что под механическим давлением потока подземных вод частицы песка могут взвешиваться и перемещаться. При откачке воды из котлована возникает поток, направленный от массива к котловану. Он и вызывает перемещение песчинок — меха-
Рис. 26. Откачка воды с песком из стенок котлована вызывает опускание прилегающих участков поверхности
54
Рис. 27. Песчаная «пробка» в скважине в водонасыщенных тонких песках
таком пренебрежении
ническую суффозию, которая может привести к оседанию поверхности земли и авариям построенных по соседству зданий, как это показано на рис. 26.
Американский ученый К. Терцаги описывает случай, когда в штате Коннектикут (США) решили с помощью откачки насосом воды из котлована осушить тонкозернистые пески. Забыв о большой подвижности этих грунтов, строители энергично взялись за работу. Не обращая внимания на большой вынос песка, они продолжали работу, вплоть до неизбежного г
к суффозии происшествия: сначала обрушилась постройка, расположенная неподалеку от насоса. Через некоторое время на расстоянии 100 метров от этого места неожиданно образовался провал поверхности. Он имел форму воронки глубиной до 1 метра. Дорого обошлось строителям их легкомыслие.
В истории нашего отечественного строительства известен случай, возникший при строительстве первой очереди Московского метрополитена, когда на одном из его участков при откачке воды возник вынос песка. Это повлекло за собой неравномерную осадку поверхности земли, что могло привести к повреждению зданий, расположенных на осевшем участке.
Откачка воды была немедленно прекращена, а здания укреплены. Своевременная приостановка работ, вызвавших механическую суффозию, и принятые меры полностью предотвратили возможность разрушения зданий.
При бурении скважин в песках-плывунах возникают иногда «песчаные пробки» (участки скважины, заполненные поднявшимся под напором песком) (рис. 27). Такие пробки могут достигать нескольких метров. Часто бывает неправильное представление о том, что «пробки» могут возникать только в плывунах. Это не совсем так.
55
Они появляются иногда и в обы-чных водонасыщенных, не плывучих песках. В последнем случае образование «пробки» обусловливается разностью гидростатического напора воды в скважине и в окружающем массиве грунта.
Плывуны широко распространены на поверхности земли. Чаще всего их можно встретить в долинах рек или на побережьях морей и озер. Им часто даются местные названия, например, на Северном Урале плывуны называются «бузга», в Сибири—«мясича», «нята» и т. д.
Немало неприятностей они доставили строителям Беломорско-Балтийского канала, Волго-Донского канала им. В. И. Ленина и во многих других случаях. Не менее распространены плывуны в Германской Демократической Республике, Федеративной Республике Германии, Бельгии, Нидерландах, Англии, США и других зарубежных странах.
КАТАСТРОФИЧЕСКИЕ ПОТОКИ ГРУНТА
Однажды на одном из карьеров по добыче бурого угля в Германии разразилась неожиданная катастрофа. Ее подробности описаны инженером Д. Бренбергом. Произошло это событие прохладной дождливой осенью 1932 г. В это время в карьере велись особенно интенсивные работы. Уголь добывался на самой нижней площадке карьера — третьем уступе. Глубина его от поверхности земли достигала в это время значительной величины — 45 м. Наблюдателю, находившемуся наверху, с высоты, равной пятнадцатиэтажному дому, были видны механизмы и фигурки рабочих, с утра до вечера упорно долбивших слои угля.
Карьер занимал обширную территорию. Длина его превосходила два километра, а ширина — километр. Собственно добыча угля производилась на сравнительно небольшой площадке третьего уступа. Над ним громоздились две высокие ступени первого и второго песчаного уступов, составлявших вместе высоту около 30 метров.
Катастрофа произошла вечером. Сначала раздался глухой шум, а затем рабочие, находящиеся в карьере, увидели движущуюся с большой скоростью огромную серую массу песка и воды. Потребовалось всего несколь
56
ко минут, чтобы она затопила нижний уступ, поглотив экскаватор и другие работавшие там механизмы.
Катастрофический поток жидкого грунта переместил свыше- 1,5 миллиона тонн песка. Разрабатываемый пласт угля был засыпан слоем рыхлой породы мощностью в 19 метров.
Катастрофа нанесла не только материальный ущерб и задержку в производстве работ, но и вызвала человеческие жертвы.
Описанный случай не является единственным. Потоки рыхлых водонасыщенных песков встречены и во многих других местах. К. Терцаги описывает ряд интересных случаев массового течения водонасыщенных рыхлых песков на берегах Юго-Западной провинции Нидерландов — Зеландии. Здесь морской берег сложен 20—40-метровой толщей мелко- и среднезернистых песков. На этом участке время от времени возникает странное явление; пески начинают осаживаться и с глухим гулом устремляться широкими потоками, движущимися с большой скоростью, в море.
Наиболее значительная катастрофа подобного рода произошла в 1814 г. неподалеку от Борселе. При этом с шумом, напоминающим раскаты грома, к морю сместилась масса водонасыщенного песка объемом в 1,6 миллиона кубометров.
Эти катастрофические движения песка на берегах Голландии возникают чаще всего во время морских отливов.
Из практики строительства СССР также известны случаи разжижения и неожиданного перемещения песка.
Случай движения жидкого песка наблюдался на Дону в 1949 г. Здесь на левом песчаном его берегу была сложена куча камней для строительства. Однажды раздался довольно сильный шум, и вся прилегающая к сложенным камням масса песка быстро переместилась в реку на расстояние нескольких метров. Нижние ряды штабеля камня, находящиеся на этом участке, погрузились в песок на глубину до 0,5 метра (рис. 28).
В этом случае явление течения грунта возникло во время быстрого понижения уровня реки, вызванного сильным «верховым» (сгонным) ветром.
Все эти случаи свидетельствуют о способности некоторых типов водонасыщенных песков при определенных
57
Рнс. 28. Поток песка на берегу Дона
условиях внезапно разжижаться и перемещаться в виде потоков. Они напоминают потоки воды. Их перемещение всегда направлено в сторону незначительных уклонов местности. Возможно также выдавливание разжижающихся песков из-под тяжестей, находящихся на их поверхности (например, тяжелых фундаментов, массивов набережных и т. д.).
КАК ОБРАЗУЮТСЯ ПЛЫВУНЫ!
Что же такое плывуны? Какие причины заставляют песчаные грунты течь? Долго не удавалось ответить на эти вопросы.
Изучением этого явления занимались ученые ряда стран. Советский исследователь А. Ф. Лебедев, изучавший плывучие грунты, обнаружил, что при определенных условиях песчаные частицы под давлением воды способны взвешиваться и перемещаться. Это позволило сделать первый вывод, что плывунами могут быть любые типы песчаных пород, на которые действует давление движущейся воды.
Чем больше величина напора воды, тем более крупные частицы начинают плыть. Даже крупнозернистые пески, содержащие зерна гравия, могут приходить в движение.
Напор воды, при котором начинаетя перемещение зерен песка, был назван критическим градиентом.
Этот тип плывунов А. Ф. Лебедев предложил называть псевдоплывунами, т. е. ложными плывунами. В основе способности к плывучести псевдоплывунов лежит внешняя причина — движение подземной воды.
Борьба с этим видом оплывания песка не представляет трудностей. Необходимо только устранить причину — снять напор воды и плывучесть прекратится.
Однако есть и такие плывуны, которые излечить от подвижности лишь одним снятием напора не удается.
Решить эту задачу оказалось сложнее.
58
Рис. 29. Расположение песчинок в истинных плывунах
Продолжая исследования, А. Ф, Лебедев обнаружил плывуны, причина подвижности которых таилась в самих породах. Их он назвал истинными плывунами.
Различие между ложными и истинными плывунами особенно заметно при производстве работ. Если для прекращения оплывания псевдоплывунов достаточно лишь отвести подземную воду, то в истинных плывунах отвод и понижение уровня воды вообще оказывается затруднительным. Устранение ее напора не излечивает такой грунт от оплывания.
Если в качестве псевдоплывунов могут выступать различные по составу породы, то истинные плывуны — это определенный вид грунта. Что же это за грунт?
Оказалось, что это особые песчано-коллоидные породы.
Детальное изучение свойств этих удивительных грунтов провела советская исследовательница И. М. Горькова. Она обнаружила, что песчинки в этих породах друг с другом не соприкасаются (рис. 29). Они окружены желтоватыми коллоидно-дисперсными хлопьями. Эта тон
59
чайшая структурная масса и определяет многие свойства истинных плывунов: высокую подвижность, очень большую влажность (до 50%) и высокую пористость (40—60%). Тончайшие хлопья затрудняют движение воды через истинные плывуны.
Теперь мы видим, что тайна истинного плывуна оказалась заложенной в его весьма своеобразной структуре. Если она сохраняется, то по поверхности плывуна можно свободно разгуливать. Но попробуйте перемешать или вызвать вибрацию плывуна, немедленно после этого его прочность (устойчивость) уменьшается в десятки и даже сотни раз.
Такое динамическое воздействие на плывуны возникает при забивке свай. Нанося по свае несильные, но частые удары, можно вызвать быстрое погружение ее в грунт. Это стало возможным вследствие специфических свойств истинных плывунов. Через несколько часов, когда песок восстановит свою начальную структуру, вытащить сваю не удастся, она прочно будет захвачена грунтом.
Возникает вопрос: почему происходит такая перестройка структуры? Исследуя истинные плывуны и насыщенные водой глины, ученые обнаружили, что содержащиеся в них тонкие частицы являются коллоидами. В наше время это слово редко кому неизвество. Если небольшое количество такой глины положить на фильтр, то она полностью пройдет сквозь него. Коллоидные частицы можно задержать только на специальных ультрафильтрах. Поместите каплю коллоидного раствора на стекло и попытайтесь увидеть частицы в оптическом микроскопе. Нет, их не видно. Наблюдать их можно только под электронным микроскопом.
Коллоидное состояние вещества широко распространено в природе. Из коллоидов состоят почти все растительные и животные организмы, большинство продуктов питания, одежда, бумага и т. д.
По существу к коллоидным системам должны быть отнесены глинистые грунты, а также истинные плывуны. В этих породах средой является вода, в которой равномерно распределены тончайшие минеральные частицы.
Такие коллоидные системы напоминают густые студни, которые в физической химии названы гелями (от латинского слова гелус — лед). В определенных условиях
60
Рис. 30. Авария плотины о США вследствие разжижения глинисто* го основания
коллоиды могут находиться в жидких растворах, тогда их называют золями (от латинского слова солюцио — раствор). Когда грунт находится в состоянии золя, он может течь, как вода.
В обычных условиях насыщенные водой глины и истинные плывуны находятся в состоянии геля. Но если их начать энергично встряхивать, то возникает почти мгновенный переход геля в золь. Глины и плывуны разжижаются и, потеряв прочность, текут, как жидкость.
Оставьте такой жидкий грунт на некоторое время в покое. Вы увидите — он опять приобретет некоторую прочность и превратится в гель.
Крупнейший советский ученый П. А. Ребиндер объясняет это явление так: в гелях образуется сетка из раздробленных тонких частиц, в ячейках которой заключается вода. При встряхивании эта сетка разрушается и коллоидная система разжижается. В покое она опять восстанавливается, а вместе с ней вовращается студнеобразное состояние. Явление перехода при встряхивании геля в жидкий золь получило название тиксотропии. В основе этого слова лежат корни двух греческих слов: тиксис — прикосновение и ропис — изменение. А в сумме оно может быть расшифровано как изменение от прикосновения.
61
Тиксотропия оказывает большое влияние на прочность водонасыщенных глин и истинных плывунов (рис. 30).
Способность к подобному разжижению у разных грунтов различна. Она зависит от минерального состава, размера частиц, величины увлажнения и многих других факторов.
Теперь можно объяснить странные явления, возникающие в истинных плывунах, о которых говорилось выше: легкое погружение сваи в истинный плывун при слабых, но частых ударах обусловливается возникновением тиксотропии.
Когда свая после забивки остается в покое, структурная сетка и гелеобразное состояние грунта быстро восстанавливаются. Грунт плотно «схватывает» сваю.
Возникновение потоков водонасыщенных песков в определенной степени также может быть объяснено тиксотропией.
Чем больше песчаный грунт содержит тончайших коллоидных частиц, тем больше он подвержен оплыванию.
Интересный опыт провел советский исследователь В. А. Приклонский. Он добавил к чистому кварцевому песку всего лишь 2% коллоидных глинистых частиц и обнаружил, что такой грунт приобрел хорошо выраженную способность к тиксотропии.
КАКОЕ ДАВЛЕНИЕ МОЖЕТ ВЫДЕРЖАТЬ ПЛЫВУН!
Что, если на поверхность плывуна поставить дом? Выдержит ли он его вес?
С первого взгляда может показаться, что насыщенный водой разжиженный песок, приходящий в движение даже при незначительных напорах, не может выдержать даже минимального давления. Такое впечатление является оправданным не для всех случаев. Дело в том, что плывун в одних условиях может выдавливаться и вытекать из-под фундаментов зданий, а в других оставаться неподвижным. Действительно, представим себе, что он не имеет выхода в стороны, а сверху зажат вышележащими плотными грунтами. Оказывается, что в этом случае он может вынести значительные давления (рис. 31).
62
Рис. 31. Если у плывуна нет свободного выхода в сторону, то он может выдержать большое давление
А. Ф. Лебедев поставил интересные опыты. Он определил давления, которые выдерживает плывун в этих условиях. Обнаружилось, что один квадратный метр его поверхности способен выдержать нагрузку до 80 тысяч килограммов.
Легко догадаться, что столь высокая прочность возникает вследствие того, что давление воспринимается не столько частицами песка, сколько водой. А вода, как известно, очень мало сжимается.
Здания, построенные на плывуне, создают в его толще довольно высокое давление воды в порах.
По законам гидростатики оно передается в стороны на довольно значительные расстояния. Если на каком-то расстоянии от стоящих построек возникают условия для перемещения плывуна (например, во вновь открываемые котлованы), то несущая способность его резко падает. Ее величина снижается до 3—5 тысяч килограммов на квадратный метр. В этом случае могут возникнуть серьезные деформации зданий.
Поэтому, прежде чем начинать строительство на плывунах, необходимы тщательные инженерно-геологические исследования участков.
МОЖНО ЛИ БОРОТЬСЯ С ПЛЫВУНАМИ!
Строителю приходится довольно часто встречаться с плывунами. Как же в этом случае открывать канавы,
63
траншеи или котлованы под здания? Как избежать разрушений близко расположенных построек?
Мы уже познакомились с хитроумным способом, к которому прибегли сибирские строители мостов. Однако ржаная мука или другие вещества, близкие к ней по воздействию на плывуны, оказывают лишь кратковременное действие. Кроме того, этот способ применим только для неглубоких котлованов и траншей, поэтому не может найти широкого распространения.
Легко решаются поставленные вопросы, когда приходится строить на псевдоплывунах. В этом случае достаточно лишь отвести грунтовые воды, и осушенные пески перестанут оплывать.
А как быть в том случае, когда открытая откачка воды из котлована в псевдоплывунах становится опасной для окружающих сооружений, когда она влечет за собой суффозию — вынос грунта со всеми вытекающими отсюда последствиями?
Долгое время не удавалось решить эту задачу. Как и во многих других случаях, ее решение оказалось очень простым. В 1886 г. немецкие специалисты впервые применили предварительное понижение уровня воды в песках при помощи грунтового водоотлива.
Этот способ оказался достаточно надежным, его быстро подхватили и применили при строительстве метрополитена в Будапеште и Берлине.
В чем же заключается сущность этого метода?
Давайте сделаем в земле буровую скважину. Опустим в нее всасывающую трубу насоса. Для того чтобы в насос не затягивался песок, снабдим ее конец фильтром из тонкой медной сетки. Теперь попробуем качать воду. Если производить откачку определенное время, то вокруг скважины вследствие отсоса образуется понижение уровня грунтовой воды (рис. 32). Оно будет иметь форму воронки, как это показано на рисунке. Геологи назвали подобное понижение уровня около скважины, вызываемое откачкой, депрессионной воронкой.
Возьмем не одну, а две такие скважины, расположенные неподалеку друг от друга. Начнем одновременно качать из них воду. Депрессионные воронки вокруг скважины сольются и уровень грунтовой воды между ними понизится (рис. 33).
Теперь попробуем окружить котлован целым рядом
64
/facoc
Рис. 32. Образование дгпрессионной воронки (/) вокруг скважины при откачке
Рис. 33. Образование объединенной воронки при работе двух скважин
скважин. Если начать одновременно качать из них воду, то можно добиться требуемого понижения уровня внутри участка (рис. 34), осушив таким образом пески в пределах строительной площадки.
Этот принцип и положен в основу грунтового водоотлива.
Советские ученые и инженеры значительно усовершенствовали этот метод. Сейчас на стройках нашей страны широко применяются специальные водопонижающие устройства — иглофильтры. Особенно интересны глубокие
65
I ярус
Рис. 34. Если одного ряда скважин недостаточно, вокруг котлована делают два яруса скважин
иглофильтры, созданные В. К. Ярцевым и П. П. Аргуновым. Они представляют собой трубу диаметром 75 мм, внутри которой помещается другая, более тонкая труба диаметром 50 мм. Нижняя часть большой трубы снабжается фильтром. Внутренняя труба на конце оборудована резиновым шаровым клапаном (рис. 35).
Откачка воды при помощи иглофильтра осуществляется следующим образом: сначала его устанавливают в приготовленное углубление и в малую трубу под давлением (2—3 атмосферы) подают воду. Ее поток отжимает шаровой клапан и с силой ударяет в грунт, производя его размыв. Частицы породы затем вместе с водой выносятся наверх по затрубному пространству. Иглофильтр под тяжестью собственного веса как бы «проваливается» в образующуюся под ним пустоту. Весь процесс такого погружения до глубины 8—20 метров занимает 5—15 минут.
После этого внутренняя труба подсоединяется к вакуум-насосу, который создает в ней разрежение. Под действием р-азрежения вода засасывается в трубу и поднимается вверх. Чтобы увеличить высоту и скорость подъема, в наружную трубу дополнительно нагнетается сжатый воздух. Вода поступает по трубе на высоту 15— 20 метров. Такие глубинные иглофильтровые установки дают возможность понижать уровень грунтовой воды на 10—16 метров.
66
Рнс. 35. Схема иглофильтра:
1 — внутренние трубы; 2 — наружные трубы; 3 — наконечник с фрезером; 4 — фильтр
Рис. 36. Прочность разжиженного грунта до замораживания (а) и после (б)
Этот метод хорош при борьбе с оплыванием псевдоплывунов, но для осушения истинных плывунов он непригоден. Возникает вопрос: как же вести борьбу с истинными плывунами?
НА ПОМОЩЬ ПРИХОДИТ МОРОЗ
Житейский опыт говорит, что, когда оттепель сменяется морозом, грязь на дорогах превращается в твердую окаменевшую массу. Такой замерзший грунт обладает довольно большой прочностью.
Что, если использовать это действие мороза на разжиженный грунт для борьбы с истинными плывунами?
Первая такая попытка заморозить плывун была предпринята в 1862 г. в Уэльсе (Англия). Она оказалась неудачной. После этого замораживание грунта было повторено лишь через 20 лет, в Саксонии. На этот раз был достигнут полный успех. В наше время замораживание стало обычным строительным приемом борьбы с оплыванием грунтов. Оно нашло широкое применение при строительстве самых различных сооружений (рис. 36). Блестящим примером использования замораживания является закрепление разжиженных песков при строительстве первой очереди Московского метрополитена.
Замораживание осуществляют разными способами. Если слой плывуна имеет небольшую мощность, то вокруг котлована замораживанием создают сплошную прочную стенку из песка, сцементированного льдом.
В том случае, когда плывуны имеют большую мощность. то промораживают не только стенки, но и дно
67
Рис. 37. Схема установки для искусственного замораживания:
а — морозильная камера; б — схема установки; / — баллон с аммиаком; 2 — холодильная камера; 3 — змеевик; 4 — компрессор; 5 — насос;
6 — замораживающий слой грунта
котлована. Иногда приходится замораживать весь участок, занятый сооружением.
Как же осуществляется процесс замораживания? Наиболее просто можно заморозить плывун, используя естественный морозный воздух. Для этой цели открывают на возможную глубину котлован и оставляют его до тех пор, пока дно и стенки котлована не замерзнут. Затем котлован углубляют на 0,3—0,4 метра и замораживание повторяют. На каждом этапе необходимо проморозить полуметровый слой разжиженного плывуна. Промораживая слой за слоем, достигают требуемой глубины.
Как видите, просто, но очень и очень медленно. Нужны месяцы, чтобы углубиться на 2—3 метра.
Уральские строители придумали способ ускорения естественного промерзания плывуна: в жидкий грунт погружают систему труб, через которые при помощи вентилятора прогоняют наружный морозный воздух. Разжиженный песок, охлаждаемый одновременно сверху и снизу, промерзает значительно быстрее.
68
Как же быть, если зима теплая или строительство ведется в южных районах страны?
В этом случае приходится привлекать на помощь «искусственный холод».
Вспомните физику. Известно, что при испарении жидкости происходит поглощение тепла. Вот этот принцип и положен в основу искусственного замораживания.
В качестве жидкого газа применяют чаще всего аммиак, помещенный под давлением 10 атмосфер в стальной баллон. Если из этого баллона направить жидкий аммиак в холодильную камеру, то он, испаряясь, охладит воздух в ней до —26 градусов.
В камере (металлической коробке) имеется змеевик, по которому циркулирует соляной раствор. Температура замерзания такого раствора —35 градусов. Этот раствор поступает затем в скважины в грунте. Обтекая их стенки, соляной раствор передает им холод, который и замораживает прилегающий плывун (рис. 37).
Располагая замораживающие скважины через 1 — 1,5 метра, мы получим сплошную ледяную стенку вокруг котлована. Такая стена замерзшего грунта сохраняется на протяжении нескольких месяцев. Для ее образования необходимо 2—3 месяца. Подобные ледяные стенки в некоторых случаях достигают больших размеров. В практике советского строительства имеются случаи, когда замораживали стенки длиной от сотни метров до полукилометра.
МЫСЛЬ ЧЕЛОВЕКА РАБОТАЕТ
Много было придумано разных способов устройства котлованов, карьеров, шахт и других углублений в плывунах. Человеческая мысль работает неустанно, совершенствуя старые и создавая новые методы.
Одним из старейших способов строительства в жидких водонасыщенных грунтах является кессонный. Большинство из читателей, несомненно, слышало об этом способе производства работ.
Принцип его очень прост: возьмем большой колокол, поставим его открытой стороной на грунт и создадим в нем повышенное давление. Если начать его погружать в разжиженную массу грунта, то вода и песок поступать внутрь колокола не смогут, так как этому будет препят-
69
Рис. 38. Схема кессонной разработки водона-сыщеиного песка
ствовать сжатый воздух. Теперь представим себе, вместо колокола, более крупную кессонную камеру, внутри которой могут работать рабочие. По мере выработки под краями кессона грунта он погружается под действием собственного веса. Извлекаемый материал выбрасывается наружу при помощи специального приспособления, позволяющего не снижать давления в кессонной камере (рис. 38). Крупным недостатком этого способа разработки является необходимость работы в условиях сжатого воздуха.
В последнее время кессонный способ применяется все меньше и меньше. Ему на смену приходят менее громоздкие и более эффективные методы.
Для укрепления плывучих песков часто с успехом применяют силикатизацию, о которой мы уже рассказывали в первой части книги.
Есть еще один способ разработки котлованов в оплывающих песках. Строители называют его методом подводного черпания. Сущность метода такова: грунт (без воды) из котлована извлекают при помощи специального экскаватора, находящегося наверху, у края котлована. Так как во время производства работ уровень воды в котловане остается постоянным, то перемещения песка под давлением воды практически не происходит.
Существует и много других способов покорения плывунов.
70
«НЕВИДИМЫЕ» МИНЕРАЛЫ
ГЛИНИСТЫЕ ГРУНТЫ глины
Мы познакомились с песками, состоящими из сравнительно крупных частиц, диаметром от 2 до 0,05 мм. Ученым удалось обнаружить, что существует целый мир «невидимых» глазу минералов. Их размеры, оказывается, меньше 0,001 мм и даже 0,00001 мм. Значительную часть кристалликов таких минералов нельзя видеть не только невооруженным глазом, но и при помощи сильнейших оптических микроскопов.
«Невидимые» минералы рассеяны вокруг нас, но мы их не замечаем. Они встречаются и в воде, и в окружающем нас воздухе. Так, в одном кубическом сантиметре самого чистого воздуха содержится более 1000 микроскопических минеральных зерен.
Многие из «невидимых» минералов впервые удалось увидеть с помощью электронного микроскопа, позволяющего увеличивать изображение предметов в 10, 100, 300 тысяч раз и более (рис. 39). Пользуясь современными методами исследования, ученые обнаружили свыше 160 мине-
71
Рис. 39. Электронный микроскоп
ралов этого типа. Благодаря своим свойствам и малым размерам, «невидимые» минералы получили наименование коллоиднодисперсных. Скопления миллиардов мельчайших зерен этих минералов в смеси с песчаными частицами образуют глины.
В состав этих пород входят в значительном количестве тончайшие частички размером менее 0,001 мм.
Коллоидно-дисперсные минералы обладают рядом удивительных особенностей, которые определяются прежде всего их малыми размерами, а также своеобразным составом и строением.
В 1 кубическом сантиметре глины содер-кристалликов «невидимых»
жится свыше 25 миллиардов
минералов. Это по меньшей мере в 14 раз больше, чем
содержится песка в одном кубическом метре.
Столь высокое дробление вещества обусловливает большую удельную поверхность. Под последней понима
ется площадь поверхности всех частичек, содержащихся в 1 кубическом сантиметре вещества.
Чтобы представить себе характер увеличения удельной поверхности по мере дробления вещества, возьмем какой-либо минерал кубической формы, обладающий объемом в 1 кубический сантиметр. Все стороны такого кубика, естественно, должны быть равны 1 сантиметру. Поверхность такого куба будет равна 6 квадратным сантиметрам.
72
Рис. 40. Увеличение удельной поверхности по мере дробления вещества
Распилим этот кубик на 8 равных кубических частей с ребрами длиной 0,5 сантиметра. Можно легко установить, что их общая поверхность значительно увеличится (рис. 40). Если продолжить дробление и дальше, то при размере сторон кубиков в 0,00001 мм их удельная поверхность окажется равной 600 тысячам квадратных сантиметров, или 60 квадратным метрам.
Ученые установили, что чем больше удельная поверхность, тем более активным оказывается вещество. Оно обладает повышенной способностью к поглощению воды и различных веществ, у него больше проявляются молекулярные силы и т. д. «Невидимым» минералам, имеющим высокую удельную поверхность, присущи все перечисленные качества.
Помимо этого, коллоидно-дисперсные минералы обладают разнообразными свойствами и строением.
Особенно отличаются друг от друга две группы этих образований. К первой группе относится широко распространенный минерал каолинит. Главной особенностью его является «жесткость» кристаллической решетки (все составляющие его молекулы прочно связаны
73
друг с другом), поэтому каолинит и минералы, сходные с ним, сравнительно мало набухают.
Представителем минералов второй группы является монтмориллонит (назван по имени французского города Монтмориллон). Главной его особенностью является наличие необычной для минералов подвижной кристаллической решетки. Она состоит из кристаллических пакетов, слабо связанных друг с другом (рис. 41). По мере увлажнения молекулы воды проникают между пакетами и раздвигают их, как меха гармоники.
Минералы, имеющие такое строение, при намокании сильно набухают, увеличиваясь в объеме в 5 и даже 10 раз.
КОВАРНЫЕ СВОЙСТВА ГЛИН
Возьмем кусок сухой глины и попытаемся разрушить его руками. Он крепок, как камень. Давайте его увлажним. Куда девалась его прочность? Без особого усилия мы мнем его, придавая любую форму. Говорят, что глина стала пластичной. Если продолжить увлажнение дальше, порода потеряет вообще всякую связность и потечет, как жидкость. Такое состояние глины называется текучим.
Мы можем сказать, что строительные свойства глин зависят от их увлажнения. Чем меньше влажность, тем выше прочность. Легко догадаться, какую опасность для глинистых оснований зданий представляет переход глины в текучее состояние.
У глинистых грунтов есть еще одно неприятное качество. Возьмите глину и вырежьте из нее 2 одинаковых кубика. Один из них смочите водой. Через некоторое
время вы увидите, что «мокрый» кубик набухает и как бы растет на глазах. Эта способность глин к набуханию вытекает из свойств составляющих их коллоидно-дисперсных минералов. Незначительно набухают као-
б\ а
линитовые глины.
вИобъ1ме Упр2Инаб"- Глины, содержащие монтморилло-хании монтморнлло- нит, могут увеличиваться в объеме в ннтовой глины: несколько раз (рис. 42). Сила, с ко-
б-пом“набу°ания: ТОрОЙ ПрОИСХОДИТ набухание ГЛИНЫ,
74
Рис. 43. Трещины, образующиеся на поверхности глинистого грунта при его усыхании
достигает 5—10 килограммов на квадратный сантиметр. Если набухает массив монтмориллонитовых глин, то каждый квадратный метр его поверхности способен поднять груз в 100 тысяч килограммов. Это превосходит в несколько раз обычный вес зданий и сооружений.
Если мокрую глину высушить, то обнаружится обратное явление — уменьшение объема, или, как, говорят,
усадка. Усадка сопровождается растрескиванием глин.
Летом в жаркую погоду на поверхности почвы или глины вы, наверно, йе раз наблюдали образование трещин, вызванное усадкой. Характер образующихся трещин показан на рис. 43.
Познакомимся еще с одним свойством глин — пористостью. Мы уже знаем, что в песках от ее величины зависит прочность оснований. Какова же пористость глин? Оказывается, глины обладают более высокой пористостью, чем пески. Ее значения находятся в пределах от 40 до 60%. Но главное различие заключается в форме и размере самих пор. Если у песка они крупные, хорошо проводящие воду, то у глин подавляющее число пор имеет микроскопические размеры. Их величина не превышает 1—5 микрон (микрон — десятитысячная часть сан-
75
постройки.
Рис. 44. Осадка домов на песках (/) и глинах (2)
песка. С другой стороны, малая
тиметра). В природных условиях микропоры обычно заняты влагой.
Своеобразная пористость глин создает особые условия при постройке на них зданий. С одной стороны, общая высокая пористость приводит к значительному сжатию глин под весом сооружений. Оно всегда оказывается в конечном счете большим, чем у величина пор и содер
жание в них воды являются причинами медленного на-
растания осадки построек.
Действительно, вода практически несжимаема; пока она не будет выдавлена из грунта, осадка не закончится. Под давлением веса сооружений в порах глин возникает поровое давление воды. Под его действием вода начинает очень медленно выжиматься в стороны от сооружения. Этот процесс может длиться сотни и даже тысячи лет. В течение всего времени продолжается осадка зданий.
Наглядно разницу между осадкой зданий на песках и на глинах можно видеть на рис. 44.
Еще одно свойство глин, увеличивающее продолжительность и величину осадки зданий, заключается в их способности течь под действием давлений. Чтобы глина стала подвижной, достаточно небольшого давления. Однако такое течение глин развивается крайне медленно. Видимые деформации зданий, вызываемые им, могут проявляться спустя десятки и сотни лет после постройки. Это явление еще недостаточно изучено. Несомненно, что оно играет немалую роль в изменении прочности глин со
временем.
ПАДАЮЩАЯ БАШНЯ
Туристам, отправляющимся в путешествие по Италии, многочисленные путеводители настоятельно рекомендуют посетить город Пизу в Тоскане, расположенный не
76
подалеку от впадения реки Арно в лазурное Лигурийское море.
Этот небольшой оживленный городок прославился главным образом своей знаменитой башней. Бойкие путеводители провозглашают это интересное сооружение чудом света.
В 1174 г. на соборной площади города архитекторы Бонаннус и Гвальельмус задумали построить высокую колокольню. Строители должны были создать башню, призванную украсить город. Ни строители, ни городские власти не думали и не гадали, что это монументальное сооружение прославит город на многие века. Чтобы посмотреть на знаменитую Пизанскую башню, в город ежегодно прибывают со всего мира десятки тысяч туристов, доставляя значительный доход магистрату.
Что же в ней интересного? Чем эта башня привлекает внимание туристов?
Дело в том, что она стоит не вертикально, как сотни других башен и колоколен, а сильно наклонена по отношению к поверхности земли. Это и создает ей славу «падающей» башни.
Возникает вопрос: была ли она сразу задумана как падающая или это произошло помимо воли строителей?
Конечно, воля строителей здесь не при чем. Ее наклон — следствие ошибки, допущенной при оценке основания. Не было учтено, что на небольшой глубине с одной стороны фундамента располагаются сильно сжимаемые иловато-глинистые грунты. Их уплотнение и повлекло за собой большую одностороннюю осадку сооружения. Уже в самом начале строительства, когда стены достигали высоты 11 метров, было обнаружено, что башня наклоняется. Дальнейшее возведение ее шло с перерывами и продолжалось с 1174 до 1350 г. Строители попытались улучшить положение колокольни, надстроив самую верхнюю десятиметровую часть не по центру, а сместив ее в сторону оси, противоположной наклону.
Когда было закончено сооружение, башня имела отклонение центра ее вершины от вертикали на 2,1 метра.
Нам уже известна способность глин к значительному медленному уплотнению. Блестящим подтверждением этой особенности глин и является почти восьмивековая осадка Пизанской башни. Более чем за 750 лет она осела
77
Рис. 45. Отклонение башнн от вертикали
fc одной стороны на 3,2 метра, а с другой — на 1,6 метра.
Таким образом, средняя скорость осадки глин составила около 2 миллиметров в год. Незадолго до второй мировой войны осадка башни практически прекратилась. Наступило, как говорят механики, равновесное состояние.
Во время военных действий неподалеку от соборной площади падали фугасные бомбы. По окончании войны было обнаружено возобновление осадки башни. Есть основание думать, что оно было вызвано сотрясениями в результате взрывов фугасных бомб.
Отклонение верхушки башни от вертикали достигло 4,9 метра (рис. 45).
После войны некоторое время деформация как будто не возобновлялась. Однако в 50-х годах обнаружилось дальнейшее возрастание наклона капризной башни, который продолжается по сегодняшний день. Угроза падения нарастает с каждым годом.
Обеспокоенный магистрат объявил международный конкурс для разработки мер, необходимых для прекращения дальнейшего наклона этого уникального сооружения. Было сделано много предложений, но ни одно из них не внедряется в жизнь. Башня продолжает угрожающе крениться. Если не будут приняты кардинальные меры, падение неминуемо произойдет.
Последние сообщения из Пизы свидетельствуют о резком ухудшении состояния башни. Начали откалываться куски от мраморных колонн третьего этажа, появились новые трещины. Начиная с 1970 г. скорость отклонения башни возросла в 1,5 раза.
Пизанская падающая башня является своеобразным памятником строительной ошибки, вызванной незнанием свойств глинистых грунтов, лежащих в основании.
В нашей стране имеются водонапорные башни, заслуживающие названия падающих. Такие наклоненные башни можно встретить в Таганроге, Каменске, Жданове и других городах. Во всех случаях их наклон возник вследствие неравномерного сжатия пород основания.
78
Рнс. 46. Музей-памятник Исаакиевский собор
ТРЕЩИТ, А ДЕРЖИТСЯ
В Ленинграде на площади Декабристов возвышается одно из крупнейших сооружений города — Исаакиевский собор. Он является памятником архитектуры первой половины XIX в. В настоящее время собор превращен в музей-памятник (рис. 46).
Строительство этого монументального сооружения началось в 1819 г. и продолжалось 40 лет. Собор поражает своим величием. Его высота достигает 102 метров. Размеры собора позволяют считать его третьим по величине в мире купольным зданием. Внутри его могут одновременно помещаться 13 тысяч человек. Масса этого уникального сооружения превышает 300 тысяч тонн.
Большое впечатление производят на зрителя сто монолитных гранитных колонн, украшающих собор. Потребовался колоссальный труд, чтобы вырезать в карьерах монолиты такой величины, обтесать их, отполировать и доставить с помощью простейших средств на место.
В основании собора лежат слабые водонасыщенные неоднородные глины Строители хорошо представляли себе сложность возведения на таких грунтах столь тяжелого сооружения.
79
Чтобы укрепить основание, в грунты было забито 12 тысяч свай. Для их скрепления сверху уложили два ряда огромных гранитных блоков. Толщина их равнялась 7,5 метра. Возведение фундаментов продолжалось в течение 5 лет. Его строили 125 тысяч человек.
При возведении здания архитектор допустил ряд ошибок. Некоторые из них сейчас же дали знать о себе. Например, он распорядился возвести сначала легкие портики, а лишь через несколько лет тяжелую среднюю часть. Этого нельзя было делать. Такой порядок строительства, как и следовало ожидать, вызвал деформации отдельных частей сооружения. Неравномерная осадка собора, возникшая в первые годы его строительства, продолжается и в настоящее время. Установлено, что главной ее причиной являются особые свойства сильно увлажненных глин, о которых мы говорили выше.
Прошли годы, отметили столетие собора, идет вторая сотня лет, а осадки все не прекращаются. Общая величина их достигла 30—45 сантиметров. То, что различные по весу части собора распределены неравномерно, вызывает усиленную осадку глин под более тяжелыми конструкциями и замедленную под более легкими. В результате этого возникают трещины, перекосы колонн, повреждение конструкций.
Дело дошло до того, что средние опорные столбы собора стали угрожать обрушением. Это заставило срочно заняться их укреплением. В 1956—1957 гг. были проведены большие работы по реставрации собора, при этом было много сделано для повышения прочности самого сооружения.
Пример Исаакиевского собора подтверждает коварство глин. Думали ли строители, что потомкам неоднократно придется ломать голову над укреплением их монументальных построек, что основания, казавшиеся сравнительно прочными, будут столь ненадежными?
УДИВИТЕЛЬНАЯ ИСТОРИЯ
Это событие произошло в одном из рабочих поселков, выросшем после окончания войны. Новые трех- и четырехэтажные дома блестели свежей краской и приятно радовали глаз. Счастливые новоселы радостно осваивали удобные квартиры. Быстро пробежал год, и в стенах
80
Набухание
Рнс. 47. Схема деформации домов при набухании глии
домов стали появляться трещины. Жители этих домов считали, что в разрушении зданий виноваты строители. Но вот приехали специалисты, осмотрели повреждения, взяли пробы грунта.
Удалось установить, что возникшие деформации вызваны не осадкой домов, как это можно было предположить, а наоборот, их приподнятием. Не удивляйтесь, именно поднятием их вверх. Оказалось, что в основании построек лежит многометровая толща глин, названных по цвету «шоколадными». Когда сделали минералогический анализ, обнаружили, что главной составной частью
этих грунтов является уже известный нам минерал монт-мориллонит. Попробовали в лаборатории их увлажнить. Обнаружилось, что эти глины растут при увеличении влажности, как тесто на дрожжах. Повышение содержания воды на 10—15% сопровождается их ростом в стороны, вверх и вниз. Объем увеличивается на 10—20%. Попробовали на увлажняемую «шоколадную» глину поставить груз. И что же? Когда вес его был равен весу домов, увеличение объема уменьшилось, но не прекратилось. Увеличили груз еще в два раза, и даже теперь некоторое увеличение объема при смачивании глины сохранялось. Оказалось, что сила набухания глины достигает 40—50 тысяч килограммов на квадратный метр поверхности.
Теперь легко понять, что явилось причиной странного приподнятия зданий. Небрежно устроенный отвод дож
81
девых вод в стороны от домов оказался недостаточным для предохранения глинистого основания от проникновения воды.
Возникшее на отдельных участках увлажнение и повлекло за собой местное набухание глинистых грунтов. Сила его давления, как мы уже выяснили, превосходит вес здания. И вот результат: вместо ожидаемой осадки на отдельных участках домов произошло их приподнимание (рис. 47).
Даже при незначительной величине промоченного слоя (20—30 сантиметров) увеличение глин в объеме могло вызвать подъем фундаментов на высоту 3—5 сантиметров, что вполне достаточно для растрескивания домов.
Нельзя не отметить, что серьезным препятствием для значительного набухания является крайне малая водопроницаемость монтмориллонитовых глин.
Изучая «шоколадные» глины района города Волгограда, ученые обнаружили, что их набухание ведет к возникновению в массиве породы трещин, которые способствуют быстрому распространению в этих глинах воды.
«РАСТВОРЯЮЩАЯСЯ» ПОРОДА
СПОР, ПРОДОЛЖАЮЩИЙСЯ 140 ЛЕТ
Перед нами кусок светло-желтой породы. На ее поверхности рельефно выделяются округлые, крупные поры, диаметр которых достигает 2—3 миллиметров. Благодаря своей значительной величине они получили название макропор (от греческого слова макрос — крупный).
Эта с первого взгляда ничем не примечательная порода вызвала среди геологов яростные споры, продолжающиеся уже более 140 лет.
В долине Рейна местное население назвало ее лёссом. Возможно, что это наименование произошло от немецкого слова, переводимого на русский язык как «растворимый».
Действительно, если положить кусочек этой породы в воду, то в течение нескольких десятков секунд он рассыплется на массу тончайших зернышек.
Геологи установили, что лёссы широко распространены на поверхности земли. Они покрывают обширные степные пространства в Европе, Азии и Америке. Их
82
можно встретить в Австралии и Африке. В Советском Союзе лёссы и примыкающие к ним породы занимают более 14% континентальной поверхности.
Ученые, основываясь на том, что лёссовые породы располагаются в самой верхней части земной коры и слагают поверхность земли, сделали вывод об их молодости, об образовании этих отложений в современную эпоху.
По возрасту эти породы являются сверстниками человека. Время их накопления совпало с антропогеном — периодом зарождения и развития человека. Иногда этот период называют также четвертичным.
Велико значение лёссов в народном хозяйстве страны. На них формируются одни из самых плодородных почв Земли — черноземы. Лёссы используют также для получения разнообразных строительных материалов. Многие, наверное, и не подозревают, что лучший красный кирпич делается из лёссовых пород.
На лёссах строятся дома и заводы, дороги и плотины. Из них возводятся многие земляные сооружения: насыпи, дамбы, насыпные плотины. В толщах лёсса прокладываются каналы и устраиваются водохранилища.
Большое значение имеет изучение лёссовых толщ для истории, археологии и антропологии. Именно в лёссах похоронены многие следы деятельности древнего человека.
Как образовались лёссы? Какими путями смогли накопиться толщи этой породы мощностью в 100 метров и более?
Оказалось, что ответить на эти вопросы не так просто.
Впервые спор о происхождении лёсса возник в начале прошлого века. С течением времени он разросся и превратился в проблему. В течение 140 лет было предложено 23 гипотезы. В 1920 г. немецкий ученый Кейль-гак выдвинул даже гипотезу о космическом происхождении лёсса. Другие исследователи предполагали то морское, то речное, то гейзерное, то озерное происхождение.
Некоторые из числа предложенных гипотез получили наибольшее распространение. К ним относится прежде всего ветровая гипотеза (эоловая). Она имеет, пожалуй, наибольшее число сторонников. Ученые-«эолисты» утверждают, что лёссы накопились путем ветрового
83
переноса и отложения пыли. Откуда же взялось столько пыли?
Главным источником ее в Европе явился материал, оставленный в центральных и северных районах великими ледниками.
Исследователи обнаружили, что значительная территория Европы не менее трех раз в течение четвертичного (антропогенового) периода покрывалась мощными толщами льда. Эти могучие ледники наступали из Скандинавии на юг. На территории нашей страны они достигали долин Днепра и Дона. Эти-то ледники и оставили после себя грандиозные скопления обломочного материала, снесенного со Скандинавских гор, а затем переотложенного ветром.
Другими источниками пыли называют пустыни Средней Азии, Аравии, Гоби и др.
Одним из наиболее упорных защитников эоловой гипотезы явился крупнейший русский геолог академик В. А. Обручев. В защиту ее им написаны десятки работ.
Сейчас эта гипотеза по-прежнему занимает главное место в объяснении происхождения лёсса.
Другой крупнейший советский ученый Л. С. Берг считал, что лёсс образовался в результате процессов почвообразования на пылеватых породах водного происхождения. Эта гипотеза также привлекла немалое число сторонников. Особенно обстоятельно Л. С. Берг излагает свои взгляды на происхождение лёсса в книге «Климат и жизнь».
Многие ученые и среди них знаток лёсса академик В. Г. Бондарчук и крупнейший русский почвовед В. В. Докучаев предполагают, что лёсс является водным образованием. Часть сторонников этой точки зрения считает, что он отложен водами, образовавшимися при таянии древних ледников. Наконец, есть ученые, которые предполагают, что лёсс образовался в результате накопления пылеватых частиц, смывающихся дождевыми струйками со склонов возвышенностей, т. е. имеет делювиальное происхождение.
Спор о происхождении лёсса не закончен до сих пор.
Все больше и больше ученых приходит к выводу, что эти породы образуются в природе различными путями: и воздушным, и водным, и делювиальным.
Приносимый различными способами пылеватый ма
84
териал подвергается воздействиям температурных колебаний, воды, химических веществ, организмов и растений. Проходят десятилетия, сотни и многие тысячи лет и вот результат — сформированная толща лёсса.
ПОРАЗИТЕЛЬНОЕ ДЕЙСТВИЕ ВОДЫ
Проделаем интересный опыт. К банке, наполненной водой, подвесим редкую проволочную сетку. На нее быстро опустим вырезанный из лёсса кубик. Кусок породы мгновенно окружается бурой пеленой. Со всех сторон начинают выскакивать многочисленные пузырьки воздуха. Вместе с ними вырываются отдельные зернышки и кусочки, как будто вытолкнутые из породы какой-то невидимой силой. Бурный процесс через 10—40 секунд завершается полным распадением кубика. Остается тонкая муть, повисшая в воде, и осадок из зерен и обломков породы на дне банки.
Подобное быстрое и бурное разрушение лёссовой породы в воде является характерной и важной для строителя ее особенностью. В сухом состоянии лёссовые породы в оврагах, котлованах, карьерах и других выемках образуют совершенно вертикальные откосы. Попробуйте их увлажнить. Вы увидите, что они сразу же начнут оползать, а откосы будут все более выполаживаться.
Если природная горизонтальная поверхность лёссовой толщи длительное время смачивается водой, то может возникнуть ее проседание. Такое проседание при увлажнении является результатом разрушения структуры и последующего уплотнения породы под действием собственного веса. В инженерной геологии этот процесс получил название просадки. В степях, где встречаются лёссовые отложения, часто можно видеть естественные просадочные блюдца (рис. 48).
Просадочные лёссовые толщи, на которых построены здания, опасно смачивать водой. Если в силу каких-то обстоятельств все же возникает увлажнение лёссового основания, то неизбежно его уплотнение, которое вызывает неравномерную дополнительную осадку построек. В домах появляются трещины, здания наклоняются, а иногда и полностью разрушаются.
В истории строительства известны сотни случаев серьезных повреждений, а иногда и разрушений сооружений, вызванных просадкой лёссовых пород.
85
Рис. 48. Просадка лёссовой поверхности на Ергеиях. В блюдцах скопилась дождевая вода
Вполне понятно, что все это заставило геологов и строителей заняться серьезным изучением строительных свойств лёссов.
НЕПРИЯТНЫЕ КАЗУСЫ
Произошел долгожданный пуск воды в новую Алханчур-товскую оросительную систему. Важная для Северного Кавказа стройка первой пятилетки была успешно завершена. Ее главный магистральный канал нес живительную влагу из реки Сунжи в опаленную зноем Алханчур-товскую долину. Обширный безводный район, расположенный между Терским и Сунженским хребтами, орошался водами новой системы.
Широким потоком двигалась по каналу вода. Его заполнение производилось не спеша. К концу второй недели в главном, магистральном канале вода поднялась иа 1 метр.
Сухие лёссовые породы, в которых был устроен капал, с жадностью впитывали воду. Как будто все обстояло благополучно. Но неожиданно на ряде участков были замечены странные явления. На берегах канала начали возникать и быстро расширяться трещины. С каждым днем их величина все росла и росла. Возни
86
кало все новое и новое растрескивание лёссовой поверхности. В конце месяца многие трещины достигли полуметровой ширины. Поверхность между трещинами начала проваливаться. Берега канала оказались разбитыми ступенями. Наиболее глубокие трещины и значительные опускания поверхности наблюдались непосредственно у канала. В сторону от него разрушения уменьшались (рис. 49).
В течение 2 месяцев опускание поверхности на отдельных участках канала достигло 1,5 метра. В то же время на других расположенных по соседству районах канала все обстояло благополучно и просадки отсутствовали.
Просадочные явления на каналах, подобные описанным, встречаются часто. Они известны не только на Северном Кавказе, но и в Средней Азии, Китае и других местах, где приходится проводить каналы в просадочных лёссовых породах.
Картина, возникающая при просадках каналов, носит во всех случаях сходный характер.
Разрушения наблюдаются всегда не по всей трассе сооружения, а лишь на отдельных участках, длина которых в одних случаях измеряется десятками метров, а в других достигает 1—1,5 километра. В стороны от канала просадки распространяются сравнительно недалеко, в большинстве случаев на 10—30 метров. Лишь иногда они захватывают более широкие зоны, до 80— 100 метров.
Рис. 49. Просадочные трещины вдоль каналов
87
Возникающие провалы и опускания поверхности измеряются в одних случаях десятками сантиметров, а в других 1,5—2 и даже 3 метрами.
Просадочные явления влекут за собой серьезные разрушения сооружений, возведенных для обслуживания каналов: мостов, регуляционных устройств и т. д.
Сейчас просадочные явления на каналах не так страшны для строителей. Благодаря упорной работе ученых и практиков, мы умеем теперь обнаруживать опасные просадочные участки, можем ликвидировать просадочность лёссовых пород, наконец, научились правильно строить на лёссах.
Не меньшие неприятности доставляют строителям просадки жилых домов, промышленных зданий и сооружений.
В качестве примера расскажем о том, что произошло с двумя доменными печами.
Современная доменная печь представляет собой сложнейшее хозяйство. Помимо самой домны в ее состав входят устройства для подогрева воздуха, носящие название кауперов, высокие дымовые трубы и другие сооружения.
Строительство производилось комплексом, обе печи возводились почти одновременно. Основанием для них служили просадочные лёссы.
Домна № 1 была пущена. Еще в процессе строительства обнаружились неравномерные дополнительные осадки дымовой трубы и кауперов.
Один из советских специалистов в области строительства на лёссах Ю. М. Абелев, обследовав возникшие деформации, установил их просадочное происхождение. Предпринятые тщательные поиски обнаружили, что причиной осадок явилось просачивание воды в лёссовые грунты из колодца, расположенного в 50 метрах от этих сооружений.
В это время заметили, что и сама доменная печь дает сильную осадку, величина которой изменяется с течением времени. Бросились искать причину. Упорные поиски течи воды не дали никакого результата. Возникла мысль сопоставить периоды усиления и ослабления осадки с метеорологическим графиком выпадения дождей. Сразу обнаружилось, что когда идет дождь, осадка увеличивается. В сухое время осадки почти нет. Так 88
установили причину деформации домны. Немедленно приняли все меры для отвода дождевых вод в сторону от печи. Зарыли все ямы, траншеи. Результат не заставил себя ждать. Осадка домны прекратилась.
Доменная печь начала работать. И в этот момент опять обнаружилась ее интенсивная просадка. Она достигла 6 мм в сутки.
Снова начались поиски. Осадка домны все нарастала. Домне грозила авария.
Наконец причина была найдена. Она заключалась в водоводах, подававших воду к домне. Их течь привела к увлажнению, а затем и просадке лёссового основания. Общая величина погружения домны в грунт достигла одного метра.
В общих чертах эта история повторилась и с доменной печью № 2. Здесь также «ахиллесовой пятой» оказалась водопроводная система.
Нужно сказать, к чести строителей и металлургов, что, несмотря на большие просадки доменных печей, кауперов, дымовых труб, они сумели обеспечить их непрерывную работу. Домны бесперебойно давали стране высококачественный металл.
Вот еще один интересный пример. За несколько лет перед Великой Отечественной войной вступила в строй электростанция, построенная на просадочных лёссовых породах. Первые деформации были замечены в 1938 г. Они не вызвали особой тревоги. Время шло и просадки продолжались. 22 года они то нарастали, то замирали. За этот срок отдельные части здания станции успели осесть на 1 метр.
Причин смачивания лёссовых оснований было много: текли водоводы, возникали переливы воды в каналах гидравлического удаления золы, попадала в грунты дождевая вода.
Здание электростанции было построено так, что все дождевые воды должны были течь в стороны от нее. Но общая просадка поверхности привела к тому, что корпус электростанции оказался как бы в яме. Вся вода с окружающей территории во время дождя стекала к нему.
Вид электростанции в результате этого стал неприглядным. Картина была не из приятных: перекошенные колонны, наклонившиеся переходные мостики, стены,
89
разбитые многочисленными трещинами, наклонившиеся трубы.
Строители проделали большую работу по укреплению стен, колонн, подъему мостиков и ликвидации течи водоводов. Сейчас электростанция опять приобрела свой первоначальный опрятный вид.
Рассказы о просадочных деформациях зданий и сооружений можно продолжать. Много можно найти примеров просадок и в Ростове-на-Дону, и в Одессе, и в Грозном, и во многих других городах. Этот перечень можно значительно расширить примерами и по зарубежным странам.
ПРОВАЛЫ ПОВЕРХНОСТИ В ЛЁССАХ
На одном из химических заводов, построенном на лёссовых породах, однажды возникло, с первого взгляда, странное явление. Неожиданно произошел провал поверхности. Возникла яма глубиной 4—5 метров и площадью в несколько десятков квадратных метров. Она затронула рельсовые пути. Рельсы вместе со шпалами повисли над провалом. Хорошо, что это обрушение произошло ночью, когда движение по ветке отсутствовало, поэтому оно не вызвало каких-либо тяжелых последствий.
Долго ломать головы над причиной этого происшествия не пришлось. Сразу обнаружилось, что его вызвала течь напорного водовода. Сильный ток воды из неплотных соединений звеньев труб быстро размыл и разрушил окружающий их лёссовый массив. Образовавшиеся мелкие зерна вместе с потоком воды уносились вдоль водовода по недостаточно плотной засыпке гранта и образовавшимся в ней канальцам.
День изо дня шел процесс разрушения лёсса. Образовалась большая пустота, ориентированная вдоль водовода. Наконец наступил момент, когда кровля ее не выдержала и рухнула.
Явление размыва и выноса частиц породы в лёссах совершенно аналогично описанному суффозионному процессу в песках. Лёссовые породы так же легко поддаются механической и химической суффозии, как и плывуны.
Исследования показали, что образование пустот в лёссовых породах при течи водоводов и связанное с ним
90
обрушение поверхности довольно распространенное явление.
Если вы живете в городе лёссовой полосы, обратите внимание на встречающиеся провалы водопроводных и канализационных смотровых колодцев и участков земли около них. Это результат все того же процесса.
ПОЧЕМУ ЛЁССЫ ДАЮТ ПРОСАДКИ!
Уже первые исследователи обнаружили, что лёссы имеют очень высокую пористость, достигающую 55—64%. Это свидетельствует о потенциальной возможности их значительного уплотнения.
Но почему прочная в сухом состоянии порода почти мгновенно разрушается водой?
Многие ученые и инженеры упорно искали объяснение этому явлению. Вначале объясняли разрушение структуры лёсса водой механическим действием пузырьков воздуха, вырывающихся из лёсса при увлажнении. Но при проверке обнаружилось, что бурное выделение воздуха является лишь результатом, а не причиной процесса. Искали причину и в том, что зерна породы сцементированы растворимыми в воде солями. Под действием поступающей в грунт воды соли растворяются и зерна теряют между собой связь. Для доказательства этой гипотезы были сделаны сотни химических анализов лёсса. Выяснилось, что разрушение структуры, вызванное резрушением водорастворимых солей, цементирующих частицы лёсса, имеет место, но роль его невелика.
Некоторые исследователи усматривали причину просадок в оплывании макропор (рис. 50), происходящем при воздействии воды. Они думали, что именно оплывание макропор ведет к уплотнению лёссовой породы.
Советский ученый Н. Я. Денисов, потративший много времени на изучение лёссов, установил, что просадка возникает в результате их природной недоуплотненно-сти и способности к пептизации, вызываемой особыми условиями образования пород. Причина недоуплотнен-ности заключается в том, что порода имеет пористость выше, чем должна была бы иметь при условиях действующего в массиве давления. При проникновении воды вокруг частиц образуются водные пленкй, которые
91
Рис. 50. Макропора в лёссах
раздвигают частицы (как говорят, расклинивают их) и создают условия для уплотнения породы.
Эти взгляды в работах советских ученых в последние годы получили дальнейшее развитие.
Сейчас можно говорить, что просадка возникает в результате совместного действия внешних и внутренних факторов. К внешним относятся поступление воды и воздействие давления; к внутренним — высокая пористость и малая водостойкость агрегатов частиц, слагающих стенки пор.
Большую роль в разрушении лёссовых пород играют коллоидные явления. Дело в том, что основными структурными элементами лёсса являются агрегаты пылеватых и песчаных зерен. Значительная часть из них соеди-
92
йена между собой коллоидно-дисперсными минеральными частицами. Вода, проникая в породу, разрушает их и переводит в состояние жидкого коллоидного раствора. Такой переход твердых коллоидных частиц в жидкий раствор ученые называют пептизацией (от греческого пептос — переваривать).
Пептизация является одной из главных причин разрушения агрегатов. Образующиеся отдельные пылеватые и песчаные зернышки перемещаются и заполняют поры, чем создают условия для механического уплотнения лёсса.
Если посмотреть на поверхность породы через лупу, можно увидеть, что пылеватые и песчаные зерна как бы «плавают» в общей тончайшей коллоидно-дисперсной массе (рис. 51). Легко представить себе, что произойдет с породой, когда вся эта тонкая часть пептизируется.
Помимо пептизации, на процесс просадки лёссовых пород оказывает воздействие растворение солей, цементирующих частицы. Не малое значение имеет осмотическое давление, возникающее вследствие разной концентрации растворенных солей в воде, двигающейся по порам и в пленках вокруг зерен. Влияние этого фактора еще плохо изучено, но его большая роль в развитии просадки несомненна.
Рис. 51. В лёссах зерна (/) окружены глинистым веществом (2)
93
Однако не все лёссовые породы склонны к просадке. В составе непросадочных грунтов обычно преобладают агрегаты, сцементированные нерастворимыми в воде веществами или коллоидными частицами, пептизация которых в обычных условиях не происходит. В этом случае порода, несмотря на высокую пористость, просадки давать не будет (рис. 52). В других случаях просадка не возникает вследствие малой пористости пород.
С ПРОСАДКАМИ МОЖНО БОРОТЬСЯ
Представьте себе, что вы хотите строить дом на лёссовых породах. Что прежде всего вас заинтересует? Конечно, вопрос о том, просадочны ли лёссы. Если ответ будет положительный, то сразу возникает следующий вопрос: как велика эта просадочность. Насколько они могут при увлажнении уплотниться?
Долго ученые искали ответы на эти вопросы строителей. Оказалось, что небольшой кубик лёсса, вырезанный без разрушения его природной структуры, может ответить на все эти вопросы.
В инженерно-геологических лабораториях из такого кубика вырезают цилиндрик и помещают его в бронзовое кольцо (рис. 53).
При помощи специального поршенька на вырезанный образец оказывают давление. Величина нагрузки определяется давлением будущего дома (обычно она колеблется от 1,5 до 3 килограммов на квадратный сантиметр).
Когда цилиндрик лёсса перестанет сжиматься под этой нагрузкой, его увлажняют.
94
Заметим, что это испытание напоминает процесс, протекающий в действительных условиях строительства.
Смочив водой образец, наблюдают за изменением его размеров. Если порода очень просадочная, то смачивание вызывает резкое уменьшение высоты образца; если она не просадочна, то толщина цилиндрика почти не изменится.
Измеренная величина осадки образца используется для расчета предполагаемой просадки здания.
Теперь мы знаем, как устанавливается просадоч-ность. Но что делать, если лёсс оказывается очень просадочным? Может быть поискать другое место для строительства? Но ведь чаще всего это оказывается невозможным. Что же делать тогда? Прежде всего нужно подумать о предохранении лёссового основания от увлажнения.
Для этой цели асфальтируют участки около здания, отводят дождевые воды в стороны от него, заключают водопроводные и канализационные трубы на участке постройки в специальные тоннели и проводят много других мероприятий.
Однако, несмотря на все эти ухищрения, вода все же попадает в лёссовые основания, и сооружения начинают оседать.
Пришлось искать пути для полной ликвидации про-садочности лёссов. Многолетние поиски увенчались полным успехом.
Инженерная геология сумела дать строителям достаточно надежные способы борьбы против просадок.
«ОГНЕННЫЙ» МЕЧ
В греческой мифологии имеется легенда о подвиге сказочного титана Прометея. Он, вопреки воле Зевса, правящего миром, похитил с Олимпа огонь и дал его людям. За это Зевс жестоко наказал Прометея, приковав его к высокой скале. В грудь Прометея вонзилось стальное острие и пригвоздило его к скале. Ужасные муки терпел герой: то его жгли лучи солнца, то сковывал леденящий холод. Каждый день, шумя могучими крыльями, прилетал огромный орел и терзал острыми ногтями прикованного героя.
Так фантазия древних греков образно отразила
95
Рис. 54. Схема термического укрепления лессовых пород:
/ — термическая установка; 2 — зона обжига; 3 — форсунка
тяжелый путь, который прошел человек, прежде чем сумел покорить огонь. Много тысячелетий служит огонь человеку. Он согревает его жилища, помогает готовить пищу, плавить металлы. Без огня не было бы современного общества.
Почему бы не обратиться к другу человека — «огненному мечу», чтобы уничтожить про-садочность лёссов? Почему бы не использовать огонь для обжига лёссовых оснований, как это делается при производстве из лёсса обыкновенного кирпича?
Впервые эта идея была использована в 1938 г. советскими учеными Н. А. Осташовым и А. А. Стороженко. Они нагрели воздух в специальном аппарате до 700—800° и пустили его в скважину. Лёссовая порода была доведена до кирпичеобразного состояния. Она стала очень прочной и непросадочной.
Позднее, в 1947 г., этот способ был значительно усовершенствован А. Ф. Беляковым, И. М. Литвиновым и П. И. Черкасовым. Они стали обжигать породу с помощью огненного факела, сгорающего прямо в скважине. Горючее (жидкое или газообразное) подводится к скважине. Здесь, проходя через специальное устройство — форсунку, оно распыляется и сгорает (рис. 54).
Достаточно 5—10 дней горения такого факела, чтобы создать окаменение участка диаметром в 2,5 и глубиной в 10 метров и более.
Такие обожженные лёссы становятся неразмокаемы-ми. Резко возрастает прочность породы. Она может выдержать нагрузку в 100—1000 тонн на квадратный метр.
Интересно, что при обжиге сохраняется высокая пористость и водопроницаемость пород.
Этот метод находит все большее и большее применение в строительстве.
ДРУГИЕ ПУТИ БОРЬБЫ С ПРОСАДКАМИ
Многие слышали о красивом здании Одесского оперного театра, но мало кто знает, что театр был воздвигнут на просадочных лёссовых грунтах.
Прошло много времени. Прошумели революционные бури, в боях пронеслась Великая Отечественная война, но подвела театр просадочность грунтов, на которых он стоял. Неоднократные повреждения водопровода и канализации, разрушение ливнеотводов — все это привело к увлажнению основания и возникновению неравномерных деформаций здания. Появились широкие трещины, перекос колонн, наклон стен. Театру угрожали серьезные аварии.
На помощь пришли ученые и инженеры. Было принято решение срочно укрепить основание и прекратить дальнейшее развитие просадок. Из многих предложенных решений этой задачи остановились на силикатизации лёссовых грунтов по периметру театра.
Мы уже ранее говорили о силикатизации песка. Напомним, что при силикатизации в песок нагнетается жидкое стекло, а затем хлористый кальций, которые превращают его в камень.
Метод силикатизирования лёссов, разработанный советским ученым В. В. Аскалоновым, назван однорастворным. Дело в том, что после нагнетания в лёссовую породу раствора жидкого стекла вводить другие вещества ненужно. Все необходимое имеется в самом грунте.
Силикат натрия в течение 30 суток под действием солей, заключенных в лёссах, твердеет и скрепляет породу. Она становится прочной, непросадочной и водо-стойкой. Этот метод и был применен для укрепления основания Одесского театра. В результате силикатизации дальнейшие просадки основания и деформации театра прекратились.
Человеческая мысль неустанно ищет все новые и новые пути к устранению просадок.
Попытались вызывать искусственную просадку перед строительством сооружений. Для этого участок, выбранный для строительства, подвергли длительному предварительному увлажнению. Спустя некоторое время приступили к возведению сооружения. Оказалось, что этот путь во многих случаях может дать хорошие результаты.
97
Рис. 55. Тяжелая трамбовка
А что, если понизить пористость лёсса путем уплотнения? Сначала были неудачи. Потом установили, что уплотнение, производимое особо тяжелыми трамбовками, дает хороший результат. Трамбовки — железобетонные усеченные конусы весом от 1,5 до 4,5 тонны (рис. 55). Такой конус сбрасывается с высоты 4 метров. Под его мощными ударами удается уплотнить лёссовую породу на глубину до 2 метров. После трамбования в этом слое просадочность грунта либо совсем исчезает, либо становится незначительной.
А что, если насытить лёссовую толщу водой и хорошенько ее встряхнуть? Неутомимый исследователь И. М. Литвинов решил пойти по этому пути.
Участок, на котором собирались строить, был «опилен» циркулярной пилой. Затем на нем были пробурены скважины, через которые лёссовые грунты насытили водой. В заключение во все выработки, наполненные водой, опустили заряды взрывчатого вещества и одновременно взорвали (рис. 56).
От сильного сотрясения массив мягко опустился более чем на 1 метр. Просадочность была полностью ликвидирована. Таким образом, ученые и практики решили сложную задачу борьбы с просадками.
98
Рис. 56. При взрыве в скважинах из них вырывается фонтан воды. Возникающий толчок ведет к уплотнению лёссового массива (фото И. М. Литвинова)
ВЗРЫВ в ГОЛОДНОЙ СТЕПИ
Немилосердное жгучее солнце, выжженная растрескавшаяся земля, безлюдье — так выглядела в прошлом страшная Голодная степь. Но вот пришел к власти трудовой народ. Руководимые ленинской партией и правительством советские люди пошли в бой за социалисти
99
ческую реконструкцию страны. Началась борьба с вековечной иссушающей засухой в Голодной степи. В первые же годы после гражданской войны началось строительство оросительных систем, имевшее целью напоить водой пустынные земли.
Труд человека изменил Голодную степь. Тысячи каналов рассекают ее теперь во всех направлениях. Ровные ряды фруктовых и полезащитных деревьев радуют глаз. Голодная степь теперь — это десятки тысяч гектаров хлопковых полей, фруктовых садов вместо безжизненных пространств; сотни поселков, селений и городов вместо бывшего безлюдья.
В будущем предусмотрено превращение йсей этой территории в цветущий край. От ее прошлого останется только одно печальное название.
Геологи установили, что значительная часть Голодной степи представляет собой древнюю долину крупнейшей реки Средней Азии Сырдарьи. Когда-то она принесла и отложила здесь мощные толщи суглинков, лёссовых пород, глин, песков.
В этой пустынной местности есть такие участки, где подземные воды залегают близко к поверхности. Однако на большей части Голодной степи, чтобы достать воду, приходится рыть колодцы глубиной в сотни метров.
Чтобы оживить Голодную степь, уже сейчас в ее просторы несут живительную влагу каналы общим протяжением свыше 3 тыс. километров. Первые каналы прокладывались землекопами вручную, а затем их сменили механизмы.
Много труда вложили советские люди в создание системы орошения. Многому научились гидротехники в процессе этих работ. Были и ошибки. Пришлось преодолеть не одно препятствие, вставшее на пути строителей.
При сооружении одного из магистральных каналов на речной террасе строители решили призвать на помощь взрыв. Для этого вдоль трассы будущего канала заложили взрывчатые вещества. Обычно массы земли взрывом выбрасываются в стороны, и канал вчерне готов. Хороший это способ. Он не только сокращает время строительства и затраты труда, но и уплотняет стенки канала, делает их более прочными и непроницаемыми для воды. Эти бесспорные преимущества обеспечили
100
широкое применение такого способа строительства каналов.
В случае, о котором мы рассказываем, строителей ждал неприятный сюрприз.
Выполнили все расчеты, заложили взрывчатые вещества и в один из дней произвели взрыв.
Но что это? Когда рассеялась пыль от взрыва, на месте ожидаемого канала расстилалась длинная полоса болота.
Почему это произошло? Ведь на этом же участке вручную был построен уже не один канал. Дело оказалось в том, что канал должен был пройти в насыщенных водой глинистых лёссовых породах. Как было впоследствии установлено, эти грунты оказались сильно тиксотропными. Энергичная встряска их взрывом вызвала мгновенный переход грунта в жидкий коллоидный раствор — золь, который и затопил образовавшуюся выемку.
Через несколько дней эта жидкая масса отвердела, а сверху образовался небольшой слой воды. Мы уже знаем, что это отвердение связано с восстановлением гелеобразного состояния грунта.
КОНФУЗ помог
Описанный случай при строительстве канала в Голодной степи не редкость. Взрывы в грунтах, предрасположенных к тиксотропным изменениям, не раз приводили в прошлом к печальным результатам.
Такие явления наблюдались при строительстве каналов и в Муганской степи (Азербайджанская ССР), и на Северном Кавказе, и в ряде других мест.
У строителей, естественно, возникло много вопросов: нужно было установить, при какой влажности глинистые лёссовые породы проявляют тиксотропность. А главное выяснить, можно ли вообще применять взрывы для строительства каналов в таких грунтах?
Ученые кропотливо изучали это явление. Было обнаружено, что разжижение и оплывание каналов возникает только в тех лёссовых грунтах, влажность которых превышает 25—27%.
Продолжая исследования, они ответили утвердительно на второй вопрос: после того как грунт затвердеет, необходимо произвести второй взрыв. Он и образует
101
хороший канал. Каналы, построенные с помощью взрыва на таких грунтах, оказываются более прочными и долголетними.
Что же произошло с грунтом? Почему так изменились его свойства?
Ответ несложен. После первого взрыва значительная часть воды была удалена и влажность вторично затвердевшей породы стала меньше, чем это необходимо для возникновения тиксотропии. Помимо этого, окружающие грунты при взрыве настолько уплотнились, что приток воды извне практически стал невозможен.
Строители теперь так и поступают. Производят на подобных грунтах два взрыва (рис. 57): первый с небольшим количеством взрывчатого вещества, чтобы только вызвать оплывание грунта, второй, более основательный, для получения требуемого канала или котлована. Промежуток между первым и вторым взрывами определяется опытным путем. Обычно он равен 2—3 месяцам.
Было замечено, что после взрыва в этих грунтах стенки канала сохраняются многие годы. Если же канал был вырыт механизмами, то уже в первые годы его работы непрерывно возникают оплывания стенок, поэтому перед разработкой тиксотропно-опасных грунтов с использованием механизмов необходимо произвести предварительный сотрясательный взрыв небольшим количеством взрывчатых веществ.
После этого канал, проложенный механизмами, приобретает такую же высокую устойчивость, как и канал, пройденный только с помощью взрывов.
Так конфуз был обращен на пользу строителям.
Маленькую историю, рассказанную нами, хорошо закончить мудрой поговоркой: «Каждая неудача делает нас умнее».
I взрыв
Ивзрыв
Рис. 57. Последовательное строительство канала методом взрыва?
1 — насыщенные водой лёссовые породы; 2 — разжиженный и уплотнениьй взрывом грунт
102
САМЫЕ СЛАБЫЕ
МЯГКИЙ, КАК ПОДУШКА
В мире грунтов мы часто встречаемся с породами, почти целиком состоящими не из минеральных частиц, а из остатков растений. Их название вам известно — торфы.
В повседневной жизни торф нам хорошо знаком как топливо. Это сухой, буроватый, довольно плотный материал. Но если попробовать идти по торфяному болоту, то первое, что поразит вас, это его необычайная сжимаемость. Будет казаться, что вы идете по пуховым подушкам. На каждом шагу торфяная поверхность будет легко сжиматься под ногой, выдавливая воду. Иногда торф представляет собой кашеобразную массу. Становиться на нее не рекомендуется, вы можете попросту утонуть в этой бурной неприятной разжиженной массе.
На торфяных грунтах часто приходится строить плотины, дороги и отдельные сооружения.
Рассмотрим эту интересную породу поближе. Даже невооруженным глазом можно видеть, что торф состоит из остатков различных растений. Здесь обнаруживаются и листья, и ветви, и остатки коры, и различные мхи, и даже остатки древесных стволов. Все это переплетено в сложную сеть. Часть этих остатков уже разложилась и образовала жидкую кашеобразную маслянистую массу, а часть еще сохранила свои начальные формы.
В зависимости от времени образования, условий существования и состава растительных остатков среди торфов выделяется целый ряд разновидностей. Например, кашеобразный сильно разложившийся торф называют болотным, малоразложившийся — войлочным торфом и т. д. Торф обладает удивительной способностью всасывать в себя воду. 1 килограмм его может впитать 3—7 килограммов воды, а торфы, состоящие из мха, даже 10 килограммов.
В природных условиях торф содержит 70—95% влаги. Воду он отдает почти с таким же трудом, как и глинистые породы. Это свойство серьезно затрудняет осушение торфяных болот.
Поразительным является изменение объема торфяного грунта при осушении. Он уменьшается в 7—10 раз. Осушая торфяные болота, строители должны учитывать, что поверхность их может опуститься на 1—2 метра
103
Рис. 58. Обнажение свайного фундамента в результате осушения торфяного массива (по книге Н. Н. Маслова)
и более. Сооружениям, построенным на таком участке, угрожает повисание в воздухе, как это показано на рис. 58.
Самой опасной для строителя особенностью торфа является способность его к сжатию под весом насыпей, плотин, домов и других сооружений.
Если на торфе возводятся какие-либо насыпи или плотины, они немедленно дают большую осадку. При мощности слоя торфа больше 7—8 метров такая насыпь, как правило, проваливается до твердого грунта. Так, при строительстве на одном из торфяных болот в Белоруссии трехметровая насыпь погрузилась в грунт на 10 метров.
Строительство зданий на торфяниках всегда является сложной задачей. В этих случаях приходится применять забивку свай, насыпку мощных песчаных «подушек» или специальные методы искусственного уплотнения торфяного грунта.
104
СОВСЕМ ЖИДКИЙ ГРУНТ
Представьте себе, что есть более жидкий грунт, чем кашеобразный торф. Он образуется на дне озер, морей и в долинах рек. В стоячей или очень медленно движущейся воде мелкие песчинки, пылеватые и глинистые частицы спокойно опускаются на дно. Постепенно накапливается пористая, рыхлая, насыщенная водой порода—ил.
В ее состав, кроме минеральных частичек, может входить также и органическое вещество.
Свойства иловатых грунтов весьма неприятны для строителя. Они текут, как жидкость. Влажность их достигает 100—200%. Слой ила в 1 метр может уплотниться на 15—20 сантиметров. Если же возникнет возможность выдавливания из-под подошвы здания в стороны, то ил этим незамедлительно воспользуется и постройка начнет проваливаться в землю.
Способность ила вытекать из-под груза широко используется строителями.
Например, при строительстве плотины в долине реки Большой Маныч были обнаружены мощные слои разжиженного ила.
Строители долго ломали голову, как быть в этом случае. Решили выдавить илы из-под плотины в стороны. Сначала возвели центральную насыпь, прорезавшую илы, а затем ее начали расширять, постепенно отдавливая жидкий грунт в стороны. Так удалось выдавить илы из-под плотины, основав ее на прочном песчаном слое.
Метод выдавливания разжиженных илов получил широкое распространение в строительной практике.
Особенно большие затруднения вызывает строительство портовых сооружений в прибрежных участках морей, где встречаются значительные скопления илов. Но и в этих условиях был найден выход. Ученые предложили на морские илы предварительно насыпать значительное количество песка. На таких песчаных подушках можно возводить даже тяжелые сооружения.
ЗАГАДКА МЕХИКО
Один из красивейших городов мира столица Мексики — Мехико, древнейший город Америки, основанный ацтеками еще в 1325 г., построен в центральной части Мексиканского нагорья на высоте 2200 метров. Город рас-
105
кинулся в довольно обширной высокогорной котловине. Мексиканские зодчие сумели создать гармонию между современными небоскребами и старинными дворцами, множеством храмов и многочисленными памятниками.
Но вот последние 15—20 лет в городе происходят непонятные явления. Недавно возведенные небоскребы и старые храмы стали наклоняться в разные стороны. В южной части города по некоторым улицам проезд автомашин стал затруднительным из-за того, что мостовые начали изгибаться, образуя на своей поверхности волны.
На целом ряде участков города возникли внезапные опускания земли. Особенно запомнился жителям 1958 г., когда обширная территория города внезапно прогнулась и улицы заполнились водой. На отдельных участках движение стало возможным только на лодках.
Исследуя эти явления, мексиканские ученые установили, что в настоящее время город оседает с примерно постоянной скоростью. В зависимости от части города ежемесячное опускание составляет до 3—4 сантиметров. Установлено, что поставленные в конце прошлого столетия железные столбы на площади Сокало за последние 70 лет опустились на 4—6 метров.
Специалисты, изучив геологию территории, сумели разгадать эту тайну.
Оказалось, что когда-то впадина, на которой построен город, была более глубокой. Расположенные на мексиканском нагорье действующие вулканы выбрасывали в воздух большие массы пепла, который оседал на склонах котловины. Дождевые потоки сносили его в центральную часть впадины. За многие тысячелетия котловина была заполнена мощной толщей этой вулканической пыли. Так как слагающие стенки впадины породы очень слабо пропускали воду, то постепенно вместе с пеплом в котловине накопилось громадное количество подземной воды. Образовались пепловые илы, пористость которых достигала 70%. Эта слабая рыхлая масса хорошо держала вес вышележащих более плотных пород вследствие того, что все ее поры были заполнены водой. Вода явилась прекрасным источником для снабжения населения водой.
Но вот город стал быстро расти. Увеличение населения и развитие промышленности привели к тому, что 106
из котловины стали брать воды больше, чем ее поступало с атмосферными водами. Подобная усиленная откачка привела к тому, что илы стали обезвоживаться. Без воды они оказались не способными выдерживать вес вышележащих грунтов и построек.
Город потерял устойчивость. Это создает серьезную опасность для населения.
Какой же может быть выход из этого положения?
Ученые работают над ответом на этот жизненно важный вопрос для города. Тем временем принимаются некоторые неотложные меры. Так, несколько улучшили положение принятые правительством законы, запрещающие забор воды в районе города и прилегающей к нему территории. Для снабжения населения построены питающие магистрали, подводящие воду с водозаборов, расположенных в десятках километров от города. Но эти меры оказываются недостаточными.
Сейчас мексиканские ученые разработали проект, который предусматривает создание в близрасположен-ных горах крупнейшего водохранилища, из которого вода будет подаваться в илы под давлением 300 атм.
Предполагается возместить потери воды и поднять поверхность Мехико на ранее существующий уровень. На втором этапе работ предполагается нагнетать в илы под давлением жидкий цементный раствор, который окончательно превратит их рыхлую массу в прочную бетонную основу.
ЗЕМЛЯ СОДРОГАЕТСЯ
НАБЛЮДЕНИЯ И ФАКТЫ •
МОЖНО ЛИ ПРЕДСКАЗАТЬ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЕ!
•
ОДИН УДАР — РАЗНЫЕ ПОСЛЕДСТВИЯ
•
СТРОИТЕЛИ НАХОДЯТ ВЫХОД
НАБЛЮДЕНИЯ И ФАКТЫ
120 СОТРЯСЕНИЙ ПОВЕРХНОСТИ В ЧАС
Думали ли вы, что твердая поверхность Земли постоянно сотрясается? Оказывается, это так. Ученые обнаружили, что в течение года бывает свыше миллиона сотрясений поверхности Земли Это составляет 120 толчков в час. Подавляющее большинство их мы не ощущаем, лишь малая часть из них может достигать ощутительной силы. Такие заметные колебания поверхности Земли воспринимаются как землетрясения. В среднем человеком ощущается около 100 тысяч сотрясений Земли в год. Разрушительными бывают немногим более 100 землетрясений. На рис. 59 показано, сколько бывает (в среднем) землетрясений разной разрушительной силы в течение года.
При землетрясении частицы грунта под действием подземных толчков начинают колебаться. Если их колебания не превосходят сотых долей миллиметра, то они остаются незаметными для человека. Такие незаметные сотрясения обнаруживаются и регистриру-
110
WOO}
Рис. 59. Годовое количество землетрясений разной разрушительной силы:
а — катастрофические; б — сред-слабые
ние; в — незаметные и землетрясения
ются только специальными высокочувствительными приборами.
Во время крупных землетрясений движение частиц грунта становится настолько значительным, что человек не может устоять на ногах. Измерение размаха быстрых перемещений частиц поверхности во время землетрясения 1894 г. в Японии позволило установить, что колебания зерен пород в вертикальном направлении достигали 10 сантиметров,
а в горизонтальном — 35 сантиметров.
При сильных землетрясениях на поверхности Земли возникают волны, напоминающие морские. В 1897 г. в индийском штате Ассам во время сильнейшего землетрясения почва колебалась до 200 раз в минуту. По поверхности Земли бежали волны высотой 0,3 метра. Расстояние между их гребнями достигали 9 метров.
Как же оценить силу подземного толчка? Читая в газетах сообщения о землетрясениях, вы, наверное, не раз обращали внимание на ту их часть, где указывалось, что сила толчков достигала такого-то количества баллов.
Это наиболее распространенный способ оценки силы землетрясения. По степени разрушительности и воздействия на человека все сотрясения делятся на 12 ступеней — баллов. Получается шкала, в которой сила землетрясения нарастает от первого к двенадцатому баллу. По этой шкале 1, 2 и 3 балла соответствуют незаметным для человека сотрясениям поверхности. Землетрясения силой в 4—5 баллов ощущаются всеми людьми, при этом раскачиваются висящие предметы, перемещается мебель, трещат стены. При 6—7 баллах возникают трещины в стенах, иногда обрушиваются малопрочные саманные постройки. Люди, застигнутые таким землетрясением, испытывают панический страх и выскакивают стремглав на улицу. Автору пришлось наблюдать, как при толчке силой в 6 баллов в Крыму испуганные курортники выпрыгивали из окон.
ш
Рис. 60. Трещины, возникшие вдоль улицы при землетрясении в Сан* Франциско в 1906 году.
Рис. 61. Обрушение моста в Японии в результате землетрясения 28 октября 1891 года
баллов
гзо зоо
Рис. 62. Возрастание силы толчка при землетрясениях разной балльности (а — ускорение частиц грунта, мм/с2)
8-балльное землетрясение влечет за собой многочисленные повреждения в кирпичных зданиях: появляются трещины, обваливается штукатурка, падают трубы. Возможны человеческие жертвы. При 9—10-балльных землетрясениях происходят обвалы и разрушения большинства кирпичных зданий, опрокидываются башни, трубы, памятники, ломаются ветви и стволы деревьев. 11— 12 баллов представляют собой страшную катастрофу. Реки меняют свои русла, изменяется ландшафт местности (рис. 60); все созданное человеком разрушается (рис. 61).
На рис. 62 наглядно показано нарастание силы толчка при разных землетрясениях.
ТАИНСТВЕННЫЕ ЯВЛЕНИЯ
Драматизм землетрясения усугубляется таинственными явлениями, которые предшествуют и частично сопровождают его.
113
Прежде всего звуки. Как правило, значительные землетрясения сопровождаются подземным гулом и грохотом. Сила звуков бывает настолько велика, что сжимает голову и кажется, что барабанные перепонки вот-вот лопнут. Очевидцы рассказывают, что эти звуки напоминают «мощные орудийные залпы» и «грохот тысяч пушек».
Объяснение этого явления довольно простое — возникающие звуки это шумы от движения мириадов час-тицпороды, разрывов земляных толщ и падения скал.
Особо следует заметить, что при сейсмических ударах генерируются инфразвуковые волны. Они могут возникать еще до главного толчка. Эти звуки человек не слышит, однако многие животные их воспринимают. Возможно, этим объясняется непонятное возбуждение собак, коров, кошек и птиц, возникающее еще до прихода подземного толчка. Что касается человека, то инфразвуки действуют на него угнетающе.
Еще более загадочными являются световые явления. Они были замечены наблюдателями почти при всех сильных землетрясениях, очевидцы рассказывали, что видели ослепительно белые вспышки, багрово-красное свечение, голубоватое пламя, рассеянный светло-розовый свет и т. д.
В. И. Уломов, рассказывая о Ташкентском землетря сенпи, приводит сообщения очевидцев: «в 5 часов 22 ми нуты утра (примерно за минуту до подземного толчка.— А. Л.), когда солнце еще пряталось где то за горизонтом, из-под земли с шипением вырвался и взвился над крышами ташкентских домов гигантский огненный факел. Довольно четко очерченный по краям и размытый в верхней части, он округло расширялся и напоминал по форме пламя колоссальной свечи. Оторвавшись от земли, таинственное предзнаменование растворилось в полыхающем розоватом свете зарниц».
Заметим, что эти световые явления тесно связаны с аномальными процессами, возникающими в электростатическом поле атмосферы. Возможно, что свечение и электростатические процессы тесно взаимосвязаны между собой.
Землетрясения сопровождаются также магнитными возмущениями, регистрируемыми на территориях, охваченных процессом.
114
Как видно, с этими изменениями среды связаны явления психологического порядка. В момент землетрясения человек испытывает панический страх, который, можно полагать, развивается в результате стресовых процессов изменения среды.
КОГДА БОЛЬШЕ ВЫДЕЛЯЕТСЯ ЭНЕРГИИ —
ПРИ АТОМНОМ ВЗРЫВЕ ИЛИ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИИ!
Чтобы представить себе могучие силы природы, действующие при сотрясениях земной поверхности, познакомимся с величиной энергии, выделяемой при землетрясении.
Американские ученые Гутенберг и Рихтер подсчитали, что при катастрофических землетрясения^ выделяется до 1025 эргов энергии. Это количество приближенно равно 1 квадриллиону лошадиных сил. Подобный запас энергии достаточен, чтобы поднять 100 кубических километров воды на высоту 100 метров.
Вот примерные количества энергии, которые выделились при некоторых землетрясениях:
Землетрясение
Выделившаяся анергия в эргах
Сарезское—1911 (Памир) . . . .
Карпатское — 1940 ..............
Ашхабадское— 1948 (Туркмения)
Хантское— 1949 (Таджикистан) . ,
—4,3-1023
8-Ю23
1 • 1023
1,4-Ю22
Попытаемся сопоставить количество выделяющейся энергии при землетрясениях с энергией, освобождающейся при взрыве «стандартной» атомной бомбы. Как известно, выделяемая при атомном взрыве энергия не превосходит 1020 эргов.
Из приведенных цифр мы можем сделать вывод, что энергия землетрясения в тысячи и даже сотни тысяч раз превышает энергию атомной бомбы.
Каждую секунду при землетрясениях, или, как их называют, сейсмических движениях, выделяется 107 э|>-гов энергии, что примерно составляет мощность в 10 миллионов киловатт. Это соответствует мощности пяти гидроэлектростанций типа Куйбышевский.
115
ЧТО ЖЕ СОТРЯСАЕТ ЗЕМЛЮ!
Какая могучая сила приводит в движение земную поверхность? Откуда берется грандиозная энергия землетрясений?
В древности, когда наука находилась в зародыше, человек пытался искать объяснение многих природных явлений в деятельности им же созданных могущественных богов.
Например, у древних греков был бог землетрясений, или, как они его именовали, колебатель Земли Посейдон. Жил он, по преданию, на дне моря, но время от времени поднимался на поверхность и лихо мчался на своей колеснице по морям. Перед ним расступались вечно шумящие волны. Стоило взмахнуть Посейдону своим трезубцем и тогда, словно горы, вздымались морские волны. Ударяясь с шумом о прибрежные скалы, они сотрясали землю.
Правильно ответить на поставленные вопросы смогла только наука.
Ученые установили, что причин, вызывающих небольшие сотрясения земли, довольно много. К ним относятся удары о берег морских волн, обвалы в горных массивах, искусственные взрывы, удары о поверхность земли ветра, обрушение пещер и т. д.
Некоторые периодические колебания земной поверхности обусловлены влиянием лунного притяжения. Известно, что оно вызывает в одних местах земли два раза, в других один раз в сутки подъем воды в морях и океанах на высоту от десятых долей до 20—22 метров.
Мало кто знает, что такие же приливы и отливы возникают в твердой земной коре. В течение суток мы один или два раза опускаемся и поднимаемся вместе с поверхностью земли на высоту от нескольких сантиметров до 0,2—0,4 метра.
Более значительные землетрясения возникают во время извержения крупных вулканов, таких, как Везувий, Ключевская сопка, Кракатау и др. Сотрясения вызываются взрывами, сопровождающими извержения, а также удара-ми двигающейся лавы о выступы подземных Каналов.
Вот яркая картина одной из наиболее крупных катастроф этого типа, возникшей при извержении Везувия
116
в 1794 г.: «В ночь на 12 июня, в 11 часов, произошло страшное землетрясение. С вечера до утра по всей Кампаньи земля колебалась, подобно морским волнам, неаполитанцы бросились бежать из своих домов... Когда взошло солнце, все увидели, что обычный покой не нарушался. Спустя 3 дня, 15 июня в 11 часов ночи, земля затряслась снова. Это было уже не волнообразное движение, а страшный подземный удар. Здания давали трещины, окна звенели и бились, мебель падала. Вдруг все небо озарилось красным пламенем. У подножья конуса Везувия образовалась трещина, было видно как вылетела оттуда лава. Слышался глухой, но сильный шум, точно рев водопада. Гора, не переставая, колебалась... Люди не чувствовали под собой твердой почвы, воздух был охвачен пламенем, отовсюду неслись страшные, никогда неслыханные звуки...».
Сотрясения земли, возникающие при извержениях вулканов, охватывают сравнительно небольшие, прилегающие к вулканам районы. Чем дальше от действующего вулкана, тем сила подземных толчков становится меньше.
Главной причиной, порождающей разрушительные и катастрофические землетрясения, охватывающие обширные территории, являются движения земной коры.
Геологи установили, что земная кора вследствие действия внутренних источников энергии земли находится в постоянном медленном движении. Она то опускается вниз, то поднимается вверх, то перемещается в горизонтальном направлении. Эти движения земной коры получили название тектонических. Они и вызывают наиболее разрушительные землетрясения.
В результате тектонических движений на нашей планете возникли горы и глубокие океанические впадины.
Тектонические землетрясения возникают при быстрых смещениях и передвижениях пластов в земной коре. Во время таких землетрясений раздается сильный подземный гул, порождаемый шумом трущихся друг о друга бесчисленных зерен и обломков горных пород.
Во многих случаях при таких землетрясениях происходят опускания или поднятия отдельных участков поверхности, достигающие нескольких метров, а в отдельных случаях десятков и даже сотен метров. В земле образуются трещины. Например, при Ашхабадском
117
землетрясении (1948 г.) образовались трещины до 1,5 метра (рис. 63).
Наиболее тонка и подвижна земная кора на участках гор и океанических впадин. Здесь-то более всего и проявляются тектонические движения и порождаемые ими катастрофические землетрясения.
Возникает вопрос: откуда берется энергия, вызывающая эти движения земной коры? Это один из труднейших вопросов современной геологии.
Бесспорно, что источники энергии находятся внутри Земли. Поэтому сейсмические процессы, движения земной коры, вулканические извержения называются в геологии эндогенными (от греческих слов: эндос — внутри и генос — рождение).
Великий русский ученый М. В. Ломоносов в создании земной поверхности первое место отводил «внутреннему жару Земли». В своей книге «О слоях земных» он писал: «Есть в сердце земного неизмеримое могущество, которое по временам заставляет себя чувствовать на поверхности, и коего следы повсюду явствуют, где дно морское на горах, на дне морском горы видим... Сила, поднявшая таковую тягость, ни чему, не действиям послушницы божьих повелений натуры, приписана быть не может, как господствующему жару в земной утробе.
Рис. 63. Трещины в земле, образовавшиеся во время Ашхабадского землетрясения (по Г. П. Горшкову)
118
Когда и ныне еще якобы уже ослабевший, через многие века часто движет целые государства и перемещает вид лица земного...»
До сих пор не установлены источники внутренней энергии Земли. Несомненно, что большую роль играет выделение тепла при радиоактивном распаде. Не последнее место занимают также процессы, связанные с действием силы тяжести, опускания более тяжелых массивов и поднятия легких.
Определенная часть энергии связана с проявлением центробежных сил, возникающих при вращении Земли вокруг своей оси, а также в солнечной системе.
МОЖНО ЛИ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЕ, ПРОИСХОДЯЩЕЕ В АВСТРАЛИИ, ОБНАРУЖИТЬ В МОСКВЕ!
Оказывается, можно не только обнаружить, но и установить довольно точно место его возникновения и силу. Как же это делается?
Чтобы разобраться в.этом вопросе, познакомимся с тем, как возникает землетрясение.
В земной коре, на какой-то глубине, происходит быстрое смещение горных пород, вызывающее сотрясение. Это место называют гипоцентром (глубинным центром). Точка, расположенная над ним на поверхности Земли, получила наименование эпицентра.
Чем глубже гипоцентр от поверхности, тем более широкий район охватывается землетрясением. В различных случаях его глубина колеблется от 0 до 700 километров. При ашхабадском землетрясении гипоцентр располагался на глубине 15—20 километров.
Из гипоцентра во все стороны распространяются вызванные толчком колебания, носящие название сейсмических волн. Они движутся в зависимости от состава пород со скоростями от 1 до 6 километров в секунду. Наиболее быстро сейсмические волны пробегают через центр Земли. Скорость их распространения в центре земного шара поистине космическая и достигает ^^километра в секунду. Если произойдет землетрясение где-нибудь в Южной Америке, то в Москву сейсмическая волна добежит через ядро Земли примерно через 20 минут.
119
Для автоматической регистрации и измерения сейсмических волн ученые создали особо чувствительные приборы, названные сейсмографами.
Эти приборы, несмотря на свою сложную конструкцию, основаны на довольно простом принципе.
Подвесим какой-либо груз к потолку на тонкой нити. На нижнем его конце поместим пишущее перо, которое будет вычерчивать линию на бумаге, закрепленной на барабане, стоящем на полу. Барабан приведем во вращение часовым механизмом (рис. 64). Вот и готов сейсмограф. Действительно, если придет к нашему прибору сейсмическая волна, то возникнет мгновенное перемещение потолка и пола. А что произойдет с грузом, висящим на тонкой нити? Вследствие инерции он останется на месте. В следующее мгновение точка подвески и барабан вернутся в исходное положение, а груз начнет перемещаться, и перо, укрепленное на нем, вычертит на бумаге линию. Все дальнейшие повторяющиеся колебания нашего маятника дадут запись, показанную на рис. 64. Она носит название сейсмограммы. Пользуясь ею, ученые могут установить дальность землетрясения, место и силу сотрясения. Современные сейсмографы способны регистрировать смещения поверхности в 0,0001 мм. Эта величина в 500 раз меньше толщины волоса.
Одним из наиболее совершенных является сейсмограф русского ученого Б. Б. Голицына, созданный еще в 1906 г. Современные сейсмографы представляют собой сложные высокочувствительные приборы. Они устанавливаются на специальных сейсмических станциях, строящихся на некоторой глубине от поверхности. Всего в мире имеется свыше 400 подобных станций. Из них около 40 на территории СССР (в Москве, Баку, Тбилиси, Свердловске, Владивостоке и т. д.).
Рис. 64. Принцип действия сейсмографа (о) и сейсмограмма (б)
М — маятник; Р — запись ва-ющее перо; Б — вращающийся барабан с бумагой
120
Сейсмографы регистрируют также колебания, вызываемые атомными взрывами.
ГИБЕЛЬ ГОРОДОВ И СТРАН
Человечество хранит в своей памяти сотни ужасных катастроф, вызванных землетрясениями и тектоническими движениями.
Многие читали или слышали легенду о катастрофе, вызвавшей гибель большого острова Атлантиды. Греческий философ Платон рассказывает, что двенадцать тысяч лет тому назад существовал могучий и храбрый народ — атланты, населявший крупный остров Атлантиду, расположенный в центральной части Атлантического океана. Этот народ вел войны с древним населением Афин. Но вот внезапное страшное землетрясение разрушило города и селения Атлантиды, а затем последовало быстрое погружение острова на дно океана. Целая страна и народ бесследно исчезли.
В глубокой древности существовали крупные финикийские города Тир и Сидон, являвшиеся значительными торговыми и ремесленными центрами. Неожиданно их история обрывается и даже местоположения этих городов в последующие века забываются. Лишь несколько лет назад случайно были обнаружены их развалины на дне Средиземного моря у берегов Малой Азии. Можно предположить, что эти города погибли в результате катастрофы, похожей на гибель Атлантиды. Возможно, библейское сказание о гибели городов Содома и Гоморры отражает народные сказания о геологической катастрофе, уничтожившей Тир и Сидон.
Совсем недавно была установлена причина таинственной гибели могущественной древней Хараппской цивилизации. Ее главные города Харапп и Мохенджо-Да-ро, раскинувшиеся в долине реки Инд, состояли из двух- и трехэтажных зданий, сложенных из кирпича, улицы были вымощены камнем, в городе был водопровод с горячей и холодной водой, прекрасная канализация.
И вот, примерно в 1500 г. до н. э. гигантское землетрясение в течение нескольких минут полностью изменило характер местности и запрудило реку Инд. Была
121
разрушены города и образовалось грязевое озеро, затопившее цветущую долину. Эта катастрофа оказалась роковой и привела к исчезновению этой удивительной цивилизации.
Перелистывая страницы истории, мы встречаем многочисленные описания катастрофических землетрясений.
Вот землетрясение 526 г., оставившее на берегах Средиземного моря груды развалин цветущих городов, под которыми погибло около 200 тысяч человек.
Вот другая катастрофа — землетрясение в густонаселенной китайской провинции Шаньси, произошедшее в 1556 г. Оно было поистине «кровавым». Во время этого землетрясения погибло 830 тысяч человек.
В 1692 г. у юго-восточной оконечности острова Ямайка на небольшом островке раскинулся один из богатейших городов того времени — Порт-Ройял. Ранним утром 7 июля земля заколебалась, стала приподниматься и трескаться. В образующиеся трещины падали люди, а затем земля с грохотом смыкалась, сдавливая их своими мощными объятиями. Небо стало багрово-красным. Рушились здания, разламывались и падали церкви, разрушился величественный дворец. Все звуки перекрывал грохот и шум землетрясения и падающих скал. В порту, как спичечные коробки, трескались корабли от столкновений и ударов о погружающиеся на дно моря дома. Прошло не более нескольких десятков минут и значительная часть острова с блестящим городом оказалась на дне морском. Лишь немногим людям удалось спастись и переселиться на Ямайку.
Землетрясение 1923 г., названное японским народом «великим», разрушило десятки городов Японии и среди них столицу страны Токио. Подземными толчками и пожарами было уничтожено свыше 653 тысяч домов. Погибло 142 тысячи человек.
В летописях каждого года встречаются печальные страницы, описывающие последствия возникающих то тут, то там землетрясений. Достаточно вспомнить катастрофу в городе Скопле, где в течение нескольких секунд цветущий город был превращен в груды развалин. Югославскому народу оказал братскую помощь Советский Союз.
Образцом организации борьбы с последствиями землетрясения может служить город Ташкент, где толчки 122
силой до 8 баллов привели к разрушению части старых построек. На помощь узбекскому народу пришли все республики Советского Союза. Город быстро был восстановлен. Ташкент стал еще краше.
МАКСИМ ГОРЬКИЙ РАССКАЗЫВАЕТ
Великий пролетарский писатель Максим Горький находился в 1908 г. на строве Капри, расположенном в Неаполитанском заливе, где он лечился от тяжелого заболевания. В это время в Италии произошло крупное (названное Мессинским) землетрясение, вызвавшее большие разрушения и гибель десятков тысяч людей. Будучи очевидцем катастрофы, писатель с присущим ему художественным мастерством дал реалистическое описание этого события. Вот его впечатления:
«...Земля глухо гудела, стонала, горбилась под ногами и волновалась, образуя глубокие трещины — как будто в глубине проснулся и ворочается веками дремавший, некий огромный червь — слепой, он ползает там в темноте изгибаются его мускулы и рвут кору земли, сбрасывая с нее здания на людей и животных... Вздрогнув и пошатываясь, здания наклонялись, по их белым стенам, как молнии, змеились трещины и стены рассыпались, заваливая узкие улицы и людей среди них...
...Подземный гул, грохот камней, визг дерева заглушают вопли о помощи, крики безумия, стоны раненых...
...Люди и камни смешиваются в кучи и все чаще, все сильнее дрожат дома, церкви, их режет под основание какая-то невидимая коса — ничто не может устоять перед ее гигантскими взмахами...
...Земля волнуется, как море, сбрасывая с груди своей дворцы, лачуги, храмы, казармы, тюрьмы, школы, каждым содроганием уничтожая сотни и тысячи женщин, детей, богатых и бедных, неграмотных и ученых, верующих в бога и отрицающих его...».
КАТАСТРОФА В ГРЕЦИИ
Представление о крупном землетрясении, происшедшем в 1870 г. в Южной Греции, дает яркое описание очевидцев геологов Ю. Шмидта и М. Неймайра. Вот оно: -«...Рано утром 1 августа почувствовался страшный
123
вертикальный удар, за ним последовало вращательное и колебательное движение почвы, длившееся 15—20 минут...
...В несколько секунд Итса, Хриссо и Дельфы превратились в груды развалин, были также разрушены отчасти Арахова, Анфисса и несколько других местечек...
...19 минут спустя, земля снова затряслась и около 1 часа 30 минут дня сильный подземный удар низверг на землю остатки городов, вызвав сильные обвалы в горах... Бесчисленные движения земли, грохот и шум, не прекращавшиеся ни днем, ни ночью, длились в течение всего августа, сентября и октября... 25 октября население было вне домов. Общее внимание привлекло напугавшее всех северное сияние. В это время раздался новый сильный подземный удар. Город Анфисса, сохранившийся еще после катастрофы 1 августа, в одно мгновенье был разрушен... До зимы 1870 г. земля не переставала колебаться...»
Далее М. Неймайр описывает свои личные впечатления «...около 1 часа ночи я собирался было отдохнуть, чтобы с новыми силами продолжать исследование; но едва только я прилег, вдруг произошло сотрясение страшной силы... Страшному подземному удару предшествовал сильный, но глухой грохот, он продолжался в течение нескольких секунд... Почва поднялась вверх, точно ковер, развеваемый бурей, но медленно и спокойно; это был не толчок, а скорее медленное приподнимание. Я был подброшен вверх, но не испытал при этом ощущения быстрого падения...»
Это землетрясение отличалось необычайной продолжительностью. Подземные удары, гул, сотрясение продолжались в течение почти трех с половиной лет. За это время М. Неймайр насчитал 5 миллионов раскатов и 50 тысяч ударов, из них 300 были разрушительными.
Отсутствие крупных городов в районах, затронутых землетрясением, явилось счастливой причиной малого количества жертв.
СВИДЕТЕЛЬСТВО МАРКА ТВЕНА
Талантливому американскому писателю во время его пребывания в Сан-Франциско в 1864 г. «посчастливилось» присутствовать при дорольно крупном землетря
124
сении, вызвавшем значительные разрушения города. С присущим ему юмором Твен рассказывает:
«...Началось все в один ясный октябрьский день, вскоре после полудня. Я шагал по Третьей улице. Позади меня кто-то ехал на двуколке, да еще, пересекая улицу, медленно тащилась в гору конка. Больше во всем этом, плотно застроенном и густо населенном, квартале не наблюдалось никакого движения. Кругом было пусто, царила воскресная тишина. Поворачивая за угол у небольшого деревянного домика, я услышал странный грохот и треск и подумал: «Вот материал для репортажа — не иначе в этом доме драка!». Не успел я повернуть назад, чтобы разыскать дверь, как почувствовал воистину потрясающий толчок; земля подо мной заходила волнами, прерывающимися вертикальной тряской, и послышался какой-то тяжелый скрежет, точно два кирпичных дома терлись друг о друга боками. Меня отбросило к стене деревянного дома, и я сильно ушиб себе локоть. Теперь я уже понял, что происходит и, подчиняясь инстинкту репортера, без всякой воли вынул часы и заметил время: в эту минуту последовал третий, еще более мощный толчок; пошатываясь и с трудом удерживая равновесие, я вдруг увидал необыкновенное зрелище: весь фасад высокого четырехэтажного здания на Третьей улице раскрылся, как дверь, и рассыпался по всей улице. В это же время подъехала та двуколка — человека выбросило из нее и в одно мгновенье, гораздо быстрее, чем об этом можно рассказать, повозка раскололась, усеяв своими остатками улицу на триста ядров. Могло показаться, что кому-то вздумалось зарядить пушку стульями и тряпками и выстрелить вдоль улицы... Двери в домах распахнулись, изрыгая из себя человеческую массу; и вот — вы бы и двух раз не успели мигнуть — все улицы, какие находились в поле моего зрения, оказались запружены людьми. Торжественная тишина сменилась кипучей жизнью,— такого мгновенного преображения я ни разу еще не наблюдал...»
6 ОКТЯБРЯ 1948 Г. В АШХАБАДЕ
Мне довелось посетить Ашхабад перед землетрясением и сейчас же после него. Большой цветущий южный
125
город в течение нескольких секунд под действием подземных толчков получил тяжелые разрушения.
Землетрясение произошло в начале второго часа ночи. Стояла тихая, по-южному темная ночь. Вдруг раздался подземный гул и одновременно с ним произошло первое сотрясение, вызванное сильным почти вертикальным ударом. Через секунду последовал второй, еще более могучий удар, который и вызвал основные разрушения. В течение нескольких секунд ощущались последующие удары, имеющие меньшую силу. Затем на какое-то мгновение наступила полная тишина, которая сменилась криками людей, воем животных.
Подземные толчки небольшой силы продолжались после 6 октября в течение нескольких месяцев.
Разрушения, вызванные землетрясением, были бы совершенно незначительны, если бы город не состоял из большого количества одноэтажных построек, возведенных из необожженного кирпича — сырца. Эти здания не имели поперечных связей и были снабжены тяжелыми плоскими земляными крышами. Они остались как свидетельство дореволюционного прошлого Ашхабада.
Вот эти-то малопрочные постройки и были разрушены. Их обрушение повлекло за собой много жертв.
Совсем не пострадали либо получили незначительные повреждения двух- и трехэтажные здания современной постройки, возведенные по правилам антисейсмического строительства.
Экспедиция Академии наук СССР установила, что эпицентр землетрясения находился в 25 километрах от города. Сила подземных толчков была оценена в 8— 10 баллов.
Правительство СССР и братские республики немедленно оказали помощь населению города. Сейчас Ашхабад стал более красивым и благоустроенным, чем был до землетрясения. В городе построены тысячи зданий, для которых землетрясения не страшны.
26 АПРЕЛЯ 1966 г. В ТАШКЕНТЕ
Рано утром столица Узбекской республики была разбужена подземным гулом и сильными толчками. Хотя это землетрясение, достигшее силы 8 баллов, не было чем-то уникальным (подобные ему подземные удары
126
на Земле возникают 2—3 раза в сутки), однако оно было необычным по размещению гипоцентра.
Очаг находился на глубине 5—10 километров непосредственно под городом — явление довольно редкое. Землетрясение состояло из одного основного удара и последующих повторных ударов (так называемых аф-терштоков), быстро ослабевающих. Общее количество их составило более 1000.
Наиболее пострадала центральная часть города примерно на площади 10 квадратных километров, где размещались в основном одноэтажные здания из сырцового и обожженного кирпича. Современные железобетонные и крупнопанельные здания получили лишь мелкие повреждения. В периферической части города какие-либо разрушения практически отсутствовали.
Весь советский народ пришел на помощь столице братского Узбекистана. Сейчас Ташкент стал еще более прекрасным, чем был до землетрясения. На улицах города возведены прочные антисейсмические постройки из железобетона, способные легко выдержать более серьезные подземные удары, чем это было 26 апреля.
БЫВАЮТ ЛИ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ В МОСКВЕ
Многие москвичи помнят туманное утро 10 октября 1940 г., когда они были подняты с кроватей подземными толчками. Сотрясения земли возникли около пяти часов утра. Они повторялись на протяжении трех последующих часов. Очевидцы рассказывают, что в это время наблюдались скрипы в конструкциях зданий, раскачивание висячих предметов, скрип мебели и другие явления. Собаки начали беспокойно бегать, лаять и выть.
Эти сотрясения и толчки явились отражением крупного катастрофического землетрясения, возникшего на расстоянии почти 1300 километров от Москвы, в недрах Карпат. В эпицентре оно достигло силы 9—10 баллов. В Москве же толчки не превысили величины 4—5 баллов.
Вызванные этим землетрясением сотрясения поверхности ощущались на огромной территории. Подземные толчки чувствовались также в Харькове, Воронеже, Минске и многих других городах.
Нужно сказать, что карпатские землетрясения ощу
127
щались в Москве неоднократно. Они вызывали сравнительно небольшие колебания поверхности силой не более 3—4 баллов. Так было в 1934, 1928, 1912 гг., а также и в более отдаленные времена. Летописи содержат интересные описания подобных сотрясений Мосйвы в 1146, 1445, 1460 гг.
Возьмем «Никоновскую летопись». В ней можно прочесть образное описание землетрясения в Москве, случившегося в 1445 г.: «А той же осени октября в 1 день, в кой день опущен князь великий с Курмыша, в 6 часов нощи потрясеся город Москва, кремль, посад весь и храм поколебашеся, мнози людие не спяше и слышавши то, во многи скорби быша и живота отчаявшеся»,
ВНИМАНИЕ! ЦУНАМИ!
Вероятно, многие читатели слышали о цунами. Это величественное и грозное явление, тесно связанное с сотрясениями земли.
Землетрясения могут возникать не только на суше, но и на дне океана. В этом случае сотрясения дна передаются водной глади морей и океанов. Такое «моретрясение» ощущается на кораблях. Моряки, находясь на палубе или внутри помещений судна, испытывают удары и толчки разной силы. Корабли сотрясаются, раскачиваются, совершают непроизвольные движения, перестают слушаться руля. Однако имеется много примеров, когда «моретрясения» не отражаются на кораблях и остаются незамеченными для моряков.
Более страшны они для населения побережий морей и океанов. Дело в том, что донные землетрясения могут сопровождаться обрушениями и оползнями подводных скал и склонов, провалами крупных участков дна.
Быстрые смещения массивов пород на дне способны вызвать на поверхности океана крупные волны, высота которых может достигать 15—25 метров. Такие волны были названы японским словом «цунами».
Эти могучие валы перемещаются на расстояние сотен и тысяч километров от центра «моретрясения» к побережьям. Они сравнительно мало заметны в океанских просторах. По мере уменьшения глубины моря возле побережий крутизна волн быстро нарастает. Достигая берегов, они со страшной силой обрушиваются на них, сея смерть и разрушения.
128
В беспокойном Тихом океане чаще, чем где-либо, возникают «моретрясения», поэтому именно здесь наиболее часто образуются могучие цунами. Реже возникают гигантские волны в Атлантическом и Индийском океанах, а также в Средиземном море. На европейских берегах Атлантического океана печальную память оставило цунами, обрушившееся в 1755 г. на столицу Португалии Лиссабон. Здесь после первого подземного удара море сначала отступило, а затем обрушилось на берег грозными волнами, достигавшими высоты 25 метров. Они прошли в глубь берега на расстояние до 10— 15 километров, сокрушив все на своем пути. Десятки тысяч несчастных стали их жертвами.
Во время трагического чилийского землетрясения 1960 г. возникшие в Тихом океане волны высотой 8— 10 метров обрушились на берега континента и островов. В результате ряд расположенных здесь городов и десятки селений были полностью разрушены. Многие деревянные дома оказались сорванными с фундамента и унесены на большие расстояния.
Возникшая при этом землетрясении волна докатилась до Японии, где также вызвала значительный ущерб.
Больше всего от катастрофических цунами страдают Японские, Индонезийские, Филиппинские и Гавайские острова, а также тихоокеанское побережье Южной Америки. В Советском Союзе это явление наблюдается на восточных берегах Камчатки и Курильских островов. За период около 200 лет здесь наблюдалось 14 цунами, из них катастрофическими были 4.
Последний раз катастрофическое цунами на тихоокеанских берегах Курильских островов и Камчатки возникло 5 ноября 1952 г. Вот как описывает его А. Е. Святловский: «...Землетрясение, вызвавшее цунами, началось ночью... В селении Бойково и в ряде Других пунктов побережья перед приходом разрушительного цунами наблюдалось отступание океана от берегов на расстояние до 500 метров... Через 40 минут после землетрясения со стороны океана послышался гул, подобный канонаде... Через несколько минут на побережье обрушилась высокая океанская волна, которая несла песок, и различные обломки. Волна катилась с большой скоростью- наибольшей силы и высоты она достигла
129
в долине реки... Через несколько минут волна схлынула, унося обломки разрушений в океан. Наступило затишье, после которого через 15—20 минут пришла вторая волна, высотой 10 метров, катившаяся с еще большей скоростью. Перед нею двигалась «воздушная подушка» — волна воздуха, открывшая в домах окна и двери... Вторая волна, срывая крыши с деревянных домов и ломая стены, прокатилась через весь населенный пункт и... начала скатываться обратно..., унося большую часть обломков разрушения. Все постройки, расположенные выше 10 метров над уровнем океана, уцелели; в центре поселка, расположенном в низине, сохранились стены лишь одного каменного домика».
Катастрофы, подобные описанной, сравнительно редкое явление. В настоящее время ученые могут заранее предупреждать о появлении цунами. Специальная служба, организованная для этой цели, заблаговремен-ко извещает население о приближении опасности и •беспечивает его эвакуацию в безопасные районы.
можно ли ПРЕДСКАЗАТЬ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЕ?
Предсказание землетрясений — это жизненно важная и благородная задача науки. На пути ее решения ученые достигли определенных успехов.
Сейчас можно легко ответить на вопросы: где возможны разрушительные землетрясения? Какой наибольшей силы они могут достигнуть?
Для этого учеными в результате кропотливой работы были составлены специальные карты распространения землетрясений и величины их максимальной силы. Такие карты названы сейсмическими. На них указываются границы районов распространения землетрясений различной силы.
Составление сейсмических карт производится на основе тщательного изучения исторических и современных данных о всех происходящих землетрясениях. Учитываются также геологическое строение местности и результаты изучения современных тектонических движений. На сейсмических картах выделяются только районы с силой землетрясений, превосходящей 4 балла.
Сейсмическое райони-
131
Рнс. 65. Карта сейсмичности районов Советского Союза (по Г. П. Герасимову)
рование территории нашей страны показало, что землетрясения силой в 5 баллов и более могут возникать в следующих районах (рис. 65):
В Карпатах (Молдавская ССР и юго-западная часть Украинской ССР) возможная сила подземных толчков 5—8 баллов.
На Кавказе (Грузинская ССР, Армянская ССР, Азербайджанская ССР и Северный Кавказ) возможны толчки силой в 5—9 баллов.
В Средней Азии (Туркменская ССР, Узбекская ССР, Таджикская ССР, Казахская ССР и Киргизская ССР) возможны землетрясения до 9 баллов.
На Алтае, в районе озера Байкал, Приамурье и Дальнем Востоке сила подземных толчков колеблется от 5 до 9 баллов.
На Камчатке, Курильских островах сила толчков достигает 9 баллов.
На Сахалине возможная сила землетрясения не более 7 баллов.
На Центральном Урале, в Карелии сила подземных толчков не более 5 баллов.
Прежде чем начать возводить здания, строить плотины и другие сооружения строитель обязан ознакомиться с сейсмической картой района. Только установив силу возможного землетрясения, ему станет ясно, какие меры он должен принять для того, чтобы построенные дома не были разрушены землетрясением.
КОГДА МОЖНО
ОЖИДАТЬ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЕ!
Если на вопрос «где?» ответ найти довольно просто, то на вопрос «когда произойдет землетрясение?» наука пока ответить не может. Ученые ведут интенсивные поиски способов установления срока приближающегося землетрясения.
Представьте себе, что население будет предупреждено за неделю и месяц о приближении землетрясения. Это позволит принять все меры для охраны жителей и эвакуации их из районов, которым угрожает землетрясение, наконец, это поможет предотвратить пожары и другие последствия землетрясения.
Такой прогноз позволил бы избежать жертв и свести
133
к минимуму катастрофические разрушения городов и селений.
Сегодня мы еще не в силах это сделать, но уже недалеко то время, когда предупреждение о приближении землетрясения будет столь же обычным, как и прогноз погоды.
Уже сейчас ученые на основе анализа современных тектонических движений, геологического строения местности и истории землетрясений могут говорить об ориентировочных сроках повторения подземных толчков.
Создание методов прогноза землетрясений является важнейшей задачей современной науки о сотрясениях земли — сейсмологии.
В нашей стране разработкой этого вопроса занимается ряд научно-исследовательских институтов. Работают над этой проблемой и за рубежом.
Расскажем о некоторых исканиях ученых.
поиски, поиски, поиски...
Читатель уже знает, что главной причиной землетрясений является перемещение земной коры в различных направлениях. Особенно опасны горизонтальные движения. Ученые считают, что материки плавают, перемещаясь один относительно другого. Такие горизонтальные смещения, конечно, весьма медленны, но они создают величайшие механические напряжения на участках горных массивов, сопротивляющихся этому движению. В момент, когда напряжения начнут превосходить их прочность, происходит быстрый сдвиг, который внешне ощущается, как подземный удар, порождающий землетрясение.
Отсюда следует вывод, что землетрясению должен предшествовать этап нарастания механического напряжения в горных породах, слагающих поверхность Земли.
Физики установили, что при возрастании давления горная порода начинает изменяться. В основе этого явления лежит деформация кристаллов, составляющих породы. Известно, что последние состоят из атомов, образующих строгие кристаллические решетки. Расстояния между атомами в такой системе строго определенные. Если их изменить, то существенно меняются свойства кристалла.
134
При больших механических напряжениях и возникает изменение межатомных расстояний. Это влечет за собой проявление новых свойств кристаллов и горных пород.
Прослеживая эти изменения, можно установить и нарастание напряжений в породах, свидетельствующих о приближении землетрясения. Казалось бы, все это просто: мерь и предупреждай.
К сожалению, однако, все сложно. Свойства пород могут изменяться вследствие изменения термического режима массивов, изменений влажности, атмосферного давления и многих других факторов.
Вместе с тем этот путь предсказания землетрясения является наиболее обещающим. Необходимо отметить, что здесь уже получены первые результаты.
Так, геофизики при изучении намагниченности отдельных участков земной коры обнаружили интересные явления. Оказалось, что напряжения в породах тесно связаны с их магнитностью. Перед землетрясениями в опасных зонах возникают аномалии магнитного поля, которые и обусловлены изменением давлений на горные породы.
Трудность заключается в том, что эти магнитные аномалии весьма малы и не ригистрируются современными магнитометрами. Ученые успешно решили эту задачу— создали прибор, который способен измерить и эти малые изменения магнитных полей. Однако этот прибор еще требует дальнейшего усо вершенствования, прежде чем его можно будет использовать для предсказания землетрясений.
В настоящее время специалисты работают и в других направлениях регистрации изменения свойств горных пород перед землетрясением. Например, стараются установить величину изменений электропроводимости массивов, которые вызываются теми же деформациями межатомных расстояний кристаллов, а также повышением общей плотности пород. Используются данные сейсморазведки, при которой определяются скорости прохождения в земной коре упругих колебаний, вызываемых искусственными взрывами. Замечено, что на участках концентраций напряжений скорость распространения упругих волн возрастает.
Итак, поиски, поиски, и еще раз поиски.
135
БУРИ НАКЛОНОВ И ШЕПОТ ПОРОД
Ученые с помощью точнейших приборов установили, что наклон поверхности Земли изменяется.
Это изменение происходит с очень малой скоростью. Проводя регулярные измерения наклонов, неожиданно заметили, что перед землетрясением картина резко меняется. При этом не только значительно возрастает
скорость изменения наклона, но меняется и его направление (рис. 66). Это явление, как видно, объясняется ростом напряжения в горных породах при перемещениях земной коры. Подобные быстрые изменения наклонов и получили название «бури наклонов».
Чтобы обнаружить эту «бурю» на поверхности пород, необходимы весьма точные измерения специальными приборами — наклономерами. Сейчас достигнуты некоторые успехи в создании автоматически действующих установок. Возможно, что их применение приблизит нас к решению вопроса прогнозов землетрясений.
Другой путь обнаружения приближающегося землетрясения— это подслушивание шепота пород. Да, именно шепота пород. Было обнаружено, что перед землетрясением в породах начинают раздаваться шумы. По мере его приближения шум нарастает. Во время подземных толчков он превращается в могучий подземный гул. Причина этих шумов та же, что и предыдущего явления—«бури наклонов». Перед землетрясением в породах постепенно нарастают механические напряжения,
создаваемые тектоническими движениями.
Под действием этих нарастающих сил в породах образуется масса тончайших трещинок. Возможно также возникновение движения отдельных частичек. Мы воспринимаем все эти процессы как шумы. Чем ближе к началу землетрясения, тем больше напряжение в горных массивах и тем сильнее шум.
Рис. 66. Кривая изменения наклона поверхности во время землетрясения в Душанбе в 1950 г. (по В. Ф. Боичаковскому)
136
Если бы установить в толще пород очень чувствительные микрофоны и начать подслушивать их шепот, то можно было бы обнаружить момент, когда обычный шум начинает нарастать и принимать угрожающие размеры.
Пока это только один из возможных путей для предсказания землетрясений. Насколько удастся использовать шумы в породах, покажет ближайшее будущее.
Некоторые специалисты возлагают определенные надежды на обнаруженную взаимосвязь между землетрясением и изменениями магнитного поля.
Приближение подземных толчков отражается на магнитном поле угрожаемой территории. Возникают магнитные аномалии (нарушения). Таким образом, не исключена возможность использования этого явления для прогноза землетрясений.
Можно указать еще один путь: мы уже говорили, что перед землетрясением в породах нарастают механические напряжения. Известно, что при сжатии пород возникает слабый электрический ток. А что если попытаться измерять его величину? Тогда на приближение землетрясения будет указывать быстрое увеличение тока.
В последнее время обнаружено, что перед землетрясением в шахтах резко увеличивается содержание газа — метана. Таким образом удалось предсказать за пять часов подземный толчок на юге ФРГ.
Установлено также, что перед землетрясением повышается уровень грунтовых вод, мутнеет вода ключей и изменяется химический состав подземных вод. Все эти признаки также могут явиться основой для прогноза подземных толчков.
Мы не можем рассказать в объеме книги о всех работах ученых в этой области. Можно только с уверенностью отметить, что в ближайшее время поставленная задача предсказания землетрясений будет решена.
ПРЕДСКАЗАНИЕ ЦУНАМИ
Оказывается, что предсказать появление цунами проще, чем указать момент возникновения подземных толчков, так как цунами следуют за землетрясением.
Каждый ли подземный толчок влечет за собой появ
137
ление цунами? Конечно, нет. Цунами являются результатом только таких землетрясений, эпицентр которых находится в определенных местах морского дна. Это главным образом глубокие океанические впадины, где толчок может привести к крупным смещениям пород, которые и вызывают цунами.
Сейсмологи знают районы, в которых землетрясения влекут за собой образование гигантских волн. Значит, если произошло «моретрясение» с эпицентром в опасном районе — жди цунами. Скорость движения возникшей волны колеблется от 500 до 840 километров в час. Зная расстояние от эпицентра до данной точки берега, легко вычислить и время прихода гигантских волн.
Важным признаком приближения цунами является появление после подземных толчков резких колебаний уровня океана у берегов.
В Советском Союзе сейчас созданы специальные сейсмические службы на побережье Тихого океана, которые ведут комплексные наблюдения за всеми этими явлениями и оповещают население о приближении цунами.
ОДИН УДАР—• РАЗНЫЕ ПОСЛЕДСТВИЯ
ГДЕ БОЛЬШЕ СИЛА УДАРА: НА ГРАНИТНОЙ СКАЛЕ ИЛИ НА ПЕСКЕ!
Вопрос довольно коварный. Многие, не задумываясь, ответят, что, конечно, на скале сила удара будет больше.
Оказывается, это не так. Из механики известно, что сила удара при прочих равных условиях оределяется размахом колебания частичек породы (или, как говорят, амплитудой колебания).
Возьмем какую-либо прочную породу, например гранит. В нем все зерна связаны друг с другом прочнейшими связями. Попробуйте заставить их совершать колебательные движения. Даже при сильных ударах амплитуда их колебаний будет незначительной.
Теперь возьмем какую-либо рыхлую породу, например песок. Мы знаем, что песчинки в нем ничем между собой не связаны. Отсюда следует, что один и тот же толчок вызовет в песках гораздо более значительные колебания зерен, чем в граните.
Значит мы можем сделать вывод: в рыхлых породах колебания час
139
тиц будут более значительными. Особенно значительна амплитуда колебания частиц в водонасыщенных рыхлых грунтах. Отсюда следует, что один и тот же толчок вызовет большие разрушения на рыхлых породах.
Интересные измерения проделали геофизики во время землетрясения в Токио. Было установлено, что размах колебательного движения твердых пород составил 78 мм, в то время, как в песках он достиг 162 мм.
Наблюдения показали также, что при одном и том же подземном ударе на сухих песчаных грунтах сила его оказывается большей по сравнению со средней для этого района на 1—2 балла. На глинистых и пылеватых грунтах она возрастает на 1—3 балла. Значительно нарастание силы толчков на болотистых и пропитанных влагой грунтах. Сила удара в этих случаях может увеличиться на 3—4 балла.
Итак, мы уже знаем, что подземный толчок будет более чувствительным на рыхлых породах. А как же обстоит дело с его распространением? Сейсмические волны, возникающие в гипоцентре, распространяются во все стороны. Они заставляют колебаться частицы пород. Эти движения зерен могут распространяться вдоль движения волны (продольные волны) или в поперечном направлении (поперечные волны).
Таким образом, опять мы встречаемся с колебаниями частиц пород. Ясно, что, если зерна будут колебаться по направлению распространения волны, скорость передачи толчка будет большей, чем при поперечных движениях. Поэтому продольная сейсмическая волна быстрее движется, приходя первой к месту наблюдения.
Чем меньше амплитуда колебания частиц, тем быстрее возникает передача движения от одного зерна породы к другому. Отсюда чем плотнее порода и прочнее в ней связаны частицы, тем скорее движутся сейсмические волны; в песках, например, подземный удар будет передаваться медленнее, чем в граните.
Измерения скоростей движения сейсмических волн в разных породах дали следующие результаты:
Порода Скорость в м/с
песок ....... 500—1000
песчаник............. 1500—4000
известняк .......... 2000—5000
гранит ............. 5000—6000
14Э
Если землетрясение произошло в районе Ашхабада, то, учитывая состав пород, в Ташкенте подземный удар почувствуется примерно через 16—20 минут.
ФАКТЫ ПОДТВЕРЖДАЮТ ТЕОРИЮ
После землетрясения в Ашхабаде обнаружилось на первый взгляд непонятное явление: разные районы города пострадали неодинаково. Наибольшие разрушения наблюдались в северо-восточной части города. В западном секторе разрушения были менее значительны. А еще дальше на запад, в селении Безмеин, находящемся в 12 километрах от города, разрушения по существу отсутствовали. В чем дело? Почему на столь небольшой территории один и тот же толчок вызвал разные последствия. Оказалось, что все дело в составе поверхностных грунтов. Действительно, северо-восточная часть Ашхабада основана на супесях (песках с примесью глинистых частиц). В некоторых местах они насыщены водой. Поэтому-то здесь подземный толчок был наиболее чувствительным. Западная часть города построена на более плотных суглинках. В этой части города меньшие разрушения.
Селение Безмеин расположено на мощных толщах галечников, часть которых сцементирована карбонатами. Их мощность превышает 100 метров. На этих грунтах сохранились даже местные малопрочные постройки из необожженного кирпича. Считают, что сила землетрясения в этом поселке не превышала 6 баллов, в то время как в Ашхабаде она достигла 9—10 баллов.
Интересным примером может служить город Сан-Сальвадор — столица Сальвадора, расположенного в Центральной Америке. Этот город, основанный в XVI столетии, за время своего существования 14 раз разрушался сильными землетрясениями. Беда этой многострадальной столицы заключалась в том, что она была построена на рыхлых вулканических наносах. В конечном итоге было принято решение перенести город на новое место, где поверхность сложена прочными скальными грунтами. Новая столица, расположенная вблизи от старой, уже сто лет стоит прочно, несмотря на то что за это время произошло несколько разрушительных землетрясений.
141
СТРОИТЕЛИ НАХОДЯТ ВЫХОД
Подземные толчки, даже одинаковой силы и на одних и тех же грунтах, могут вызывать разные разрушения.
Это обстоятельство было известно уже древним грекам. Но объяснить его они не могли.
В средние века невежественные церковники объясняли сохранение одного и разрушение другого, рядом стоящего дома проявлением «воли бога».
Сейчас мы знаем, что характер разрушения построек зависит от их конструктивных особенностей.
Известны случаи, когда при сравнительно небольших землетрясениях кирпичные или каменные здания получают сильные повреждения, в то время как в соседних, иногда менее прочных постройках, не обнаруживается даже тонких трещин.
Это с первого взгляда непонятное явление возникает вследствие резонанса.
Вспомним элементарную физику. Известно, что если толкнуть свободно висящий маятник, то он начнет качаться, или, как говорят,
142
начнет совершать свободные колебания, характер которых зависит от его размера и веса. Если после этого толчок не возобновить, то колебания через некоторое время прекратятся. Чтобы они продолжались, необходимо толчки периодически повторять. В этом случае колебания будут зависеть не только от характера маятника, но и от внешней силы, поэтому они будут не свободными, а вынужденными.
Если толчки маятнику будут сообщаться через промежутки времени, равные его собственному периоду колебания, то размах колебания маятника начнет быстро возрастать. Это явление и представляет собой резонанс.
Таким образом, для возникновения резонанса необходимо совпадение частоты воздействий внешней силы с собственными колебаниями того или иного предмета.
Крупнейший русский механик А. Н. Крылов рассказывает: «... Кажется во времена наполеоновских войн в Испании, через какой-то мост шел отряд войска, твердо отбивая шаг... Мост был цепной, лихо отбиваемый шаг как раз пришелся в такт с периодом колебаний моста, размахи увеличились настолько, что цепи оборвались и мост обрушился в реку... Лет тридцать тому назад в тогдашнем Петербурге был через Фонтанку цепной мост, который назывался Египетским, шел через него эскадрон гвардейской кавалерии, не помню какого полка, лошади, хорошо обученные особенно стройному церемониальному маршу, шли в ногу, отлично отбивая шаг, который и совпал в такт с колебаниями моста — цепи лопнули, мост обрушился в воду, погибло чуть ли не 40 человек...»
Вернемся к землетрясениям. Если при землетрясении частота сейсмических колебаний совпадает с частотой собственных колебаний дома, возникает явление резонанса В таких случаях здания даже при слабых толчках могут получить сильные повреждения.
Известны случаи, когда в результате резонанса кирпичные дома рассыпались чуть ли не до кирпичиков.
Современный инженер, проектирующий здания в районах землетрясений, рассчитывает размеры, конструкцию и вес зданий так, чтобы их собственные коле-
143
Рис. 67. При удаления от эпицентра возрастает доля горизонтальной составляющей сейсмической волны
Рис. 68. Смещение обелиска от подземного удара
бания были значительно больше или меньше сейсмических колебаний.
Характер воздействия подземного толчка зависит не только от его силы, но и от угла, под которым приходит сейсмическая волна к поверхности земли.
Иногда сильные вертикальные удары, приходящие из недр земли, мало опасны для домов. С другой стороны, даже небольшой подземный толчок, пришедший под углом к поверхности, может вызвать значительные разрушения.
Дело в том, что сила подземного уд^ара может быть по правилу параллелограмма разложена на две составляющие: горизонтальную и вертикальную. Самой опасной для построек является часть силы, действующая по горизонтали (рис. 67). Именно ее воздействие является причиной опрокидывания труб и обрушения стен.
Помимо растрескивания, обрушений, она вызывает иногда вращение отдельно стоящих предметов: скульптур, памятников, обелисков (рис. 68).
Часты случаи, когда при землетрясениях скульптуры поворачиваются на 180 градусов. Вот почему строители при проектировании построек все расчеты ведут с учетом действия горизонтальной составляющей.
144
ОПЫТ ЗОДЧИХ ДРЕВНОСТИ
История борьбы человека с последствиями землетрясений берет свое начало в глубине веков. Древние зодчие достигли успехов в создании устойчивых при землетрясении построек, или, как их называют, антисейсмических сооружений.
Высокого искусства такого строительства, основанного на опыте многих поколений, достигли среднеазиатские строители.
Исследователь истории антисейсмического строительства в среднеазиатских республиках Н. М. Бачинский пишет, что старые зодчие Средней Азии были убеждены в том, что у человека нет средств противостоять мощи землетрясений, что только эластичные строительные материалы и конструкции являются действенными антисейсмическими факторами. Строительство X—XVI вв. в этих районах велось из обожженного кирпича, скрепляемого местным алебастром, носящим название «ганча». Ган-ча — эластичный и упругий раствор, придающий антисейсмичность постройкам.
Среднеазиатские зодчие пользовались и еще одним оригинальным способом повышения устойчивости сооружений: устройством под фундаментами подушек из чистой глины. Такие подушки высотой 60—80 сантиметров укладывались на дно котлована, а уже на них возводился фундамент. Они создавали требуемую упругость и эластичность основания.
Оригинальный антисейсмический фундамент устроен под мавзолеем султана Санджара в Мерве. Он не расширяется, как обычно, с глубиной, а, наоборот, представляет собой усеченный конус, повернутый вершиной вниз.
Много построек III—VII вв. в Средней Азии возведено на песке, на камышовых подушках. Последние представляют собой слой камыша, укладываемого поверх кирпичной кладки, выведенной на поверхность земли. На таких подушках возводились стены. Присутствие слоя камыша давало возможность независимого перемещения фундамента и надземной части постройки.
Среднеазиатские зодчие совершенно исключили из своего строительства неустойчивые каменные колонны, но зато большое распространение получили оригинально устроенные деревянные колонны (рис. 69).
145
Народы Средней Азии с древних времен широко используют для жилых домов каркасные деревянные стены (рис. 70).
Во всех этих случаях опасность возникновения резонанса резко уменьшается; мудрость народных зодчих помогла сохранить до наших дней такие высокохудожественные постройки, как мавзолей Фарх ад-пин Рази в Куня-Ургенче Туркменской ССР, построенный в XI в., мечеть в Чор-Бахре в Узбекской ССР и сотни других монументальных зданий (рис. 71). Они оказались сильнее землетрясений.
Инсянская пагода, возведенная в 1056 г. в провинции Шаньси (КНР) на месте частых и разрушительных землетрясений, достигает высоты 64 метра. Она нерушимо стоит более 900 лет, невзирая ни на какие сотрясения земли. Китайские зодчие создали высокоустойчивый тип здания «дянь» — одноэтажный четырехугольный павильон. Он строится из деревянных стоек и балок, устанавливаемых на прочном каменном фундаменте. Стены являются только перегородками и не играют никакой роли
Рис. 69. Деревянные колон- Рис. 70. Деревянный каркас, нс боящийся под-ны в постройках Средней земных ударов (по Н. М. Бачинскому) Азии
Рис. 71. Медрессе Шир-Дор, XVII века, Самарканд
в создании прочности всего здания. Мы сейчас знаем, что подобная каркасная форма является одной из самых устойчивых при землетрясениях.
Опыт антисейсмического строительства народов Востока тщательно изучается учеными и используется для создания современных сейсмостойких построек.
КАК СТРОЯТ ЛОМА,
НЕ БОЯЩИЕСЯ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ!
Наука сумела вооружить строителей всеми необходимыми знаниями для возведения прочных и безопасных сооружений.
Созданы специальные правила, нормы и конструктивные схемы для постройки домов в районах, подверженных землетрясениям.
Опыт показывает, что наиболее сейсмостойкими являются дерево и железобетон. Несравненно хуже ведет себя кирпичная кладка. Самыми плохими материалами для строительства в условиях возможных подземных толчков являются саман, необожженный глиняный кирпич и некоторые другие местные материалы.
147
Для строительства желательно выбирать участки, сложенные прочными породами: известняками, песчаниками, плотными маловлажными глинами и др. Желательно, чтобы грунтовые воды залегали как можно глубже от поверхности.
Архитекторы и строители, создавая постройки, должны стремиться к возможно простым очертаниям их в плане, без всяких входящих углов. Нельзя строить очень высокие дома. Если на территории строительства возможно 9-балльное землетрясение, то каркасные дома лучше всего строить трех-, максимум четырехэтажные. Высота железобетонных сооружений должна быть не более 30 метров.
Для повышения «жесткости» сооружения дома снабжаются прочными железобетонными каркасами, междуэтажными железобетонными поясами (их также называют антисейсмическими поясами), охватывающими и скрепляющими здания по периметру.
В некоторых случаях под фундаментами устраиваются песчаные или гравийные подушки.
«ПОДВЕШЕННЫЙ» ДОМ
Что, если здание не ставить на фундамент, а подвесить? Такому дому-качелям не страшны никакие землетрясения.
Советский инженер Ф. Д. Золеньков разработал и осуществил проект подобного здания-маятника. Впервые в мире в центре Ашхабада был возведен «подвешенный» трехэтажный дом. Жители, населяющие его, совершенно не замечают этой подвешенности. Интересно устройство дома. Главное отличие его от других построек заключено в оригинальном устройстве фундамента. Он как бы разрезан на 2 части. Нижняя часть, представляющая собой жесткую железобетонную плиту, неподвижно покоится на грунте. На ней установлены трапециевидные тумбы, на которые положены 2 железобетонные балки. К верхней балке при помощи системы металлических тяжей и пружин подвешена третья балка. Это вторая — подвижная часть фундамента. На нее опираются стены здания. Если такое здание будет испытывать подземные толчки, то нижняя — жесткая часть фундамента будет под их воздействием перемещаться. Верх
148
няя подвешенная часть фундамента в силу инерции тяжести стен, перекрытий, кровли и других надземных конструкций здания будет медленно приходить в движение. При этом часть сейсмического импульса будет гаситься в эластичной пружинно-тяговой подвеске. Даже при сильных землетрясениях жители дома будут ощущать лишь плавное покачивание.
Эта новая антисейсмическая постройка является прообразом будущих сооружений в районах землетрясений.
ВОЗМОЖНА ЛИ БОРЬБА С ЦУНАМИ!
Много бед доставляют цунами побережьям морей и океанов. Казалось бы, что люди бессильны остановить или хотя бы затормозить грозные валы, напоминающие горы, неумолимо движущиеся из недр океана.
Однако и с этим катастрофическим явлением человек может бороться.
Учеными и инженерами были предложены многие способы борьбы с цунами. Среди них большое место занимают механические методы: на пути движения гигантских волн создаются защитные насыпи, железобетонные молы и волноотбойные стенки (рис. 72).
Очень хорошо зарекомендовал себя метод создания искусственных отмелей. Созданная вдоль берегов песчаная отмель не только задерживает движение цунами, но и резко уменьшает зону затопления.
В некоторых случаях для уменьшения разрушительной силы волны сооружаются железобетонные волнорезы, но их действие в большинстве случаев малоэффективно,
Рис. 72. Борьба с цунами:
Д — лесополоса; Б — отмель; В — волнобойная дамба
14®
поэтому дальнейшее строительство их сейчас прекращено.
Широкое применение в Японии получила высадка вдоль берегов лесных полос. С одной стороны, они несколько снижают силу ударов волн, а с другой — задерживают при откатывании волн предметы, увлекаемые ими.
Сейчас ученые работают над созданием новых эффективных способов защиты берегов от разрушительных набегов цунами.
НЕСКОЛЬКО СЛОВ
О МАЛЫХ СОТРЯСЕНИЯХ
ПОВЕРХНОСТИ
Имеет ли какое-либо практическое значение для строительства изучение неощутимых колебаний поверхности земли?
На этот вопрос мы должны ответить положительно.
По мере развития науки и техники требования, предъявляемые к основаниям, на которых располагаются высокоточные приборы и механизмы, повышаются.
Вспомните, какая необходима точность при возведении синхрофазотронов или отправлении ракет с поверхности Земли для того, чтобы они достигли того или иного небесного тела.
Во-первых, как известно, производится ускорение заряженных частиц. Такие частицы под действием непрерывно усиливающегося магнитного поля все с большей и большей скоростью мчатся по узкому каналу. Достаточно каналу получить малейший наклон, как несущиеся с космической скоростью частицы могут быть потеряны. Это предъявляет очень высокие требования к основаниям, на которых возводятся синхрофазотроны. При их проектировании принимаются во внимание самые незначительные колебания поверхности, амплитуда которых измеряется сотыми долями миллиметра.
Можно назвать довольно много точных приборов, на которые оказывают действие неощутимые человеком колебания поверхности.
Быстрое развитие науки и техники заставляет нас все больше внимания уделять мелким — микросейсми-ческим — сотрясениям поверхности земли.
150
ЧЕЛОВЕК ИСПОЛЬЗУЕТ ДЛЯ СВОИХ ЦЕЛЕЙ СОТРЯСЕНИЯ ЗЕМЛИ
Землетрясения являются извечным врагом человечества. Они приносили в прошлом и приносят сейчас много горя и большой материальный ущерб.
Можно ли сейсмические явления поставить на службу человеку?
Оказывается, можно. Геофизики разработали и широко применяют сейсмические способы разведки полезных ископаемых. Они основаны на изучении распространения сейсмических волн, вызванных искусственными взрывами.
Мы уже знаем, что в разных породах скорость распространения сейсмических колебаний различна. Различие это в распространении волн и используется для целей практики.
Это делается так. В какой-то точке поверхности производится взрыв, который порождает сейсмрческие волны. На некотором расстоянии устанавливается сейсмограф. При известной длине пути и времени пробега сейсмической волны легко устанавливается скорость распространения сотрясения. Если мы будем менять расстояние между сейсмографом и точкой взрыва, то получим сведения о строении толщи, выясним глубину залегания прочных пород, а также решим ряд других практических задач.
В последнее время особенно успешно сейсмический метод применяется для обнаружения месторождений железных руд.
Этим методом пользуются при исследовании строения грунтовых толщ, при строительстве плотин и промышленных сооружений.
Изучение земных толщ ведется с помощью не только искусственных сотрясений, но используются и могучие естественные подземные удары. Исследуя характер распространения сейсмических волн при землетрясениях, ученые смогли получить данные о внутреннем строении Земли, о наличии в земных недрах слоев разной плотности и разного состава.
Крупнейший русский сейсмолог Б. Б. Голицын по этому поводу говорил, что землетрясения являются
151
своеобразным фонарем, который, вспыхивая на мгновение, освещает нам глубокие недра Земли.
Наконец, наблюдения за колебаниями поверхности земли помогают обнаружить атомные взрывы. Это делает сейсмический метод важнейшей формой контроля над проведением испытаний атомных бомб.
Величественные и грозные проявления могучих подземных сил шаг за шагом познаются человеком. Наука уже накопила большой объем сведений о землетрясениях, научилась регистрировать и оценивать их силу, выявила причины и механизм сотрясений земной коры.
Сейчас мы научились возводить в сейсмических районах прочные и надежные здания и постройки.
Недалек тот день, когда будет создана система предварительного оповещения населения о приближающемся землетрясении, а затем встанет вопрос и о разработке методов борьбы с этими явлениями.
Человек, несомненно, найдет пути для покорения могучих проявлений внутренних сил Земли.
ЭКЗОГЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ И ЯВЛЕНИЯ, СВЯЗАННЫЕ С НИМИ
оползни •
ПОЧЕМУ ВОЗНИКАЮТ ОПОЛЗНИ!
•
ГРАНДИОЗНЫЕ ОБВАЛЫ И ЛАВИНЫ •
КАМЕННЫЕ
И ГРЯЗЕВЫЕ ПОТОКИ
•
МИР
ПОДЗЕМНЫХ ДВОРЦОВ •
ПРОВАЛЫ ПОВЕРХНОСТИ
ХОЛОД В ЗЕМЛЕ
ПРИРОДА В ОПАСНОСТИ •
БУДУЩЕЕ
ИНЖЕНЕРНОЙ ГЕОЛОГИИ
оползни
ПО ПОЖЕЛТЕВШИМ СТРАНИЦАМ ЛЕТОПИСИ
Красивы берега великой русской реки Волги. Особенно прекрасен правый ее берег, на котором стоят многие замечательные города России: Ярославль, Горький, Казань, Ульяновск, Саратов и город дважды герой — Волгоград.
В наши дни Волга преобразилась. Труд советских людей сделал Волгу величественней и прекрасней. Она не растрачивает попусту свои гигантские силы. На ее пути выросли плотины и могучие электростанции. Ее воды питают искусственные моря: Рыбинское, Куйбышевское и др. Старинная русская река отдает теперь свою энергию советским людям — строителям светлого коммунистического общества.
Хороши берега Волги, но многие и не подозревают, что живописный правый берег уже много веков является ареной напряженной борьбы с оползнями.
Оползни волжских берегов являются примером процессов, порождаемых действием внешних факторов земли: ветра, воды, колебаний температуры,
154
жизнедеятельности растений и животных. Эти процессы в значительной степени обусловливаются энергией солнца. В геологии благодаря этому они получили наименование экзогенных (внешних) процессов.
Немалая роль в развитии ряда явлений на поверхности земли принадлежит человеку. Строя водохранилища, возводя дома, мосты, прокладывая дороги, проникая в недра Земли за минеральным сырьем, человек изменяет свойства пород, нарушает сложившееся равновесие. Это влечет целый ряд таких явлений, как оползни, обрушения поверхности, заболочивание, осушение и т. д., получивших название инженерно-геологических процессов. В настоящем разделе книги мы рассмотрим и природные, и инженерно-геологические процессы.
Перелистаем Нижегородскую летопись XV и XVI вв. На ее пожелтевших страницах можно найти повествования о катастрофических оползнях высоких нижегородских берегов, неоднократно тревоживших население. Так, в первой половине XV столетия1 в районе Нижнего Новгорода неожиданно произошло грандиозное сползание берега Волги. Население было застигнуто врасплох, так как это случилось в ночное время. Неожиданный оползень явился причиной гибели многих людей. Летописец так описывает эту катастрофу: «... И божьим изволением грех ради наших оползла гора сверху над слободой, и засыпало в слободе сто пятьдесят дворов и с людьми, и со всякой скотиной».
Несколько позднее, в 1587 г., возник другой крупный оползень неподалеку от Нижнего Новгорода. Он произошел на участке размещения Печерского монастыря. Предоставим слово летописи: «... Оползла гора от матерые степи, да прошла под ту гору, на которой монастырь стоит и с лесом, и вышла в Волгу сажен на 50, и инде и больше. И стали в Волге бугры великие: суды, которые стояли под монастырем на воде, и те суды стали на берегу на суше сажен 20 от воды и больше, и после того, как поникла гора, пошли из горы ключи великие».
А вот другое свидетельство летописца: «... Потрясеся земли под монастырем, монаси же бежаша и сташа на горах; монастырь же и церкви совсем погибоша, токмо
1 Исторические сведения взяты из сборника «Оползни Среднего и Нижнего Поволжья». ОНТИ, М.—Л., 1935.
155
остася столп один церковный... В том же Нижнем Новгороде вверх по реце Оке, слобода в 150 дворов погибе совсем сквозе землю, и ни един человек не остася..
Город Васильсурск, основанный в 1523 г. у места впадения реки Суры в Волгу, в результате грандиозного сползания части высокого правого берега в 1556 г. был полностью уничтожен.
Явления оползания высокого правого берега Волги наблюдаются и в настоящее время. Инженеры-геологи и строители накопили большой опыт в борьбе с этим грозным явлением. Многие участки берегов в результате больших трудов были закреплены. Несмотря на это, время от времени возникают оползни, наносящие большой ущерб народному хозяйству. Так, 29 июля 1955 г. в районе Ульяновска возник грандиозный оползень, охвативший площадь около одного квадратного километра. Он продолжался около 6 часов. Оползень захватил низовую часть города. Смещение по вертикали доходило до 3 метров. В горизонтальном направлении оно достигало 3,5 метра. Были разорваны и передвинуты железнодорожные пути, выведен из строя крупный деревянный мост. После оползня на перемещенном массиве можно было наблюдать перекошенные деревянные дома и кирпичные здания, разорванные трещинами шириной 10—20 сантиметров. Оползень сопровождался характерным подземным шумом.
За время существования города Ульяновска здесь зарегистрировано свыше 25 крупных оползней.
ОПОЛЗНИ В САРАТОВЕ
Не меньше страдает от оползней территория города Саратова.
Особенно часты они на склонах Соколиной горы, сложенной довольно рыхлой трещиноватой породой — песчаником, лежащим на глинистых пластах, которые, быстро размокая и теряя устойчивость, вызывают оползни.
Вот как описал А. П. Нечаев один из особенно разрушительных оползней 1884 г.: «... Еще за несколько дней до катастрофы земля начала медленно оползать к Волге, покрываясь на поверхности трещинами и буграми. По ночам слышались треск домов и звяканье ломающихся
156
стекол. Полы в домах приподнимались, печи давали трещины. Многие из предусмотрительных жителей, заметив эти зловещие явления, поспешно покинули свои дома. В 11 часов утра 20 сентября вдруг движение земли сделалось быстрым и значительная часть горы с шумом обрушилась в реку. Во всем Саратове дрожала земля, раскачивались висячие лампы, останавливались часы, несколько домиков, расположенных на обрыве Соколиной горы, сорвались и полетели в пропасть. Крупные здания находящихся здесь фабрик и заводов переломились надвое, натрое, наклонились в сторону и некоторые затем упали...»
В результате этого оползня было разрушено и повреждено свыше 300 зданий.
Приведем другой случай оползания берега в Саратовской области.
На высоком правом берегу реки Волги находилось старое русское село Федоровка. Как-то в душную июльскую ночь 1889 г. население села было разбужено необычайным явлением. Стены изб шатались, земля содрогалась и вспучивалась. Из ее недр несся глухой гул. Жители высыпали из домов на улицу. Они увидели, что деревня вместе с участком берега движется к Волге. Этот оползень был довольно продолжительным. Перемещения длились около трех дней. Было полностью разрушено несколько десятков домов, другие получили различные повреждения. Поверхность земли совершенно изменилась. Она покрылась впадинами, трещинами, в одних местах возникли провалы, в других — поднятия.
После оползня село было перенесено на новое, более безопасное место.
Этот оползень получил наименование, по названию уезда, «Хвалынского».
«ВУЛКАН» В САРАТОВЕ
В связи с оползнями нельзя не рассказать забавный случай, связанный с оползневыми подвижками правого берега реки Волги.
Неподалеку от Саратова находится село Аграфенов-ка. Неожиданно это небольшое поселение получило широкую известность среди жителей Нижнего Поволжья.
В 1909 г. по Поволжью быстро разнеслась весть
157
в АграфенсЕкепроисходит извержение «вулкана». Слухи ширились и росли. Необычное событие обрастало все новыми и новыми фантастическими и нелепыми подробностями. Окружающее население было сильно напугано. Появились высказывания, что «вулкан» в Аграфеновке является дальнейшим развитием Мессинского землетрясения 1908 г.
К месту происшествия стали стекаться тысячи людей.
Крупный русский ученый-геолог А. Д. Архангельский посетил район происшествия и обнаружил, что причиной странного явления является не что иное, как подземный пожар, вызванный оползнем.
Он был впервые замечен населением в конце февраля 1909 г. После этого пожар продолжался почти пять месяцев. Из-под земли в разных местах выбивались пахнущие серой струйки дыма, которые и были приняты за выделяющиеся вулканические газы. Ходить по поверхности некоторых участков было невозможно из-за высокой температуры. Помогала только обувь на толстой подошве, которая временно предохраняла ноги от ожогов. На поверхности земли образовались небольшие воронки глубиной и шириной около 0,5 метра. Если в такую воронку опускалась палка, то она моментально загоралась.
Причина подземного пожара, как это установил А. Д. Архангельский, заключалась в том, что вследствие оползня, происшедшего в 1908 г., по образовавшимся трещинам в нижележащие породы стал свободно поступать воздух. А среди этих пород находились черные сланцевые глины, богатые органическими горючими веществами. Роль запала сыграл минерал пирит — сульфид железа. Под воздействием кислорода воздуха он способен энергично окисляться с выделением значительного количества тепла. Те, кто бывал в районах угольных разработок Донбасса, знают, что терриконы (пирамидальные холмы пустой породы около шахт) часто дымятся и даже горят. Этот процесс — также результат окисления пирита и выделения тепла, ведущего к возгоранию породы, содержащей уголь.
Таким образом, в Аграфеновке черные сланцевые глины загорелись, подожженные «коварным» пиритом.
После окончания пожара эти глины в результате обжига из черных превратились в красные.
158
ВОЛГОГРАДСКИЕ ОПОЛЗНИ
На Волжском берегу раскинулся легендарный город Волгоград.
Береговой участок, на котором расположен Волгоград, Геологи называют Каспийской террасой. Это название связано с тем, что берег сложен здесь отложениями Каспийского моря. Особенно значительны толщи морских осадочных пород в южной части города.
Подойдем со стороны реки к правому берегу в южной части города. Над нашей головой возвышается почти вертикальная стена обрыва. В верхней его части под небольшим суглинистым слоем залегает довольно значительная толща «шоколадных» глин. Это наши старые знакомые. Мы уже знаем, что они обладают удивительной способностью к набуханию при увлажнении. Эти глины носят название хвалынских (по древнему морю, в котором они накопились). Толщина слоя хвалынских глин колеблется от 2—3 до 10—12 метров и более. Под ними лежат мелкозернистые пески. Это тоже осадки Каспийского моря, называемые хазарскими.
В средней части города слой хазарских песков незначителен, в береговых откосах выходят рыхлые, еще более древние песчаники.
Во многих местах из расположенных под глинами хазарских песков бьют ключи.
Такое залегание глин и грунтовых вод весьма неблагоприятно. Оно привело к тому, что береговой уступ превратился в арену развития оползней (рис. 73). Большинство их сравнительно невелико. Но иногда оползни захватывают обширные участки. Например, в 1941 г. в течение 30—40 минут в Волгу сполз обширный массив земли, имевший в поперечнике около 220 метров. Высота смещения составила около 10 метров. Этим оползнем было перемещено более 150 тысяч кубических метров пород.
Пройдемся вдоль берега от пассажирской пристани вниз по течению Волги. Перед глазами развертывается картина многочисленных обрушений и оползаний берега. Вот его участок против элеватора. Наклонившиеся телеграфные столбы, трещины в зданиях, стоящих на береговом склоне, и, наконец, многочисленные оползневые «цирки». Такое название получили места, где происходит
159
Рис. 73. Небольшие оползни на берегу Волги, вызванные подмывом
отрыв и сползание земляных масс. Это обычно округлые в плане выемки, отсюда и произошло их название «цирк» (от латинского слова циркулус — круг).
Страдает от оползней и участок берега, расположенный в центре города, против пароходной пристани. Здесь оползни наносили не раз ущерб лестницам и некоторым постройкам.
Положение спасает правильное размещение крупных построек в гл убине берега. Непосредственно к оползням прилегает бульвар, деформации которого незначительны.
Если проследить время наиболее интенсивных подвижек волгоградских берегов, то сразу бросится в глаза, что в большинстве случаев они возникают после спада паводка на Волге. Этот факт указывает на связь оползней с весенним половодьем.
Много сил и средств затрачено на борьбу с оползнями. На целом ряде участков берега удалось ликвидировать оползневость. Но предстоит еще серьезная работа для окончательного прекращения оползания волжских берегов.
160
Рис. 74. Типичная саблевидная форма деревьев на оползневом склоне
БИЧ ЧЕРНОМОРСКОГО ПОБЕРЕЖЬЯ
Богато одарила природа Черноморское побережье Кавказа. Здесь и голубое теплое море, и минеральные воды, и богатейшая субтропическая растительность, и живописные горы. Не случайно со всего Советского Союза едут сюда лечиться и отдыхать десятки тысяч тружеников. В связи с этим здесь ширится строительство новых здравниц, туристских баз, пансионатов. Застраиваются все новые и новые участки. И вот здесь-то строителей часто ждут значительные затруднения.
Дело в том, что узкая прибрежная полоса Черноморского побережья испокон веков страдает от оползней. Они наносят значительный ущерб этому чудесному краю. Оползание земляных масс сокращает полезную территорию для размещения курортов, повреждает железные и автомобильные дороги, уничтожает плантации субтропических культур, винограда, табака (рис. 74).
Особенно велик ущерб, приносимый оползнями, на участке от Туапсе до Сухуми.
Оползни захватили и побережье у города Сочи. На этом участке незадолго до Великой Отечественной войны после сильного шторма пришли в движение сотни тысяч
161
кубических метров грунта и в течение десятка минут сползли в море, уничтожив ряд легких сооружений.
Многократно повторяющиеся сползания берега создали серьезную угрозу замечательному сооружению города — новому театру (рис. 75), который за время своего существования приблизился к берегу моря и оказался неподалеку от границы активных оползней.
Инженеры-геологи, изучив этот район города, пришли к выводу, что оползание вызывается как особым геологическим строением участка, так и сильным подмывом берегов морскими волнами.
Были приняты самые решительные меры для прекращения дальнейшего распространения оползней в глубь суши. Сейчас в этом районе оползни прекратились.
Другой участок Черноморского побережья, интенсивно разрушаемый оползнями, — район Сухуми.
В геологическом строении береговой полосы этой территории принимают большое участие своеобразные темно-синие глины. Довольно прочные в сухом состоянии, они теряют свою прочность при увлажнении.
Интересно, что эти глины способны поглотить воды в 2—3 раза больше своего объема.
Если вспомнить нашу беседу о «невидимых» минералах, то можно легко объяснить подобное явление. Минералогический анализ этих глин показал, что в их составе содержится много монтмориллонита.
Рис. 75. Сочинении театр
162
После ливней или затяжных дождей эти глины сильно увлажняются и на склонах возникают многочисленные оползни. Они разрушают дороги, мосты, лестницы, дома и другие сооружения, попадающие в зону их действия.
Проводимые в таких районах работы по закреплению оползней значительно сократили размах этого бедствия.
Одним из прекраснейших солнечных районов нашей Родины является Южный берег Крыма. Недаром его называют «жемчужиной юга». Это одно из лучших мест для лечения и отдыха трудящихся.
Познакомимся с геологическим его строением. Возвышающаяся над морем громада Крымских гор (высота до 1500 метров) состоит главным образом из известняков. Под массивом известняков залегают темно-серые глинистые сланцы.
Выходы этих глинистых пород можно видеть во многих местах берега. В сухом состоянии сланцы довольно прочные и крепкие. Картина сразу изменяется, если их увлажнить водой. Куда только девается их твердость, они становятся пластичными, а при длительном намокании совсем разжижаются.
В пределах береговой полосы глинистые сланцы прикрыты довольно значительной- толщей наносов. Как и всякие наносы, они весьма разнообразны по своему составу. В них преобладает глинистая масса, в которую вкраплены обломки известняка, диорита и других твердых пород.
Эти глинистые наносы и составляют основу оползающих масс. Главной причиной их движения является регулярное увлажнение, вызываемое атмосферными и подземными водами. Особенно обильны воды, поступающие из трещин известняковых массивов. Дождевая вода с поверхности яйл (плоские вершины Крымских гор) проникает в трещины и карстовые воронки, а затем, пройдя подземными каналами, выходит на дневную поверхность у подошвы известняков и смачивает глинистые наносы.
Оползни Южного берега Крыма были известны в глубокой древности: первое описание их было дано русским: академиком Палласом в конце XVIII в.
В настоящее время особенно страдают от оползней районы Алупки, Оползневого и Симеиза. На этих участках берега нередки случаи сползания на десятки метров вниз, к морю, жилых домов, различных построек и даже
16S
Рис. 76. Мыс у б. Воронцовского дворца в Алупке, образованный сползшими глыбами диорита (фото Г. С. Золотарева)
целых селений. Возникают крупные смещения дорожного полотна вниз по склонам, повреждения мостов и труб.
Крупные глыбы твердых пород (известняков, диоритов), обрушиваясь с горных массивов на поверхность глинистых наносов, постепенно сползают по ним в море.
На рис. 76 показан мыс у Воронцовского дворца в Алупке, образованный сползшими глыбами диорита.
На некоторых участках морского берега можно наблюдать оползни, образующиеся в береговых обрывах, в которых выходят на поверхность темно-серые глинистые сланцы. Мы уже говорили об их способности размягчаться при увлажнении водей. Во время продолжительных дождей и сильных штормов сланцы обильно смачиваются водой. Тогда и возникает сползание целых массивов этих пород. Примечательно, что направление их движения перпендикулярно плоскости напластования.
Эти оползни чаще всего захватывают небольшие участки поверхности земли.
Советское государство расходует много средств на борьбу с оползанием земляных масс в этом районе. Специальная Южнобережная оползневая станция Министерства геологии СССР проводит регулярные наблюдения и исследования движения склонов.
164
Из года в год на территории Южного берега Крыма осуществляются комплексные работы по укреплению оползневых участков. Размах этих работ с каждым годом возрастает.
КАТАСТРОФИЧЕСКИЕ ОПОЛЗНИ
История сохранила нам сведения об оползнях, унесших десятки и сотни человеческих жизней. Они время от времени возникают в самых различных уголках Земли. Так, широкую известность получили оползни Швейцарии.
Особенно печальна история оползней пологих берегов озера Цуг. Одна из таких катастроф произошла в ночь на 5 июля 1887 г.
Совершенно неожиданно в ночное время начала перемещаться большая береговая полоса. Цветущие берега озера, в зелени которых скрывались сотни дач, вилл и домов, огласились воплями гибнущих людей. Десятки зданий были разрушены. В их обломках погибло много обитателей. В результате оползня пришло в движение свыше 150 тысяч кубических метров земли. Масса разжиженного грунта переместилась в озеро и потекла по уклону его дна, распространившись на расстояние свыше 1000 метров от его берега.
Причиной, вызвавшей этот оползень, явилось неожиданное разжижение мощных толщ водонасыщенных иловато-глинистых грунтов, слагающих берег. Считают, что разжижению грунтов содействовала производящаяся в этот момент забивка свай. Вся береговая часть озера Цуг находилась в неустойчивом состоянии вследствие перегрузки ее поверхности насыпными грунтами и застройкой. Немалую роль сыграло динамическое давление грунтовой воды, поток которой направлен в сторону озера.
В другом районе Швейцарии (Гольдау) возник не менее катастрофический оползень, при котором сползла по направлению наклона пластов огромная плита длиной 1,5 километра, шириной 300 метров и мощностью 32 метра. Количество переместившейся породы составило почти 30 миллионов тонн.
Известны многочисленные крупные оползни в Северной Америке. Так, в районе Франк Альберта (Канада) в 1903 г. возник оползень известнякового массива против
165
Трещины
Рис. 77. Схема оползания известняков Франка Альбеота
направления пластов, вызванный скольжением пород по трещинам, заполненным глинистой массой (рис. 77). Сместилась грандиозная масса пород объемом свыше 30 миллионов кубических метров.
Еще больших размеров достиг другой оползень Северной Америки, получивший название Гросс-Вентр. Он вызвал перемещение земляных масс объемом в 35 миллионов кубических метров.
Телетайпы приносят все новые и новые сообщения об оползнях.
... 1963 год. В результате затяжных дождей в далеком Непале возник крупный оползень, под которым оказались уничтоженными три деревни. 150 человек заживо были погребены под массами сползшей земли...
... 1966 год. Неожиданное оползание грунтов на склоне горы в Перу привелок гибели девяти человек, а более тысячи человек остались без крова...
Этот список можно продолжать, но и этого достаточно, чтобы понять, что оползень часто превращается в грозное природное явление, борьба с которым представляет важную задачу инженерной геологии.
НЕПРИЯТНЫЕ СЮРПРИЗЫ
В Норвегии ежегодно возникают десятки оползней. Значительная часть их развивается в районах распространения своеобразных глин, которые на первый взгляд достаточно прочны. Но если взять кусок такой глины и потереть его в руках, он мгновенно переходит в сметанообразное состояние. Вот эта особенность грунта и ведет к мгновенно развивающимся быстротечным оползням.
Советский ученый И. М. Литвинов, посетивший Норвегию, рассказал о многочисленных случаях оползания.
116
Так, например, он побывал на участке, где в 1956 г. существовала ферма. Однажды ее владелец обнаружил небольшую трещину в грунте. Зная, чем это может грозить, он немедленно начал переезжать на соседнюю ферму. Возвращаясь за вещами, фермер увидел, как дом его покачнулся, стал проваливаться в разжиженный грунт и вскоре полностью утонул. Перепуганный скот плыл в разжиженной массе и ему удалось выбраться из этого потока только в полукилометровом расстоянии от бывшей фермы. Это все произошло буквально в течение нескольких минут. В ряде участков можно наблюдать затонувшие фермы. В грунтах видны остатки велосипедов, колясок, различной домашней утвари, части домов.
Другой тип норвежских оползней отличается быстрыми перемещениями целых массивов земли без их видимого разрушения. Если такой оползень захватывает участки автострады или железной дороги, то находящиеся в этот момент на трассе автомашины или поезда перемещаются вместе с грунтом и терпят аварии.
И. М. Литвинов рассказывает об оползне, возникшем в 8—9 километрах к югу от Осло. Значительная часть территории в течение нескольких десятков секунд переместилась на расстояние 11—12 метров по горизонтали. Расположенная на участке железная дорога переместилась на место шоссе, которое в свою очередь заняло место роскошной аллеи из старых кленов и берез. Часть аллеи передвинулась в сторону на место расположенного здесь сада.
Владелец сада рассказал: «Моя сестра, не пившая перед тем ничего спиртного, увидела движущиеся деревья и усомнилась в своем здравом уме. Она позвала меня, и теперь уже я увидел, как два ряда громадных кленов и берез передвинулись в мой сад вместе с участком мощеной дороги...».
ПОЧЕМУ ВОЗНИКАЮТ ОПОЛЗНИ?
Еще 100 лет назад люди не знали, почему возникают оползни. Это использовали церковники, утверждая, что оползни — это божье наказание.
Ученые детально исследовали это природное явление и установили, что оползание склонов обусловливается не одной, а многими причинами. В каждом конкретном случае действуют свои силы, приводящие в движение земляные массы.
Среди множества причин можно выделить главную: нарушение механической устойчивости склонов. Для возникновения оползания необходим уклон поверхности. На горизонтальной плоскости оползень возникнуть не может. По мере увеличения угла наклона участка возрастает опасность развития оползня.
В чем же кроется причина такого влияния уклона?
Дело в том, что в массиве грунта всегда действует сила тяжести. Она, как известно, направлена к центру Земли.
Представим себе, что склон образует какой-то угол с горизонтальной плоскостью. Тогда сила тяжести, перпендикуляр
168
ная последней, также будет образовывать угол к склону (рис. 78).
По правилу параллелограмма сила тяжести раскладывается на две составляющие (рис. 79): первая направлена по склону (обозначим ее буквой Т), вторая перпендикулярна ему (сила /V). Легко заметить, что сила Т будет стремиться сдвинуть грунт вниз, а сила N будет прижимать грунт к склону, тормозя его сползание.
Попробуем теперь изменять величину уклона, как это показано на рис. 80. Видим, что чем больше наклон, тем величина толкающей силы Т становится больше, а удерживающей силы N — меньше.
Такова роль уклона в увеличении силы, толкающей массу грунта вниз по уклону.
Возникает вопрос: какие силы в самом грунте сопротивляются разрыву и сползанию масс пород?
Возьмем сплошной гранитный массив; сколько бы мы его ни наклоняли, в нем не возникнут разрывы и сполза-
Рис. 78. Сила тяжести, на** правленная к центру Земли, образует угол со скло** ном
Рис. 79. Составляющие силы тяжести грунтов склона
Рис. 80. Величина составляющих изменяется в зависимости от наклона поверхности
169
Рнс. 81. Изменение наклона аквариумной банки застав* ляет перемещаться заключенный в ней песок
Рис. 82. Схема образования суффозион-иого оползня в Волгограде
ния. Это происходит потому, что все зерна породы связаны друг с другом очень прочными жесткими связями.
Теперь попробуем также наклонять аквариумную банку, в которую насыпан песок. По мере увеличения наклона песок начинает перемещаться, занимая каждый раз все более пологие откосы (рис. 81). Столь легкое перемещение песчинок возникает вследствие отсутствия между ними связей. Частички песка удерживаются друг около друга лишь под действием трения, которое зависит от коэффициента внутреннего трения грунта. Кроме того, сила трения зависит также от давления, прижимающего песчинки друг к другу.
Если мы вернемся к нашему сползающему откосу, то здесь давление будет равно силе М.
Теперь познакомимся с силами сопротивления сдвигу, действующими в глинах.
В глинистых грунтах так же, как и в песках, между частицами действуют силы трения, но их значение очень невелико.
Попробуем разорвать глину, растягивая ее в стороны. Если это сухая порода, то вряд ли нам это удастся. Постепенно увлажняя глинистый грунт, мы можем добиться момента, когда кусок будет легко растягиваться, как воск, и разрываться.
Этот опыт говорит нам о существовании в глинах силы сцепления, препятствующей разрыву грунтов; ее величина уменьшается по мере увлажнения. Сила сцепления является результатом действия молекулярного при
170
тяжения между тончайшими глинистыми частицами. Ею определяется величина сопротивления глин сдвигу и оползанию. Уменьшение сцепления при увлажнении ведет к снижению прочности глиняных массивов и последующему оползанию.
В последние годы ученые, исследуя глины под электронным микроскопом, установили, что их микроструктура различна. В одних случаях пластинчатые глинистые частицы располагаются одна над другой, образуя параллельнослоистые структуры, а в других размещаются под различными углами друг к другу. В последнем случае говорят о структуре «карточного домика». Норвежские глины, об оползнях которых мы рассказали выше, и обладают такой неустойчивой микроструктурой. Помимо этого, большое влияние на разрушение микроструктуры подобных глин оказывают рассмотренные ранее тиксотропные превращения.
Виновником возникновения оползней могут также явиться сейсмические удары.
ВОДА —ВРАГ СКЛОНОВ
Падает осенний моросящий дождь. Его струйки, находя трещинки и поры, уверенно пробираются между зернами пород в недра массива. Даже тончайшие капиллярные поры грунта являются путями для их продвижения. Наполняя поры, вода увеличивает вес пород. Воздействуя на глинистые частицы, влага резко снижает их прочность, нарушает связи между ними. Все это создает условия для образования оползней.
Коварная дождевая струйка незаметно ведет свою разрушительную работу. Во многих случаях ее деятельность, которая на первый взгляд кажется незначительной, приводит к оползанию склона.
Не менее опасны для склонов подземные воды. Проникая в грунты, они производят то же воздействие на них, что и атмосферные осадки. Однако подземные воды оказываются более опасными для склонов, так как они вызывают суффозию и определяют гидродинамическое давление в откосах. Оползни, вызываемые суффозией, явление не редкое. Примером могут служить некоторые оползни района Волгограда.
Мы уже знаем, что здесь под «шоколадными» глина
171
ми лежит слой хазарских песков, наклоненный в сторону реки. В них встречается небольшой горизонт подземных вод. В обычное время года пески находятся выше уровня воды в Волге (рис. 82). Во время паводка уровень воды поднимается выше выхода песков. Такое затопление ведет к прекращению стока подземных вод в реку. В песках постепенно накапливается много воды. Когда паводок спадает, она устремляется к выходу, увлекая за собой песчаные частицы, вынося в русло реки тысячи тонн песка. Это ослабляет пласт и вызывает оползание вышерасположенных пластичных «шоколадных» глин.
Вот почему наиболее эффективная борьба с оползнями и предусматривает прежде всего отвод от массивов атмосферных и подземных вод.
ВОДА ПОДМЫВАЕТ
И ПЕРЕРАБАТЫВАЕТ БЕРЕГА
Представьте себе, что на круто наклоненной доске лежит какой-либо предмет. Чтобы он не скатился, на доске прибита поперечная планка. Если ее удалить, предмет покатится вниз. Подобное явление наблюдается на склоне, если его подножие подмывается рекой или морем. Упор для масс земли исчезает, и склон, перед тем устойчивый, неминуемо придет в движение.
Такое оползание земляных масс широко распространено на морских и речных берегах. Многие оползни Черноморского побережья возникают в результате подмыва берегов морским прибоем (рис. 83). Удар морской волны во время шторма может достигать огромной сокрушительной силы (рис. 84). Зарегистрированы удары волн о набережные силой до 30 тысяч килограммов на квадратный метр их поверхности. Под действием таких ударов легко перемещаются глыбы массой в десятки тонн.
Многочисленны случаи перемещения волнами многотонных железобетонных массивов. Например, в районе города Сочи штормовые волны разбили и переместили многотонные бетонные блоки набережной; в Новороссийске шторм сбросил с восточного мола 2 массива, каждый массой в 40 тонн. В амстердамском порту был поднят на высоту почти 4 метров и сброшен на пирс (причал для
172
Рис. 83. Разрушение набережной морским прибоем
Рис. 84. Прибой во время шторма у берега Сочи
173
судов) двадцатитонный бетонный массив. В Шотландии во время бури волны передвинули на 4 метра дамбу массой в 800 тонн.
При ударе о препятствие морская волна образует всплески, поднимающиеся на десятки метров. На острове Вист во время шторма такие всплески разбили фонарь маяка на высоте 60 метров.
Обладая столь могучей энергией, морской прибой производит грандиозную разрушительную работу. Постоянно подмывая берега, волны разрушают Их, создают благоприятные условия для возникновения оползней и обрушений (рис. 85).
Действуя соединенными усилиями, размыв и оползание пород ускоряют отступание морских берегов. В районе Одессы, например, берег за последние 50 лет отступил почти на 45 метров в глубь материка, у Сочи береговая линия в результате многочисленных оползней и абразии (размыва) переместилась за 20 лет на 15—40 метров.
Ярким примером силы абразии может служить остров Готланд. Когда-то он представлял собой крупный цветущий участок суши площадью более 900 квадратных километров, а сейчас это небольшой скалистый островок в несколько квадратных километров.
В нашей стране создан ряд искусственных морей: Московское, Рыбинское, Куйбышевское, Цимлянское и др.
Широко разлились их воды. Там, где была суша, плещутся волны. Образовалась новая береговая линия. Нарушилось прежнее равновесие. Новые берега энергично разрушаются волнами (рис. 86). Этот важный для народнохозяйственного освоения берегов процесс назван переработкой берегов. Перед инженерной геологией была поставлена задача выяснить, до каких пределов будет идти разрушение берега и где расположится более или менее устойчивая береговая линия. Ответственность решения этого вопроса весьма велика. Ведь на берегах будут построены города, селения, заводы. Они должны быть расположены вне зоны, подлежащей переработке водой.
Поставленная задача советскими геологами успешно решена. Было установлено, что берега перерабатываются в течение нескольких лет и самое большее — десяти-174
Рис. 85. Подмыв скалистых берегов прибоем
Рис. 86. Переработка берега искусственного моря
175
Рис. 87. Размыв речным потоком твердых пород
летай. Характер процесса зависит от рельефа местности, состава пород, гидрогеологического режима, климата и некоторых других факторов.
Устойчивый берег образуется в результате процессов размыва, оползания берегов и накопления отложений. Будущая устойчивая береговая линия пройдет на десятки метров дальше в глубь суши от ее положения в момент образования водохранилища.
Наблюдения, проведенные на берегу Цимлянского моря, показали, что после его заполнения лёссовые берега под действием прибоя и оползания отступили на 15—50 метров.
Берега разрушаются не только морским прибоем. Кто из нас не любовался стремительным бегом речных потоков? День и ночь, год за годом размывают и подпиливают реки свои берега (рис. 87).
Особенно энергично действуют горные реки. Возьмем в качестве примера полноводную Кубань. Воды этой реки берут начало на северном склоне Кавказских гор, у Эльбруса, откуда ее поток устремляется в просторы Предкавказской равнины. Бурное течение разрушает берега. О скорости этого процесса можно судить по наблюдениям, проведенным в районе Краснодара (у б. стани
176
цы Пашковской). Здесь ее высокий лёссовый берег вследствие подпиливания водным потоком и обрушения перемещается в год на 10—20 метров.
Создатель советской школы инженерной геологии Ф. П. Саваренский описывает подмыв и обрушение берегов у другой реки — Амударьи: «...В последних числах июня 1936 г. население поселка Турткуль на правом берегу Амударьи было разбужено поздней ночью страшным треском и грохотом... Еще накануне вечером расстояние от домов до берега реки равнялось 7—10 метрам. За ночь вода смыла берег и вплотную подступила к жилищам. Обитатели 3 домов, расположенных особенно близко к воде, проснулись, когда фасады их глиняных жилищ отвалились уже в реку. Лет 20 назад Амударья протекала в 10 километрах от Турткуля. В 1905 г. правый берег реки находился против урочища Ширим, а в 1915 г. здесь уже был левый берег. Река за 10 лет подвинулась вправо на 6 километров...»
Энергично размывает свои берега и могучая Волга. У Бекетовки (район города Волгограда) правый берег реки Волги отступил за 10 лет почти на 15 метров. В районе станицы Каменный Яр берег Волги, сложенный песками и глинистыми грунтами, отступает каждый год почти на метр. Это отступание сопровождается образованием двухэтажных оползней.
В таких случаях борьба с оползнями — это прежде всего предотвращение размыва берегов.
ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ ОПОЛЗАНИЯ
Можно ли сделать так, чтобы даже сравнительно крутые склоны стояли прочно и не сползали?
Ученым и инженерам удалось добиться больших успехов в решении этой проблемы.
Изучение причин возникновения оползней показало, что во многих случаях причиной, побуждающей склоны к оползанию, является нарушение естественных условий, сложившихся в течение многих веков.
Уничтожение растительности, снятие при земляных работах верхнего слоя почвы, устройство на склонах насыпей и углублений ведет к нарушению механической устойчивости и проникновению дождевой воды в грунты.
Иногда оползень может возникнуть при проведении
177
дороги, пересекающей нижние части склонов, как это показано на рис. 88.
Вот что произошло на Дону, на правом оползневом берегу реки. Начали сооружать рельсовый путь для установки башенного крана. Его монтаж производился у подошвы склона. Для обеспечения горизонтальности пути пришлось в склоне устроить метровую выемку. Ночью на этом участке возник оползень, повредивший не только установленный кран, но и ряд построек, расположенных на склоне.
Опасно также и увеличение веса грунтов, слагающих склон. Это происходит тогда, когда на нем возводятся какие-либо постройки или движутся железнодорожные составы. Тогда к весу грунтов прибавляется тяжесть зданий, паровозов и вагонов. Как следствие перегрузки склона может возникнуть оползень.
Вывод напрашивается сам по себе: на склонах, опасных в оползневом отношении, лучше не нарушать существующих естественных условий. На таких склонах должны осуществляться разумные профилактические мероприятия, предупреждающие возникновение оползней.
Но если на склоне развиты оползни, то применение профилактических мероприятий может и не дать эффекта или дать его лишь через несколько лет. В последнем случае трудно гарантировать, что оползень будет остановлен.
Мы уже говорили о том, как велика роль дождевых и подземных вод в образовании оползней.
Как же отвести дождевые потоки от откоса? Лучше всего эта задача решается устройством на пути дождевых струй нагорных канав и оградительных валов. Такие сооружения размещаются поперек склонов. Потоки воды, достигая их, изменяют свое направление и отводятся в соседние овраги или долины.
Рис. 88. Выемка в нижней части склона ведет к нарушению равновесия:
Л—сила, вызывающая оползень; Б — поверхность скольжения; В — дорожная выемка
178
Рис. 89. Из верхнего пласта вода спускается в нижележащие пески через поглощающие коллдцы
Гораздо труднее бороться с подземными водами. Там, где они являются главной причиной возникновения оползней, приходится проводить подчас дорогостоящие работы для их отвода. Во многих случаях прекращение поступления подземной воды к оползню предотвращает дальнейшее движение его, поэтому не случайно ученые и инженеры создали много самых разнообразных способов перехвата и отвода подземных вод в сторону от оползневого массива. Из них широко применяется устройство прорезей, представляющих собой глубокие траншеи, прорываемые сверху вниз по склону. На дне их укладываются хорошо проводящие воду материалы (камень, галька, щебень). В такую прорезь с поверхности и из массива грунтов поступает вода, которая затем из него отводится.
В других случаях устраивается специальный подземный дренаж — сооружение, перехватывающее воду. Примером такого сооружения могут служить дренажные штольни — подземные галереи, прокладываемые вдоль склона. Такие штольни выходят на дневную поверхность в соседних балках, оврагах или речных долинах. Если последние отсутствуют, то галереи выводятся в специальные водосборные колодцы, из которых время от времени вода удаляется насосами.
Встречаются такие случаи, когда грунтовые воды, накопившиеся в глубине оползня над каким-либо глинистым пластом-водоупором, можно отвести внутрь массива, проделав в глине колодцы или скважины. Это воз
179
можно лишь тогда, когда под слоем глины имеется достаточно мощный пласт песка (рис. 89), в который спускают воду. Такие колодцы и скважины носят название поглощающих.
МОЖНО ЛИ ЗАДЕРЖАТЬ РАЗМЫВ БЕРЕГОВ!
В вековечную борьбу моря с сушей вмешивается человек. Он отстаивает каждую пядь земли, отнимаемую морем в районах городов, густонаселенных сельских местностей и курортов. Наукой создано много оригинальных и высокоэффективных способов борьбы с разрушением берегов морей и рек.
Если вам пришлось побывать на Черноморском побережье Кавказа в районе Туапсе — Сочи, то вы, несомненно, запомнили сотни больших, перпендикулярных к берегу бетонных массивов длиной в 10—20 метров, уходящих в море. Это — буны.
Такие массивы тормозят движение морской волны, понижают скорость потока, вызывают осаждение на дно крупных взвешенных частиц: гравия, гальки и крупного песка. В результате между бунами постепенно накапливается большое количество подобного материала и образуется пляж. Его зона расширяется и береговая линия перемещается, оттесняя море.
Не менее часто для защиты берегов от разрыва применяют волноломы. Они представляют собой бетонные или каменные массивы, располагаемые параллельно морскому берегу. Волноломы сооружаются на расстоянии 12—40 метров от берега. Движущаяся морская волна, встречая волнолом, с силой ударяется о него. От этого она теряет значительную часть энергии. Следствием является снижение скорости движения воды. Результат — выпадение на дно взвешенных частиц. Постепенно на участке между волноломом и берегом накапливаются песчано-галечниковые отложения, образующие в конечном счете широкий пляж.
Берега морей для защиты от удара штормовых волн нередко одевают в бетонный или железобетонный панцирь, устраивая набережные и волноотбойные стенки. Они надежно защищают берега Правда, с течением времени море все же разрушает и их.
180
Рис. 90 Комплексное укрепление оползнезыч берегов в Сочи
Во многих случаях приходится применять комплексное укрепление берегов, используя несколько типов сооружений. Блестящим примером такого подхода к борьбе с морем являются берегоукрепительные работы в районе города Сочи. Здесь сооружены и набережные, и волноотбойные стенки, и волноломы, и мол, и система бун, и подпорные стенки (рис. 90).
Не менее важной народнохозяйственной задачей является борьба с размывом речных берегов.
Одним из наиболее древних способов предотвращения разрушения берега речным потоком является каменная наброска на участках размыва. Она замедляет размыв и вынос рекой грунта.
Надежным, но дорогим способом укрепления речных берегов является устройство набережных. Бетон или камень прочно прикрывают берега.
В некоторых случаях на небольших реках осуществляется отвод речных струй от размываемых участков. Это достигается сооружением в русле струенаправляющих дамб. Они устраиваются из камня, грунта, дерева. Расположение этих сооружений выбирается в зависимости от формы берегов.
Вогнутые берега прикрываются продольными дамбами, защищающими их от удара струй. Выпуклые берега
181
r.jji.. Рис. 91. Речные буны откло* няют струи от выпуклого берега
Направление течения
рек успешно защищаются от размыва устройством бун. Их возводят перпендикулярно берегу (рис. 91). Так же как и в морских условиях, между бунами постепенно накапливаются наносы, которые прочно укрепляют берег.
В последнее время советские инженеры для борьбы с размывом берегов создаваемых морей применили простой способ устройства вдоль береговых линий искусственных песчаных отмелей. Там, где необходимо прекратить переработку берега, гидроспособом намывается песок, который образует своеобразный барьер на пути волны, а также создает механический упор для берегового склона. На таких участках береговая линия быстро стабилизируется.
МОЖНО ЛИ УДЕРЖАТЬ ОПОЛЗЕНЬ!
Почти вековой опыт говорит нам, что при возникновении крупных оползней, когда приходят в движение миллионы тонн грунта, попытки удержать их силой в большинстве случаев оказываются неэффективными.
Более успешным оказалось применение механического удержания средних и небольших оползней.
Так, чтобы удержать оползание небольших по мощности слоев грунта, на их пути ставится каменная или железобетонная стена. Такие стенки получили название подпорных (рис. 92). В некоторых случаях, стремясь удержать грунты оползающего массива, скрепляют их жесткими элементами — бетонными или железобетонными сваями-шпильками (рис. 93), располагая их в шахматном порядке. Длина свай выбирается такой, чтобы свая входила в лежащий под оползнем слой прочного, неползущего грунта.
182
Рис. 92. Подпорные стенки на побережье у Сочи
Чтобы избежать нарушения естественного сложения пород, шпильки не забиваются, а погружаются в предварительно пробуренные скважины.
Для борьбы с оползнями глинистых массивов ученые успешно применяют электрический ток. Да, именно электрический ток. Известно, что, если пропускать постоянный ток через какую-либо водную среду, в нее будет переходить постепенно металл положительного электрода. Помимо этого, электрический ток заставляет передвигаться воду от положительного к отрицательному полюсу. Этот процесс и положен в основу электрохимического способа укрепления глинистых оползней.
183
Рис. 94. Схема электрохимического укрепления грунта:
1 — сваи алюминиевые и медные; 2 — источник постоянного тока
Берут деревянные сваи и обшивают с поверхности одни медными, а другие алюминиевыми листами, после чего забивают в грунт поочередно сваи медные и алюминиевые; первые присоединяют к отрицательному полюсу генератора постоянного тока, вторые — к положительному (рис. 94).
Если пропускать через такую систему постоянный ток, то обнаружится, что участок между сваями начинает быстро осушаться, в грунт переходит алюминий, который образует соединения с водой. В результате слабая глинистая порода приобретает высокую прочность и теряет способность к размоканию, что и требуется для прекращения ее оползания.
Для закрепления грунта применяется и еще один оригинальный метод: устройство мерзлотных столбов и целых массивов замороженных грунтов для механического удержания водонасыщенных земляных масс на склонах.
Мысль ученых непрестанно работает над улучшением старых и разработкой новых методов борьбы с оползнями. Знакомясь с причинами оползания, мы установили, что, чем больше угол откоса, тем значительней сила, толкающая оползень вниз. Следовательно, если уменьшить величину откоса, опасность оползания резко уменьшится.
Рис. 95. Срезка склона струей воды:
а — угол устойчивого откоса; 1 — гидромонитор
184
Этот принцип и был положен в основу способа «срезки склонов». Легко сказать: срезать склон. Но как это сделать? Ведь для этого необходимы значительные затраты труда и средств, поэтому чаще всего такая съемка грунта осуществляется на небольших массивах.
На помощь строителям в этом случае приходит водяная струя. При помощи гидромонитора (напоминающего брандспойт) мощная струя воды направляется на склон. Для срезки песчаных и гравелистых грунтов достаточно напора 5—7 атмосфер, а для глин необходимо более высокое давление, 10—13 атмосфер.
Вылетающая из гидромонитора струя воды размывает грунт и, подхватывая его, сносит вниз по склону (рис. 95).
Таким способом был срезан ряд оползневых склонов, расположенных в различных местах между Туапсе и Сочи. Образующийся при этом разжиженный грунт стекал в море.
Другим случаем подобной крупной срезки склона является смыв оползня при строительстве Мингечаурской гидроэлектростанции на реке Куре (Азербайджанская ССР).
В заключение расскажем о применении огня для закрепления склонов. Он помогает успешно бороться с оползнями в глинистых породах. Для этого в массиве глин сооружается тоннель или штольня и в ней сжигается горючее (чаще всего уголь). Прилегающая часть глины обжигается. Обожженный участок превращается в своеобразный барьер на пути движения сползающих масс.
За многие десятки и сотни лет человечество накопило большой опыт борьбы с оползанием склонов. Мы познакомились лишь с некоторыми из наиболее распространенных методов борьбы с ними.
ГРАНДИОЗНЫЕ ОБВАЛЫ И ЛАВИНЫ
На крутых склонах и обрывах смещение масс земли приобретает характер неожиданных мгновенных обрушений, называемых обвалами.
Страницы истории хранят память о десятках страшных катастроф, связанных с неожиданным обрушением горных массивов. Как будто замершие молчаливые горы внезапно приходят в движение. Долины наполняются страшным грохотом. Сотни тысяч тонн пород обрушиваются вниз по крутым склонам, сотрясая прилегающую местность.
Долго не оседает поднятая обвалом пыль. И нередко на месте живописных деревень и городов, расположенных у подножия гор, после обвала остаются лишь хаотически нагроможденные камни и песок.
Таким обвалом горы Ровинаццо в VI в. засыпало древнеримский город Велейя в Италии. Катастрофа произошла настолько быстро, что никто из горожан не успел спастись. В 1608 г. катастрофический обвал горы Монте-Карло в Альпах в несколько десятков секунд засыпал деревню Плюр с 2400 жителей.
183
На Памире пользуется известностью высокогорное Сарезское озеро. Его крутые и обрывистые берега затрудняют подход к нему. Эти трудности сопряжены с особым рельефом прилегающей местности и берегов озера. Озеро с необычайно прозрачной водой образовалось в результате грандиозного обвала, происшедшего в 1911 г. При этом переместилось свыше 7 миллиардов тонн грунта. Страшный грохот и сотрясение Земли почувствовали жители таджикских селений, расположенных в двух десятках километров от места обвала. Обвалившиеся массы грунта образовали в Сарезской долине грандиозную плотину, перегородившую путь небольшой горной речке, текущей по дну долины. Спустя некоторое время на месте речушки образовалось крупное высокогорное озеро, протянувшееся почти на 80 километров. Его Глубина в среднем около 40 метров.
Другой пример — озеро Рица на Черноморском побережье Кавказа. Существует легенда, что оно образовалось вследствие шумного спора, Возникшего между красавицей Юпшарой и великаном Пшечихвой. Когда Юпшара, обратившись рекой, хотела убежать к любимому, великан превратился в гору, и обрушив скалы, преградил ей дорогу.
Легенда своеобразно отражает действительную историю возникновения этого озера. Геологи установили, что во время одного из землетрясений произошел грандиозный обвал склона горы Пшечихвы. Сместившиеся массы пород перепрудили реку Юпшару, в результате чего образовалось глубокое озеро (рис. 96). Оно небольшое (длина около 3 километров), но довольно глубокое (по всей вероятности, его средняя глубина более 100 метров).
Один из крупнейших обвалов в Альпах описывает известный географ и путешественник Э. Реклю:
«Катастрофа разразилась 2 сентября 1806 г. на склонах горы Росберг. Этот горный массив сложен прочным конгломератом, покоящимся на глинах. Как показало последующее изучение, глина обладала способностью к особо быстрому размоканию.
1806 г. отличался дождливостью и в пласт глин поступило много воды. От этого он потерял свою прочность. Лежащие на нем массивы конгломерата пришли в движение. Несчастье произошло внезапно. В одно мгновение чудовищная масса земли с лесами, лугами,
187
Рис. 96. Горное озеро Рица
Ряс. 97. Трещины в песчаниках
деревушками и их жителями обрушилась в долину. От ударов сталкивающихся скал возникали снопами искры и летели с горы. Подземная вода от нагревания, вызванного трением пород, внезапно превратилась в пар. Произошел страшный взрыв. Множество камней и грязи было выброшено точно из жерла вулкана. В результате обвала поля Гольдау и четыре деревни с населением около тысячи человек исчезли под обломками. Частично он засыпал озеро Ловерц. Возникшая при этом волна высотой в 20 метров хлынула на берег и смыла десятки домов.
Катастрофа произошла столь быстро, что многие птицы были застигнуты камнями на лету и убиты. Рухнувшая часть горы имела в длину не менее 4 километров, Ширина полосы обвала в среднем составила около 320 метров, при высоте в 32 метра. Объем переместившейся массы пород оказался более 40 миллионов кубических метров».
Ежегодно в горах происходят тысячи обвалов, большинство из которых сравнительно невелико по объему смещающихся пород, но и они представляют собой грозные явления природы.
ОБУЗДАНИЕ ГОРНОГО ДЬЯВОЛА
24 апреля 1964 г. жители кишлака Айни были разбужены громоподобным грохотом. Часть горы Дариворз пришла неожиданно в движение и масса скалистых громад рухнула в долину реки Зеравшан. В течение нескольких секунд обрушилось более 15 миллионов кубических метров грунта. Значительная часть обвалившихся пород образовала своеобразную плотину высотой до 250 метров и шириной 600 метров, перегородившую дорогу многоводному Зеравшану.
Катастрофа была вызвана тем, что в горном массиве в результате предыдущих землетрясений образовались трещины, ослабившие части склона, обращенные к речной долине. Непосредственной причиной явились непрерывные ливневые дожди, продолжавшиеся в течение месяца. Вода, насытив горные породы, лежавшие на склоне, увеличила их вес, понизила их прочность, в результате произошел отрыв по трещинам части склона горы Дариворз,
189
После главной фазы обвала на протяжении ряда дней наблюдалось движение земляных масс на склоне, однако эти перемещения грунта были местного значения и не вызывали серьезных опасений. Снизу можно было наблюдать, как на склоне временами образовывались фонтанчики, которые указывали на места таких надвижек грунта.
Вода реки Зеравшан, не находя выхода, стала образовывать озеро. Уровень воды в реке повышался со скоростью 8—10 метров в сутки. Уже 27 апреля он достиг 40 метров выше старого уровня реки.
Возникла реальная опасность прорыва плотины и образования катастрофического потока, который мог нанести серьезный ущерб десяткам кишлаков и городам Пенджикенту и Самарканду.
Для предотвращения бедствия учеными и специалистами было принято решение создать искусственное русло реки Зеравшан. В результате энергичных мер, принятых не только правительством Таджикской республики, но и соседними братскими республиками, к месту катастрофы были быстро доставлены мощные механизмы, взрывчатка, рабочие и специалисты. В рекордное время с помощью взрывов и бульдозеров был сооружен обводный канал. С его помощью озеро постепенно было ликвидировано. Человек сумел обуздать горного дьявола.
КАК ВОЗНИКАЮТ ОБВАЛЫ!
Долгое время это грозное и величественное явление природы казалось людям необъяснимым. Лишь в XIX в. ученые установили истинные причины возникновения обвалов.
Прежде чем ознакомиться с причинами, вызывающими обвалы, ответим на вопрос: чем обвал отличается от оползня? Первое отличие состоит в скорости течения процесса. Если обвал протекает в несколько секунд, то оползень, даже самый быстрый, движется медленно. Многие оползни перемещаются в течение часов, дней и даже месяцев.
Другое очень важное отличие заключается в характере движения земляных масс. При оползне они скользят по какой-то поверхности, пеоемещаясь спокойно, без вращения.
Рис. 98. Обрушение диоритовых скал в море
Обваливающиеся же массивы бешено несутся по крутым склонам, энергично вращаясь. Встречая выступы скал, они, с силой ударяясь о них, дробятся на мелкие обломки.
Оползни обычны для сравнительно пологих склонов, в то время как обвалы возникают на крутых склонах и вертикальных уступах гор.
Теперь постараемся ответить на вопрос: как образуются обвалы?
Их возникновение прежде всего связано со своеобразным рельефом: наличием крутых склонов или отвесных обрывов. Но это еще не все. Массивы твердых горных пород обычно разбиты трещинами, которые возникают в результате тектонических движений земной коры или под действием процессов выветривания (рис. 97).
Обращает на себя внимание то обстоятельство, что большинство обвалов в горах возникает в весеннее время. Наибольшее число обрушений происходит в первой половине дня.
Такая периодичность объясняется просто. В зимнее время вода, находящаяся в трещинах горных пород, замерзает, превращаясь в лед. При этом она увеличивается в объеме примерно на 9%. Кристаллизуясь, она с силой
191
раздвигает стенки трещин. С другой стороны, образующийся лсд, срастаясь с зерном породы, цементирует трещины, прочно их скрепляя.
Но вот наступает весна, лед в трещинах растаивает, цементация исчезает, связь между отдельными глыбами нарушается. Создаются условия для возникновения обвала (рис. 98).
Так же обстоит дело и во время ночных заморозков в высокогорных районах. Ночью происходит замерзание воды в трещинах пород, а в первой половине дня под жаркими лучами солнца лед тает и связь между частями скал нарушается. Таким образом, вода постепенно подготавливает породу к обрушению. Этим объясняется и периодичность обвалов.
Другой причиной обвалов является строение горного массива: прочные породы лежат на постели из глинистых грунтов, в которые проникает вода. Глинистые грунты под действием воды быстро теряют свою прочность, разжижаются и начинают течь; расположенные на них скалы обрушиваются вниз.
СПОСОБЫ БОРЬБЫ О ОБВАЛАМИ
Обвалы представляют собой грозное проявление природных сил. Они влекут за собой разрушения сооружений и гибель людей. Строить на участках, подверженных регулярным обвалам, опасно.
В ряде случаев обвалы создают серьезную угрозу промышленным объектам, дорогам и целым населенным пунктам.
Чтобы организовать борьбу с ними, прежде всего проводится инженерно-геологическое исследование угрожаемого участка. Геологи выясняют геологическую историю и строение территории, состав пород и характер их трещиноватости. Особенно важно выявление режима их увлажнения и обводненности, замерзания и оттаивания. Только имея все эти данные, можно судить о степени опасности возникновения обвала.
Практическая борьба ведется лишь с обвалами небольших массивов. При угрозе крупного обвала предпринимается срочная эвакуация населения и материальных ценностей из всей угрожаемой зоны.
192
Если угрожают обрушением небольшие нависающие части массивов, то мы в силах предотвратить угрозу их обвала. Это достигается путем постепенного обрушения скал отдельными частями. Оградив предварительно аварийный участок и площадь возможного падения обломков, приступают к осторожному отделению небольших порций горных пород.
Искусственное -обрушение осуществляется забивкой в трещины металлических клиньев или же производством мелких взрывов.
В некоторых случаях этот путь может быть опасным. Представим себе, что обвал угрожает жилым домам или электростанции, В этом случае нужно идти иным путем: укреплять нависшие горные массивы. Это достигается различными способами. В одних случаях в трещины пород нагнетается цементный раствор, который скрепляет и превращает в монолит отколовшиеся части массива. В других — устраиваются железные скрепы, схватывающие и удерживающие от падения отдельные части скал. Иногда для защиты дорог и сооружений от обвалов небольших массивов применяются, так же как и при оползнях, железобетонные подпорные стенки. При наличии серьезной опасности обрушений дороги прокладывают в тоннелях.
При угрозе очень крупных обвалов возникает необходимость организации специальных наблюдений за состоянием угрожающих склонов.
Борьба с обвалами требует больших усилий и материальных затрат и, к сожалению, не всегда дает хороший эффект.
БЕРЕГИСЬ! ЛАВИНЫ!
Горы. Они манят к себе белоснежными вершинами, тишиной. Однако жители горных стран и альпинисты знают, что покой и молчание в горах обманчивы.
В теснинах ущелий и на крутых склонах гор тысячи разных опасностей ожидают путников. Одной из них являются коварные снежные и ледяные лавины (от немецкого слова лавинен — снежный обвал).
С бешеной скоростью низвергаются они, все уничтожая и сокрушая на своем пути. Если это лес, то снежные массы снесут его, не оставив следов. Ели это скалы, ла
193
вина их расшвыряет, раздробит на отдельные камни и увлечет за собой. Если это дома, мосты, то после лавины окажется невозможным установить, где они стояли.
Восьмая зимняя олимпиада проводилась в американской горной долине Скво-Велли. Организаторы очень опасались, что нависающие после каждого снегопада на подветренных участках гор снежные карнизы могут вызвать лавины. А со снежными лавинами не шутят. Они в состоянии не только засыпать лыжные трассы, но и привести к гибели спортсменов.
И вот для предупреждения их был призван на помощь американский специалист по борьбе с лавинами инженер Дик Стиллмен. На протяжении всей олимпиады он храбро сражался со снегом. Когда обнаруживали опасный, угрожающе нависший снежный карниз, его подвергали артиллерийской бомбардировке. Обстрел велся специальным орудием. Его снаряды сбивали и разносили снежные карнизы.
Каждый год в горах возникают сотни и тысячи лавин. Большинство из них проходит бесследно, так как горные районы сравнительно слабо населены. Лишь иногда их жертвами становятся застигнутые врасплох туристы или альпинисты. В населенных местностях снежные обвалы наносят материальный ущерб и часто влекут за собой гибель жителей.
Снежные массы, увлекаемые лавиной, движутся со скоростью 250—350 километров в час. Это в 3 раза быстрее курьерского поезда. Перед лавиной несется вызванная ею воздушная волна, обладающая большой разрушительной силой. Измерения показали, что сила удара такой волны достигает 80—120 тысяч килограммов на квадратный метр.
Особенно страдают от лавин приальпийские страны (Швейцария, Австрия, Италия и др.).
Количество скатывающегося в виде лавин снега огромно. Например, с горных склонов массива Сен-Готард (Швейцария), занимающего пространство в 32 400 гектаров, за год соскальзывает около 325 миллионов кубических метров снега.
Лавинообразование в Альпах — нормальное явление, и местные жители привыкли к нему. Но иногда здесь возникают катастрофические, грандиозные по размерам лавины.
194
Широко известны неоднократные катастрофы в Швейцарском кантоне Валис. Здесь, например, деревня Ранди 2 раза была засыпана вместе со всеми жителями грозными лавинами. В результате одной из таких катастроф была засыпана долина реки Вьеж и на ее месте образовалось озеро, просуществовавшее несколько дней. Эта лавина переместила со склонов вниз около 1,3 миллиона кубических метров снега, льда и камней.
Во время первой мировой войны 16 декабря 1916 г. в Альпах возник ряд страшных лавин, обрушившихся на линию Альпийского фронта. Они разбросали и разбили сотни прочных оборонительных сооружений: дотов, дзотов и блокгаузов. Обрушившись на траншеи, окопы и подземные убежища войск, лавины погребли под плотным многометровым слоем снега и камня многие тысячи солдат и офицеров. Погибло около 9 тысяч человек с обеих враждующих сторон. Этот ужасный день вошел в историю под названием «Черный четверг».
В Советском Союзе лавины возникают на Кавказе, Тянь-Шане, Северном Урале и других горных системах.
Снежные лавины, часто возникающие в районе Крестового перевала на Военно-Грузинской дороге, вынудили провести этот участок дороги в специальных тоннелях.
Поучительна история борьбы с лавинами в районе города Кировска (Хибины). Здесь многочисленные лавины неоднократно повреждали здания и различные сооружения апатитовых рудников. Все это заставило, незадолго перед Великой Отечественой войной, воздвигнуть целую систему защитных противолавинных сооружений.
КАК ОБРАЗУЮТСЯ ЛАВИНЫ!
На этот вопрос долгое время не могли дать правильный ответ. Предполагали, что где-то вверху, на богатом снегом склоне, начинает катиться небольшой шар снега. По мере движения вниз он все растет и растет, превращаясь в лавину шарообразной формы. Лишь сравнительно недавно, лет 20—30 тому назад, ученые установили, что процесс образования лавин оказывается более сложным. Для их возникновения необходимы, как и при обычных обвалах, достаточно крутые склоны (больше 20 граду-
195
сов) и перегрузка их снегом. Временем их возникновения считается зима и морозные дни.
Вот как образуются опасные «сухие» лавины. На гладкую снежную поверхность, покрывающуюся после предшествующих оттепелей тонкой ледяной коркой, ложится свежий снег. Его пушистая рыхлая масса почти не связана с улежавшимся старым покровом. Достаточно самого слабого сотрясения, чтобы этот верхний слой снега пришел в движение. «Сухую» лавину может вызвать удар ветра, громкий крик или выстрел из ружья. Двигаясь огромной массой, она наполняет воздух тучами серебристых снежинок.
Горцы знают, что после свежего снегопада опасность падения сухих лавин особенно велика. Швейцарцы в зимнее время решаются передвигаться в лавиноопасных местах только через 2—3 дня после выпадения снега.
Другой тип лавины — «мокрый» — образуется в тех случаях, когда снегопад происходит в условиях оттепели. Сверху на снежный покров ложатся массы тяжелого мокрого снега. Вода из снеговой толщи просачивается на поверхность пород, обильно их смачивая. Ее действие можно уподобить маслу, подливаемому в подшипник. Силы трения между снегом и грунтом настолько уменьшаются, что тяжелый мокрый наст легко приходит в движение. Поэтому такие лавины и получили название «мокрых». Характерным для них является отсутствие снеговой тучи, всегда сопровождающей «сухую» лавину.
При длительных оттепелях в снежном покрове протекают сложные процессы. Они обусловливаются общеизвестной плохой теплопроводностью снега. Если в большие морозы слой снега защищает поверхность земли от чрезмерного охлаждения, то в оттепель он препятствует поступлению тепла. В результате на поверхности снега держится положительная температура, а в нижних его слоях долго сохраняются низкие температуры. Разница температур может достигнуть 20—25 градусов. Это вызывает движение водяных паров от охлажденных к более теплым слоям. Внизу снежинки возгоняются, переходя в водяной пар, а в средней части снеговой толщи образуются особые округлые кристаллики снега, называемые «глубинным инеем». В результате разрыхления снега в основании и создания очень рыхлого слоя «глубинного инея», напоминающего по своим свойствам плы-196
вуны, создаются условия для внезапного возникновения лавин. Чтобы такая масса снега пришла в движение, достаточно падения на снеговую поверхность камня, прыжка животного и даже громкого звука.
Движутся лавины по-разному. На крутых склонах обычно возникают снежные «особы». Движение их начинается одновременным соскальзыванием всей массы снега со склона. В других случаях лавина движется по определенным руслам, соответствующим ложбинам в горных склонах. Если такая лавина проходит через лес, то после себя она оставляет просеку, носящую название «лавинного прочеса».
Наконец, лавина может достичь обрыва и сорваться с него вниз, в долину. Такой тип лавин получил название «прыгающих».
Борьба с лавинами ведется различными способами. Ширико применяется облесение склонов, террасирование, установка в местах зарождения лавин щитов и подпорных стенок.
При строительстве в горах предварительно проводятся инженерно-геологические исследования района, наносятся на карту лавиноопасные участки. Чаще всего избегают размещать в таких районах дома и сооружения. Но если обстоятельства принуждают это сделать, то предусматривается возведение противолавинных устройств. К ним относятся снегонаправляющие дамбы, лавиноре-зы, бетонные стенки и т. д.
Для охраны дорог от лавин приходится устраивать над ними специальные козырьки и навесы. На особо опасных участках дороги заключаются в тоннели. Таким образом, инженер-строитель имеет в своем арсенале достаточное количество средств борьбы с лавинами.
КАМЕННЫЕ И ГРЯЗЕВЫЕ ПОТОКИ
ПОТОКИ И РЕКИ ИЗ КАМЕННОГО МАТЕРИАЛА
Вода, воздух, мороз и солнечные лучи разрушают даже самые прочные породы. Постепенно от горных массивов откалываются разного размера обломки. Оторвавшись, они катятся вниз по уклону. Проходят сотни, тысячи лет и у подножий склонов скапливаются большие массы таких обломков. Геологи назвали такие скопления осыпями. Миллионы обломков разных размеров (от долей сантиметров до метра в поперечнике) образуют крупные осыпи, покрывающие наподобие плаща нижние части горных склонов. В других случаях они образуют каменные реки, двигающиеся подобно ледникам по определенным руслам.
Кто бывал в горах, тот может вспомнить, что у подножий склонов редко отсутствуют осыпи. Различны их размеры. В одних случаях это небольшая куча обломков площадью в несколько квадратных метров, в других — грандиозные скопления площадью до одного квадратного километра (рис. 99).
Примером подобных
198
Рис. 99. Осыпь у подножия известнякового массива в Крыму
крупных образований может служить осыпь в районе Псеашхо (Кавказ), достигающая длины 1,2 километра при ширине 0,4 километра.
Мощность осыпи колеблется от десятков сантиметров до 30—50 метров.
Осыпи время от времени могут приходить в движение. Скорость его зависит от многих факторов. Если
(99
Рис. too. Движущаяся ОСЬ'ПЬ
осыпь упирается в горную реку, то быстрый поток, подмывая и унося обломки, может вызывать постоянное ее перемещение. Такая каменная река движется с характерным шумом, вызываемым трением друг о друга бесчисленных частиц (рис. 100).
А что, если осыпь сухая и не подмывается рекой, может ли она двигаться?
В таких осыпях временно существует равновесие, при котором каменный материал находится в устойчивом положении. При этом углы откоса поверхности зависят от характера обломков и колеблются от 30 до 40 градусов.
Но вот прошел дождь и увлажнил такую осыпь. Неминуемо возникновение ее перемещения. Оно будет продолжаться вплоть до установления нового устойчивого положения. Подобное перемещение осыпи получило название осова.
Как-то, проезжая по Военно-Грузинской дороге после сильного ливневого дождя, мы услышали впереди странный шум, показавшийся нам вначале шумом морского прибоя. Наш автобус, выскочив из-за поворота, резко остановился. Дорога была перекрыта на расстоянии около 50 метров сплошным слоем щебня и гравия. Прошед-200
ший ливень вызвал особ, расположенной на склоне осыпи. Пришлось вернуться назад и остановиться в селении Казбеги пока не расчистят путь.
Осыпание отдельных обломков не представляет большой опасности для зданий и сооружений. Чтобы избежать накопления осыпей, перед домами или сооружениями на склонах устраивают специальные горизонтальные площадки — бермы. С этих площадок удаляются падающие сюда обломки.
Для предохранения дороги от падающих камней сооружаются специальные заградительные сети.
Нужно сказать, что строительство автомобильных и железных дорог через осыпи является серьезной инженерной задачей. Приходится применять целый комплекс мероприятий. Здесь и организация отвода дождевых вод системой нагорных канав, и борьба с грунтовыми водами с помощью мелких дренажных сооружений, и закрепление подошвы осыпи. Сама дорога, как правило, врезается в осыпь до твердых пород. Сверху она защищается подпорными стенками (рис. 101).
Возникает вопрос: как остановить активно движущуюся осыпь? Оказывается, что и это возможно. С этой целью необходимо на пути ее перемещения устроить ряд уступов-террас, каждый из которых закрепляется устанавливаемыми поперек склона подпорными стенками.
В Швейцарии широко применяют установку металлических сеток или щитов. Они делаются высотой около метра. Размещают их на склоне в шахматном порядке. Постепенно около этих заграждений накапливаются обломки и формируются террасы.
Дальнейшее закрепление осыпи производится высадкой на террасах растительности. у
Рис. 101. Строительство дороги (/) «а осыпи
20J
КАМЕННАЯ РЕКА ИЗ СКАЛ
Удивительные потоки образуются в горах. В них течет не вода, не песок, не лед, а громадные глыбы. Поперечник их достигает 5 и даже 10 метров. Можно сказать, что по склону медленно спускается вниз поток камней и скал. Такие глыбовые реки геологи называют курумами (тюркское слово).
Потоки каменного материала в верхних частях склонов текут ручейками, которые ниже соединяются в реки, а у подножий образуют целые поля хаотически нагроможденного каменного материала (рис. 102).
Что же заставляет двигать глыбы по склонам? Увлекает их, конечно, сила тяжести, но ее недостаточно для сдвига крупных массивов. Если разрезать глыбовый поток и взглянуть на его поперечное сечение, то обнаружим, что оползание глыб и камней происходит по глинистой и суглинистой постели склона. При этом совершенно не обязательно, чтобы склон был сложен этими породами. Глинистый материал на его поверхность может постепенно наноситься водой, легко проникающей сквозь навал глыб.
Вот по такому-то скользкому наклонному основанию и возникает движение каменных глыб.
Скорость движения таких каменных потоков самая разнообразная. Она зависит и от состава пород, и от крутизны склона, и от величины камней и глыб, и от условий смачивания глинистой подошвы.
Наблюдая за движением курумов, ученые установили, что величина их годичного смещения колеблется в зависимости от условий от нескольких сантиметров до 25 метров.
Курумы встречаются во многих местах Советского Союза. Типичным примером глыбовых потоков служат каменные потоки Южного берега Крыма. С отвесных южных обрывов Крымских гор время от времени падают крупные обломки известняка, доломита и других скальных пород. Попадая на наклонную глинистую поверхность, спускающуюся к морю, они медленно скользят по ней. В результате обвалов и движения кур-умов образуются скопления глыб такого типа, как знаменитый «хаос» в алупкинском парке.
Рис. 102. Хаотическое нагромождение глыб в нижней части каменного потока (курумы)
ГРЯЗЕВЫЕ ПОТОКИ
КАТАСТРОФА В ЛОС-АНЖЕЛЕСЕ
Местности, расположенные у выходов горных долин на равнину, часто бывают подвержены действию селей. Этим словом названы бурные водно-грязевые потоки, стихийно возникающие в верхних частях горных долин и с большой скоростью низвергающиеся вниз по уклону.
Выпал в горах интенсивный ливень. Образовавшиеся бурные потоки воды, подхватывая частицы грунта, постепенно превращаются в жидкую грязевую массу. Они увлекают на своем пути крупные камни. Бешено несущийся поток грязи ломает встречные деревья, как спички. Достигая предгорий, сель затопляет грязью обширные площади, разрушая постройки, уничтожая растительность (рис. 103) и часто вынося массы камня.
Классическим местом развития селевых потоков является североамериканский город Лос-Анжелес, расположенный в предгорной полосе Кордильер. На склонах Сан-Габриэль (одного из хребтов, входящих в Кордильеры) во время сильных дождей часто возникают могучие грязевые потоки. Спускаясь по склонам, они вторгаются
203
Рис. 103. Материал, вынесен-ный селем
в долины, и, двигаясь по ним, нередко достигают Лос-Анжелеса.
Особенно сильный сель наблюдался в новогоднюю ночь 1934 г. Перед тем в течение двух суток шел сильнейший дождь. Количество выпавших осадков составило за это время 432 миллиметра. Это почти столько, сколько выпадает в Москве в течение всего года (590 миллиметров) . «...Не успел еще окончиться ливень, как около полуночи со склонов горного хребта Сан-Габриэль устремились вниз бурлящие потоки. Вода смывала со склонов рыхлые слои горной породы, увлекая за собой камни. Сила потоков в горных ущельях была столь велика, что они с корнями вырывали крупные деревья. Наиболее мощные потоки сформировались в двух ущельях: Пикенз и Холл. Первый из этих потоков при выходе в долину разлился в ширину более чем на 100 метров и прорвался через город Ля Кресчента; второй обрушился на город Монтроз. Несомые потоками крупные камни весом в 204
5 тонн и более и стволы деревьев действовали как тараны: они проламывали стены зданий, а многие постройки сносили полностью.
Вслед за первой селевой волной, достигающей при выходе из ущелий высоты от 2 до 6 метров, последовали другие. О силе и стремительности этих потоков можно судить по тому, что вырвавшись в долину, они прорезали себе русло глубиной до 4 метров.
Рукава потока соединились в ущелье Вердюго, ниже города Монтроз. Пройдя 20 километров и достигнув города Глендейл, селевой поток остановил на его улицах движение автомобилей: они увязли в грязи. Некоторые дороги в предместьях Лос-Анжелеса оказались сплошь заваленными камнями...»1
Эта катастрофа привела к разрушению и повреждению многих сотен домов. При прохождении селя было повреждено около 500 мостов.
Еще более мощный сель наблюдался в Лос-Анжелесе в 1938 г. Он вынес со склонов Кордильер около 12 миллионов кубических метров грязи и камней. В результате селя были в значительной степени разрушены все виды связи и транспорта. Погибло свыше 200 человек. Были приведены в негодность тысячи домов. Общий ущерб составил 50 миллионов долларов.
Одной из главных причин развития селей в этих районах явилась вырубка леса и уничтожение его крупными лесными пожарами.
АЛМА-АТИНСКИЙ СЕЛЬ
В Советском Союзе сели возникают в горных районах Кавказа, Средней Азии и Сибири. Неоднократно страдал от водногрязевых потоков город Алма-Ата. Особенно большой силы достиг сель 8 июня 1921 г.
Вот описание, данное очевидцем катастрофы Э. М. Женжуристом: «...В 9 часов вечера послышался сильный шум. Затем со стороны гор громадная масса земли, ила, камней, снега, подгоняемая мощным потоком воды, всей своей силой обрушилась на дачные строения, находящиеся у самого подножия гор. Эти строения вместе с садами, людьми и животными были снесены. Страш
1 См. С. М. Флейшман. Селевые потоки. Географгиз, 1951.
205
ный поток ворвался в город, обратив улицы в бушующие реки с крутыми берегами из домов. Ужас катастрофы усугубился темнотой ночи. Слышались крики о помощи, которую почти нельзя было оказать. Дома срывались с фундаментов и вместе с людьми, освещенные, уносились бурным потоком... Селем была вынесена на площадь города масса каменного материала около 1,5 миллиона тонн, т. е. количество, требующее для своей перевозки по железной дороге 100 тысяч вагонов... Число жертв свыше 400 человек».
Причиной селя явилось интенсивное таяние снегов и выпадение обильного дождя.
БОРЬБА С СЕЛЯМИ
Справиться с этим катастрофическим явлением довольно трудно. Не одно десятилетие ведется борьба с селевыми потоками, но во многих случаях она оказывается малоэффективной. Образованию селей в значительной степени способствует деятельность человека.
Так, например, большую роль в развитии селевых потоков в Европе и Америке сыграло уничтожение лесов. Обнажившиеся при этом склоны стали доступны размыву дождевыми потоками. Каждый год предгорные области Италии, Австрии, Франции, Швейцарии страдают от селевых потоков, спускающихся со склонов Альп. Для борьбы с ними в перечисленных странах были приняты законы об изъятии из частного владения селевоопасных склонов и облесении их.
В конце прошлого века русские ученые И. И. Корольков и С. Ю. Раунер впервые предложили для борьбы с селями устраивать на селевоопасных склонах поперечные террасы. Вода с этих террас собирается в канавы, прокладываемые между ними, и отводится в стороны. Для повышения устойчивости пород на склоне высаживались древесные растения. На таких участках образование селей прекращалось.
В нашей стране широко проводятся работы по борьбе с селями. На выявленных очагах зарождения их запрещается распашка склонов и выпас скота, раздробляющего почву; осуществляется террасирование и строительство водоотводных каналов.
Нужно сказать, что одним из наиболее распростра-
206
Рис. 104. Схема расположения противоселевых плотин
нениых и надежных способов предотвращения селей, несомненно, является облесение склонов, посев на них трав и кустарников, которые своей корневой системой закрепляют грунты и уменьшают их разрушение процессами выветривания и эрозии.
В необходимых случаях возводятся и некоторые инженерные сооружения. Наиболее распространенными из них являются каменные или бетонные плотины в руслах рек и ущелий (рис. 104). Задачей их является отделение иг осаждение твердых частиц от воды. Помимо этого, они гасят часть энергии потока.
Для защиты населенных пунктов от затопления на склонах устраивают струенаправляющие дамбы. Они направляют селевые потоки в сторону от населенных пунктов и городов.
Полезно на пути селя сооружать наносоуловители. Они представляют собой глубокие бассейны, сооружаемые в русле селевого потока.
Применяют и ряд инженерных сооружений: селеспус-ки, укрепление берегов, создание буферных бассейнов и т. д.
А вот новинка. Для предупреждения населения о появлении селя начали применять автоматику, основанную на электронной технике. Автоматы, установленные в верхних частях долин, регистрируют уровень потоков и в случае его нарастания дают сигнал предупреждения. Если начинает двигаться селевая масса, то автоматы немедленно оповещают население тревожными звуковыми сигналами.
Проведенные в соответствии с решением партии и правительства массовые работы по борьбе с эрозией почвы и образованием селей дали уже свои результаты. Так, сооружениями противоселевой защиты обезопасена от катастрофических селей столица Казахской ССР город Алма-Ата.
2Q7
ВОДА-СТРОИТЕЛЬ
МИР ПОДЗЕМНЫХ ДВОРЦОВ
Многие века люди ломали голову над вопросами: откуда берется вода в земле? Почему реки тысячами лет несут свои воды в моря и океаны и не иссякают? При этом вода в море не прибывает.
Ученые древней Греции считали, что вода в землю попадает, просачиваясь из моря в крупные пещеры. Там она превращается в пар и поднимается вверх. Достигая сводов пещер, вода опять переходит в жидкое состояние.
Другие ученые считали, что вода, просачиваясь из океанов в землю, поднимается вверх «под весом гор».
Окончательное решение этого вопроса принадлежит русскому гению М. В. Ломоносову. С его именем связаны тысячи открытий в различных отраслях знания. Он был крупнейшим физиком, химиком, создателем русского стихосложения , гениальным геологом, географом и философом. А. С. Пушкин очень метко назвал его «русским университетом».
В своем гениальном трактате «О слоях зем
208
ных» Ломоносов впервые высказал мысль о круговороте воды в природе: с поверхности морей и океанов она, испаряясь, поднимается в виде пара в воздух. Вместе с потоками воздуха пары воды перемещаются на большие расстояния. В определенных условиях пар сгущается в жидкие капли, которые выпадают либо обратно в море, либо на поверхность материков. Одна часть дождевой воды стекает по уклону поверхности в реки и опять возвращается в моря, другая — просачивается в грунты через поры, трещины и пустоты (рис. 105).
Движение воды в море по речным руслам называется поверхностным стоком. Вода, просачивающаяся в землю, не остается на месте. Часть ее, двигаясь в порах пород либо по подземным каналам, также возвращается в море. Этот путь воды называют подземным стоком.
Ломоносов называл воды в земле «подземными водами» и справедливо считал, что они образуются за счет просачивания дождевых вод в рыхлые горные породы.
Если это так, то как же накапливаются подземные воды в песчаных пустынях, где выпадает так мало дождей, что они не в состоянии даже слегка насытить иссушенную солнцем почву.
Длительное время на этот вопрос не находили ответа. Лишь сравнительно недавно обнаружили, что есть еще один путь проникновения воды в землю. Оказывается, она может поступать в почву не только в жидком, но и в парообразном состоянии.
Пар, проникая с поверхности в поры грунта, в определенных условиях сжижается, или, как говорят конденсируется, образуя воду.
Так постепенно были установлены пути движения воды в природе.
Приведем некоторые цифры. Всего на Земле в морях, океанах, реках и озерах содержится около 1400 млн. ку-
Рис. 105. Схема круговорота воды в природе:
1, 3, 7 — испарение; 2, 5 — Ослдяи; 4 —перенос воды; 5 — псаерхностиый сток; 3 — инфимгграцня воды в грунт; 3 — подземный сток
209
бических километров воды. Если ее равномерно распределить по поверхности Земли, то образуется сплошной водяной слой толщиной в 3795 метров.
В течение года в воздух испаряется 334 тысячи кубических километров воды. Из них только 37 тысяч кубических километров возвращается на сушу. Около половины выпавших осадков стекает по поверхности и под землей обратно в море, а другая часть, составляющая величину несколько большую, чем половина, вновь испаряется.
Много воды на поверхности Земли находится в виде льда. Мощным двух-, трехкилометровым ледяным панцирем одета Антарктида, льдом покрыты многие острова как в южном, так и в северном полушариях. Если бы этот лед растаял, то уровень мирового океана повысился бы почти на 50 метров.
Ученые неоднократно пытались установить, сколько воды заключено в недрах земли. Подходя к решению этой задачи с разных позиций, они получали различные результаты.
Немецкий ученый Слихтер считал, что в земле содержится около 400 млн. кубических километров воды. Если бы это количество равномерно разместить по поверхности земного шара, то она образовала бы слой толщиной около 1100 метров.
Другие ученые предполагают, что это количество преувеличено. Приводятся другие цифры. Например, Фуллер подсчитал, что подземные воды могут образовать на земной поверхности слой мощностью не больше 30 метров. Даже в этом случае количество воды в земле колоссально.
Постоянно ли количество воды, участвующей в круговороте? Это очень важный вопрос, так как вода оказывает существенное влияние на климат Земли. К сожалению, ученым еще не удалось осуществить точного количественного учета содержания воды в различных частях круговорота.
Сейчас с достаточной достоверностью можно говорить лишь об изменении с течением времени общего количества участвующей в обращении воды. Это положение подтверждается фактом не менее чем трехкратного возрастания площади материкового оледенения в течение четвертичного периода. Мощные ледники связывали значительные количества воды, которая выпадала из
210
круговорота. Общее похолодание, сопровождавшее оледенения резко сокращало испарение влаги с поверхности морей и океанов.
Есть основания предполагать что оледенениям предшествовала эпоха интенсивных дождей. Ее ученые называли плювиальной (от латинского слова плювиозиус — дождливый).
Это также является примером нарушения круговорота воды.
Возникает еще один важный вопрос: уменьшается ли или увеличивается со временем содержание воды на поверхности Земли?
Пока на этот вопрос ответить точно нельзя. Можно предположить, что некоторое количество воды Земли уходит в межпланетные пространства. Другая ее часть постепенно переходит в состав твердых минеральных частиц (главным образом, глин) и исчезает из круговорота.
С другой стороны, на поверхности может появляться часть воды из недр Земли, откуда она поднимается по трещинам в виде паров или элементов ее составляющих. Такую воду австрийский геолог Э. Зюсс назвал ювенильной (т. е. девственной).
Подземную воду изучает наука геологического цикла — гидрогеология. Ее данные имеют очень большое значение для инженеров-геологов, так как вода является причиной развития целого ряда важных явлений и процессов в грунтах.
ПО ПУТИ ВОДЯНОЙ СТРУЙКИ
Проследим путь дождевой струйки, попавшей в рыхлую горную породу. Впитываясь в песок, эта вода под действием собственной тяжести постепенно просачивается сверху вниз. Такое просачивание продолжается до тех пор, пока она не встретит на своем пути какую-либо не проницаемую для нее плотную породу. Чаще всего таким водоупором оказываются пласты глины. Здесь же задерживаются и пары воды. Капелька за капелькой и вот уже над глиной образовался слой воды.
В большинстве случаев глиняные пласты наклонены. Это вызывает движение вниз по уклону образовавшегося слоя воды. Так возникает подземный поток. Эта разновидность подземной воды, образующаяся над первым
211
от поверхности водоупорным слоем, названа гидрогеологами грунтовой водой.
Поверхность земли не всегда сложена рыхлыми породами: песками, супесями, суглинками. В горах на поверхность нередко выходят прочные породы, не впитывающие воду: известняки, гипсы, граниты.
Но влага и здесь находит путь в недра. Такой дорогой вглубь являются многочисленные трещины, как правило, разбивающие эти породы. Вода свободно вливается и движется по ним. Так образуются трещинные подземные воды.
Что же происходит с грунтовой и трещинной водой дальше?
Грунтовые, а также трещинные воды текут вниз по уклону до тех пор, пока не встретится на пути балка, овраг или береговой обрыв реки. В таких понижениях рельефа грунтовые воды выходят на поверхность, образуют ключи, бьющие из стенок понижений. Они часто являются хорошими источниками питьевой воды. Иногда грунтовые воды выходят на поверхность в руслах речек. Купаясь, вы, наверное, встречали в реках и озерах участки особенно холодной воды. Это места выходов подводных ключей.
Если на местности ключи отсутствуют, то грунтовые воды можно получать при помощи колодцев.
Трещинные воды, выходя на земную поверхность, также образуют ключи, иногда бьющие под большим напором. Примером может служить ключ в районе города Ашхабада. Здесь у подножия Копет-Дага из трещины в известняке бьет замечательный источник, названный местными жителями Готур-Ата, что означает Золотой Ключ. Он каждую секунду дает 300 литров чистейшей воды. Источник питает маленькую речку, которая орошает многие сотни гектаров сельскохозяйственных угодий.
Вы, наверное, слышали рассказы или видели фонтанирующие артезианские источники. Гидрогеологи обнаружили, что артезианские воды образуются в районах, имеющих определенное геологическое строение. Для возникновения такого фонтана необходимо, чтобы чередующиеся пласты глины и песка лежали не горизонтально, а в виде чаши (рис. 106). Такая форма залегания пластов является результатом тектонических движений.
212
Рис. 106. Артезианские воды образуются при определен* ном геологическом строении местности
Представим себе, что в песчаные слои, заключенные между пластами глины, будет просачиваться вода. В течение десятков, сотен и даже тысяч лет эта вода может заполнить весь песчаный пласт. Легко догадаться, что в нижней части пласта она будет находиться под значительным давлением. Ведь на нее давит столб жидкости, высота которого определяется положением краев чаши. Если сделать скважину или колодец в дне чаши, то вода обязательно ударит фонтаном. Если мы такую скважину сделаем не в дне, а в крыльях чаши, то вода не будет фонтанировать, а лишь поднимется на какую-то высоту.
Фонтанирующие подземные воды получили название артезианские по имени провинции Артуа во Франции, где они были впервые встречены. Этот тип вод широко используется для снабжения городов и сел высококачественной питьевой водой. Артезианские скважины могут давать значительные количества воды. Пробуренная в начале XIX в. скважина в районе Парижа давала в сутки до 16 тысяч кубометров воды.
Артезианские источники снабжают водой крупнейшие города нашей страны: Москву, Ленинград, Краснодар, Минск, Тбилиси и многие другие крупные и мелкие города, местечки и поселки Советского Союза.
ВОДА «СЪЕДАЕТ» ПОРОДУ
Выше мы говорили о выносе потоком воды частиц рыхлых пород — механической суффозии.
Во многих случаях подземные воды, перемещаясь в водорастворимых породах, не только увлекают частицы пород, но и растворяют их. К водорастворимым породам относятся каменная соль, гипс, известняк, доломит и некоторые другие,
213
Рис. 107. Трещины, размытые водой в пласте известняка (Крым)
Особенно жадно «съедает» вода каменную соль. Примерно каждые три кубических метра вода способны растворить один кубометр соли. Вы легко можете в этом убедиться, если в стакан, налитый на 2/з водой, насыпете */з соли. Через 10—15 минут она растворится.
Значительно меньше поддается растворению гипс. Чтобы растворить килограмм гипса, необходимо 480 килограммов воды. Попробуйте положить кусок гипса в стакан воды. Сколько бы ни лежал он там, видимого изменения объема вы не заметите. Но попробуйте положить тот же кусок гипса в лоток, по которому постоянно движется вода. Пройдет некоторое время и объем гипса заметно уменьшится.
Еще меньше растворяется известняк. Чтобы растворить один килограмм этой породы, необходимо не менее 30 кубических метров чистой воды. Процесс растворения известняка ускоряется, если в воде имеется углекислота. В последнем случае один килограмм известняка может быть растворен в 1000 литрах воды.
Приведенные цифры растворимости пород являются приблизительными. В естественных условиях возможны случаи, когда вода оказывается насыщенной солями входящими в состав пород. Тогда дальнейшего раство
214
рения аналогичных по составу минералов не происходит.
Влияет на растворимость пород температура, содержание в воде различных химических соединений: кислот, щелочей, солей.
Большое значение имеют также характер трещиноватости пород, скорость движения подземной воды и некоторые другие факторы.
Постоянное движение воды по трещинам ведет к их расширению и превращению в крупные пустоты (рис. 107).
НЕУТОМИМАЯ ТРУЖЕНИЦА
Изо дня в день, сотни, тысячи и миллионы лет работают струйки воды. Они растворяют и точат, шлифуют и размывают поверхность земли. Это вода создает глубокие ущелья, овраги и речные долины. Потоки воды подхватывают и переносят на сотни и тысячи километров растворенные и взвешенные вещества. Могучие реки выносят в моря и океаны миллиарды тонн песка и ила. Они заносят водоемы, заставляют отступать их, уступая место суше.
Блестящим примером в этом отношении является Азовское море. Каждый год реки выносят в него колоссальное количество твердых материалов.
Во времена Петра I Азов являлся портовым городом, и морские волны шумели у его стен.
А. Н. Толстой в своем романе рассказывает о панораме, которая открывалась перед русскими войсками, обложившими город: «В дали безветренного залива стояли с упавшими парусами многопушечные высокие корабли... Петр очарованно глядел на пелену Азовского моря, на стены, на искры полумесяцев на минаретах, на корабли, на пышный свет заката...»
Давайте сейчас пройдем по местам, где когда-то стояли войска Петра I. Кругом степь, серебрятся рукава и протоки Дона и далеко в тумане скрываются просторы донского займища. Возвышаются новенькие многоэтажные здания советского Азова, трубы заводов, мачты электропередач. А где же море? За сравнительно небольшой период море ушло на 10—14 километров от города. Когда-то глубоководный Таганрогский залив настолько обмелел, что корабли теперь могут двигаться только
215
по специальным морским каналам. Через сотню лет он исчезнет, засыпанный песком и илом, выносимыми водами Дона. Правда, регулирование рек, создание внутренних морей несколько задержит этот процесс.
Крайне разнообразна деятельность воды в областях развития гипсов, известняков и других водорастворимых пород. Вода вырабатывает в них от мельчайших углублений и ноздрей до крупных полостей, измеряемых десятками и сотнями метров.
В Югославии имеется обширное каменистое плато, сложенное известняками. Оно носит название «Карст» или точнее «Крас». Крас — славянское слово, которое можно перевести как камень.
Плато Карст — каменистая пустыня, поражающая своим унылым видом. Здесь нет воды и не видно зелени. Поверхность его покрыта трещинами, ямами, рытвинами, и воронками. Есть тут и реки, но они текут под поверхностью земли в темных и сырых подземных руслах. Трудно приходится путнику, пересекающему его. Помимо безводья, на каждом шагу путешественника ожидают глубокие трещины, провалы, бездонные колодцы. Плато Карст является классическим примером разрушающего действия воды на растворимые породы, поэтому его название перешло на все явление в целом: образование особого рельефа и подземных полостей в результате растворения пород водой называют карстом.
Строительство домов, промышленных зданий, плотин, дорог и других сооружений в районах развития карста представляет собой сложную инженерную задачу. В ее решении большая роль принадлежит инженерам-геологам, которые, опираясь на детальное изучение карстовых процессов, дают заключение об условиях возведения построек.
Познакомимся ближе с карстовыми процессами. Вот перед нами открытая поверхность известняка. Струйки воды, двигаясь по еле заметным впадинкам, постепенно углубляют их. С течением времени они превращают впадинки в заметные для глаза желобки, а затем в узкие и глубокие щели. Образуются своеобразные формы поверхностного карста — карры (рис. 108). Глубина их колеблется от нескольких сантиметров до 1—2 метров. В районах влажного климата карры могут переходить в узкие карстовые каналы-щели, достигающие глубины 6—
216
Рис. 108. Карры на поверхности известняка
10 метров. Формы поверхностного карста чаще всего встречаются в комплексе с подземными формами.
Карстовые образования придают поверхности дикий фантастический вид. Такие территории обычно являются безжизненными и безводными пустынями, так как выпадающая дождевая вода быстро стекает в глубь известняков. Карры являются также значительным препятствием для транспорта.
Карстовый рельеф, помимо Югославии, наблюдается в Австралии, Северной Америке и других местах. В нашей стране карстовые формы имеются на плоских известняковых вершинах Крымских гор, или, как их называют, яйлах, а также в некоторых районах Кавказа.
Помимо карр, крупными формами поверхностного карстового рельефа являются карстовые воронки. Они образуются в результате расширения и углубления трещин. Кроме того, они могут возникать и другим способом — провальным. О воронках этого типа мы будем вести разговор в следующих главах.
На югославском плато Карст встречаются участки, где воронки буквально, как оспины, изрыли поверхность. Их количество достигает 150 штук на квадратный кило-
217
Рис. 109. Карстовая воронка (/) с помором (2)
метр. В другом карстовом районе, на крымских яйлах, число воронок на такой же площади оценивается тоже внушительной цифрой — 40—80 штук. Диаметр их колеблется от 10 до 200 метров, а глубина — от 2 до 40 метров.
Форма воронок самая различная: и округлая, и эллиптическая, и продолговатая, и неправильная. Обычно в дне воронки можно обнаружить зияющее отверстие, поглощающее воду (рис. 109). Вода, попадающая сюда, бесследно им поглощается.
На севере нашей Родины говорят, что из воронки вода «поныряет» (уходит внутрь). Отсюда и название этих отверстий — поноры.
В районах интенсивного развития карстовых процессов можно встретить и гигантские поверхностные формы. Воронки, сливаясь, могут образовывать карстовые котловины. Это обширные углубления. На яйле Ай-Петри имеется котловина длиной в 1000, шириной в 250 метров. Еще больших размеров бывают карстовые полья. Длина их может достигать километров и даже десятков километров. Образование польев связано с целым комплексом процессов. Они образуются и в результате провалов подземных пустот, и в результате медленного прогиба поверхности, и, наконец, как следствие растворения пород.
Примером полья может служить описанная А. Г. Чи-кишевым карстовая долина реки Б. Глухой (приток Чусовой). Длина ее 15 и ширина 5 километров. Средняя глубина 80—100 метров.
Ливаньско-поле (полье) в Герцеговине (Югославия) занимает площадь в 379 километров. Его стены круты и высоки. На некоторых участках они образуют пропасти глубиной до 100 метров.
218
Подобным образованием является также и широко известная Байдарская долина в Крыму, имеющая длину до 10 километров и ширину около 4 километров.
Еще более разнообразны подземные карстовые формы.
ПОДЗЕМНЫЙ МИР
Человек уже на первых шагах своего развития познакомился с пещерным миром. Древним людям, не умевшим строить дома, пещеры служили надежным убежищем от холода и дождя, от диких зверей и враждебных племен. Можно сказать, что культура человека начала зарождаться в этих первобытных пещерных жилищах.
Прошло время, человек вышел из тьмы пещер, научился строить дома. Теперь пещеры начали казаться ему таинственными и страшными. Их стали окружать легендами и мифами. Они превратились в источник суеверий.
Древнегреческая мифология особенно много уделяла внимания пещерам. Она населила их могучими и грозными титанами. Она утверждала, что души умерших через глубокие пропасти в земле проваливаются в громадные пещеры в ее недрах. Здесь текут мрачные реки и находится ужасное царство Аида. Вместе с тем древние греки, сохранив смутные воспоминания о надежности подземных жилищ, создали миф о рождении своего главного бога Зевса в глубокой пещере на острове Крит.
Развитию «пещерных» суеверий немало содействовали некоторые загадочные явления, наблюдаемые в пещерах. Одним из них является оригинальный звуковой эффект. Например, благодаря своеобразной акустике, слабое журчание потока кажется голосом человека несущимся откуда-то из недр земли.
Многие народы населяли пещеры фантастическими существами. Так, европейцы считали, что в подземных пещерах живут сказочные существа — гномы, плавящие и обрабатывающие металлы.
Буряты считали некоторые пещеры местом жительства страшного божества — хозяина гор. Около таких пещер совершались регулярные культовые обряды. Вода в Байдинских пещерах, расположенных на берегу озера Байкал, считалась целебной, благодаря присутствию
219
в ней духа. В старину, чтобы задобрить духа этих вод. ему в жертву приносились серебряные деньги, бросаемые в источник, текущий по дну пещер.
Сотни легенд и мифов о пещерах создали народы Китая. В одной из таких легенд рассказывается, что у города Юань-Цзянчен в известняковых горах Юньнань имеется большая Драконовая пещера. В ней темно и сыро. В одну из ее стен глубоко воткнут меч, покрытый ржавчиной. Легенда расказывает, что в этой пещере когда-то в седой древности жил царь-дракон. С выходами его из пещеры осенью связывались страшные наводнения, регулярно уничтожавшие весь созревший урожай. Пастушок Данай узнал об этом. Он попросил мастера — кузнеца изготовить для борьбы со страшным драконом волшебный меч. Вооруженный мечом Данай в жестокой схватке победил дракона. Когда он попытался выйти из пещеры, то встретил на пути громадную каменную глыбу. Мощным ударом вонзил пастушок в нее волшебный меч, но камень остался неподвижным. Это хитрая жена дракона отомстила храбрецу за смерть своего мужа, завалив вход в пещеру. Каждый год после окончания уборки урожая у пещеры устраивается народный праздник в честь Даная.
А сколько преданий и легенд рассказывают о несметных сокровищах и кладах, зарытых в пещерах. Многие помнят легенду о сокровищах, которые якобы спрятаны китайскими войсками в неприступной пещере горы Ка-лак-Таш, на Памире. Как известно, наши ученые и альпинисты установили, что в настоящее время пещеры, хотя и носят следы пребывания людей, но каких-либо ценностей не содержат.
Много таких легенд окружают труднодоступные пещеры Кавказа и Сибири.
Подавляющее число пещер является подземными карстовыми формами. Реже они имеют иное происхождение. Примером пещер искусственного происхождения может служить знаменитый пещерный храм в китайской провинции Ганьсу, представляющий собой более 500 пещер, искусно вырубленных человеком в прочном песчанике. Потребовалось более 1600 лет, чтобы создать этот уникальный храм.
Не менее интересен пещерный город-крепость Вард-зия на берегу реки Куры в Грузии (рис. ПО). В непри-220
Рис. ПО. Пещерный город Вардзия в Грузии (фото Кононенко)
ступной скале человеческая рука высекла сотни пещер-комнат, расположенных в 8 этажей. При этом первый этаж возвышается над Курой на 90 метров, а последний — на 135 метров. Здесь имеется, например, «Зал Совета» длиной в 10 и шириной в 7 метров. Город, построенный в X в., не одно столетие являлся грозным стражем Грузии, о который не один раз разбивались нашествия врагов.
Интерес представляют пещерные китайские города, которые состоят из пещерных домов, прокопанных в вертикальных откосах сухого лёсса. Такие дома имеют по несколько комнат, оштукатуренных изнутри известью. Они сохранили свою прочность в течение многих сотен лет.
Удивительно, что и в настоящее время существуют жилые пещерные города. Так, цыганское пещерное селение около Гуадикса (Испания) насчитывает более 10 тысяч жителей. В пещерах, вырубленных в отвесных холмах, имеются подземные лавки, таверны, школы и даже церковь. Причина существования таких городов в Испании в нашем веке — нищета.
Искусственные пещеры интересны, но они во много раз уступают не только по размерам, но и по красоте карстовым пещерам, созданным деятельностью водяных струй.
Карстовые пещеры представляют собой чудесный и разнообразный мир. Изучение этого мира имеет значительный интерес для археологии, так как в пещерах сохранились остатки жизни целых поколений древних людей.
221
Большое значение имеет изучение подземных пустот для гидротехнического п промышленного строительства. Нельзя строить капитальные здания, создавать плотины и водохранилища в районах развития карста без детального изучения подземных полостей, без выяснения степени опасности провалов кровли пещер.
Наконец, пещеры играют немалую роль в формировании подземного стока воды, в развитии своеобразной фауны и флоры.
Важность исследования подземного мира вызвала к жизни науку, изучающую происхождение, строение и развитие пещер. Она получила название спелеологии (от греческого слова спелеос — пещера).
Исследование пещер и пропастей часто сопряжено с большими трудностями и риском. В 1952 г., исследуя пропасть Мартен (в Пиринеях), погиб французский спелеолог М. Лубен.
Посещение пещерного мира представляет увлекательнейшие прогулки. Поэтому за рубежом и в нашей стране все большее развитие получает пещерный туризм. Эта форма путешествий вместе с пещерным альпинизмом призвана занять не последнее место в познании мира пещер.
БОЛЬШИЕ И МАЛЫЕ ПЕЩЕРЫ
В Соединенных Штатах Америки в штате Кентукки, недалеко от города Луисвилл, располагается наибольшая из известных пещер — Мамонтова пещера. Она представляет собой целый подземный мир с собственной системой рек и озер. Подземные галереи образуют сложнейший пятиярусный лабиринт. В пещере имеется 223 галереи, 225 проходов, 77 больших гротов. Если все проходы и галереи вытянуть в одну линию, то их длина составит более 240 километров. Самое большое впечатление на туристов производит крупнейший грот пещеры, носящий название «Храма». В длину он имеет 163 метра при ширине 87 метров. Высота пещеры почти 40 метров.
В Мамонтовой пещере текут три реки, образующие на ряде участков водопады и пороги, имеются три довольно значительных озера.
На плато Кентукки, где размещается Мамонтова пещера, известняковая поверхность буквально изъедена
222
карстовыми образованиями. Здесь обнаружено 60 тысяч воронок и сотни пещер. Совсем недавно в этом районе, помимо описанной грандиозной пещеры, обнаружена еще одна подобная же система, которая пока плохо изучена. В настоящее время удалось нанести на карту только 60 километров подземных галерей и гротов этого вновь обнаруженного подземного мира.
Из крупнейших карстовых образований данного типа следует отметить также Карлсбадскую пещеру в штате Нью-Мексико (США). Высота одного из ее гротов превышает 91 метр, длина — 1200 метров. Для удобства посещения пещеры туристами предприимчивые американцы построили здесь прекрасный лифт для спуска и подъема экскурсантов.
Много крупных пещер известно и в Западной Европе. Особенно больших размеров достигает швейцарская пещера Хельлох, что обозначает в переводе «пещерная дыра». Изученные в ее недрах подземные проходы, проложенные водой в известняковом массиве, вытянуты более чем на 70 километров. Мало уступает ей крупнейшая австрийская пещера Айсризенвельт («Гигантский ледяной мир»).
Можно насчитать десятки пещер в Европе и Америке, протяженность которых колеблется от 3 до 25 километров. Тысячи пещер меньших размеров разбросаны во всех частях Земли.
Сравнительно мало изучены пещеры Африки, Азии и Южной Америки. Здесь еще много сюрпризов ожидает смелых исследователей.
Недра нашей Родины также богаты пещерами. Одним из наиболее известных пещерных районов Советского Союза является Крым. Горная цепь в южной части Крымского полуострова сложена мощными толщами известняков. Они образуют оригинальные столообразные вершины. Сотни тысяч лет вода точит и растворяет эти известняковые поверхности. Просачиваясь по многочисленным трещинам, вода создала сложные подземные формы — сотни разнообразных карстовых пещер. Широкой известностью у туристов пользуются карстовые пещеры у села Сорокине, расположенные в северных отрогах Демерджи-Яйлы. В глубине одной из этих пещер имеется подземная река. Много пещер на плато Караби-Яйла, расположенном северо-восточнее города Судак.
223
Самый крупный известняковый массив Крымских гор Ча-тыр-Даг, на котором расположена одна из наиболее высоких точек Крыма — Эклизи-Бурун (1525 метров), насчитывает десятки интересных пещер.
Помимо карстовых пещер, Крым известен своими замечательными пещерными городами, созданными в V—• VI вв., Чуфут-Кале, Тепе-Кермен и др. Рукой человека в скалах вырублены сотни пещер, в которых когда-то размещались и жилища, и церкви, и хозяйственные помещения. В ряде карстовых пещер обнаружены стоянки первобытных людей древнекаменного века (палеолита). Особенно большую известность получили археологические находки в пещерах Киик-Коба (Зуйский район), Чо-курча (неподалеку от Симферополя) и др.
Другим районом, богатым пещерами, является Кавказ. Здесь ряд горных хребтов сложен известняками, доломитами и меловыми породами. Вода создала в этих горах сложные карстовые поверхностные и глубинные формы.
Богата карстовыми пещерами Западная Грузия. Широкой известностью у туристов пользуются пещеры около Кутаиси. Имеются карстовые пещеры также по Военно-Сухумской дороге (у селения Цебельда), северо-восточнее Сухуми (у селения Шром).
Излюбленным местом туристов является крупная пещерная многоярусная система в верховьях реки Хосты и Кудепсгы, у деревни Воронцовки. По месту нахождения ее назвали Воронцовской пещерной системой.
Сотни пещер имеются и в других районах Кавказа. Они ждут туристов и исследователей.
Подземные карстовые формы встречаются на Урале и в Приуралье. В этих районах известны десятки крупных пещер, среди них крупнейшая в СССР — Кунгурская; карстовые образования имеются и в других районах страны: в Средней Азии, на Алтае, в Прибайкалье, на Дальнем Востоке.
ПРОПАСТИ
Дождевые воды, встречая на поверхности известняка или гипса трещины, «проваливаются» в них. Изо дня в день идет процесс растворения. Проходят века, и когда-то тонкие трещинки превращаются в карстовые колодцы или шахты.
224
Рис. 111. Пещерная система в известняках
Первые отличаются меньшими размерами. Их глубина не превышает 30 метров. Карстовые же шахты достигают гораздо больших глубин.
Дальнейший процесс растворения пород может превратить шахту в карстовую пропасть. Характерной чертой такой пропасти является расширенная до нескольких десятков метров верхняя часть. Путь воды зависит от направления трещин. Поэтому карстовые шахты и пропасти, сохраняя в значительной части вертикальное направление, на отдельных участках могут переходить в наклонные галереи, гроты и залы. В этом случае пропасть превращается в сложную карстовую систему, приближающуюся к пещерной (рис. 111).
: Лагерь в зале О ни
Озеро Гаду-
£ Рекорд 1954г.903м.
fa fa Рекорд 1955s. 905м.
оход в пещеры
ЪкКолодец Гарди
Рис. 112. Схема пропасти и пещеры Берже (Франция)
Каскад “XSe/iS.
Каскад Клади
225
Особенно значительных глубин достигают пропасти в районах Средиземноморского побережья. В настоящее время из известных провалов самой глубокой считают пропасть Танталь, расположенную в восточных Альпах. Установлено, что ее глубина превышает 1000 метров. Примерно такая же глубина карстовой пропасти Берже, во Франции. В Испании, Франции, Италии и Австрии имеется более десятка пропастей полукилометровой глубины.
Интересна история штурма пропасти и пещеры Берже. Эта гигантская система была открыта лишь в 1953 г. Она расположена на известковом плато Сорнэн (Франция) на высоте 1450 метров. Вход в пещеру представляет собой пятиметровую расселину. Дальше щель сужается до того, что человек с трудом может в нее пролезть. За этим «горлышком» идет непрерывная амфилада колодцев, галерей, шахт, гротов (рис. 112). По большей их части течет подземная река, образующая на своем пути каскады и водопады. Девять смельчаков, преодолевая пропасти и ледяную воду, водопады и камнепады, организовав на своем пути два лагеря (один на глубине 500, а второй — 800 метров), достигли отметки 1000 метров. Нижняя база была оборудована в «Зале тринадцати». Это обширный грот, на дне которого находится несколько десятков небольших озер. Зал постоянно сотрясается оглушительной пушечной канонадой, которую производит небольшой ручеек, спускающийся со стены. Слабый звук, подхваченный сводами и тысячи раз отраженный стенами, звучит громоподобно.
Глубокие пропасти имеются и в других частях света. Так, в Африке известна пропасть Анну Буссуй (в Алжире). Глубина ее 539 метров.
В Советском Союзе очень крупных пропастей нет. Карстовые шахты на плоских вершинах Крымских гор имеют глубину, не превосходящую 80—120 метров.
Кто из читателей был в Пятигорске, наверняка знает о знаменитом «Провале». Это сравнительно неглубокая карстовая шахта (41 метр). Известна она очень давно. В одной из легенд, связанных с этой шахтой, рассказывается, что в седой древности здесь жил дышащий огнем змей. Ночами он выбирался из своего подземелья, хватал в аулах молодых девушек, сжигал и проглатывал их.
Первые исследователи «Провала», поверхностно
226
осмотрев его, сделали неверные выводы о его происхождении. М. Ю. Лермонтов, посещавший его, писал: ...«По мнению здешних ученых, этот провал не что иное, как угасший кратер». Этому представлению в значительной степени способствовал запах серы, исходящий из «Провала».
На самом деле он является типичной карстовой шахтой. Она образовалась в результате обрушения пустоты в известняках. Последняя возникла в процессе длительного растворения пород циркулирующей по трещинам теплой, насыщенной сероводородом и углекислотой водой.
В 1858 г. в твердой породе был пробит горизонтальный 44-метровый тоннель, позволивший посетителям подходить к гроту, которым заканчивается шахта. На дне грота имеется озерцо голубоватой сернистой воды. Опустите в него веточку, и она вскоре покроется плотным налетом серы.
Карстовые шахты и колодцы встречаются и в других местах нашей страны: на Урале, Алтае, в Средней Азии.
ПОЮЩИЕ ГОРЫ
Над горами светило горячее солнце. Тишина долины нарушалась лишь шумом горного потока. Вдруг откуда-то с горы раздался сильный тягучий трубный звук. Его высокий тон постепенно понижался, вплоть до басовых звучаний.
Что это? Откуда несутся эти странные звуки?
Оказывается, что трубный глас издает... карстовая пещера. В определенных случаях, после затяжных дождей, карстовые полости заполняются водой. По мере того как вода проникает в их недра, часть воздуха сжимается весом толщи воды. После окончания дождей поток воды уменьшается и наступает момент, когда образуется сифон, через который с силой проходит зажатый воздух. При этом часто возникают звуки. Их усиливает резонанс, создаваемый карстовыми пустотами.
Такие поющие пещеры встречаются в самых различных районах мира, где развиты карстовые пещеры.
Эти звуки часто являлись предметом суеверий. Так, поющие пещеры в Греции считались обиталищами богов, а раздающиеся из них звуки — предвестниками каких-либо событий.
227
ТЕКУЩИЕ ВСПЯТЬ РЕКИ И ИСЧЕЗАЮЩИЕ ОЗЕРА
Перенесемся мысленно в Вологодскую область, на берег Кушт-озера. Перед нами расстилается глубокая водная поверхность площадью 3,5X6 квадратных километров. Здесь наблюдаются удивительные явления. В некоторые годы летом вода довольно быстро уходит из озера, и на дне появляются прекрасные сенокосные угодья. Через какое-то время вода опять возвращается в озеро. Куда же она исчезает и откуда приходит снова? Оказывается, что в дне озера имеется понор. По подземному каналу вода уходит в соседнее Каинское озеро.
Имеется и другое такое же озеро — Дружинское, в 10 километрах от озера Белого. Оно раз в несколько лет исчезает, уходя в поноры, раположенные в его дне.
Если в летнее время в районе одного из озер, соединенного карстовыми каналами с другими, выпадает сильный ливень, то в других озерах может быстро повыситься уровень. Главной причиной ухода воды в подземные каналы является уменьшение поступления ее в озеро. Количество уходящей через поноры воды начинает превышать приток, и озеро осушается.
Иногда возникает, казалось бы, необъяснимое явление. Вода в озере с шумом в течение нескольких часов уходит в карстовые каналы. Даже рыба не успевает за ней и беспомощно остается на дне.
Такое явление возникает тогда, когда засорившийся понор промывается напором воды. Через образовавшееся отверстие и происходит осушение озера.
Таких озер много в Новгородской, Ленинградской и Горьковской областях.
Интересны здесь и реки. Вот течет река. Приходите на ее берег на следующий день и увидите — река уже течет в противоположную сторону. Если такое изменение направления происходит зимой, то оно сопровождается шумной ломкой льда.
Объяснение такого странного поведения рек несложно. Эти реки обычно соединяют какие-либо два озера. Если из озера, рождающего речку, вода уходит в понор, то река может повернуть вспять (рис. 113).
В дне рек также могут быть поноры. Тогда в засушливое время такая река может исчезнуть. Примером слу-
228
Рис. 113. Река меняет течение:
а — понор забит нлом; б — понор открыт
жит верхнее течение крупной европейской реки Дуная. В засуху ее воды полностью поглощаются понорами, расположенными у города Иммендингена. 13 километров течет Дунай под землей, а затем выходит на дневную поверхность в виде мощного источника.
Река Тимаво, впадающая в Адриатическое море в 20 километрах севернее Триеста, на протяжении десятков километров течет по подземным каналам.
Примером может также служить крымская река Сууксу. Первые четыре километра она течет в узком каньоне, а затем ныряет в карстовый канал. Лишь через несколько километров она вновь появляется на поверхности, образуя исток реки Черной.
Исчезающие реки есть и на Кавказе, и в Башкирии, и в некоторых других районах СССР.
В районах развития описанных явлений особенно затруднительно строительство различных гидротехнических сооружений, каналов, плотин, водохранилищ, шлюзов. Карстовые системы, с одной стороны, могут явиться путями утечки воды, а с другой — они могут неожиданно затапливать прилегающие территории.
ВЕЛИКОЛЕПИЕ ПОДЗЕМНОГО МИРА
Может показаться, что в мрачных, чернеющих своими входами пещерах нет ничего интересного. Но это не так. Подземный мир поражает своим многообразием.
Прежде всего удивительны по своему разнообразию кристаллические образования известковых, гипсовых,
229
железистых и других солей. Выпадая из воды, они образуют сталактиты и сталагмиты, столбы и колонны. Сталактит — это большая «сосулька» из известняка, спускающаяся с потолка. Она является результатом постепенного скатывания с потолка капель, содержащих в растворе углекислый кальций. Капля, двигаясь по сосульке, успевает выделить из раствора немного этого вещества. Упавшая же ее часть, испаряясь, оставляет также какую-то долю углекислого кальция на дне пещеры, поэтому со дна, навстречу сталактиту, растет сталагмит. В конце концов, они сливаются и образуют известковые столбы и колонны. Их формы и окраска, комбинации и сочетания бесконечно разнообразны: то они похожи на тончайшие волосы, то образуют могучие, в два обхвата колоннады, то похожи на минареты, то на пагоды, то на какое-либо животное. На рис. 114 показана оригинальная форма сталагмита — минарет. Встречаются настоящие, как бы застывшие каменные водопады, образованные скоплением миллионов кристалликов кальцита.
В подземных карстовых пещерах наблюдаются сталактиты странной, причудливой формы. Они получили наименование геликтитов. Французский исследователь пещер Н. Кастере рассказывает: «...Геликтиты — это причуда природы; они поразительны и сказочны; их формы смелы и фантастичны. Чаще они, как тонкие нити, вертикально свисают с потолка, затем, как будто без всякой причины, вкруг резко сгибаются, поднимаются под острым углом, образуя спирали, выбрасывают во все стороны щупальцы; цепляются за соседние сталактиты, а иногда опять возвращаются к потолку, с которого свисают...». Причины столь удивительного образования пока недостаточно ясны. Если распилить пополам сталактит или сталагмит, то в поперечном срезе можно увидеть кольца, напоминающие годичные кольца деревьев. Ученые установили, что в течение года образуются два кольца, отличающихся окраской. Это дало возможность устанавливать возраст известковых образований. Разрезали крымские сталагмиты, имеющие диаметр 50 сантиметров. Подсчитали кольца и установили, что возраст их достигает солидной цифры — 2 тысячи лет.
Толстые сталагмиты в пещерах Словакии оказались весьма преклонного возраста — 100—700 тысяч лет.
Гигантский сталагмит в Карлсбадской пещере 230
Рис. 114. Причудливый сталагмит
Рис. 115. Гипсовые пещерные цветы
(США), имеющий 4,9 метра в диаметре, как показал подсчет по кольцам, накапливался 60 миллионов лет.
В гипсовых пещерах сталактиты и сталагмиты не образуются. Зато гипс создает бесчисленные комбинации кристаллических скоплений. Здесь и крупные кристаллы, невиданные цветы и древовидные образования (рис. 115).
Не менее интересные кристаллы образует известковый минерал арагонит. Они то похожи на причудливые цветы, то на нити, а иногда образуют кусты и целые заросли переплетенных минеральных гроздьев.
В подземных галереях и гротах иногда встречается так называемый пещерный жемчуг. Это приплюснутые, шарообразные или яйцевидные образования диаметром от 3 до 20 мм. Если такую жемчужину разрезать, то можно увидеть, что она состоит из множества слоев. Десятки все уменьшающихся по размерам известковых скорлупок как бы вложены друг в друга. Чаще всего жемчужины тусклые или желтоватые. Иногда встречаются и блестящие, напоминающие фарфор.
Считают, что образование пещерного жемчуга происходит в неглубоком водоеме, когда сверху на поверхность озерка падают струйки воды. Они приводят в медленное вращательное движение взвешенные тонкие зерна песка. Вращаясь, зерна покрываются кальцитовыми оболочками. В СССР пещерный жемчуг был обнаружен в Кизеловской пещере на Урале.
Но не только минеральные образования привлекают взор туриста в подземных карстовых системах. Кристально прозрачные реки, зеркальные поверхности прудов, водопады, каскады, нагромождение скал — все это производит сильное и неизгладимое впечатление.
Изучение минеральных новообразований представляет интерес не только для минералогии, но и для выявления особенностей развития пещер.
БЛАГОУСТРОЕННЫЕ ПЕЩЕРЫ
Вряд ли найдется кто-нибудь, не читавший в детстве захватывающей повести Марка Твена о приключениях Тома Сойера. Помните эпизод, когда герои повести Том и Бекки отправились на веселый пикник в пещеру. Увлекшись ее осмотром, дети заблудились... «Они долго шли по извилистому коридору то вправо, то влево, забираясь
232
все глубже и глубже в тайники подземелья... В одном месте они нашли просторную пещеру, где с потолка спускалось множество блестящих сталактитов длиной и толщиной с человеческую ногу... В пещеру вело много коридоров; они пошли по одному из них и вскоре увидели чудесный родник, дно которого было выложено сверкающими, как иней, кристаллами. Родник протекал в самом центре какой-то высокой пещеры; ее стены поднимались рядами фантастических колонн, создававшихся благодаря слиянию многовекового падения капель воды...»
Проблуждав три дня и три ночи по бесконечным галереям и гротам, героям удалось случайно найти неизвестный до этого выход на дневную поверхность в 7 километрах от входа в пещеру.
Это приключение кончилось для Тома и Бекки довольно благополучно. Но не всегда это бывает так. В крупных пещерных системах нередко находят скелеты неудачных путешественников или искателей кладов, заблудившихся в бесконечных коридорах, залах и переходах подземного мира.
В глубокой тьме подземелий путешественника могут ожидать и глубокие пропасти, и неожиданные обвалы, и многие другие неприятные сюрпризы.
Очень опасно спускаться в карстовые системы в одиночку, такие прогулки почти всегда должны совершаться группами.
Многие пещеры в Европе и Америке предусмотрительно снабжены дверями и закрываются на замки, ключи от которых находятся у местных властей.
Некоторые из пещер в Центральной Европе являются старинными местами туризма. Они постепенно были благоустроены человеком и превратились в места удобных и очаровательных прогулок. Примером является одна из красивейших пещер Чехословакии — Мацоха. Ее галереи и гроты залиты электрическим светом, а местами искусно установлены прожекторы, вызывающие оптические эффекты, рельефно выделяющие созданные водой «скульптурные» украшения.
В этой пещере туристов окружает поистине сказочная обстановка. Недаром она явилась местом съемки хорошо знакомого вам кинофильма «Каменный цветок», Вспомните, какой поразительный сказочный пейзаж отображают кадры фильма.
233
Пещера состоит из многих галерей, коридоров и переходов, соединяющих залы. По дну главной галереи течет подземная река Пункве. Туристы по заведенному обычаю совершают подземное путешествие на лодке. Особенно красив в пещере «Сказочный зал», в котором насчитывают тысячи известняковых столбов сталактитов и сталагмитов.
Особой известностью пользуется в «Сказочном зале» замечательное произведение воды — известковый «Столб Гуса». Хорошо «Сказочное озеро». Его кристально прозрачная вода, так же, как и столб Гуса, искусно подсвечиваемая прожекторами, производит неизгладимое впечатление на путешественников.
Не случайно пещера Мацоха привлекает каждый год тысячи посетителей, желающих собственными глазами взглянуть на этот замечательный подземный карстовый дворец.
В Югославии на знакомом нам плато Карст находится другая «оборудованная» пещера. Ее называют «По-стойна Яма». Здесь к услугам посетителей имеется узкоколейная электрическая железная дорога. Восхитительная картина развертывается перед глазами туристов. Многочисленные залы с причудливыми натеками известняка, окрашенными в белый, красноватый, коричневый, светло-серый цвета. Привлекает внимание ослепительно белый занавес, отороченный снизу коричневыми и красными кристаллами. Он образован тысячами соединившихся в одно целое сталактитов.
Главные галереи и залы пещеры освещены электрическим светом, дорога заботливо ограждена в опасных местах перилами, устроены мостики.
«Оборудованные» пещеры имеются и в Советском Союзе. К ним относятся крупнейшая Кунгурская (на Урале), а также Сатаплийская (Грузия) пещеры.
ЛЕДЯНЫЕ ПЕЩЕРЫ
Во многих местах земли встречаются «ледяные» пещеры. Отличительной чертой их является круглогодичное присутствие льда в подземных гротах и галереях.
Формы ледяных образований поражают своим разнообразием. Большим распространением здесь пользуются ледяные сталактиты и сталагмиты. Сливаясь, они обра-234
зуют мощные ледяные столбы, достигающие в поперечнике 1—3 метров и более. Жизнь сосульки, образующейся на поверхности земли, кратковременна. Пещерные же ледяные сталактиты и сталагмиты могут иметь возраст, измеряемый десятками и сотнями лет.
Но основная масса пещерного льда заключена не в этих образованиях, а в ледяных корках, покрывающих своды, стены и дно пещер.
Особенно много льда накапливается на полу галерей и гротов. В ледяных пещерах Чехословакии слой донного льда достигает 15—20 метров. В пещерах Урала его толщина оказывается несколько меньше.
В ледяных подземных гротах встречаются замерзшие озера и реки. Особенно эффектны застывшие ледяные водопады.
На сводах и стенах таких пещер часты оригинальные срастания ледяных кристаллов, образующие бахрому, цепи и причудливые подвески, спускающиеся с потолка.
Ледяные пещеры встречаются довольно часто. Некоторые из них располагаются в горах на большой высоте в этом случае образование льда обязано суровому климату, царящему здесь.
Примером высокогорных ледяных пещер может служить знаменитая карстовая система в Восточных Альпах. о которой уже говорилось раньше — Айсризенвельт.
Другим примером высокогорной ледяной пещеры является грот Кастере, расположенный в Пиринеях на высоте 2675 метров.
Подобные пещеры меньших размеров имеются и в Советском Союзе. Например, пещера Ледяная (старое название Бузлук-Коба) в Крыму. Она располагается на северных склонах Караби-Яйлы на высоте около 900 метров. В этой пещере температура в летние месяцы близка к нулю, а зимой опускается до минус 2—5 градусов. Если спуститься в нее, то первое, что бросится в глаза, будет небольшой ледник на дне пещеры. С потолка свисают ледяные сосульки — сталактиты. Некоторые из них достигают длины 2—3 метра. На полу пещеры, как столбики, возвышаются ледяные сталагмиты. Есть среди них и небольшие, высотой в десятки сантиметров, но есть и более значительные, превышающие в два раза рост человека. Если пройти в дальнюю часть пещеры, то можно увидеть ледяные водопады.
235
В средних и северных районах нашей страны есть ледяные пещеры, расположенные на равнинных территориях. Они встречаются на Урале и в Поволжье.
Как же накапливается лед в пещерах в этих условиях?
Это легко объяснимо. Образование льда возникает, как правило, в продуваемых пещерах, где возможен сквозной ток воздуха. В зимнее время в них поступает много морозного воздуха. Он замораживает имеющуюся здесь влагу, а также воду, просачивающуюся по трещинам. В теплое время года прохладный воздух движется из пещеры. Так как его температура все же выше нуля, то часть льда успевает растаять. Другая же часть его сохраняется до следующей зимы. Если в течение года преобладает поступление в пещеру холодного воздуха, имеющего отрицательные температуры, то ледяные массы в ее недрах с каждым годом нарастают.
Интересно, что в районах Поволжья лед образуется в тех пещерах, у которых дно значительно ниже входа. Это обеспечивает длительное застаивание холодного воздуха в подземных пустотах и накопление льда.
В НЕДРАХ КУНГУРСКОЙ ПЕЩЕРЫ
Большой и заслуженной известностью пользуется Кунгурская ледяная пещера, расположенная в Пермской области. Это крупнейшая в Советском Союзе подземная карстовая система. О ее существовании знали давно, но описана она была только в 1770 г. русским академиком И. Лепехиным. С тех пор появилась обширная литература об этом удивительном подземном мире.
Тысячи туристов ежегодно посещают Кунгурскую пещеру. Многие ученые занимаются изучением ее строения, этапов развития и режима. Создан специальный Кунгурский стационар Академии наук СССР. Выявляемые при этих исследованиях закономерности формирования пещер имеют большое значение для инженерно-геологической оценки карстовых районов. Пещера расположена на высоком обрывистом берегу реки Сылвы, носящем у станции Кунгур название «Ледяной горы».
Искусственно пробитый тоннель ведет в «Бриллиантовый зал», названный так из-за красивой игры кристалликов льда, покрывающих стены и своды грота. Вот как 236
описывает этот зал один из путешественников: «...Это не» большой чистый грот — стены и потолок его сплошь покрыты кристаллами льда. На потолке они стягиваются и нависают роскошными гроздьями и люстрами. Каждый кристалл имеет форму правильной шестиугольной таблички с диаметром в два и даже три дюйма. Параллельно прядям идут штрихи, показывающие, что каждая такая пластинка — сросток очень многих столбчатых кристаллов. Пластинки эти цепляются друг за друга своими углами и образуют довольно длинные цепи. На нижних концах цепей висит целый пук таких же пластиночек, так что получается близкое подобие люстры... Грот этот вполне заслуживает свое название: кристаллы, усеивающие его свод, при свете свечей то потухают, то опять вспыхивают и горят яркими огоньками, точно бриллианты». Как же образуется здесь лед?
Лед в этой части пещеры возникает за счет замерзания проникающей сюда по трещинам воды. Этому способствует низкая круглогодовая температура в этом зале (в среднем —1 градус). Летом лед не успевает растаять вследствие могучего тока холодного воздуха изнутри пещеры на поверхность.
«Бриллиантовый зал» небольшой галереей соединяется с «Полярным залом», покрытым пушистыми хлопьями льда. За ним следует загроможденный каменными глыбами «Зал Данте», небольшой грот «Склеп», наконец, круглый зал «Крестовый», названный по своим четырем выходам, расположенным крестообразно. Его длина достигает 100 метров. Этим гротом собственно и заканчивается ледяная часть пещеры. В остальных залах и гротах температура в течение всего года держится выше нуля и постоянный лед не образуется. В этой части пещеры имеются десятки живописных, поражающих своей красотой гротов: «Руины Помпеи», «Морское дно», «Скульптурный». Непрерывная амфилада залов и галерей выводит нас в грот «Дружба народов» длиной около 50, шириной около 40—50 метров. В нем находится самое крупное в пещере «Большое озеро», площадь поверхности которого достигает 700 квадратных метров. Вода его почти безжизненна. В нем живет лишь слепой рачок. Всего озер в пещере насчитывается около 36. Многие из них в засушливое время года исчезают и вновь появляются во время дождей. Часть озер связаны
237
с рекой Сылвой. В пещере имеются еще и малоизученные части. В сводах гротов Кунгурской пещеры встречается много округлых отверстий, носящих название «органных труб». Их образовала в растворимых породах все та же вода.
Г. А. Максимовичем установлено, что пещера является четырехъярусной.
Образование Кунгурской пещеры связывают с растворением гипсов, ангидрида (безводный гипс) и известняков водами древней реки, бывшего притока Сылвы. Процессы карстования идут до настоящего времени, поэтому гроты и галереи все время изменяют свой облик.
Изученная часть пещеры содержит около 100 гротов с проходами между ними. Общая протяженность ее более 5 километров.
ПРОВАЛЫ ПОВЕРХНОСТИ
Сотни тысяч, миллионы и даже сотни миллионов лет существуют пещеры и подземные полости. В их «жизни» бывают периоды бурного развития и роста, периоды консервации и периоды отмирания. Можно условно говорить о молодости, зрелом возрасте и старости подземных карстовых систем. В определенных условиях старые пещеры могут омолаживаться. Это бывает при тектонических поднятиях известняковых массивов или изменениях уровней озер, рек, или, наконец, при создании человеком искусственных морей и каналов, которые способствуют активизации карстовых процессов на участках, прилегающих к ним.
Увеличение размеров пещеры может привести к тому, что кровля ее не выдерживает нагрузки и обрушивается.
Только что мы познакомились с Кунгурской пещерой. Нет ли угрозы провала поверхности над ее территорией?
Геологи произвели специальные измерения толщины кровли над гротами верхнего яруса. Ее величина оказалась в пределах от 42 до 79 метров. Учитывая, что кровля
239
Рис. 116. Провал поверхности над карстовой полостью в гипсах (Западное Приуралье)
сложена прочными известняками, можно сделать вывод об отсутствии прямой опасности провала поверхности земли над пещерой.
Случаи внезапного обрушения поверхности в карстовых районах — явление не редкое. Так, в 1922 г. в результате провала кровли пустоты в гипсах севернее города Уфы образовалась воронка глубиной 50 метров и диаметров 40 метров. Провал сопровождался грохотом и заметными сотрясениями почвы (рис. 116).
Жители деревни Глубокой, Ивановской области, в мае 1937 г. были напуганы внезапным провалом поверхности. Образовалась воронка диаметром 100 метров, глубиной около 25 метров. В момент образования воронка заполнилась водой. До сих пор на этом месте сохранилось небольшое озеро.
Н. А. Гвоздецкий и А. И. Спиридонов описывают провал, образовавшийся в 1956 г. у села Санниково, Владимирской области: «...Он возник на небольшом поле среди леса. Провал образовался во время сенокоса; земля обрушилась вслед за трактором и сенокосилкой. Образовалась яма в виде колодца около 1,5 метра в диаметре и глубиной 5 метров...».
В районе села В. Акташ в Татарской АССР во время пахоты произошел неожиданный провал под трактором. Глубина его достигала 54 метров.
240
Г. А. Максимович и К. А. Горбунова рассказывают, что в селе Усть-Кишерть (Пермская область) 28—29 августа 1949 г. образовались сразу три провала: «...28 августа в 7 часов вечера по местному времени на приусадебном участке одного из жителей по улице Советской начала проседать почва. Эта просадка продолжалась около двух часов. На поверхности появилось блюдцеобразное понижение. Один из жителей рассказывает, что в северо-западной стенке понижения имелась трещина. Затем возникли новые трещины, по которым произошло обрушение, сопровождающееся шумом и излиянием воды. К 9 часам обрушение закончилось и образовалась провальная яма. Обрушение возобновилось в два часа ночи, причем был слышен шум. В 10 часов утра 29 августа жители увидели уже сдвоенный провал, вытянутый в северо-восточном направлении. Протяженность его составляла 50 метров при ширине большего 40 метров и меньшего 28 метров... 29 августа, в 3 часа ночи, образовался третий провал на месте старой воронки, в которой росли две черемухи... Одна черемуха исчезла бесследно, другая лежала на дне...». В провальных воронках образовались озера, вода которых оказалась пригодной для питья. В дальнейшем жителями в озеро была пущена рыба.
Известны случаи и более крупных провалов; так, в 1927 г. близ города Уфы произошел провал с перемещением более 800 кубических метров земли. Им были повреждены на значительном расстоянии железнодорожные пути.
Иногда опасность образования провалов заставляет переносить железнодорожные пути на более надежные участки, как это было у станции Кинель. Здесь пришлось передвинуть на новое место 20 километров пути. На оставленном участке было брошено три моста и одна станция.
Можно привести не один десяток примеров провалов поверхности. Так, интересна история строительства Новочеркасского собора. Он возводился на сильно закар-стованной поверхности известняка-ракушечника. По рассказам старожилов, приступали к строительству собора трижды. Первый раз успели возвести фундаменты и часть стен. Однажды ночью все это провалилось в карстовую пустоту. Вторично возвели фундаменты и стены.
241
Опять возник уже сравнительно небольшой провал части фундаментов. Пришлось разобрать уже сооруженную часть. Усилив фундаменты и опираясь на ранее погрузившиеся части собора, наконец удалось достроить собор.
Против этого собора задолго перед революцией был воздвигнут памятник завоевателю Сибири Ермаку. Как видно, он тоже стоит над пустотой, потому что с течением времени обнаружилось его погружение в землю. Сейчас оно достигло величины в 30 сантиметров.
«ПОЛУОСТРОВ» НА СУШЕ
Вы, может быть, скажете, что на суше нет полуостровов? Представьте себе, есть. Обширное плато, на котором расположен город Уфа, носит название «Уфимского полуострова». Этот полуостров, как и полагается, с двух сторон окружен водой реки Белой и ее притока Уфы. Треугольный участок суши как бы зажат между этими двумя реками. Нельзя не рассказать об этом оригинальном сухопутном полуострове, являющемся классическим районом гипсового карста.
Давайте мысленно разрежем этот полуостров посредине. Заглянув в образовавшийся срез, мы видим под верхней толщей пород (суглинков, глин, известняков, мергелей) мощные пласты гипса и ангидрида (безводного гипса), достигающие мощности 120 метров. Откуда здесь взялось столько гипса?
Когда-то, в далеком геологическом прошлом, от которого нас отделяет около 190 миллионов лет, на месте «Уфимского полуострова» располагалось обширное Пермское море. Вот в этом-то водоеме в течение многих сотен, тысяч лет и накапливались гипсовые отложения.
В более поздние геологические периоды гипсы были надежно прикрыты другими породами, сохранившими их от быстрого разрушения водой. Вот и оказалось, что ядром «Уфимского полуострова» служат гипсы и ангидриты. В настоящее время гипсоносная толща в значительной части подвержена активному карстовому процессу.
Помимо атмосферных и подземных вод, гипсо-ангидритовая толща энергично растворяется речными водами. Во время паводков воды реки Белой вливаются в пещеры и многочисленные трещины гипса, выходящего по бе
242
реговым обрывам. Поэтому наиболее энергичное растворение пород идет в узкой полосе, прилегающей к реке. Именно весной здесь наиболее часто возникают провалы, воронки и прогибы поверхности.
Весь полуостров буквально изъеден карстовыми полостями, воронками и крупными прогибами. Особенно разнообразны воронки: чем дальше от берегов рек, тем положе блюдцеобразные воронки, чем ближе к реке, тем круче их стенки. На берегах рек воронки чаще всего имеют чашеобразную, конусообразную или даже шахтообразную форму. Глубина последних достигает 20—40 метров. Воронки располагаются цепочками. Есть и сложные воронки, как бы вложенные друг в друга.
На высоком правом берегу реки Белой в обрывах, сложенных гипсами, нередко встречаются входы в пещеры. Размеры их сравнительно невелики.
Много неприятностей причиняют провалы и прогибы поверхности «Уфимского полуострова». Изрядно достается железной дороге, проходящей из Уфы на Челябинск. Особенно страдает от провалов участок, проходящий вдоль речного берега. Здесь зарегистрированы случаи провалов паровозов и вагонов. После Октябрьской революции были проведены большие инженерно-геологические исследования, организована специальная сигнализация и проведены работы по борьбе с развитием карста. В результате этого движение стало безопасным.
За годы послевоенных пятилеток город Уфа стал крупным центром машиностроения и нефтяной промышленности. Предусматривается дальнейшее развитие района. Все это делает особенно важным дальнейшее изучение карста «полуострова» и разработку методов защиты от провалов и деформаций его поверхности.
КАК ОБРАЗУЮТСЯ
ПРОВАЛЫ ПОВЕРХНОСТИ!
С первого взгляда этот вопрос может показаться элементарным. Действительно, карстовая полость увеличивается до тех пор, пока ее кровля не выдержит собственного веса и рухнет.
Когда известняк или гипс выходит непосредственно на поверхность, это объяснение все исчерпывает. Но если над этими породами лежат многометровые толщи глини-
243
Рис. 117. Обрушение кровли пещеры вызывает деформацию всей вышележащей толщи
стых, песчаных, мергелистых и других не растворимых в воде пород, то такое объяснение оказывается неприложимым.
Между тем на Русской равнине, в Предуралье и в ряде других мест такой «покрытый» карст весьма распространен. К этому типу относится рассмотренный нами гипсовый карст «Уфимского полуострова».
Ученые, изучив эту разновидность карста, установили, что при небольшой мощности покровных пород в них могут возникать обычные провалы. Если мощность глин, песчаников и других некарстующихся пород велика, то обрушение кровли пещеры ведет к постепенному распространению прогиба вверх, вплоть до дневной поверхности. В результате на ней образуется воронка, конфигурация которой зависит от размеров карстовой полости, мощности, вышележащей толщи и характера слагающих ее пород.
На рис. 117 показана схема такого прогиба. Овраг, разрезавший толщу пород, прорезал воронку и открыл нам тайну ее образования.
244
Образование поверхностных провальных форм определяется геологическим строением территории.
ПОДЗЕМНЫЕ ГОРНЫЕ ВЫРАБОТКИ И ПОВЕРХНОСТЬ ЗЕМЛИ
Оказывается, не только карстовые полости являются виновниками провалов поверхности. Они возникают также в результате обрушения кровли горных выработок, образующихся при разработке угля и других полезных иска-паемых.
Если обрушить потолок, образовавшийся после добычи угля подземной выработки, то на дневной поверхности земли возникнет прогиб. Механика его образования такая же, как и воронок при «покрытом» карсте. Такие оседания на поверхности имеют округлую форму. Их называют мульдами (впадинами) сдвижения или оседания.
Процесс сдвижения пород над выработкой идет в 3 этапа: начальный — наиболее активный (продолжается 2—3 месяца); второй — этап спокойного прогиба и третий — затухания. Продолжительность всего процесса не превышает 8—10 месяцев.
Естественно, что сдвижения, возникающие на участках населенных пунктов, неминуемо ведут к повреждениям или даже полным разрушениям зданий.
Сдвижения пород возникают при добыче полезных ископаемых на глубинах в 300—400 метров.
Для избежания аварий построек в разных странах изданы специальные законы и правила, ограничивающие горные работы.
Из них наибольшее распространение получили Дортмундские правила, разработанные в XIX столетии в Вестфалии (Германия). В нашей стране действует комплекс обязательных правил производства горных работ, разработанный советскими учеными и инженерами.
Строительство в Донбассе, Караганде, Кузнецком бассейне и других районах разработок ведется на специальных строго ограниченных участках — целиках. В их пределах производство подземных работ запрещается.
КАК СТРОИТЬ
В КАРСТОВЫХ РАЙОНАХ!
Как уже говорилось, много неожиданных сюрпризов поджидает строителя в карстовых районах. Здесь и провалы
245
поверхности, и затопления котлованов водой, и медленные прогибы, и неожиданные утечки воды из водохранилищ.
Может быть, на карстовых участках нельзя строить? Опыт строительства говорит о том, что и здесь можно строить надежно и прочно.
Прежде всего долговечность здания зависит от типа пород, слагающих массив, на котором собираются строить. Если это известняки, то важно выяснить: имеются ли в них какие-либо полости и пустоты. Если их нет, то в большинстве случаев можно смело строить. Мы уже знаем, что скорость растворения известняковых пород невелика. Лишь в рыхлых известняках новые карстовые пустоты могут появиться в течение 20—30 лет, поэтому важно оценить скорость растворения пород на участке строительства.
Известен случай на одном из заводов на высоком правом берегу Дона и его склоне. В основании под слоем суглинков и глин лежат рыхлые известняки-ракушечники. По имеющимся данным, карстовые полости в этих породах отсутствовали. Была лишь обнаружена их ноздреватость. Много лет существовал завод. И вот однажды ночью провалилась тяжелая нагревательная печь. Исследованием установлено, что причиной аварии явилось обрушение карстовой пустоты. Можно предполагать, что она развилась в течение 15, максимум 20 лет.
Если участок строительства сложен гипсами или ангидридами, то опасность образования новых пустот возрастает. Новые воронки при благоприятных для карстовых процессов условиях в этих породах могут развиться в течение нескольких лет.
Многое зависит от характера трещиноватости породы. Особенно большое число неприятностей карстовые процессы доставляют строителям плотин, водохранилищ и других гидротехнических сооружений.
Вот некоторые примеры. В Андалузии было решено создать большое водохранилище путем устройства на одной из горных речек высокой плотины. И вот выросла мощная железобетонная плотина высотой в 72 метра. Гидротехники ждали, что вот-вот воды речки широко разольются, заполняя водохранилище. Но ни моря, ни даже озерка не получилось. Дело в том, что вся вода из перегороженной долины поступала в многочисленные
246
Рис. 118. Вода может уходить из водохранилища в обход плотины (/) по карстовым полостям (2)
карстовые полости и трещины в известняках (рис. 118).
Это не единичный случай. Известны крупные утечки из многих водохранилищ в США, Франции, Италии и других странах. Мы знаем немало случаев, когда колхозные пруды, построенные в местах выходов на дневную поверхность трещиноватых и закарстованных известняков, оказывались безводными.
Важно изучение карста при железнодорожном строительстве и особенно при возведении мостов. Не меньшую роль играет обнаружение подземных пустот при добыче полезных ископаемых. В этом случае особенно опасна встреча подземных выработок с карстовыми пустотами. Нередки случаи, когда такая встреча ведет к катастрофическому затоплению шахт водой.
На одном из крупных месторождений во время разработки полезного ископаемого подземный штрек неожиданно вошел в карстовую пещеру, наполненную водой. Хлынул мощный поток воды. Он бурно ворвался в подземную выработку, неся большие обломки известняка. Вода быстро распространилась по всему руднику, затопив его. В течение часа количество поступившей воды превысило 1000 кубических метров.
247
Другим, поистине классическим примером, может служить одна из шахт Кизеловского каменноугольного бассейна, где из трещин и карстовых пустот поступает свыше 1500 кубических метров воды в час.
КАК ОПРЕДЕЛЯЮТ НАЛИЧИЕ ПУСТОТ!
Прежде всего геолог может судить о степени закарсто-ванности участка по многим внешним признакам: по характеру подземных вод, степени трещиноватости, составу пород, геологической истории местности.
Немалую помощь может оказать изучение поверхностных явлений карста. Для этой цели ведется специальная съемка поверхности, при которой картируются воронки, трещины, поноры, карры и другие видимые формы карстового происхождения.
Многое может сказать геологу сбор сведений о времени появления новых провальных воронок. Советский ученый 3. А. Макеев на основании опыта предложил оценивать пригодность территории по этому показателю. Он считает, что на весьма неустойчивых участках образуется на одном квадратном километре 10 воронок в год.
Устойчивыми являются такие участки, на которых одна воронка на такой же площади образуется в течение 20—50 лет. Вполне устойчивыми можно назвать участки, на которых отсутствуют какие-либо поверхностные карстовые формы.
Возникает вопрос: можно ли обнаружить подземную карстовую полость прямым наблюдением? Оказывается, что можно. Наиболее простым способом является бурение на исследуемом участке. Буровой инструмент, встречая пустоту, проваливается в нее.
Но этот путь, помимо большого времени, влечет за собой большие денежные затраты.
Можно также исследовать и нанести на карты подземные галереи пещеры. Но это не гарантирует нам, что нет других пустот, вход в которые остался незамеченным. А кроме того, малые пустоты все равно могут остаться неизвестными.
Для решения этой задачи на помощь инженеру-гео-логу приходит геофизик, изучающий недра Земли с помощью сейсмических волн. Об этом мы уже говорили
248
в первом разделе книги. А есть и другой путь. Известно, что горные породы обладают различным электрическим сопротивлением, но если в их недрах встретится пустота, то сопротивление резко возрастает. Применяя приборы высокой точности, можно этим путем установить наличие пустот на данном участке.
В последнее время для выявления направления трещин и карстовых полостей с успехом применяют газовый метод. Для этой цели в трещины или карстовые полости вводят какой-либо газ и наблюдают за его распространением. Это дает возможность проследить систему карста.
Правильное заключение о данном карстовом районе и условиях строительства в нем инженер-геолог может дать только после всесторонних геологических исследований. Основываясь на произведенном изучении района, он составляет инженерно-геологическую карту. На ней указывает районы, опасные для строительства вследствие интенсивного развития карста, и участки безопасные. Пользуясь этой картой, может выбирать для постройки надежные площадки.
Но как быть, если нужно строить на заведомо опасном участке?
Конечно, строить можно и в этом случае, но для этого необходимы серьезные основания, так как такое строительство потребует более значительных материальных затрат. Помимо этого, появляется некоторый элемент риска.
Приступая к возведению дома на таком опасном участке, необходимо провести целый ряд предупреждающих мероприятий. Прежде всего нужно водорастворимые породы предохранить от воздействия дождевых и производственных поверхностных вод. Это достигается устройством системы ливнеотводов и канализации технических вод. Затем, по возможности, отводят от массива подземные воды, для чего устраивают специальные дренажные сооружения.
Добиться обезвоживания массива — значит уничтожить причины развития подземных пустот. Если решить этот вопрос указанными путями не удается, можно прибегнуть к заполнению карстовых пустот и трещин не пропускающих воду материалами. Чаще всего для этой цели нагнетается под давлением цементный раствор. Он
249
играет двоякую роль: заполняет пустоты и скрепляет породы, а также прекращает дальнейшее движение воды по трещинам и карстовым полостям.
Таким способом строители укрепляли основания при возведении некоторых крупных плотин, в том числе Сызранской и Волховской.
В некоторых случаях вместо цемента применяется горячий битум. Он хотя и не увеличивает прочность, но зато полностью предотвращает дальнейшую циркуляцию воды на участке строительства.
Наконец, когда крупные пустоты располагаются на небольшой глубине, можно произвести их искусственное обрушение с последующим заполнением глиной.
Во всех случаях способы борьбы с карстом и пути повышения устойчивости сооружений должны определяться в строгом соответствии с инженерно-геологическими данными.
«ВЕЧНАЯ МЕРЗЛОТА»
ХОЛОД В ЗЕМЛЕ
Наступает зима. Холодный морозный воздух рисует на окнах красивые узоры. Хватает за нос и щеки. Добирается он и до поверхности земли. Правда, природа предусмотрительно покрывает ее «одеялом» из пушистого снега, создающего защиту от промерзания. И все же, если вы в январе — феврале попытаетесь копать землю, то встретитесь с твердым замерзшим грунтом. Такой грунт копать невозможно. Приходится брать лом или кирку. А если нужно отрыть большой котлован или яму, то приходится употреблять взрывчатые вещества или зажигать костры для оттаивания грунта.
Но вот приходит лето. Уже в мае — июле следы этой мерзлоты исчезают. Ученые назвали такое явление сезонной мерзлотой.
Еще в XVII в. русские люди обнаружили существование пород, находящихся в «вечной мерзлоте». Ленские воеводы в 1640 г. писали в Москву1:
1 М. И. Сумгин и др. Общее мерзлотоведение. АН СССР, 1940,
251
«...А в Якуцком, де, государь, по сказкам торговых и промышленных служилых людей, хлебной пашни не чаять; земля, де, государь, и среди лета вся не расстаивает...»
Позднее русские ученые и путешественники более детально познакомились с этим явлением.
Петр I, заинтересовавшись сообщением о вечной мерзлоте, командировал в Сибирь для ее изучения Г. Мессершмидта, который собрал интересные сведения об этом странном явлении.
Позднее, в начале XIX в. специальным изучением «вечной мерзлоты» занимались ученые Паллас и Гмелин, путешественники братья Лаптевы и некоторые другие исследователи.
Много сведений о мерзлых грунтах дал науке вырытый еще в 1812 г. в городе Якутске купцом Ф. Шергиным глубокий колодец. Он был выкопан для получения питьевой воды. Но, несмотря на большую глубину (116,4 метра), колодец не вышел из мерзлого грунта.
Сейчас известно, что Шергину еще долго пришлось бы его копать, так как толща мерзлых пород в этом районе достигает 250 метров. Но зато колодец этот был использован академиком Миддендорфом для интересных наблюдений за «вечной мерзлотой».
Строительство в конце XIX в. Транссибирской железнодорожной магистрали заставило провести некоторые серьезные исследования районов «вечной мерзлоты» и условий строительства на ней, так как часть путей прокладывалась в области ее распространения.
Детальное и всестороннее изучение этого явления началось только в годы Советской власти. Много сил и энергии на изучение «вечной мерзлоты» затратили советские ученые М. И. Сумгин, А. В. Львов, Н. А. Цытович и многие другие. Их труды легли в основу новой науки — геокриологии (от греческих слов: геос — земля, криос — лед, логос — знание).
Что же такое «вечная мерзлота?» Уже само название говорит за себя. Это длительное сохранение пород в мерзлом состоянии. В последнее время ученые начали выделять многолетнемерзлые грунты, которые сохраняют отрицательную температуру несколько десятков и сотен лет. Если мерзлое состояние породы сохраняется века» это дает основание именовать их вечно мерзлыми. Слово 252
Рис. 119. Мощность «вечной мерзлоты» в разных районах:
а — Чита; б — Воркута; в — Верхоянск; г — Якутск; д — Вилюй
«вечная» понимается в данном случае не в смысле бесконечно сохраняющейся, а многовековой.
Почему же может так долго сохраняться мерзлота? На этот вопрос впервые был дан ответ в старинном русском трактате XVII столетия. Длительное сохранение мерзлого грунта в нем объясняется «низким стоянием солнца над горизонтом».
Это правильно. Теперь мы знаем, что «вечная мерзлота» встречается именно там, где преобладает холод над теплом, где среднегодовая температура имеет отрицательные значения.
В таких районах долгой морозной зимой холод проникает в землю, успевая ее заморозить на значительную глубину, в то время как в течение короткого прохладного лета тепло не успевает столь же глубоко проникнуть в толщу пород и отогреть их.
Долгое время загадочным было существование мерзлых толщ, измеряющихся сотнями метров. В районах Сибири мощность слоя «вечной мерзлоты» достигает 500—800 метров, на Западном Шпицбергене — 240, на Аляске — 120 метров. В разных местах Советского Союза мощность вечной мерзлоты колеблется от 1—2 до 800 метров (рис. 119).
£53
Что же является причиной столь глубокого промерзания грунтов?
Некоторые ученые, занимавшиеся этим вопросом, пришли к выводу, что мощная «вечная мерзлота» образовалась в недалеком геологическом прошлом, 50—60 тысяч лет тому назад, в ледниковый период, во время которого климат в северном полушарии оказался особенно суровым. Вот тогда-то и возникло глубокое промерзание грунтов. Это мнение разделяется не всеми учеными. Многие считают, что развитие вечной мерзлоты обязано только суровому климату северных районов.
ЕСТЬ ЛИ МЕРЗЛОТА НА ЮГЕ!
«Вечная» и многолетняя мерзлота встречаются в районах с суровым морозным климатом.
Основоположник учения о «вечной мерзлоте» советский ученый М. И. Сумгин установил, что в Советском Союзе «вечная мерзлота» занимает 45% территории страны, или 9658 тысяч квадратных километров (рис. 120). Эта площадь значительно превосходит размеры Австралии и почти равна Европе.
«Вечная мерзлота» распространена не только в нашей стране, она имеется и на севере Америки, покрывает весь обширный остров Гренландию и почти всю Антарктиду. Приблизительно четверть материковой поверхности Земли занята вечной мерзлотой. Вот сколь велико ее распространение.
Дальше всего на юг «вечная мерзлота» спускается в районе реки Амур, где, перешагнув через государственную границу Советского Союза, распространяется на территории Китая и Монгольской Народной Республики.
Имеется ли «вечная мерзлота» в субтропиках и на экваторе?
Оказывается, что имеется. Островки холода существуют также на горных вершинах. На больших высотах царствует круглый год мороз. «Вечная мерзлота» в горах развивается выше снеговой линии, которая определяет положение границы круглогодового сохранения снега и льда.
Положение снеговой линии зависит от широты местности и климата. Например, высота ее в горах Кавказа колеблется от 2700 до 3800 метров. Южноамериканские 254
Рис. 120. «Вечная мерзлота» иа территории Советского Союза (по М. И. Сумгину)
1— область сплошной мерзлоты; 2—-районы островной мерзлоты; 3 —районы мерзлоты с островами талого грунта; 4—область, для которой нет сведений о характере распространения мерзлоты;
5 —мерзлота только в буграх торфяных болот; 6 — отдельные острова многолетней мерзлоты вдали от общего ее массива; 7 — южная граница мерзлоты в СССР; 8 — предположительная граница
ее вне СССР; 9 — область распространения ископаемого льда
горы Анды, расположенные на экваторе, имеют снеговую линию на отметке 4800 метров от поверхности океана. «Вечная мерзлота» имеется под экватором на высочайших вершинах Африки: Килиманджаро (высота 6010), Кения (5194) и др.
Характер «вечной мерзлоты» зависит не только от климата. На промерзание пород оказывают влияние состав поверхностных пород, рельеф и положение подземных вод.
В одном и том же районе на участках, покрытых торфом или лесной подстилкой, промерзание будет незначительным, в то время как на песчаных или иных открытых участках холод сможет проникнуть глубже. На северных склонах солнце меньше прогревает почву и «вечная мерзлота» на них распространена больше. Не меньшую роль играют подземные воды, имеющие всегда положительную температуру.
Если проследить за характером распространения «вечной мерзлоты» в различных местностях, то обнаружится, что в северных районах преобладает сплошное распространение мерзлоты. Чем южнее мы будем спускаться, тем больше будем встречать среди вечномерзлых пород островки талых грунтов (таликов). В южных районах мерзлота встречается лишь отдельными ограниченными участками. Здесь она называется островной мерзлотой.
В пределах южных районов СССР, Югославии, Испании и других стран встречается пещерная «вечная мерзлота». Примером может служить «вечная мерзлота» в известной нам Кунгурской пещере.
ТРИ «ЭТАЖА»
Если начать спускаться в колодец, устроенный в районе «вечной мерзлоты», то мы по очереди сможем побывать на трех своеобразных «этажах» горных пород, заметно отличающихся друг от друга.
В верхнем «этаже», расположенном с поверхности земли, протекают сложные процессы промерзания зимой и оттаивания летом. Зимой морозы замораживают слой за слоем. В одних случаях это поверхностное замерзание распространяется на всю верхнюю толщу, достигая поверхности «вечной мерзлоты». Это случай сливающейся 256
мерзлоты. Но не менее часто, даже в самую сильную стужу, между поверхностной и вечной мерзлотой сохраняется слой талого грунта. В этом случае говорят о несли-вающейся мерзлоте (рис. 121).
Летом солнечное тепло быстро растапливает грунт верхнего «этажа». Так и чередуются по сезонам замораживание и растаивание. Энергичная работа сил природы, происходящая в этом «этаже», обусловила его название — деятельный слой. Мощность этого слоя зависит прежде всего от широты местности. Чем южнее, тем он больше. Помимо этого, мощность деятельного слоя зависит от состава грунтов, характера снегового покрова, грунтовых вод и других факторов.
Многолетние наблюдения позволили установить, что на суровых берегах Ледовитого океана деятельный слой особенно мал: в песках он не превосходит 1,6 метра, в глинах 1,0, а в торфе даже 0,4.
Рис. 121. Схема сливающей** ся (/) и несливающейся (2) мерзлоты:
Рис. 122. Три «этажа» в «вечной мерзлоте»
1 — деятельный слой с надмерзлотной водой (а); 2 — вечномерзлый
слой; 3 — подмерзлотный слой с подмерзлотной водой (б); Г —талик
а — деятельный слой; б — талый грунт; в — вечномерзлый слой
257
В южных районах островной мерзлоты картина совершенно иная. Здесь в песках мощность деятельного слоя достигает 4,5, а в глинах 2,5 метра.
Второй слой «вечной мерзлоты» в отличие от первого — слой устойчивого режима, сохраняющегося длительное время. Сложен он толщами замерзших грунтов. В одних случаях они представляют собой сплошной монолит мощностью в десятки и сотни метров. В других слои мерзлых грунтов чередуются с прослойками талых. Они напоминают слоеный пирог. Такая мерзлота получила название слоистой.
Нередко в вечномерзлых породах содержатся прослои и линзочки чистейшего льда. Обычно они не превышают по толщине десяти сантиметров, но встречаются и крупные многометровые толщи льда.
Горная порода может замерзнуть и при отсутствии в ней воды. Если это пески, то, имея отрицательную температуру, они сохраняют свою сыпучесть. Такое явление носит название сухой мерзлоты.
В слоях вечной мерзлоты обнаружено интересное явление. В них найдены некоторые простейшие организмы в состоянии анабиоза. При отогревании они оживали. Это дало повод к появлению фантастических романов, в которых авторы замораживали своих героев во льдах, а затем через сотню-другую лет заставляли оживать.
Вечномерзлые породы являются прекрасной средой для консервирования трупов животных. Так, «вечная мерзлота» сохранила нам мамонтов вместе с их шкурой и мясом.
Самый нижний «этаж» (рис. 122) — область обычных немерзлых пород.
Нашу экскурсию по «этажам» «вечной мерзлоты» закончим упоминанием, что подземные воды также располагаются тремя «этажами».
Особенно большое практическое значение имеют воды верхнего «этажа». Их называют надмерзлотными водами. Они накапливаются в деятельном слое над поверхностью мерзлых пород.
Второй «этаж» занят межмерзлотными водами, которые могут циркулировать в прослоях талых грунтов.
В нижнем «этаже» размещаются подмерзлотные воды.
258
ЛЕДЯНОЙ ПАНЦИРЬ
Однажды морозным январским днем ехали мы по санной дороге, проложенной в долине реки Витим. Стояли жгучие морозы. Вдруг перед нашими глазами выросло какое-то странное препятствие. Лошадь остановилась. Через дорогу широким языком спускался с ближайшего склона ледяной поток. Его мощность достигала по меньшей мере двух метров. Переправиться через него было невозможно.
Образование подобных ледниковых потоков — частое явление в районах распространения «вечной мерзлоты». Жестокие морозы вызывают постепенное промерзание верхней части деятельного слоя. Надмерзлотная вода оказывается как бы зажатой между слоем «вечной мерзлоты» и постепенно замерзающим с поверхности грунтом. Если в поверхности возникает трещина, то через нее под напором выливается надмерзлотная вода. Она устремляется потоками вниз по уклону, быстро замерзая. Повторное появление трещин ведет к образованию на поверхности склона довольно мощных ледяных языков. Иногда изливающаяся вода образует сплошной ледяной панцирь на каком-то участке земли. Это явление получило название грунтовых наледей.
Нередки случаи, когда вода в поисках выхода прорывается с силой в подполья домов, быстро затопляя их
Рис. 123. Наледь, затопившая дома (по Б. Демчинскому)
259
и поднимаясь в первый этаж здания. Пострадавшие дома выглядят довольно оригинально. Из всех окон и дверей широким потоком выливаются на улицу потоки льда (рис. 123).
Наледи образуются также у постоянно действующих источников подземных вод. В некоторых случаях подобные ледяные образования могут достигать значительных размеров.
Не менее часто встречаются в Сибири речные наледи. Их образование связано с деятельностью рек. Большинство их покрывается ледяным покровом уже в октябре. Морозы с каждым днем становятся все сильнее и сильнее. Ледяной покров быстро нарастает. Постепенно он заполняет большую долю русла реки. Трудно становится пробиваться речному потоку. Зажатый в ледяных тисках, он энергично ищет выход. Как только обнаруживается слабый участок в ледяном покрове, вода своим давлением пробивает его и выплескивается наружу. Во многих случаях под напором воды на поверхности реки сначала образуется ледяной бугор, который затем с громким шумом лопается, выбрасывая массу воды. Поток ее широко разливается, затопляя прилегающие речные берега. Замерзая, вода образует речную наледь.
Особенно большие наледи наблюдаются при совместном действии подземных и речных вод. Такого типа образования могут покрывать обширные территории, площадь которых измеряется десятками и сотнями тысяч квадратных метров. Встречаются даже такие, размеры которых измеряются квадратными километрами. Известны гигантские наледи площадью до 20 квадратных километров. Обычная толщина наледей колеблется в пределах нескольких метров. Но в мощных наледях она достигает 0,5 километра.
В наледной толще время от времени возникают трещины. Такое растрескивание наледей сопровождается настоящими взрывами, при которых глыбы льда в десятки и даже сотни тонн весом разлетаются на десятки ме1-ров в стороны.
Возникновение наледей часто наносит большой ущерб. Они повреждают и даже полностью разрушают встречающиеся на их пути мосты и дома. Особенно много неприятностей наледи приносят дорогам.
Многолетняя борьба с этим явлением многому нас
260
научила. Мы теперь в состоянии остановить движение наледей. В одних случаях этого можно достигнуть устройством на их пути снежного вала.
Образование наледей можно предупредить, организовав на опасном участке снегозадержание. Достаточно большой слой снега явится надежной защитой от глубокого промерзания деятельного слоя. В ряде случаев возникает необходимость быстрого удаления наледей. Тогда их взрывают.
Борьба с наледями, разрушающими дороги, ведется следующим образом. Выше защищаемой дороги устраивают мерзлотные пояса (так называют участки грунта, оголенные от снега, торфа, мха или дерна). Вдоль этого пояса грунты глубоко промерзают. Иногда для образования мерзлотного пояса устраивают неглубокую канаву, ускоряющую промерзание. Перед таким экраном из замерзшего грунта образуется наледь, но она уже не опасна для дороги.
Человек сумел заставить наледи служить своим целям. Их можно использовать вместо громоздких, дорогостоящих плотин. Предположим, что для работы предприятия нам необходимо иметь запас воды. Для этого нужно создать водохранилище. Оказалось, что в районе вечномерзлых грунтов воду может дать наледь. Для этого выбирается какое-либо понижение местности. И на пути потока грунтовых вод устраивается мерзлотный пояс. Через некоторое время здесь вырастет наледь. Количество заключенной в ней воды может хватить не только на весну, но и на лето. Собирая талую воду, мы будем иметь качественный источник водоснабжения.
А вот еще одна польза наледей — они служат верным указателем выходов на поверхность подземных вод.
БУГРЫ-БУ ЛГУННЯХИ
На поверхности замкнутой впадины, заросшей лесом, в зимние дни возникает странный бугор. Сначала он небольшой, но уже через некоторое время вырастает до двух метров. Какая-то сила поднимает землю, выворачивает деревья. Идут дни, бугор растет. Вот он достигает высоты 15 метров. Деревья на участке, захваченном им, наклонились в разные стороны. Геологи такое хаотическое расположение леса называют «пьяным лесом»! В дан-
261
Рис. 124. Булгуннях
ном случае лес «опьянел» из-за действия колоссальной силы, выдавливающей снизу землю.
Образовавшуюся форму называют ледяным бугром, или по-якутски булгунняхом.
Как же он образуется? Какая сила заставляет вздыматься поверхность земли?
Дело в том, что в результате промерзания поверхностного слоя грунта надмерзлотная вода сжимается, как в тисках. Ее гидростатическое давление достигает 40—60 атмосфер. Под его действием верхние почвенные слои начинают подниматься, образуя бугор.
Булгунняхи в северных районах Сибири имеют значительные размеры. Высота образующихся бугров в отдельных случаях достигает 20—40 метров (рис. 124). Диаметр бугра в таком случае может быть 80—100 метров.
Если попытаться разрезать булгуннях, то можно увидеть следующее строение: сверху он всегда покрыт торфом или дерном, за которым следует 1,5—2,5-метровый слой грунта, прикрывающий массив чистейшего льда. Внутри булгунняха всегда есть вода. Она основательно сжата и поэтому имеет напор.
Бывают случаи, когда булгуннях с грохотом лопается
262
и из образовавшейся трещины на его склон бурно изливается вода.
Замерзая, она образует грунтовую наледь.
Ледяные бугры известны и на Северном Урале. Встречаются они и в Северной Америке, где их называют пинго.
Образование булгунняхов в районах застройки или дорог приводит к серьезным разрушениям.
Различны пути борьбы с образованием бугров. Но основой всего является изменение условий движения надмерзлотных подземных вод.
ДРУГИЕ ЯВЛЕНИЯ, СВЯЗАННЫЕ С МЕРЗЛОТОЙ
Настоящим бичом аэродромов, автомобильных и железных дорог является пучение грунтов, наблюдающееся при их сезонном промерзании.
Первое вспучивание сильно увлажненного грунта возникает в самом начале зимы. Оно выражается в местном поднятии бугорков. Их высота колеблется от нескольких сантиметров до метра. Постепенно поднимаясь, эти бугорки достигают наибольших размеров в самый разгар зимы. С наступлением теплого времени они опадают и на их месте образуются заполненные грязью ямы.
При пучении деформируются асфальтовые и бетонные одежды дорог, разрушаются рельсовые пути. Часто под действием пучения из грунта выбрасываются крупные
Рис. 125. Схема выпучивания (вымораживания) крупных предметов при промерзании и таяняи влажных рыхлых пород (по И. Д. Белокрыл ову):
1 — начальное положение; 2—выпучивание при замерзании; 3—осаживание при таянии (а — величина сезонной деформации, б — полость, заполненная илом); 4— столб выброшен
263
предметы: столбы, камни и т. д. (рис. 125). В такой небольшой стране, как Норвегия, 300 километров железных дорог ежегодно выходит из строя вследствие пучения. В США особенно страдают от этого явления дороги в штатах Висконсин, Северная Дакота, Небраска, Айдахо.
Инженеры дорожники ведут успешную борьбу с образованием пучин.
Лучшим из всех применяемых методов является осушение грунтов, для чего организуется отвод от дорожного полотна дождевых и подземных вод.
На особо пучинистых участках приходится заменять глинистые грунты, особенно предрасположенные к пучению, на гравелисто-песчаные.
В последнее время для защиты грунтов от морозного пучения успешно применяется введение в их состав раствора хлористого кальция. Такой грунт, содержащий небольшую добавку (1—2%) этой соли, замерзает не при 0 градусов, а при 10—12 градусах мороза. Это ведет либо к полному предотвращению пучения, либо оно проявляется в незначительной степени.
Остановимся на характеристике еще одного явления— термокарста. Внешне он проявляется провалами поверхности и образованием воронок, заполненных водой.
Термокарст возникает на участках таяния погребенных в земле льдов. Над образовавшимися пустотами происходит обрушение поверхности, поэтому строить на таких участках опасно.
В районах «вечной мерзлоты» при наступлении теплых дней наблюдается еще одно явление: расположенные на склонах грунты, начиная таять, разжижаются и теряют свою устойчивость. Под действием веса эта жидкая масса скользит вниз по склонам. На поверхности остаются уступы, борозды и другие неровности. Это явление носит название солифлюкции.
«ВЕЧНАЯ МЕРЗЛОТА» ПОБЕЖДЕНА
Прежде чем строить на «вечной мерзлоте», нужно хорошенько подумать и взвесить все обстоятельства. Полезно вспомнить русскую пословицу: семь раз отмерь и один раз отрежь.
О коварстве «вечной мерзлоты» нельзя забывать. Остановимся на вопросе о прочности вечномерзлотных грун-264
тов. Для этого важно выяснить, вся ли вода в них находится в виде льда.
Совсем недавно этот вопрос не вызывал сомнений. Советский ученый Н. А. Цытович, усомнившись в правильности такого ответа, после долгой кропотливой работы обнаружил, что в мерзлых грунтах, даже при сравнительно низких температурах, сохраняется жидкая вода. Она образует тончайшие пленки, окружающие коллоидно-дисперсные частички. Температура ее замерзания от —30 до —40 градусов.
Далее Н. А. Цытович установил, что мерзлые породы могут выдерживать очень высокие давления, но при одном условии: давление должно быть кратковременным.
Опыты показали: мерзлый грунт в состоянии выдержать мгновенную нагрузку величиной в 150 тысяч килограммов на квадратный метр.
Но картина резко меняется, если эта нагрузка будет постоянной: мерзлый грунт начинает течь, как жидкость. Это объясняется тем, что в составе мерзлого грунта есть жидкая вода.
Следовательно, величина допустимой нагрузки должна быть значительно меньше. Обычно ее значения не превосходят 2,5—6 тысяч килограммов, на квадратный метр.
А что произойдет, если мерзлый грунт растает?
В этом случае из прочного монолитного состояния он перейдет в рыхлое и разжиженное. Построенные на мерзлом грунте дома дают сильные осадки. Нередки случаи выдавливания жидкого, талого грунта из-под фундамента, ведущие к разрушению сооружений. Этот процесс по внешнему сходству с просадкой в лессовых грунтах также получил название просадки.
Сложная задача строительства на мерзлых грунтах успешно решена советскими учеными и инженерами. В районах развития мощной «вечной мерзлоты» выросли целые города, такие как Игарка, Норильск, Воркута. Их улицы и площади застроены прекрасными зданиями. Все постройки, за редким исключением, стоят прочно и нерушимо.
В Советском Союзе впервые в мире в 1936 г. была построена в районе «вечной мерзлоты» тепловая электростанция в городе Якутске. Основанием ей служит вечномерзлый грунт с большим содержанием льда. Вот уже почти 25 лет, как она успешно работает.
265
Рис. 126. Схема проветриваемого подполья при строительстве на мерзлых грунтах
Достигнутый успех становится особенно понятным, если учесть, что каких-нибудь 30—35 лет назад редкое сооружение, построенное в районах «вечной мерзлоты», сохраняло прочность 4—5 лет.
Как же удалось добиться таких успехов?
На этот вопрос можно ответить двумя словами: большим трудом. Много сил, энергии было затрачено на изучение мерзлоты геологами и строителями, но зато удалось достигнуть блестящих результатов.
В наше время строительству в районах «вечной мерзлоты» предшествуют тщательные инженерно-геологические исследования территории.
Только собрав геологические данные, можно начинать проектировать, а затем строить.
Познакомимся с методами строительства домов в районах распространения «вечной мерзлоты».
Если мощность вечномерзлых грунтов достаточно велика (более 10 метров), то широко применяется способ строительства с сохранением мерзлого состояния грунтов. Этот метод успешно применяется при возведении жилых и общественных зданий, а также многих промышленных сооружений.
Как же можно сохранить под зданиями мерзлое состояние грунтов? Для этой цели применяется устройство фундаментов с проветриваемыми подпольями. Дома строятся так, чтобы морозный воздух свободно мог циркулировать через отверстия, оставленные между полом первого этажа и грунтом (рис. 126).
Этот способ был разработан и применен еще в XIX в. русскими строителями. Построенный таким образом монастырь в Якутске до настоящего времени стоит прочно и нерушимо. Советские строители теоретически обосновали способ сохранения мерзлого состояния грунтов и 966
использовали его для постройки многих сооружений и целых городов (Норильска, Игарки и др.). Все водопроводные, канализационные и тепловые трубопроводы подвешиваются к потолку подполья или монтируются в специальных подземных галереях.
Для сохранения вечной мерзлоты под промышленными сооружениями с котельными приходится искусственно подавать морозный воздух в грунты основания.
Возникает вопрос: как строить, если мощность мерзлого слоя грунта сравнительно невелика, меньше 7— 10 метров?
Здесь на помощь приходит метод предварительного оттаивания мерзлых грунтов; Этого можно добиться, используя солнечное тепло. Достаточно летом снять на участке верхний утепляющий слой грунта (мох, дерн, лесная подстилка, торф) и оставить его протаивать. В зимнее время на таком участке осуществляется снегозадержание. Оно в свою очередь утепляет поверхность грунта. Таким способом в течение двух — трех лет вызывается оттаивание 5—6-метрового слоя мерзлого грунта.
Для песков и глинистых грунтов оттаивание может производиться также с помощью горячего пара. Для этой цели применяют специальные паровые иглы, которые погружают в грунт, и через них пропускают горячий пар. Таким образом удается оттаять мерзлые грунты на глубину 7—10 метров.
Талый грунт часто разжижается и его приходится дополнительно укреплять.
Если условия строительства и разнородные грунты неизбежно влекут за собой большие неравномерные осадки зданий, то инженеры должны так конструировать их, чтобы они не боялись неравномерного уплотнения основания. Таким образом, наука и техника нашли пути и способы покорения вечномерзлых толщ.
ПРИРОДА В ОПАСНОСТИ
ЦИВИЛИЗАЦИЯ И ПРИРОДА
Научно-техническая революция поднимает уровень жизни человечества. Мы привыкли к сверхскоростному
267
транспорту, электричкам, холодильникам, телевизорам и тысячам маленьких и больших удобств, созданных цивилизацией. Однако промышленная преобразовательная деятельность человека имеет не только положительные стороны, но и создает ряд отрицательных явлений.
Бесспорно деятельность людей превратилась в могучий фактор изменения природы, равноценный глобальным геологическим процессам. Эта деятельность серьезным образом изменяет лик Земли и условия существования. Наряду с полезными изменениями возникают многочисленные нарушения природного равновесия, что и заставляет ученых бить тревогу.
С глубины до 6—7 километров ежегодно добывается более 1,6 миллиарда тонн нефти, более 2,5 миллиарда тонн угля и различных руд.
Крупные массы земли извлекаются и переносятся при горных и строительных работах. Это перемещение ведет к изменениям равновесия земной коры.
Из толщ Земли ежегодно откачивается грандиозное количество воды для питьевых целей, извлекается колоссальное количество нефти и газа. Но наряду с этим создаются искусственные моря и подземные хранилища нефти и сжиженных газов. Только за последние 10 лет в США создано 630 подземных складов, емкость которых превосходит 16 миллионов кубических метров. Эта деятельность человека является другим фактором, изменяющим равновесие земной коры.
Опускание территории таких городов, как Мехико, Токио, Осака, Рим, Баку, является следствием деятельности людей, нарушающей природную устойчивость земной поверхности.
В результате внесения в почвы удобрений и гербицидов возникает химическая переработка поверхностных пород. Только в 1963 г. в мире было введено в почву более 37 миллионов тонн веществ, которые из почвы мигрируют в глубь горных массивов и выносятся в реки, озера и моря.
Американский ученый Р. Карсон утверждает, что в течение 20 лет гербициды, вносимые в почву, убили столько людей, сколько могло бы погибнуть во время атомной войны.
Шведский ученый Г. Лефрот установил, что дети с -материнским молоком получают ежедневно ДДТ на 70%
268
больше, чем это допустимо. В Австралии это количество превышает максимум тридцатикратно.
Отходами и нефтью человек беспрерывно загрязняет моря и реки.
Возникают серьезные изменения климата, обусловленные созданием водохранилищ, энергетическим потенциалом городов, внесением в атмосферу сажи, сернистого газа, углекислоты и нарушением озонового слоя, защищающего Землю от ультрафиолетового излучения солнца, а также под действием многих других факторов. Ученые прогнозируют повышение средней температуры Земли в течение ближайшего столетия на 1,1° С.
Уничтожаются леса как за счет промышленной вырубки, так и за счет очистки территорий для развития городов, дорог, промышленных предприятий. Так, например, только в США вырубается ежегодно 400 тысяч гектаров леса для строительства асфальтовых покрытий.
Этот перечень деяний цивилизации можно продолжить. Но уже и сейчас совершенно очевидно, что следует как-то обуздать стихию цивилизации, создать научную систему прогноза последствий деятельности человека.
В директивах XXIV съезда КПСС записано: «Усилить охрану природы. Повысить ответственность министерств и ведомств, предприятий, учреждений и организаций за рациональное использование природных ресурсов — Земли, вод, атмосферы, полезных ископаемых, а также за воспроизводство растительного и животного мира».
Широко известны меры, принимаемые в нашей стране партией и правительством для охраны природной среды.
Министр геологии СССР академик А. В. Сидоренко призывает задуматься над тем, как правильно использовать земную кору, как среду, в которой человек живет и трудится.
Многие вопросы, связанные с решением этой проблемы, являются разделом инженерной геологии, который А. В. Сидоренко предлагает назвать «Технической геологией».
КУДА ДЕВАТЬ МУСОР!
Одной из острейших проблем современности является проблема производственных и бытовых отходов. Чтобы
269
ясно представить себе ее значимость, приведем цифры. Каждый год в США выбрасывается 50 миллиардов жестянок из-под консервов, 30 миллиардов стеклянных банок и бутылок, 20 миллионов тонн бумаги, 8 миллионов автомашин, 100 миллионов шин, 4 миллиона тонн пластмассы.
Только одна промышленность мира ежегодно дает отходов более 900 млн. тонн. Одновременно в воздух выбрасывается примерно такое же количество дыма и пыли.
Вторичное использование этой массы сравнительно невелико. Основное количество вывозится на свалки, которые захватывают все большие и большие территории. В нашей стране созданы специальные мусоросжигающие установки, действующие в Москве, Ленинграде и ряде других крупных городов.
Стеклянная тара частично идет в многократный оборот, однако решение вопроса лежит, по-видимому, на замене ее пластмассовыми емкостями, способными распадаться под действием солнца и атмосферных агентов.
Ведется работа по созданию мусоросжигательной печи на базе управляемой термоядерной реакции, которая будет создавать температуры в несколько миллионов градусов. При подобном нагреве от мусора будут оставаться лишь исходные элементы: железо, медь, кремний и т. д.
Особую и наиболее опасную проблему представляют вопросы захоронения отходов с высоким уровнем радиоактивности. В настоящее время в США накопилось около 100 миллионов галлонов (1 галлон=3,8 литра) подобных отходов, радиоактивность которых сохраняется более 10 веков. Величина их активности настолько велика, что они кипят и требуют искусственного охлаждения.
Ученые интенсивно ищут решения вопроса о захоронении этих опасных отходов. Делаются самые различные предложения, вплоть до загружения радиоактивными отходами ракет и посылки их в сторону Солнца.
В последнее время венгерские ученые предложили для захоронения сравнительно мало активных отходов ядерных электростанций применять асфальт, не вступающий в реакцию с радиоактивным веществом и обеспечивающий достаточную защиту.
270
Перед инженерной геологией сейчас стоит задача оценки условий строительства на толщах, слагаемых различными отходами и мусором. Во многих городах осваиваемые районы размещаются на бывших свалках. Мощность слоев мусора нередко достигает десятков метров.
Уплотнение этих толщ протекает в течение многих десятков лет, поэтому прогноз осадки зданий на подобных участках оказывается довольно сложным. Советскими учеными разработаны соответствующие приемы и технические условия строительства на территориях промышленных отвалов и свалок.
ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЕ ВЫЗЫВАЕТСЯ ЧЕЛОВЕКОМ
1935 год — закончено строительство плотины и водохранилища Боулдер-Дам. Началось наполнение искусственного моря водой. Уровень 100 метров. Вдруг территорию сотрясает подземный толчок. Землетрясение. Вода поднимается все выше и выше, а подъем этот сопровождается все новыми и новыми ударами. В 1937 г. после установления постоянного уровня (145 метров) регистрируется почти 100 толчков. За 10 лет количество подземных ударов достигает 600.
Возможно случайное совпадение: наполнение водохранилища и землетрясение?
1960 год — водохранилище Кариба (Африка) Одно из крупнейших в мире. Район считается несейсмическим. Началось заполнение и в течение первого года был зарегистрирован подземный удар. Максимальная сейсмическая активность отмечена в 1963 г., когда произошли многочисленные толчки, среди которых два оказались значительной силы.
В последующем это явление было обнаружено в 15 других случаях (Алжир, Французские Альпы, Греция, Индия. Япония и др.). Особенно трагическим было землетрясение, вызванное заполнением водохранилища в Койне (Индия). Первые толчки возникли еще в начале заполнения (в 1962 г.). В 1967 г. после серии подземных ударов произошло катастрофическое землетрясение, вызвавшее большие разрушения и гибель более 200 человек (при 2000 человек раненых).
Изучением этих явлений занялась специальная комиссия ЮНЕСКО, созданная в 1971 г. Эти процессы
271
получили названия «искусственных землетрясений» или «возбужденных землетрясений».
Советский ученый Н. И. Николаев, изучавший эти явления, пришел к выводу, что землетрясения в большинстве случаев развиваются при создании в водохранищиле столба воды более 100 метров. Однако это не является законом. В ряде случаев землетрясения возникали при 40, 78 и 150 метрах. Следует заметить, что главным фактором служит не общее количество воды, а величина ее столба. Так, в Японии землетрясение было вызвано закачкой воды в скважину. После введения под давлением 288 тонн воды возникло землетрясение с эпицентром, расположенным в 3 километрах от скважины.
Во всех случаях эпицентры землетрясений размещались или в районе водохранилища, или на прилегающих участках.
Вместе с тем имеется большое количество плотин, возведенных в сейсмических районах, но на участках развития мягких, однородных грунтов, где «возбужденные» землетрясения отсутствовали.
До настоящего времени в развитии этих явлений остается много неясного. Можно полагать, что создание водохранилища является толчком, вызывающим разрядку накопившихся подземных тектонических сил. Н. И. Николаев предлагает искать причины возбуждения сейсмичности в гидростатическом давлении, создаваемом при заполнении водохранилища в водах, находящихся в порах горных пород.
В ходе дальнейшего гидроэнергетического строитёль-ства явление возбужденного землетрясения должно учитываться. Его предупреждение возможно путем предварительной закачки на участке будущего строительства воды в скважины. Происходящее при этом землетрясение как бы разряжает накопившуюся подземную энергию.
Землетрясения также вызываются человеком при проведении ядерных взрывов. Наблюдения показали, что пять подземных взрывов ядерного оружия в штате Невада (США), проведенные в течение 1968—1970 гг., сопровождались большим числом малых землетрясений. После каждого взрыва сейсмическая активность продолжалась по меньшей мере несколько недель.
272
В последнее время появилось предположение, что откачка горячей термальной воды в вулканических районах может явиться одной из причин активизации вулканической деятельности. Будущее покажет справедливость этого предположения.
ГОРОД И СРЕДА
Особенно значительные изменения природной среды происходят в городах. Советский исследователь Ф. В. Котлов, много лет занимающийся изучением этого вопроса, показал как далеко заходят эти процессы.
Площадь, занимаемая городами великанами, из года в год растет. Так, территория Большого Нью-Йорка достигает 6,5 тысячи квадратных километров. На ней живет около 20 миллионов человек.
Другой гигант — Токио — занимает территорию более 2 тысяч квадратных километров и имеет более 11 миллионов населения.
На этих площадях размещаются самые различные виды зданий и сооружений, мосты, аэродромы, порты, подземные коммуникации, метро и многие другие. Человек глубоко проникает в массивы горных пород, основывая свои сооружения на глубинах, иногда достигающих 100 метров и более. Развернулось широкое строительство тяжелых зданий-гигантов и сооружений высотой до 100—300 и даже 500 метров.
В пределах городов изменяются почвенный покров, гидрографическая сеть, рельеф, подземные воды, геологические процессы. Дымовые трубы и полчища автомобилей создают своеобразную атмосферу городов.
Все эти процессы ведут к изменению и формированию «городского климата», отличающегося от окрестностей. Так, среднегодовая температура Москвы на 1,4° С оказывается более высокой, чем окрестностей.
Эти же процессы ведут к весьма значительным переменам в инженерно-геологических условиях строительства. Изменяются уровни грунтовых вод, которые при строительстве метро, дренажных сооружений резко падают, а под действием асфальтирования, утечек из во-1 доводов, веса сооружений, наоборот, поднимаются, иногда являясь причиной заболачивания.
273
Промышленные и бытовые стоки, проникая в подземные и поверхностные воды, вызывают изменения их химического и бактериологического состава.
Возведение построек, изменение рельефа и подземных вод создают новые условия устойчивости склонов, что приводит в одних случаях к закреплению оползней, а в других к их развитию и интенсификации.
Появляется своеобразная группа процессов, вызываемых деятельностью человека: уплотнение грунтов под весом сооружений, суффозия песчано-глинистых пород под действием течи водоводов и откачек, пучение газо-и водопроводов, прогибы поверхности земли над подземными сооружениями и многие другие.
Все эти изменения, протекающие на территориях городов, являются одним из важнейших объектов изучения современной инженерной геологии.
БУДУЩЕЕ ИНЖЕНЕРНОЙ ГЕОЛОГИИ (вместо послесловия)
Подведем итог нашего повествования. Читатель познакомился с прошлым и настоящим инженерногеологических явлений и процессов. Человек нашел ключи к многим из них, научился бороться и побеждать природную стихию. Однако инженерная геология — молодая отрасль науки. Не всегда она удовлетворительно решает стоящие перед ней вопросы. Многое уже сделано, но, пожалуй, неизмеримо больше предстоит сделать.
Нужно приложить еще много усилий для изучения закономерности сейсмических явлений, оползневых процессов, обвалов и других проявлений сил природы. Необходимо окончательно их покорить.
На повестке дня — создание морской инженерной геологии. Безбрежный океан имеет свои особые явления и законы жизни. Много загадок морских глубин предстоит решить инженерам-геологам. Это позволит человеку завоевать новое пространство для жизни и получить богатейшие источники пищи и полезных ископаемых.
Человек вышел в космос. Ю. А. Гагарин своим
275
полетом вписал новую страницу в историю развития человечества. Советская автоматическая станция, впервые осуществив мягкую посадку на поверхность Луны, положила начало исследованиям поверхности нашего ночного светила.
В результате зародилась новая отрасль науки — планетная геология. Важнейшим ее разделом должна явиться инженерная планетная геология, или правильнее сказать — инженерная планетология.
Научно-техническая революция вызвала к жизни бурный рост промышленного и сельскохозяйственного производства. Быстро растут города, поселки и электростанции, заводы и фабрики. Этот процесс радует людей.
Однако он имеет и обратную сторону. С каждым месяцем и годом растет загрязнение воздуха и воды, нарушается равновесие, химический состав поверхностной части земной коры. Остановить этот процесс, сохранить природу — это проблемы, которые встали перед человечеством.
Сохранение природной среды земной коры становится важнейшей задачей инженерной геологии. В ее решении сделаны лишь первые шаги. Впереди длинный и тяжелый путь, который, несомненно, должен закончиться победой человека.
Можно еще много говорить о перспективах развития инженерной геологии, но мы ограничимся сказанным. Перед этой наукой, как и перед другими отраслями знания, стоит благородная задача — всемерно способствовать человечеству идти к блестящим вершинам светлого будущего человечества — коммунизму.
Инженерная геология ждет молодых пытливых исследователей, которые должны проложить новые пути в познании природы.
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
Ананьев В. П., КоробкинВ. И. Инженерная геология М., «Высшая школа», 1973, с. 299.
Бачинский Н. М. Антисейсмика в архитектурных памятниках Средней Азии. М., Изд-во АН СССР, 1949, с. 81.
Бублейников Ф. Д. Пещеры. Госкультпросветиз-дат, 1953, с. 112.
Дзенс-Литовский А. И. Соляной карст СССР. М., «Недра», 1966, с. 167.
Дмитриев Ф. Д. Крушение инженерных сооружений, М., Госстройиздат, 1953, с. 187.
Кастере Н. Тридцать лет под землей. М., «Мысль», 1964, с. 159.
Коломенский Н. В., Комаров И. С. Инженерная геология. М., «Высшая школа», 1964, с. 480, Короткевич Г. В. Соляной карст. М., «Недра», 1970, с. 255.
Котлов Ф. В., Брашников И. А., Сипяги-н а И. И. Город и геологические процессы. М., «Наука», 1967, с. 226.
Ларионов А. К., Ананьев В. П. Основы минералогии, петрографии и геологин. М., «Высшая школа», 1969, с. 463.
Ларионов А. К., Прнклонский В. А., Ананьев В. П. Лёссовые породы СССР и нх строительные свойства. М., Госгеолтехиздат, 1959, с- 367.
Маслов Н. Н. Основы механики грунтов и инженерной геологии. М., «Высшая школа», 1968, с. 629.
Медведев С. В. Инженерная сейсмология. М., Рос-стройиздат, 1962, с. 284.
Попов И. В. Инженерная геология. Изд-во МГУ, 1959, с. 508.
Прнклонский В. А. Грунтоведение, ч. 1. М., Госгеолтехиздат, 1955, с. 430.
С в я т л о в с к и fl А. Е. Цунами. М., Изд-во АН СССР, 1957, с. 68.
СедлецкийИ. Д., Ларионов А. К- Невидимые минералы. Укртехиздат, 1955, с. 68.
Сергеев Е. М. Геология и строительство. М., «Знание», 1962, с. 31.
Сергеев Е. М., Голодковская Г. А. и др. Грунтоведение. М., Изд-во МГУ, 1971, с. 595.
Ул омов В. И. Внимание землетрясение. Ташкент, «Узбекистан», 1971, с. 160.
Федорович Б. А. Лик пустыни. М., «Молодая гвардия», 1954, с. 210.
Фл е й ш м а н С. М. Селевые потоки. М., Географгиз, 1951, с. 96.
Хэммонд Р. Аварии зданий и сооружений. М., Госстройиздат, 1960, с. 188.
Цытович Н. А. Механика грунтов. М., Госстройиздат, 1963, с. 636.
277
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие .
ПРЕЖДЕ ЧЕМ СТРОИТЬ
Прочна ли поверхность Земли.....................
Биография грунтов...............................
Роль биографии грунтов в строительстве.......
ИНТЕРЕСНЫЕ ГРУНТЫ
Поговорим о песках ..........................
Путешествие песчинки . ...................
Почти кругосветное плавание , .............
По воздуху и вприпрыжку..................
Бич побережий...........................
nctna.......................«ж.»..........
Как остановить движение песка? .................... 33
Двуликий Янус...................................... 37
Дом, построенный на песке.......................... 37
Поразительный опыт................................. 41
Загадочные пески..................................... 44
Поющие, лающие, всхлипывающие...................... 45
Пески, наводящие ужас.............................. 4g
Как образуются зыбучие пески? ..................... 59
Плывущие и текущие................................... 52
Выручила ржаная мука.............................. 52
Грунт плывет ...................................... 53
Катастрофические потоки грунта..................... 56
Как образуются плывуны?............................ 58
Какое давление может выдержать плывун?............. 62
Можно ли бороться с плывунами?..................... 63
На помощь приходит мороз .....................' 67
Мысль человека работает.............................69
Глинистые грунты. Глины 71
«Невидимые» минералы............................’ ’ 71
Коварные свойства глин................................74
Падающая башня........................................76
Трещит, а держится..............................\ ’ 79
Удивительная история * 80
«Растворяющаяся» порода \ ’ ’ 82
Спор, продолжающийся 140 лет * 82
Поразительное действие воды........................ 85
Неприятные казусы................................ 86
Провалы поверхности в лёссах....................... 90
Почему лёссы дают просадки?....................... 91
С просадками можно бороться........................ 94
«Огненный» меч..................................... 95
Другие пути борьбы с просадками.................... 97
Взрыв в Голодной степи............................. 99
Конфуз помог , ....................................101
Самые слабые ............................................ ЮЗ
Й78
Мягкий, как подушка.............................. ЮЗ
Совсем жидкий грунт............................... 105
Загадка Мехико..................................... 105
ЗЕМЛЯ СОДРОГАЕТСЯ
Наблюдения и факты...................................... ПО
120 сотрясений поверхности в час.................... ПО
Таинственные явления............................... 113
Когда больше выделяется энергии — при атомном взрыве или землетрясении?................................. И5
Что же сотрясает Землю?........................... 116
Можно ли землетрясение, происходящее в Австралия, обнаружить в Москве?.............................. 119
Гибель городов и стран........................... 121
Максим Горький рассказывает ................... . 123
Катастрофа в Греции ...............................123
Свидетельство Марка Гвена..........................124
6 октября 1948 г. в Ашхабаде.......................125
26 апреля 1966 г. в Ташкенте.......................126
Бывают ли землетрясения в Москве...................127
Внимание! Цунами!...................................128
Можно ли предсказать землетрясение?......................131
Когда можно ожидать землетрясение? .................133
Поиски, поиски, поиски............................. 134
Бури наклонов и шепот пород.........................136
Предсказание цунами ................................137
Один удар — разные последствия...........................139
Где больше сила удара: иа гранитной скале или на песке? 139
Факты подтверждают теорию...........................141
Строители находят выход.............................. . 142
Опыт зодчих древности...............................145
Как строят дома, не боящиеся землетрясений? . . , 147
«Подвешенный» дом................................. 148
Возможна ли борьба с цунами?....................... 149
Несколько слов о малых сотрясениях поверхности . . 150
Человек использует для своих целей сотрясения земли . 151
ЭКЗОГЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ И ЯВЛЕНИЯ, СВЯЗАННЫЕ С НИМИ
Оползни................................................154
По пожелтевшим страницам летописи.................154
Оползни в Саратове ...............................156
«Вулкан» в Саратове ................................ 157
Волгоградские оползни . 159
Бич Черноморского побережья..........................161
Катастрофические оползни.............................165
Неприятные сюрпризы .................................166
Почему возникают оползни?.................................168
Вода — враг склонов ............................... 171
Вода подмывает и перерабатывает берега...............172
Предупреждение оползания.............................177
279
Можно ли задержать размыв берегов?................. 180
Можно ли удержать оползень?........................ 182
Грандиозные обвалы и лавины............................. 186
Обуздание горного дьявола.......................... 189
Как возникают обвалы?............................. 190
Способы борьбы с обвалами.......................... 192
Берегись! Лавины!.................................. 193
Как образуются лавины?............................. 195
Каменные и грязевые потоки.............................. 198
Потоки и реки нз каменного материала............... 198
Каменная река из скал...............................202
Грязевые потоки...........................................203
Катастрофа в Лос-Анжелесе...........................203
Алма-Атинский сель................................ 205
Борьба с селями.....................................206
Мир подземных дворцов.....................................208
Вода-строитель........................................208
По пути водяной струйки............................ 211
Вода «съедает» породу...............................213
Неутомимая труженица................................215
Подземный мир.......................................219
Большие и малые пещеры..............................222
Пропасти............................................224
Поющие горы.........................................227
Текущие вспять реки и исчезающие озера..............228
Великолепие подземного мира.........................229
Благоустроенные пещеры..............................232
Ледяные пещеры.................................... 234
В недрах Кунгурской пещеры..........................236
Провалы поверхности...................................... 239
«Полуостров» на суше................................242
Как образуются провалы поверхности?................ 243
Подземные горные выработки и поверхность земли . . 245
Как строить в карстовых районах?................... 245
Как определяют наличие пустот?..................... 248
Холод в земле.............................................251
«Вечная мерзлота» ................................. 251
Есть ли мерзлота на юге?........................... 254
Три «этажа».........................................256
Ледяной панцирь ................................... 259
Бугры-булгунняхи....................................261
Другие явления, связанные с мерзлотой...............263
«Вечная мерзлота» побеждена.........................264
Природа в опасности..................................... 267
Цивилизация и природа ..............................267
Куда девать мусор?..................................269
Землетрясение вызывается человеком..................271
Город и среда.......................................273
Будущее инженерной геологии (Вместо послесловия) .... 275
Рекомендуемая литература................................ 277