Ледяные исполины

Большинство грунтов с глубиной становятся плотнее.

Понятно: их сжимают слои, лежащие сверху. А есть в тропиках красные породы — латериты. У них часто наоборот: сверху прочная железистая корка, а снизу — рыхлый слой.

Если рыхлые пески подвергнуть вибрации (заставить дрожать), они уплотнятся. Это понятие. Насыпешь в стакан сахарный песок, постучишь по стакану — песок уляжется плотно, утрамбуется.

Но есть плотные глинистые грунты, которые от вибрации «разжижаются». Расползаются, как кисель. Сооружение, стоящее на них, начинает буквально тонуть.

Известный советский грунтовед академик Е. М. Сергеев рассказывал, что видел в окрестностях шведской столицы Осло дом и хозяйственные постройки, разрушенные… от танцев! Хозяева дома и гости вечером хорошо потанцевали, дружно топая ногами. От ритмичной пляски глины, на которых покоился дом, разжижились, поехали вниз по склону. Возникла оплывина, захватившая немалую площадь.

Подобные глины, оставленные ледниковыми озерами, наделали немало бед в Скандинавии. В начале нашего века здесь начали быстро строить железные дороги. От сотрясения железнодорожного полотна прочные глины теряли устойчивость. Произошло несколько катастроф, многие километры магистралей вышли из строя.

Существует поговорка: «построено на песке». Подразумевается, что основание ненадежно, может рассыпаться. Вроде бы поговорка верна. Вспомним рыхлый песок под ногами — вязнешь в нем.

Однако инженеры-геологи вполне доверяют пескам, залегающим в основании сооружения. Правда, песок песку рознь. Если песчинки крупные, прочные и уложены плотно, они выдержат высокое здание. А бывает песок мелкий, тонкий, как пудра. Он податлив, сжимается под нагрузкой. И уж совсем беда, если он насыщен водой. Получается настоящая трясина: встанешь на такой песок — он колеблется под ногами или даже затягивает, засасывает.

Мне зыбучие пески попадались в казахстанской пустыне. Там находится обширная впадина Мынбулак. Во впадине есть отдельные углубления, воронки, словно блюда великанов. В этих местах лежат мелкие и пылеватые пески. Снизу к ним подступают подземные воды.

Идешь по такому песку, и чем ближе к центру воронки, тем глубже продавливается он под ногами. Тут уже не встретишь следов сайгаков, обитающих в этих местах.

Зыбучие пески очень опасны, и животные это чувствуют.

Между прочим, мне удалось добраться до середины такой воронки. Помогли белые «блюдца», разбросанные там и тут на песке. Это — пятна соли. Подземная вода из песков испаряется, а соль остается. Образуются прочные солевые нашлепки. Они выдерживают тяжесть человеческого тела.

Так вода, заключенная в песках, делает их зыбучими.

И в то же время, испаряясь, упрочняет эти пески с поверхности. Но строить на них, конечно, невозможно без специального укрепления грунта.

Вода способна и уплотнять песок. В этом нетрудно убедиться, если в рыхлую песчаную массу налить воды.

Это видно и на самом простом опыте: достаточно на рыхлый песок капнуть водой. Образуется плотная песчаная лепешка.

Еще одна особенность влажного песка: он слипается.

Сухой песок рыхлый, насыщенный водой — текучий.

А влажный песок слипается. Почему? Из-за свойства тонких пленок воды.

На поверхности воды имеется тончайшая пленка. Глазом ее не увидишь. Но ее действие наблюдать нетрудно.

Капнем на блюдце, стекло. Образуется водяной бугорок.

Вода не растекается ровным слоем, а возвышается над поверхностью блюдца или стекла. Любая капля держится, сохраняет свою округлую форму благодаря тонкой пленочке, которая ее стягивает.

На зернах песка, если в песке немного воды, тоже образуется такая пленочка. Она слепляет, стягивает зерна, уплотняет их. Поэтому сухие зерна рассыпаются, влажные слипаются, а насыщенные водой — растекаются.

Подобные свойства песков и других горных пород должен хорошо знать грунтовед.

В наше время есть возможность обойтись и без хорошего знания грунтов. Помогает техника. Можно осушить слой плывунов (хотя сделать это трудно, потому что плывун плохо отдает воду). Можно забить сваи, которые прорежут слабые грунты и упрутся в прочные. На столбахсваях строили и строят многие сооружения.

Укреплять основания сооружений с помощью свай научились люди еще в каменном веке. Они забивали тысячи деревянных столбов и устраивали на них помосты, на которых ставили хижины. Так удавалось строить поселки на болотах и озерных мелководьях.

Правда, в давние времена постройки возводились легкие. Теперь — иначе. Под высотными сооружениями нагрузки на грунты очень большие. На площадочку размером с ноготь — до двадцати килограммов, а на площадку размером с ладонь взрослого человека — четыре тонны!

Ясно, что грунт под таким грузом должен быть весьма прочным.

Свайные основания используются часто. Но это еще не значит, что отпадает надобность в детальном изучении грунтов. Забивать сваи тоже надо умеючи. В иной грунт их не забьешь. А там, где без них не обойтись, надо точно рассчитать их длину, конструкцию, густоту. Приходится предварительно изучать грунты.

Инженеру-геологу недостаточно знать свойства грунтов. Требуется выяснить, как залегают слои горных пород. Бывает, что под одним концом здания лежат прочные пески или донная морена, а под другим — слои слабых неустойчивых песков и глин. От этого здание погружается в землю неравномерно.

В Англии многие средневековые соборы и дворцы начали давать перекосы и трещины. Они стоят на ледниковых отложениях, которые изменяются по толщине и свойствам. В одних местах грунты продавливаются легко, в других трудно. Здания постепенно погружаются в грунт.

(Старые здания почти всегда «врастают» в землю: чем больше им лет, тем глубже.) Когда это погружение идет неравномерно, все сооружение перекашивается. Приходится скреплять стены стальными балками, искусственно укреплять грунты. Эти мероприятия обходятся дорого.

Во многих случаях без искусственного улучшения грунтов не обойтись. Проще всего утрамбовывать рыхлый грунт. Более сложные методы — химические; в грунты добавляются особые затвердевшие смеси. Применяется и временное изменение свойств грунта — замораживание.

Способ этот удобный, когда надо, скажем, пробить шахту или тоннель в горпых породах, насыщенных водой. Откачивать воду не всегда просто. Поэтому через скважины подают в грунт охлаждающую смесь. Вода замерзает, грунт становится льдистым.

Интересный случай произошел в Москве. Строилась станция метро. А над ней в то же время возводился высотный дом. При строительстве метро применяли заморозку грунта. Когда вода замерзает, она увеличивается в объеме. И грунт с водой — тоже увеличивается. А еще он становится прочным, почти не сжимается.

Инженеры-геологи и строители это учли. Они стали строить здание… с наклоном. Конечно, наклон был маленький. Но все-таки стена не была отвесной, строго вертикальной.

Решение было смелое. Для него потребовался точный расчет. Ведь когда мерзлый грунт под частью здания, где строилось метро, оттает, он сделается мягким, податливым.

На сколько сантиметров тогда опустится часть здания, под которым растает мерзлота?

Все произошло так, как предполагали грунтоведы. По мере оттаивания замороженных грунтов здание постепенно выпрямлялось. Прошло несколько месяцев, и оно заняло строго вертикальное положение. Неприятности начались чуть позже. Дом начал крениться в обратную сторону. До этого он был наклонен к улице, Садовому кольцу. А тут, постояв вертикально, покосился и стал наваливаться на дом, стоящий за ним. Хорошо, что между домами имелся зазор. Его сделали специально, заранее предвидя возможность такого аварийного отклонения высотного здания.

Все закончилось благополучно. Четверть века здание стоит надежно. Неточности в расчетах оказались незначительными.

Без неточностей в данном случае вряд ли можно было обойтись. Грунт после замораживания обычно изменяет свои свойства: чуть-чуть, на самую малость делается слабей, податливей, чем раньше. Определить совершенно точно величину ослабления грунта невозможно.