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

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

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

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

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

Однако много случаев оседания земной поверхности — в Мехико, Токио, Венеции и др. — происходит по еще более сложной схеме. Территории этих городов и их окрестностей на глубину сотен метров сложены прихотливо чередующимися песчаными, глинистыми, илистыми и подобными им грунтами. Эти отложения молоды (в геологическом понимании) и слабо уплотнены. В них нет совершенно непроницаемых слоев, глинистые и — илистые отложения хоть слабо, но водопроницаемы. При откачке подземных вод в таких случаях происходит перетекание воды (фильтрация) из одних водоносных слоев в другие сквозь разделяющие их слабопроницаемые слои (рис. 65, в).

Фильтрующая вода оказывает на частицы грунта силовое воздей-ствие подобно тому, как она оказывает сопротивление плывущему кораблю (здесь действует принцип обратимости: для силового воздействия безразлично, что движется — корабль относительно воды или вода относительно корабля — грунтовых частиц). Эта сила, гидродинамическое давление, распределена по всей толще грунта, в которой происходит фильтрация. Чем больше сопротивляется фильтрации грунт, т.е. чем менее он водопроницаем, тем большее гидродинамическое давление оказывает на грунт фильтрующая вода. Следовательно, воздействию гидродинамического давления в наибольшей степени подвержены слабопроницаемые глинистые и илистые слои, а именно они более всего сжимаемы.

В естественных условиях, когда не производится откачка подземных вод, в нижних слоях грунта вода, как правило, имеет более высокие напоры, чем в верхних. Поэтому фильтрация направлена снизу вверх, от больших напоров к меньшим. Гидродинамическое давление при этом взвешивает грунт, мешая ему уплотняться под собственным весом. При откачке подземных вод их напоры снижаются, а гидродинамическое давление уменьшается или даже приобретает противоположное направление — сверху вниз. Грунт как бы тяжелеет. Естественно, что следствием является его уплотнение и оседание поверхности. При этом может происходить осушение верхних слоев грунта, если поступление воды из внешних источников ограниченно (как в Мехико), или грунт может оставаться водонасыщенным (как в Венецианской лагуне).

Таким образом, мы убедились, что приводящая к оседанию земной поверхности дополнительная нагрузка возникает вследствие понижения уровня (напора) подземной жидкости или газа и зависит от величины этого понижения. Но само оседание поверхности, сжатие грунтовой толщи зависит не только от действующей нагрузки, но и от способности грунта к сжатию, его сжимаемости, компрессионных свойств. Не случайно оседание в Мехико произошло на 8 м, а в Лондоне — только на 20 см, хотя понижение напора подземных вод в Лондоне больше, чем в Мехико.

Наибольшую сжимаемость имеют торфянистые грунты, богатые остатками растительности, и глинистые грунты (илы, суглинки, глины). При относительно небольших нагрузках они способны к пластическому, необратимому уплотнению. Степень их сжимаемости зависит от природной плотности: чем больше их естественная плотность, тем меньше они сжимаются под дополнительной нагрузкой. В меньшей степени сжимаемы песчаные грунты, еще меньше — скальные горные породы, причем они подвержены главным образом упругому, т.е. обратимому сжатию.

Что предпринимается для борьбы с оседанием земной поверхности и ликвидации его последствий?

В первую очередь необходимы исследования процесса оседания и инженерно-геологических условий, в которых он происходит. Исследования включают, по меньшей мере, три аспекта: изучение режима подземных вод, измерение величин оседания грунтов и определение их физико-механических свойств. Базой исследований является изучение геологического строения района и его гидрогеологических условий. Подобные исследования ведутся во многих странах, в районах, подверженных оседанию земной поверхности.

На основе результатов инженерно-геологических и гидрогеологических исследований можно дать расчетный прогноз оседания земной поверхности, для которого механика грунтов дает достаточно надежное теоретическое обоснование. Достоверность прогнозов зависит главным образом от полноты результатов инженерно-геологических исследований, от соответствия применяемых для расчета схем действительным природным условиям. Например, известно, что оседание является одним из аспектов проблемы защиты Венеции, однако лишь недавно там пройдена первая глубокая исследовательская скважина. Неудивительно, что проведенный по данным этой скважины расчет оседания не совпал с фактически измеренными величинами: геологический разрез по одной скважине не может быть представительным для большого района со сложными условиями. Последующие исследования позволили уточнить результаты расчетов.

Прогноз оседания дает прежде всего ответ на вопрос: требуются ли какие-либо защитные меры? Не исключено, что практический предел сжатия грунтов близок, оседание прекратится само собой и никаких мер по его прекращению не потребуется. Однако во многих случаях прогнозы не дают такого ответа и ставится вопрос о защитных мерах.