Оползни в рыхлых породах
Неуплотненные рыхлые отложения и слаболитифицированные осадочные породы легко деформируются, даже если в них нет трещин и разрывов, обычно вызывающих обрушение твердых коренных пород. В инженерной геологии горные породы, на которых предполагается вести строительство, называются грунтами. Особая наука — механика грунтов — при помощи лабораторных опытов, а также на основании математического анализа проб грунта позволяет рассчитать устойчивость склонов, предупредить возможную опасность или разрешить имеющиеся спорные вопросы. При гражданском строительстве особенно серьезные проблемы возникают в том случае, когда осадки и породы неоднородны. Обнаружить неоднородность пород бывает нелегко. Эта неоднородность может быть обусловлена присутствием мелких трещин, незначительных структурных изменений, развившихся вкрест напластования или ранее существовавших поверхностей обрушения, которые в данный момент кажутся устойчивыми. Поверхности обрушения особенно широко распространены, хотя их и трудно обнаружить, в оползневых районах; они могут быть связаны с отложениями, образовавшимися в различных климатических условиях. Оползневые участки, подвижные в древности, при многолетней мерзлоте и современном климате могут сохранять устойчивость до тех пор, пока в районе не начнутся строительные работы; тогда движение этих участков может возобновиться. Поэтому инженер-геолог должен сделать все необходимое, чтобы не вызвать развитие новых оползней и не привести в движение старые.
В 50-х годах нашего века в одном из районов Лос-Анджелеса периодически возобновлялись проявления оползней, вызывавшие значительные разрушения. В результате судебного расследования, начатого по инициативе группы удрученных домовладельцев, ответственность за случившееся была отчасти возложена на власти округа Лос-Анджелес, которые планировали строительство зданий и дорог в этом районе. Администрация округа проиграла это дело и заплатила домовладельцам более 5 млн. долл.
Основной причиной оползней в неуплотненных горных породах обычно является отсутствие в данном грунте сопротивления сдвигу, поводом для которого может стать деятельность человека. В районе города Ментона на юге Франции вырубили оливковые деревья, чтобы создать на этом месте плантацию гвоздик, приносящих гораздо большую прибыль. Однако при этом не учли возможных последствий. В результате того что грунт потерял связующую основу, роль которой играли корни деревьев, возникли оползни, которые унесли 11 человеческих жизней.
В Чехословакии над городом Гандлова были распаханы участки склонов, которые раньше использовались как пастбища. В дождливый сезон 1960 г. неожиданно резко повысился уровень вод и склоны утратили устойчивость; 40 млн. т почвы начало сползать вниз по склону. Над городом нависла угроза. Введенная в действие аварийная дренирующая система остановила движение за два месяца, но к этому времени было разрушено уже 150 домов. У города Уайтхорс на плато Юкон в Канаде были вырублены деревья на краю 60-метровой террасы. Это также повлекло за собой обрушение склонов. После того как на месте вырубленных деревьев была расчищена площадь для строительства дороги, возникло множество оползней и грязевых потоков, обрушившихся на улицы города. Остановить их удалось лишь благодаря активной программе дренирования и возобновлению растительного покрова у кромки террасы.
Чтобы вызвать движение потенциального оползня, достаточно придать склонам, сложенным рыхлыми породами, большую крутизну. Это может быть вызвано воздействием естественных причин, например, подмывом береговых обрывов морем. В Бартоне на южном побережье Англии, где берега сложены третичными глинами и песками, часто происходят оползни, развивающиеся вследствие сдвига по плоскостям напластования пород. Многие дома, расположенные над береговым обрывом, находятся под постоянной угрозой быть разрушенными. Севернее, к востоку от города Гулль, береговая линия характеризуется быстрой эрозией, не ослабевающей со времен Римской империи. Обрывистые берега высотой до 12 м, сложенные относительно однородной валунной глиной, постоянно обрушаются здесь вследствие оползней. При этом дороги и деревни постепенно перемещаются в сторону приливно-отливной полосы.
На побережье Тихого океана к юго-западу от центра города Сан-Франциско береговые обрывы имеют высоту 120–180 м. Слагающие их пески плиоцен-плейстоценового возраста весьма неустойчивы, тем более что по северной оконечности этого оползневого района проходит активный разлом Сан-Андреас. Оползание пород в большинстве случаев происходит по относительно водонепроницаемым пластам алеврита и глины. Но на крутых обрывах пески обрушаются и сами по себе, будучи недостаточно прочными, чтобы противостоять атакам моря.1"" Проходившее здесь шоссе первоначально располагалось вдоль берегового уступа, Такое соседство всегда было чревато опасностью. С 1950 по 1957 г. шоссе закрывали 17 раз, в общем на 174 дня, чтобы устранить повреждения, нанесенные оползнями. После же землетрясения 1957 г. движение по шоссе было совсем прекращено. Несмотря на то что на береговых обрывах оползни происходят очень часто, городское строительство до последних лет велось совсем близко от их кромки, и сейчас дни многих домов в городе сочтены.
В 1907–1914 гг., когда Соединенные Штаты вели строительство Панамского канала, в его стенах произошло несколько оползней. Для участка Гайллард-Кат, проходившего через водораздел, первоначальный проект был составлен лишь на основании топографической съемки. Было решено расположить стены в виде террас под углом 56° к горизонтали. Но по мере ведения земляных работ выяснилось, что делать стены выемки под таким углом можно только в вулканических породах, а в выходящих на поверхность осадочных породах это грозило бы катастрофой.
Еще хуже обстояло дело с рыхлыми, несцементированными осадками свиты Кукарача третичного возраста. Эти сланцы с прослоями песчаников и конгломератов обнажались в широкой синклинали, через которую должна была пройти трасса будущего канала. Породы оказались очень рыхлыми и постоянно обруша-лись. Кроме того, было замечено, что вся свита Кукарача движется по поверхности подстилающих известковых песчаников. Был обнаружен ряд участков, где это движение продолжалось в течение многих лет. Площадь самых крупных из них, а таких было три, превышала 300 м2. Все попытки укрепить стены будущего канала оказались тщетными. Сваи были просто-напросто смыты, а свободное дренирование поверхностных вод практически не уменьшало вес неустойчивых масс. Оползни продолжали двигаться, и из русла канала приходилось постоянно удалять накапливавшийся там обломочный материал. В настоящее время наклон стен канала сделан равным 11° вместо запланированных 56°, и оползневая зона отстоит от канала по меньшей мере на 300 м. Но уровень грунтовых вод и поныне не приведен в полное соответствие с уровнем воды в канале, поэтому возобновление оползневых движений вполне возможно.
Исследования показали, что в районе Панамского канала можно было различить три типа оползней. Первый — это поверхностное смещение обломочного материала, которое имеет незначительные масштабы и особого беспокойства не причиняет. Ко второй группе относятся крупные оползни, скользящие по плоскостям напластования пород. Третий, наиболее распространенный, тип оползней приурочен к подошве глинистых отложений свиты Кукарача; эти оползни сопровождаются вращательными движениями и вызывают поднятие и смещение дна канала. Если бы американские инженеры располагали сведениями, которые дает современный уровень знаний, им удалось бы предсказать возможные оползни и спланировать затраты более рационально, чем это было сделано при проектировании канала.
Изучение устойчивости склонов, сложенных глинами, дает ключ к прогнозированию оползней, подобных панамским. Если угол наклона таких откосов составляет от 7 до 12°, оползневые движения со временем прекратятся. Разные значения угла обусловлены геологическими факторами, например содержанием в породе зерен того или иного размера либо состава. Более древние породы обычно более устойчивы, но при лабораторных исследованиях проб грунта необходимо определить сопротивление сдвигу и проверить, действительно ли это так в данном конкретном случае. С течением времени в породах могут происходить медленные структурные изменения. Экспериментально может быть, например, установлено, что изучаемая глина имеет максимальное сопротивление сдвигу на стадии первоначальной деформации, но по мере того как деформация усиливается, сопротивление породы постепенно уменьшается, переходя в так называемое остаточное сопротивление сдвигу. Это объясняется главным образом перемещением зерен, слагающих породу, и изменением общего объема пор. Знание подобных изменений очень важно, когда мы имеем дело с глинами, так как оно позволяет судить о том, в каких случаях может произойти обрушение склона.
Находясь длительное время под воздействием деформаций, глина становится более рыхлой. Это особенно свойственно переуплотненным глинам, т. е. таким, которые были сжаты при захоронении на большой глубине, а затем вследствие эрозии перекрывающих отложений снова оказались на поверхности земли под меньшим давлением. При этом обычно наблюдается уменьшение сопротивления сдвигу от максимального до остаточного.
В районе Лондона обрушились стены нескольких железнодорожных выемок, сложенные третичными глинами. Одна из стен — в Кенсал-Грин — обрушилась через 116 лет после проведения земляных работ, когда сопротивление сдвигу в породе упало на 60 %. Другая стена — в Садбери-Хилл — рухнула через 49 лет, ее сопротивление сдвигу уменьшилось на 80 %. Исходя из опыта таких наблюдений, можно контролировать скорость изменения сопротивления сдвигу и, следовательно, рассчитать, когда тот или иной склон может обрушиться. Расчеты показали, что многие лондонские железнодорожные выемки, построенные в начале века, уже достигли критического возраста и требуют проведения работ по их дополнительному укреплению.