Грунтоведение

 

Зыбучие пески

 

 

 

Однажды в полдень еще в конце прошлого века, после нескольких дней затяжных нудных дождей, на правом берегу р. Волги произошло неожиданное событие. С шумом в русло реки устремился мощный поток песка. Обширная полоса берега пришла в движение. Она захватила полукилометровый участок высокого 20-метрового берегового уступа. Сотни метров железнодорожного пути вместе с рельсами и шпалами были исковерканы и перенесены на десятки метров. В реку ворвались потоки песка, образовав в воде многочисленные песчаные островки...

 

На р. Миссури в США была построена из намывного песка плотина, ставшая известной благодаря крупнейшей в истории американского гидроэнергетического строительства катастрофе. В один из весенних дней несколько миллионов кубических метров песка пришло в движение. Его разжиженная масса текла, подобно речному потоку. ..

 

Не правда ли, удивительное поведение песчаного грунта? Давайте вспомним строки из романа Уилки Коллинза: «Песчаные холмы спускаются тут к морю и оканчиваются двумя остроконечными скалами, выступающими из воды друг против друга... 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 необычным образом... Большая насыпь, тянущаяся на полмили возле устья бухты, сдерживает напор океана. И зимой и летом, когда прилив заливает пески, море как будто оставляет свои волны на насыпи, катит их, тихо вздымаясь, и бесшумно покрывает песок...».

 

Другой английский романист Роберт Стивенсон пишет: «Выступ скалы поднимался над песками, образуя мыс между двумя бухтами, а за линией прибоя снова вздымался небольшим островком, круто обрывающимся в море. При отливе обнажались широкие полосы зыбучих песков — гроза всей округи. Говорили, что у самого берега, между мысом и островом, эти пески поглощали человека в четыре с половиной минуты...»

 

Можно и дальше приводить и литературные и фактические сведения об этих удивительных песках — зыбучих, плывучих, как вода, и образующих странные водно-песчаные потоки.

 

Что же это за пески? Почему такой хорошо известный нам грунт ведет себя столь загадочно — превращается в грозу и ужас побережий и дает неожиданные катастрофические потоки?

 

Исследования грунтоведов показали, что секрет подобного поведения песков заключается в их способности в водной среде образовывать своеобразные, крайне рыхлые структуры. Для этих «странных» песков прежде всего характерны преобладание мелких частиц (размером менее 0,25 мм) и присутствие некоторого небольшого количества совсем тонких — пылеватых и глинистых частиц (размером 0,01—0,002 мм и менее). Чаще всего эти примеси образуют весьма тонкие пленки вокруг песчинок. Они даже тоньше пленок в зерни- сто-пленчатых структурах супесей и суглинков.

 

Зыбучие пески формируются на берегах тех морей, где регулярно происходят значительные приливы и отливы. Наблюдательные романисты подчеркивали, что участки с такими песками, как правило, отделяются от открытого моря островками и косами. Последнее обстоятельство и приводит к задержке песка, накопившегося на побережье, и уменьшению скорости приливно-отливного движения морской воды.

 

В ходе прилива частицы песка взвешиваются морской водой. Следующий за этим отлив, замедленный трудностью оттока воды, ведет к преимущественно вертикальному перемещению частиц. Так как этот процесс не заканчивается полным отступлением воды, песок остается водонасыщенным и сохраняет особое ультрарыхлое расположение зерен. Песчинки громоздятся друг на друга, образуя крайне неустойчивую структуру . Характерная черта подобной ультрарыхлой системы заключается в том, что ее равновесие держится «на острие, ножа». Достаточно сместиться нескольким частицам, как начнется своеобразная «цепная реакция» разрушения структуры. При этом будет происходить перемещение частиц внутрь песчаного массива.

Если на поверхность такого песка положить какой-либо предмет, то песок начнет быстро засасывать его внутрь. Мощность подобных песчаных грунтов может достигать многих метров, и тогда зыбучие пески способны затягивать в свою толщу крупные предметы, даже людей и лошадей. Вот в чем секрет этих загадочных песков.

Мы разобрались с зыбунами. А как же быть с потоками песка?

 

Катастрофическое разжижение песчаного грунта связано прежде всего с присутствием в его составе тонких частиц, а также со значительным водонасыщением. Коллоидные примеси и создают особые неустойчивые структуры. Было обнаружено, что толчки и удары, вызванные землетрясением, взрывами, движением транспорта, могут оказаться причиной разжижения песка, при котором частицы теряют на какое-то время взаимную связь. В науке это явление назвали тиксотропией (греч. thixis — прикосновение, trope — поворот). Такой грунт неожиданно резко разрыхляется и теряет структуру. Вода в его порах довершает этот процесс разрушения. И вот результат — разрушительный поток водонасыщениого песка, устремляющийся вниз по уклону.

Советский ученый П. Л. Иванов обнаружил, что даже сравнительно чистые пески также способны неожиданно терять прочность и переходить в текучее состояние.

 

Простой опыт Е. Д. Кадомского показывает, как проходит этот процесс. Нужно взять стакан, наполненный водой, и вставить в него вертикально трубку, конец которой обтянут металлической сеткой. Затем насыпать в стакан тонкой струей песок. Если после этого ударить молотком по столу, на котором стоит стакан, то песок почти мгновенно перейдет в разжиженное состояние. Положим на его поверхность какой-либо предмет, например \ ключ. В момент удара он мгновенно утонет. После разжижения возникает противоположное явление — уплотнение. Оно приводит к тому, что в трубке возникает быстрый подъем уровня воды ( 19). Это свидетельствует о том, что уплотнение песка вызывает давление в воде, заполняющий его поры.

П. Л. Иванов установил, что разжижение водонасыщенного песка представляет собой процесс разрушения структуры, а затем уплотнения и уменьшения прочности.

 

Так объясняются секреты текучих и «зыбучих» водонасыщенных песков.

Велись работы по строительству Легбергского тоннеля в Швейцарии. Все шло в соответствии с планом постройки. Было пройдено более 1500 м тоннеля. Когда начала работать ночная смена, трудно было предвидеть, что многие из рабочих не вернуться к своим семьям. В ходе работ для того, чтобы убрать камень, встретившийся на Пути проходчиков, был произведен небольший взрыв. Вслед за ним, когда рассеялся дым, все увидели, что по пройденной части тоннеля с большой скоростью и со страшным шумом несется какая-то серая масса. Раздались крики ужаса, люди бросились со всех ног от надвигающегося серого потока. Его скорость движения была столь велика, что он быстро настиг и начал поглощать беглецов. Спастись удалось немногим. Позднее выяснилось, что в тоннеле прорвался поток водонасыщенного песка. Он привел к гибели 25* человек и затопил тоннель на расстоянии 1300 м. Пришлось приостановить строительство и изменить трассу тоннеля.

При строительстве цеха судоверфи в долине одной из рек строители стали вскрывать котлован. Когда его глубина достигла 2,5 м, с его стенок начал потоками поступать песок. Он образовал упругую плотную массу. Строители ускорили темп работы. За день ценой больших усилий им удалось достигнуть глубины 3,0 м. Когда они пришли утром, песок заполнил значительную часть котлована. Замер показал, что выемка вместо 3,0 м имела только 1,8 м. Но все же котлован было нужно отрыть. И вот опять энергичная работа. Из стенок продолжают плыть потоки песка. Время от времени происходит обрушение целых участков откосов котлована. После нескольких часов работу все-таки пришлось остановить. Неожиданно поверхность земли в 10 м от котлована опустилась и стоявший здесь небольшой кирпичный склад с грохотом обвалился. К вечеру котлован опять был почти до верха заполнен влажным песком. Никаких следов двухдневной работы строителей не сохранилось. По песчаной поверхности, образовавшейся внутри котлована, можно было ходить как по асфальту. Если начинали на ней прыгать, вся масса мокрого грунта приходила в движение и начинала вибрировать. Однако если люди стояли несколько минут неподвижно, то начиналось засасывание. Через 15 мин уже трудно было выдернуть ноги из песка.

. Это явление получило наименование плывуна.

Плывуны уже в XIX в. обратили на себя внимание производственников. Они затрудняли возведение опор мостов при строительстве Транссибирской магистрали. Много неприятностей они доставили и продолжают доставлять до настоящего времени метростроителям.

Грунтоведы и строители детально исследовали это явление. Одни считали плывуны особым типом грунтов, а другие утверждали, что в плывунное состояние могут перейти почти все рыхлые грунты.

В спорах рождается истина. Еще в 20-х годах нашего столетня ученый А. Ф. Лебедев, изучавший это явление, пришел к убедительному выводу о существовании двух групп плывунов. Первая из них связана со взвешивающим и гидродинамическим (напорным) воздействием потоков грунтовых вод на частицы грунтов. Их он считал «псевдоплывунами», т. е. ложными плывунами. Вторая группа водонасыщенных грунтов приходит в движение из-за содержания в них тонких коллоидных частиц. Этот вид плывунов он назвал «истинными».

Интересные исследования были проведены В. В. Разиной. Она населила песок микроорганизмами — силикатными бактериями. Продуктами их жизнедеятельности были слизь и газы. Пески приобрели «плывучие» свойства. По всей вероятности, в ряде природных плывунов причина подвижности может иметь и микробиологическую природу.

В некоторых истинных плывунах были обнаружены значительные примеси органического вещества. Оно явно усиливало подвижность песчаных грунтов.

Ученые работают над проблемой создашь «искусственных» плывунов путем введения в пески микроорганизмов. С их помощью собираются облегчить извлечение на поверхность полезных ископаемых, связанных с такими песками (например, фосфоритов).

Так, успешно была раскрыта еще одна загадка природы.

В заключение отметим, что переходить в плывунное состояние могут не только пески, но и ряд пылевато-глинистых грунтов, а при значительных напорах воды в движение могут приходить даже гра- вийно-галечные грунты.;

 

Возникает естественный вопрос: «Как же строить, если толщи грунтов состоят из плывунов?» А ведь они встречаются прежде всего в долинах рек, где особенно часто возводятся мосты, набережные, плотины и предприятия. Инженеры-геологи и в первую очередь грунтоведы много поработали, чтобы найти способы останавливать песчаные плывунные потоки.

Первыми стали использоваться механические способы укрепления стенок котлованов. Забивались шпунтовые ограждения — своеобразные «заборы», задерживающие движение плывунов. Псевдоплывуны закреплялись наиболее просто: их обезвоживали, снимали напор воды, и песок уплотнялся. Эти работы осуществляли при помоши дренажных траншей, откачки воды из скважин или особых устройств, называемых иглофильтрами.

Но как поступать с истинными плывунами? Мы уже знаем, что они содержат много тонких частиц, поэтому обладают весьма незначительной водопроницаемостью. Попытки откачивать воду из таких плывунов оказались тщетными. Они не хотели ее отдавать. Объяснение этого явления довольно простое: коллоидные частицы задерживают воду в порах.

Канавы, вскрытые в истинных плывунах, не только не собирают воду, но и быстро заплывают текучей массой плывуна. Он, как губка, забирает воду и не отдает ее. Даже при неполном водонасы- щении такой плывун растекается, подобно вязкой жидкости.

Как же быть? Как построить фундамент в таком грунте? Здесь на помощь приходят грунтоведы, занимающиеся разработкой методов улучшения свойств грунтов. Об этом разделе науки, названном технической мелиорацией грунтов (не путайте с совсем другим понятием—сельскохозяйственной мелиорацией почв), речь пойдет ниже.

Раз не удается обезводить, то нужно попытаться закрепить во- донасыщенный истинный плывун вместе с водой в порах» И вот предложили замораживать грунт. Самым простым вариантом, кото

рый применили еще в XIX в., было использование естественного холода. Если зимой вскрыть поверхность плывуна, то на морозе она начнет замерзать. Тогда остается только скалывать слоями ледяной слой плывуна до необходимой глубины. Но что делать, если зима мягкая или наступает длительная оттепель? Ведь процесс промерзания идет очень медленно. Для ускорения специалисты предложили укладывать в водонасыщенный плывун змеевик из металлических труб, а через него вентилятором прогонять морозный воздух. Это усовершенствование несколько, ускорило образование ледяного слоя. Но опять нужен мороз, а если его нет?

Тогда решили применить искусственный холод. Для этой цели создали установки, в которых основной частью является холодильная камера. В ней низкая температура достигается путем введения жидкого аммиака. В условиях резкого падения давления он испаряется, интенсивно поглощая тепло. Пройдя через камеру и отдав холод, аммиак далее направляется в компрессор, где он опять сжижается.

Внутри холодильника установлен змеевик, по которому движется жидкость. Она представляет собой водный раствор поваренной соли. Известно, что он замерзает при —35 °С. Испарение же аммиака снижает температуру только до —26 °С.

Охлажденный раствор направляют в специальные скважины. Циркулируя по ним, он вызывает образование вокруг скважин ледяного столба диаметром до 1,5 м. Если пробурить серию скважин через 1,5—2 м, то образуется сплошная ледяная завеса, под прикрытием которой можно строить. Она сохраняется в грунте до 2— 3 мес.

Замораживание получило широкое распространение. Особенно часто его применяют при строительстве метрополитена.

Но поиски ученых и инженеров продолжаются. А если в истинные плывуны вводить какое-либо вещество для увеличения их прочности?

 

Впервые этот способ применили еще в конце XIX в. сибирские мостовики. Умельцы предложили высыпать в котлован с плывунами ржаную муку. В котлован сбросили пару мешков ржаной муки, перемешали ее с плывуном и оставили стоять до следующего дня. Утром котлован был отрыт до требуемой глубины, и стенки стояли как вкопанные, плывун, к удивлению инженеров, перестал двигаться. После этого в плывуны стали насыпать навоз, древесный уголь и другие вещества и, как правило, получали положительный результат.

 

С тех пор прошло много времени и грунтоведы научились закреплять пески-плывуны введением жидкого стекла. Такой метод получил название силикатизации грунтов (он рассматривается ниже). Используются для этой цели и другие вещества, например карбэмидные смолы. В последнее время получены хорошие результаты закрепления грунтов новым методом — электроплавлением. Он заключается в установке в толще плывунов графитовых электродов. При пропуске через них электрического тока они нагреваются до 2500 °С. Окружающий их песок плавится и спекается, образуя прочную стенку из расплавленной породы. Такое спекание происходит уже через 10 мин после начала пропуска электрического тока. Однако пока этот метод применяется редко, так как он требует большой затраты электроэнергии. Некоторые трудности вызывает сложность погружения электродов.

 

 

 Смотрите также:

 

ЗЫБУЧИЕ ПЕСКИ - подвижная песчаная поверхность, способная...

Зыбучие пески, за несколько минут втягивающие в себя человека чрезвычайно. редко встречаются в мире, многие из них, например в Англии, засыпаны и.

 

Вадим Чернобров. Энциклопедия чудес, загадок и тайн

"Зона тишины". Зыбучие пески. Имплантаторы. Инерцоиды.

 

Энциклопедия чудес, загадок и тайн

"Зона Тишины". Зыбучие Пески. Имплантаторы. Инерцоиды.