11. Пульсации грунта в зонах тектонического нарушения и следствия из этого явления
Сравнительно недавно ученые УрАН РФ с помощью средств космической геодезии обнаружили, что грунт в ЗТН находится в состоянии постоянной пульсации [6]. Амплитуда этой пульсации достигает 10 см. Когда я об этом рассказываю, то первый вопрос, который при этом обычно возникает, касается частоты этой пульсации. Но, к сожалению, те исследования, результатом которых явилась эта информация, не позволяют определить частоту пульсации.
Дело в том, что сами измерения осуществляются с помощью специальной высокоточной аппаратуры GPS, позволяющей определять координаты собственной антенны с точностью до 1 мм. Так вот, в ЗТН местонахождение этой антенны не может быть определено с этой точностью. Погрешность измерений при размещении антенны в ЗТН резко увеличивается с 1 мм до 10 см. Это значит, что местонахождение антенны в ходе одного измерения (которое длится несколько часов) изменялось (относительно спутников) на величину, достигающую 10 см. А поскольку при повторении этих измерений повторяются и их результаты, то не остается ничего другого, как предположить наличие постоянно происходящих колебаний грунта.
Этот факт вначале никак не мог быть принят, так как если грунт является твердой средой, то резкого изменения погрешности при плавном смещении антенны в зону тектонического нарушения быть не должно. Разгадка этого феномена пришла после того как выяснилось, что грунт в ЗТН является не твердой средой, а тем, что иногда называют твердой жидкостью.
Наличие же этой пульсации позволило понять целый ряд явлений.
В первую очередь, это необычайно сокрушительное воздействие ЗТН на инженерные сооружения. Скажем, на трубопроводы. Казалось бы, если грунт в ЗТН имеет пониженную несущую способность, то трубопроводы, пересекающие эти зоны, должны только провиснуть. Однако на самом деле, трубопроводы в этих зонах, имеют тенденцию к разрыву. Скажем иначе. Подавляющее большинство аварий на трубопроводах (а их количество в России составляет более 80 тысяч в год) происходит в ЗТН. Сейчас, после открытия уральскими учеными пульсации грунта в ЗТН, стала понятна физика такого поведения трубопроводов в этих зонах.
В самом деле, если представить себе, что один и тот же трубопровод за пределами ЗТН находится в неподвижном состоянии, а в ЗТН подвергается постоянным знакопеременным динамическим воздействиям со стороны грунта, в котором он находится, то станет понятно, что бесконечно долго выдерживать такое насилие трубопровод не сможет. Естественно, что при этом начнется развитие микротрещиноватости, которое завершится разрывом трубы.
С трубопроводами происходит еще одно очень интересное явление, обусловленное пульсацией грунта.
При прокладке трубопроводов, время от времени их неизбежно приходится укладывать поперек рек. Для этого по трассе трубопровода прокладывают по дну реки траншею. В эту траншею укладывают трубу и заваливают ее балластом - мешками с цементом и песком, бетонными блоками и т.п., - чтобы не всплыла. И тем не менее - всплывает. Почти всегда и повсеместно. А всплывая, труба подвергается воздействию течением реки, и время от времени происходит ее разрыв. Со всеми вытекающими из этого последствиями для экологии.
Отчего так происходило, почему такой тяжелый балласт смывается с трубы течением - было неясно. Для того, чтобы труба не всплывала, изменили технологию. Теперь вместо того, чтобы прорывать траншею, делают под дном реки горизонтальное бурение, куда заталкивают трубопровод. Но, увы, трубы, проложенные по новой технологии, все равно всплывают. Объяснить это оказалось очень просто с позиций материала настоящего раздела. В самом деле, ведь пересекая под дном реку, труба пересекает ЗТН, а следовательно, проходит под дном в зоне, в которой грунт находится в состоянии постоянной пульсации. Труба при этом не может пульсировать точно так же, как пульсирует грунт, так как она опирается о грунт за пределами ЗТН. Следовательно, грунт как бы трется о трубу, за счет этого рыхлится и, стало быть, вымывается водой. Ну, а поскольку труба обладает положительной плавучестью, то не всплыть она не может.
И если труба проложена не в траншее, а в скважине, то это ничего не меняет. Все равно, породы под руслом, и так рыхлые в силу свойств ЗТН, находятся в состоянии постоянной пульсации, и дополнительное их рыхление от трения об трубу обеспечит тот же самый эффект.
Как оказалось, этот эффект пульсации определяет состояние также и рельсовых путей. В самом деле, ведь рельсы, пересекающие ЗТН, оказываются в очень сложных по характеру нагрузок условиях. С одной стороны, они прикреплены костылями к шпалам, которые пульсируют вместе с грунтом, а с другой, рельсы не могут так же двигаться, поскольку их от этого удерживают непульсирующие их продолжения. В результате, в ЗТН, в отверстиях в рельсах, через которые проходят костыли, возникают трещины. Что, естественно, снижает прочность рельсового пути в ЗТН. И действительно, как показали работы ученых ОАО "Авионика" [7], трещины в рельсах, в зонах крепления их к шпалам, обычно привязаны к определенным участкам пути. И когда рельсы с трещинами меняют на новые, то через некоторое время в них опять, примерно в тех же местах возникают трещины.
Постоянная подвижность в ЗТН грунта и горных пород в целом, имеет своим следствием то, что при проектирования инженерных сооружений в этих зонах нельзя ограничиваться расчетами на статическое нагружение. Кроме того, эта подвижность объясняет то, что в ЗТН грунт ведет себя как зыбучие пески, засасывая в себя любые сооружения.
