Оседание в гавани Лонг-Бич, где площадь шириной несколько километров вдоль побережья опустилась до 9 м со скоростью до 40 см/год, обусловлено добычей нефти; оседание территории г. Ниигата со скоростью до 50 см/год — результат добычи газа, как и оседание дельты р. По, где из 900 скважин ежегодно добывали 190 млн. м3 метана.
Со значительной скоростью — до 11 см/год — опускается итальянский г. Равенна, воспетый в стихах Данте. Если скорость оседания не замедлить, через непродолжительное время воды Адриатики затопят город. Уже сейчас вода проникает в подвалы зданий; в церкви Сан-Франческо мозаичный пол лежит под метровым слоем воды. Скорость оседания поверхности возросла здесь в 30 раз после того, как рядом со старым городом возник новый промышленный центр. Предприятия забирают из скважин ежесекундно 500 л воды. Одновременно идет значительная добыча метана: с пляжа Равенны видна цепь вышек над скважинами, из которых газ по трубам подается промышленным предприятиям.
В чем же сущность явления оседания земной поверхности?
В газетах иногда пишут, что оседание земли связано с образованием подземных пустот. Это неверно. Причиной оседания поверхности земли является сжатие толщи грунта. Оно происходит вследствие уменьшения взвешивающей силы при понижении уровня (напора) воды, нефти или газа.
Для пояснения этого явления рассмотрим упрощенную модель (рис. 64). Интересующие нас свойства грунтовой толщи — ее вес и сжимаемость — изобразим в виде груза, лежащего на пружине. Поместим эту систему в сосуд с водой и вспомним закон Архимеда. На затопленный груз действует выталкивающая сила, а на пружину давит вес груза за вычетом выталкивающей силы. Теперь отольем часть воды, понизим ее уровень на глубину hВ. Груз затоплен не полностью, выталкивающая сила уменьшилась, а следовательно, сила, действующая на пружину, увеличилась. Под воздействием этой добавочной нагрузки (она равна разности выталкивающих сил до и после понижения уровня воды) пружина сжимается и груз опускается на глубину hД. Это и есть оседание поверхности.
Реальность, конечно, сложнее и многообразнее этой простой схемы. Процесс оседания поверхности зависит от очень многих факторов, в первую очередь — от геологического строения территории и ее гидрогеологических условий.
Ближе всего к рассмотренной модели случай, когда понижение уровня подземных вод происходит в сравнительно однородной толще грунта, заключающей в себе единый водоносный горизонт (рис.65, а). В этих условиях откачка воды приводит к образованию депрессионной воронки, внутри которой происходит осушение грунта. Вода отфильтровывается из пор и каждая грунтовая частица освобождается от взвешивающего давления воды. «Тяжелеет» весь осушенный грунт в пределах депрессионной воронки и под этой нагрузкой происходит его сжатие.
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.
