Войти
Некоторые эффекты разжижения почвы после землетрясения в Ниигате 1964 года 
Разжижение почвы позволило этой канализации подняться вверх - землетрясение Чуэцу 2004 г. 
Разжижение почвы в Крайстчерче, Новая Зеландия. В результате землетрясения 2011 г. на улице образовался слой мелкого песка. Разжижение почвы происходит, когда насыщенный или частично насыщенный грунт существенно теряет прочность и жесткость в ответ на приложенное напряжение, такое как тряска во время землетрясения или другое внезапное изменение напряженного состояния, при котором материал, который обычно является твердым, ведет себя как жидкость. В механике грунтов термин «разжиженный» впервые был использован Алленом Хазеном в связи с разрушением в 1918 году плотины Калаверас в Калифорнии. Он описал механизм потока разжижения плотины насыпи следующим образом:
Если давление воды в порах достаточно велико, чтобы нести всю нагрузку, она будет иметь эффект разделения частиц и создания условий, которые практически эквивалентны состоянию зыбучих песков … начальное движение некоторой части материала может привести к накоплению давления сначала в одной точке, а затем в другой, последовательно, поскольку первые точки концентрации были разжижены.
Это явление наиболее часто наблюдается в насыщенных, рыхлых (с низкой плотностью или неуплотненных) песчаных почвах. Это связано с тем, что рыхлый песок имеет тенденцию сжимать при приложении нагрузки. Плотные пески, напротив, имеют тенденцию расширяться в объеме или «расширяться ». Если почва насыщена водой, состояние, которое часто возникает, когда почва находится ниже уровня грунтовых вод или уровня моря, тогда вода заполняет промежутки между зернами почвы («поровые пространства»). В ответ на сжатие почвы давление поровой воды увеличивается, и вода пытается вытекать из почвы в зоны низкого давления (обычно вверх по направлению к поверхности земли). Однако, если нагрузка применяется быстро и достаточно большой, или повторяется много раз (например, сотрясение землетрясения, нагрузка штормовой волной), так что вода не вытекает до приложения следующего цикла нагрузки, давление воды может увеличиваться до такой степени, что превышает силу (контактные напряжения ) между зернами почвы, которые удерживают их в контакте. Эти контакты между зернами являются средством, с помощью которого вес зданий и вышележащих слоев почвы переносится с поверхности земли на слои почвы или породы на большей глубине. Эта потеря структуры грунта приводит к потере его прочности (способности передавать напряжение сдвига ), и можно наблюдать, как он течет как жидкость (отсюда и «разжижение»).
Хотя эффекты разжижения почвы были давно изучены, инженеры обратили больше внимания после землетрясения в Ниигате в 1964 году и землетрясения на Аляске в 1964 году. Это было основным фактором разрушений в Сан-Франциско Район Марины во время землетрясения в Лома-Приета в 1989 г. и в Порт Кобе во время Великого Ханьшинского землетрясения 1995 г.. В последнее время разжижение почвы в значительной степени привело к значительному ущербу жилой недвижимости в восточных пригородах и поселках-спутниках Крайстчерч, Новая Зеландия во время Кентерберийского землетрясения 2010 года и, в большей степени, снова после землетрясений в Крайстчерче которые следовали в начале и середине 2011. 28 сентября 2018 г. в провинции Центральный Сулавеси в Индонезии произошло землетрясение магнитудой. В результате разжижения почвы пригород Балароа и деревня Петобо погрузились в грязь глубиной 3 метра. Правительство Индонезии рассматривает возможность обозначить два квартала Балароа и Петобо, которые были полностью засыпаны грязью, в качестве массовых захоронений.
Строительные нормы во многих странах требуют от инженеров учитывать эффекты разжижения грунта при проектировании новых зданий и инфраструктуры, таких как мосты, плотины насыпей и подпорные конструкции.
Разжижение грунта происходит, когда эффективное напряжение (прочность на сдвиг ) грунта уменьшается практически до нуля. Это может быть инициировано либо монотонной нагрузкой (т. Е. Однократным внезапным возникновением изменения напряжения - примеры включают увеличение нагрузки на насыпь или внезапную потерю опоры для пальцев ног), либо циклической нагрузкой (т.е. повторяющиеся изменения в напряженном состоянии - примеры включают волновую нагрузку или землетрясение сотрясение). В обоих случаях грунт в насыщенном рыхлом состоянии и грунт, который может создавать значительное давление поровой воды при изменении нагрузки, с наибольшей вероятностью будут разжижаться. Это связано с тем, что рыхлый грунт имеет тенденцию сжиматься при сдвиге, создавая большое избыточное давление поровой воды, поскольку нагрузка передается от каркаса грунта на соседние поровые воды во время недренированной нагрузки. По мере того, как давление воды в порах увеличивается, происходит постепенная потеря прочности почвы, так как снижается эффективное напряжение. Разжижение более вероятно в песчаных или непластичных илистых почвах, но в редких случаях может происходить в гравии и глинах (см. быстросохнущая глина ).
«Разрушение потока» может начаться, если прочность грунта снизится ниже напряжений, необходимых для поддержания равновесия склона или основания конструкции. Это может произойти из-за монотонной нагрузки или циклической нагрузки, а также может быть внезапным и катастрофическим. Исторический пример - катастрофа в Аберфане. Касагранде называл этот тип явлений «ожижением потока», хотя для этого не требуется состояние нулевого эффективного напряжения.
«Циклическое разжижение» - это состояние грунта, когда в ответ на циклическое нагружение накапливаются большие деформации сдвига. Типичная эталонная деформация для приблизительного возникновения нулевого эффективного напряжения составляет 5% сдвиговой деформации двойной амплитуды. Это определение на основе грунтовых испытаний, обычно выполняемое с помощью циклического трехосного, циклического прямого простого сдвига или циклического торсионного сдвига. Эти испытания проводятся для определения сопротивления грунта разжижению путем наблюдения за количеством циклов нагружения при определенной амплитуде напряжения сдвига, необходимой для возникновения «разрушения». Разрушение здесь определяется вышеупомянутыми критериями деформации сдвига.
Термин «циклическая подвижность» относится к механизму постепенного снижения эффективного напряжения из-за циклической нагрузки. Это может происходить на всех типах почв, включая плотные. Однако при достижении состояния нулевого эффективного напряжения такие почвы немедленно расширяются и восстанавливают прочность. Таким образом, деформации сдвига значительно меньше, чем при истинном состоянии разжижения грунта.
Разжижение более вероятно в рыхлых и умеренно насыщенных зернистых почвах с плохим дренажом, таких как илистые пески или пески и гравий, содержащий непроницаемые отложения. Во время волнового нагружения, обычно циклического недренированного нагружения, например сейсмическая нагрузка, рыхлые пески имеют тенденцию уменьшаться в объеме, что приводит к увеличению их давления поровой воды и, как следствие, к снижению прочности на сдвиг, то есть снижение эффективного напряжения.
Отложения, наиболее подверженные разжижению, - это молодые (голоценовые возрастные, отложенные в течение последних 10 000 лет) пески и илы с аналогичной зернистостью. размер (хорошо отсортированный), в пластах толщиной не менее метров и насыщенных водой. Такие отложения часто встречаются вдоль русел ручьев, пляжей, дюн и мест, где накапливаются переносимые ветром ил (лёсс ) и песок. Примеры разжижения грунта включают зыбучие пески, плывучую глина, течения мутности и разжижение, вызванное землетрясением.
В зависимости от исходного коэффициента пустотности, грунтовый материал может реагировать на нагрузку либо деформационным размягчением, либо деформационным упрочнением. Деформационно-размягченные почвы, например рыхлые пески, могут вызвать обрушение, монотонно или циклически, если статическое напряжение сдвига больше, чем предельная или установившаяся прочность на сдвиг грунта. В этом случае происходит разжижение потока, когда грунт деформируется при низком постоянном остаточном напряжении сдвига. Если почва затвердела, например песок от умеренно плотного до плотного, разжижения потока обычно не происходит. Однако циклическое размягчение может происходить из-за циклической недренированной нагрузки, например землетрясение. Деформация при циклическом нагружении зависит от плотности грунта, величины и продолжительности циклического нагружения, а также величины изменения напряжения сдвига на противоположное. Если происходит реверсирование напряжения, эффективное напряжение сдвига может достигнуть нуля, позволяя происходить циклическое разжижение. Если не происходит реверсирования напряжения, нулевое эффективное напряжение не может возникнуть и имеет место циклическая подвижность.
Сопротивление несвязного грунта разжижению будет зависеть от плотности грунта, ограничивающих напряжений, структуры грунта (ткани, возраст и цементация ), величина и продолжительность циклического нагружения, а также степень, в которой происходит изменение напряжения сдвига.
Песчаные кипы, извергавшиеся во время Землетрясение в Крайстчерче 2011 г..Давление, возникающее во время сильных землетрясений, может вытолкнуть подземные воды и жидкий песок на поверхность. Это можно наблюдать на поверхности как эффекты, известные альтернативно как «песчаные кипения », «песчаные удары» или «песчаные вулканы ». Такие деформации грунта при землетрясении можно отнести к категории первичных деформаций, если они расположены на разорванном разломе или рядом с ним, или распределенной деформации, если они расположены на значительном расстоянии от разлома.
Карта восприимчивости к разжижению - выдержка из USGS карта области залива Сан-Франциско. Многие проблемные области в этом регионе также густо урбанизированы.Другим распространенным наблюдением является нестабильность земли - растрескивание и перемещение земли по склону или к неподдерживаемым краям рек, ручьев или побережья. Такое разрушение грунта называется «боковым растеканием» и может происходить на очень пологих склонах с углами всего в 1 или 2 градуса от горизонтали.
Одним из положительных аспектов разжижения почвы является тенденция к значительному демпфированию (уменьшению) воздействия землетрясения на оставшуюся часть землетрясения. Это связано с тем, что жидкости не выдерживают напряжения сдвига, и поэтому, когда грунт разжижается из-за сотрясений, последующие сотрясения землетрясения (передаваемые через землю посредством поперечных волн ) не передаются зданиям на поверхность земли.
Изучение особенностей разжижения, оставленных доисторическими землетрясениями, называемое палеосейсмологией или палеосейсмологией, может выявить информацию о землетрясениях, которые произошли до того, как были сохранены записи или были сделаны точные измерения.
Разжижение почвы, вызванное землетрясением, является основным фактором городского сейсмического риска.
Эффекты бокового распространения (Ривер-роуд в Крайстчерче после землетрясения в Крайстчерче в 2011 году )
Повреждения в Бруклендс от землетрясения в Кентербери 2010, где плавучесть, вызванная разжижением почвы, подтолкнула подземное сооружение, включая этот люк Эффекты разжижения почвы на застроенную среду может быть чрезвычайно разрушительным. Здания, фундамент которых опирается непосредственно на песок, который разжижается, испытают внезапную потерю опоры, что приведет к резкому и неравномерному оседанию здания, вызывающему структурные повреждения, включая растрескивание фундамента и и повреждение конструкции здания или оставление конструкции в нерабочем состоянии, даже без повреждения конструкции. Там, где между фундаментом здания и разжиженным грунтом существует тонкая корка из несжиженного грунта, может произойти разрушение фундамента по типу «пробивного сдвига». Нерегулярная осадка может привести к выходу из строя подземных коммуникаций. Восходящее давление, создаваемое движением разжиженного грунта через слой корки, может привести к трещинам в слабых фундаментных плитах и проникнуть в здания через служебные каналы, а также может позволить воде повредить содержимое здания и электрические сети.
Мосты и большие здания, построенные на свайном фундаменте, могут потерять поддержку со стороны прилегающего грунта и прогибаться или остановиться при наклоне.
Наклонная земля и земля рядом с реками и озерами могут скользить по слою разжиженной почвы (так называемое «боковое распространение»), открывая большие трещины в земле, и могут нанести значительный ущерб зданиям, мостам, дороги и услуги, такие как вода, природный газ, канализация, электричество и телекоммуникации, проложенные на пораженной территории. Закопанные резервуары и люки могут плавать в разжиженном грунте из-за плавучести. Земляные насыпи, такие как паводковые дамбы и земляные дамбы, могут потерять устойчивость или обрушиться, если материал, из которого состоит насыпь или ее фундамент, разжижается.
С течением геологического времени разжижение почвенного материала в результате землетрясений может привести к образованию плотного материнского материала, в котором фрагипан может развиваться в результате почвообразования.
Методы смягчения последствий были разработаны инженерами по землетрясениям и включают различные методы уплотнения почвы, такие как виброуплотнение (уплотнение почвы глубинными вибраторами), динамическое уплотнение, и колонны из вибро-камня. Эти методы уплотняют почву и позволяют зданиям избежать разжижения почвы.
Существующие здания могут быть смягчены путем впрыскивания раствора в почву для стабилизации слоя почвы, подверженного разжижению.
Зыбучие пески образуются, когда вода насыщает участок рыхлого песка и песок встряхивается. Когда вода, застрявшая в куске песка, не может выйти, она создает разжиженную почву, которая больше не может сопротивляться силе. Зыбучие пески могут образовываться стоячей или (восходящей) подземной водой (как из подземного источника) или землетрясениями. В случае протекания подземных вод сила водного потока противодействует силе тяжести, в результате чего песчинки становятся более плавучими. В случае землетрясений сила сотрясения может увеличить давление неглубоких грунтовых вод, разжижающих песчинок и иловых отложений. В обоих случаях разжиженная поверхность теряет прочность, в результате чего здания или другие объекты на этой поверхности опускаются или падают.
Насыщенный осадок может казаться довольно твердым до тех пор, пока изменение давления или толчок не инициируют разжижение, в результате чего песок образует суспензию, каждая крупинка которой окружена тонкой пленкой воды. Такая амортизация придает зыбучий песок и другие жидкие отложения губчатую текучую текстуру. Объекты в разжиженном песке опускаются до уровня, на котором вес объекта равен весу вытесненной смеси песка и воды, и объект плавает из-за своей плавучести.
Быстрая глина, известная как Leda Clay в Канада, представляет собой насыщенный водой гель, который в своей твердой форме напоминает высокочувствительную глину. Эта глина имеет тенденцию переходить из относительно жесткого состояния в жидкую массу, когда ее нарушают. Это постепенное изменение внешнего вида от твердого до жидкого - процесс, известный как спонтанное разжижение. Глина сохраняет твердую структуру, несмотря на высокое содержание воды (до 80% по объему), поскольку поверхностное натяжение удерживает вместе покрытые водой хлопья глины. Когда конструкция разрушается ударом или достаточным сдвигом, она переходит в жидкое состояние.
Быстрая глина встречается только в северных странах, таких как Россия, Канада, Аляска в США, Норвегия, Швеция и Финляндия, которые были покрыты оледенением в эпоху плейстоцена.
Невысокая глина была основной причиной многих смертоносных оползней. Только в Канаде с ним связано более 250 нанесенных на карту оползней. Некоторые из них являются древними и могли быть вызваны землетрясениями.
Подводные оползни - мутные течения, которые состоят из водонасыщенных отложений, текущих вниз по склону. Пример произошел во время землетрясения 1929 г. в Гранд-Бэнксе, которое поразило континентальный склон у побережья Ньюфаундленда. Через несколько минут трансатлантические телефонные кабели начали последовательно обрываться, все дальше и дальше вниз по склону, от эпицентра. Всего было перерезано 12 кабелей в 28 местах. Для каждого перерыва записывалось точное время и место. Исследователи предположили, что подводный оползень со скоростью 60 миль в час (100 км / ч) или поток мутности водонасыщенных отложений пронеслись на 400 миль (600 км) вниз по континентальному склону от эпицентра землетрясения.
60>Разжижение почвы на Wikimedia Commons
