Быстротекучая глина , также известная как глина Леда и глина моря Шамплейн в Канаде , является одной из нескольких отчетливо чувствительных глин ледникового происхождения, встречающихся в Канаде, Норвегии, России, Швеции, Финляндии, США и других местах по всему миру. [1] [2] [3] Глина настолько нестабильна, что когда масса быстротекучей глины подвергается достаточному напряжению, поведение материала может резко измениться от поведения частиц до поведения водянистой жидкости. Оползни происходят из-за внезапного разжижения почвы, вызванного внешними воздействиями, такими как вибрации, вызванные землетрясением или обильными ливнями . [1] [2] [3]
Быстрая глина встречается только в странах, близких к Северному полюсу , таких как Россия , Канада , Норвегия , Швеция и Финляндия , а также на Аляске ( США ), поскольку они были покрыты оледенением в эпоху плейстоцена . В Канаде глина связана в первую очередь с морем Шамплейн эпохи плейстоцена , в современных районах Оттавской долины , долины Св. Лаврентия и реки Сагеней . [4]
Быстрая глина была основной причиной многих смертоносных оползней . Только в Канаде она была связана с более чем 250 нанесенными на карту оползнями. Некоторые из них древние и могли быть вызваны землетрясениями. [5]
Быстротвердеющая глина имеет прочность после формовки, которая намного меньше прочности при первоначальной нагрузке. Это вызвано ее крайне нестабильной структурой частиц глины.
Быстрая глина изначально откладывается в морской среде. Частицы глинистых минералов всегда заряжены отрицательно из-за наличия постоянных отрицательных зарядов и зависящих от pH зарядов на их поверхности. Из-за необходимости соблюдать электронейтральность и чистый нулевой электрический зарядный баланс эти отрицательные электрические заряды всегда компенсируются положительными зарядами, создаваемыми катионами (такими как Na + ), адсорбированными на поверхности глины или присутствующими в воде пор глины. Обменные катионы присутствуют в прослойках глинистых минералов и на внешних базальных плоскостях глинистых пластинок. Катионы также компенсируют отрицательные заряды на краях глинистых частиц, вызванные протолизом силанольных и алюминольных групп ( зависящих от pH зарядов). Таким образом, глинистые пластинки всегда окружены двойным электрическим слоем (EDL) или диффузным двойным слоем (DDL). [6] Толщина EDL зависит от солености воды. В соленых условиях (при высокой ионной силе ) EDL сжимается (или, как говорят, разрушается). Он способствует агрегации пластинок глины, которые флокулируют и склеиваются в более стабильную структуру агрегатов. После того, как морские глинистое месторождение поднимается и больше не подвергается воздействию соленой воды, дождевая вода может медленно просачиваться в плохо уплотненный слой глины, а избыток NaCl, присутствующий в морской воде, также может диффундировать из глины. В результате EDL менее сжат и может расширяться. Это приводит к более сильному электростатическому отталкиванию между отрицательно заряженными пластинками глины, которые могут легче диспергироваться и образовывать стабильные суспензии в воде ( явление пептизации ). Эффект приводит к дестабилизации структуры агрегатов глины.
В случае недостаточного механического уплотнения глинистого слоя и при сдвиговом напряжении более слабое сжатие EDL солями в быстрой глине приводит к отталкиванию частиц глины и их перегруппировке в более слабую и нестабильную структуру. Быстро восстанавливает прочность быстро при повторном добавлении соли (сжатие EDL), что позволяет частицам глины восстановить свою связь друг с другом.
В разгар прошлого оледенения (около 20 000 лет назад) земля была «вытолкнута» вниз тяжестью льда ( изостатическая депрессия ). Вся измельченная порода была отложена в окружающем океане, который проник вглубь суши. Рыхлое отложение ила и глинистых частиц в морской среде позволило произойти необычной флокуляции . По сути, это сформировало прочно связанный скелет почвы, который был «склеен» высокоподвижными ионами морской соли. [6]
На этом этапе происходило только формирование очень прочной морской глины , которая встречается во всем мире и отличается высокой стабильностью, но имеет свои уникальные геотехнические проблемы. Когда ледники отступили, масса суши поднялась ( послеледниковый отскок ), глина обнажилась и образовала почвенную массу для новой растительности. Дождевая вода в этих северных странах была довольно агрессивной по отношению к этим глинам, возможно, потому, что она была мягче (содержала меньше кальция), или более высокое содержание ила позволяло проникать большему количеству дождевой воды и талых снегов. Конечным результатом было то, что ионный «клей» глины был ослаблен, что дало слабый, рыхлый скелет почвы, заключающий в себе значительное количество воды (высокая чувствительность при высоком содержании влаги).
Быстрые глинистые отложения редко располагаются непосредственно на поверхности земли, но обычно покрыты обычным слоем верхнего слоя почвы. Хотя этот верхний слой почвы может поглощать большинство обычных напряжений, таких как обычные осадки или умеренное землетрясение, толчок, который превышает возможности верхнего слоя почвы — например, более сильное землетрясение, большая масса, добавленная вблизи склона, или аномальные осадки, которые оставляют верхний слой почвы полностью насыщенным, так что дополнительной воде некуда просачиваться, кроме как в глину — может нарушить глину и инициировать процесс разжижения.
Поскольку слой глины обычно покрыт верхним слоем почвы, место, уязвимое для быстрого оползня глины, обычно можно определить только путем тестирования почвы , и оно редко очевидно для случайного наблюдателя. Таким образом, человеческие поселения и транспортные пути часто строились на или вблизи отложений глины, что привело к ряду заметных катастроф:
Эти оползни являются регрессивными , то есть они обычно начинаются у воды и продвигаются вверх с медленной скоростью ходьбы, хотя особенно глубокие быстрые слои глины на склонах могут обрушиться гораздо быстрее или очень большими кусками, которые могут скользить с большой скоростью из-за жидкой природы нарушенной глины. Известно, что они проникают на километры вглубь суши и поглощают все на своем пути. [4]
В наше время районы, известные наличием быстрых залежей глины, обычно проверяются перед любым крупным человеческим развитием. Не всегда возможно полностью избежать строительства на участке быстрой глины, хотя современные инженерные технологии нашли технические меры предосторожности, которые можно предпринять для снижения риска катастрофы. Например, когда шоссе 416 в Онтарио должно было пройти через месторождение быстрой глины около Непина , для дорожного полотна использовались более легкие материалы-заполнители, такие как полистирол , вдоль маршрута были вставлены вертикальные фитильные дренажи , а под шоссе были построены стены-отсекатели грунтовых вод , чтобы ограничить просачивание воды в глину. [17]