Разжижение почвы происходит, когда несвязный насыщенный или частично насыщенный грунт существенно теряет прочность и жесткость в ответ на приложенное напряжение , такое как сотрясение во время землетрясения или другое внезапное изменение напряженного состояния, при котором материал, который обычно является твердым, ведет себя как жидкость. В механике грунтов термин «сжиженный» впервые был использован Алленом Хейзеном [1] в связи с разрушением плотины Калаверас в Калифорнии в 1918 году . Он описал механизм сжижения потока насыпной плотины следующим образом:
Если давление воды в порах достаточно велико, чтобы выдержать всю нагрузку, это будет иметь эффект разделения частиц и создания состояния, практически эквивалентного состоянию зыбучего песка ... первоначальное движение некоторой части материала может привести к накоплению давления сначала в одной точке, а затем последовательно в другой, поскольку ранние точки концентрации были разжижены.
Явление чаще всего наблюдается в насыщенных, рыхлых (малой плотности или неуплотненных) песчаных почвах. Это связано с тем, что рыхлый песок имеет тенденцию сжиматься 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 поровое давление воды увеличивается, и вода пытается вытечь из почвы в зоны низкого давления (обычно вверх, к поверхности земли). Однако если нагрузка применяется быстро и достаточно велика или повторяется много раз (например, землетрясение, нагрузка от штормовой волны), так что вода не вытекает до приложения следующего цикла нагрузки, давление воды может возрасти до в той степени, в которой она 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, находящиеся на большей глубине. Эта потеря структуры почвы приводит к тому, что она теряет свою прочность (способность переносить напряжение сдвига ), и можно наблюдать, как она течет как жидкость (отсюда и «разжижение»).
Хотя последствия разжижения почвы давно понятны, инженеры обратили на это больше внимания после землетрясения на Аляске 1964 года и землетрясения в Ниигате 1964 года . Это стало основной причиной разрушений, произошедших в районе Марина Сан-Франциско во время землетрясения в Лома Приета в 1989 году и в порту Кобе во время Великого землетрясения Хансин в 1995 году . Совсем недавно разжижение почвы было главным образом ответственным за значительный ущерб жилой недвижимости в восточных пригородах и поселках-спутниках Крайстчерча во время землетрясения в Кентербери в 2010 году [2] и еще более масштабного ущерба после землетрясений в Крайстчерче, которые последовали в начале и середине 2011 года . [3] 28 сентября 2018 года в провинции Центральный Сулавеси в Индонезии произошло землетрясение магнитудой 7,5 . В результате разжижения почвы пригород Балароа и деревня Петобо оказались засыпаны грязью на глубину 3 метра (9,8 фута). Правительство Индонезии рассматривает возможность объявления двух районов Балароа и Петобо, полностью засыпанных грязью, массовыми могилами. [4]
Строительные нормы и правила во многих странах требуют, чтобы инженеры учитывали последствия разжижения почвы при проектировании новых зданий и инфраструктуры, таких как мосты, насыпные плотины и подпорные конструкции. [5] [6] [7]
Разжижение почвы происходит, когда эффективное напряжение ( прочность на сдвиг ) почвы снижается практически до нуля. Это может быть инициировано либо монотонной нагрузкой (т. е. однократным внезапным изменением нагрузки – примеры включают увеличение нагрузки на насыпи или внезапную потерю опоры для пальцев ног), либо циклической нагрузкой (т. е. повторяющимися изменениями состояния нагрузки – примеры включают волновую нагрузку или землетрясение ). В обоих случаях с наибольшей вероятностью разжижается почва, находящаяся в насыщенном рыхлом состоянии и почва, которая может создавать значительное давление поровой воды при изменении нагрузки. Это связано с тем, что рыхлая почва имеет тенденцию сжиматься при сдвиге, создавая большое избыточное давление поровой воды , поскольку нагрузка передается от скелета почвы к прилегающей поровой воде во время недренированной нагрузки. По мере повышения порового давления воды происходит прогрессирующая потеря прочности грунта, поскольку эффективное напряжение снижается. Разжижение чаще происходит в песчаных или непластичных илистых почвах, но в редких случаях может происходить в гравии и глинах (см. неуплотненную глину ).
«Нарушение потока» может начаться, если прочность грунта упадет ниже напряжений, необходимых для поддержания равновесия склона или основания конструкции. Это может произойти из-за монотонной или циклической нагрузки и может быть внезапным и катастрофическим. Исторический пример – катастрофа в Аберфане . Касагранде [8] назвал этот тип явлений «сжижением потока», хотя для этого не требуется состояние нулевого эффективного напряжения.
«Циклическое разжижение» — это состояние почвы, когда в ответ на циклическую нагрузку накапливаются большие деформации сдвига. Типичная эталонная деформация для приблизительного возникновения нулевого эффективного напряжения составляет 5% сдвиговую деформацию двойной амплитуды. Это определение, основанное на испытаниях почвы, обычно выполняемое с помощью аппаратов циклического трехосного , циклического прямого простого сдвига или циклического торсионного сдвига . Эти испытания проводятся для определения устойчивости грунта к разжижению путем наблюдения за количеством циклов нагрузки при определенной амплитуде напряжения сдвига, необходимой для возникновения «провала». Разрушение здесь определяется вышеупомянутыми критериями деформации сдвига.
Термин «циклическая подвижность» относится к механизму постепенного снижения эффективного напряжения из-за циклической нагрузки. Это может произойти на всех типах почв, включая плотные. Однако при достижении состояния нулевого эффективного напряжения такие грунты сразу же расширяются и восстанавливают прочность. Таким образом, деформации сдвига значительно меньше истинного состояния разжижения грунта.
Разжижение чаще происходит в рыхлых и умеренно насыщенных зернистых почвах с плохим дренажем , таких как илистые пески или пески и гравий , содержащие непроницаемые отложения . [9] [10] Во время волнового нагружения , обычно циклического недренированного нагружения, например, сейсмического нагружения , рыхлые пески имеют тенденцию уменьшаться в объеме , что приводит к увеличению давления поровой воды и, следовательно, к уменьшению прочности на сдвиг , т.е. к уменьшению эффективного напряжения .
Отложениями, наиболее подверженными разжижению, являются молодые ( голоценового возраста, отложившиеся в течение последних 10 000 лет) пески и илы одинакового размера зерен (хорошо отсортированные), расположенные в пластах толщиной не менее нескольких метров и насыщенные водой. Такие отложения часто встречаются вдоль русел ручьев , пляжей , дюн и мест, где скопился переносимый ветром ил ( лёсс ) и песок. Примеры разжижения почвы включают зыбучие пески , зыбучие глины, мутные потоки и разжижение, вызванное землетрясениями.
В зависимости от исходного коэффициента пустотности материал грунта может реагировать на нагрузку либо деформационным размягчением, либо деформационным упрочнением. Размягченные деформациями грунты, например, рыхлые пески, могут вызвать разрушение монотонно или циклически, если статическое напряжение сдвига превышает предельную или установившуюся прочность грунта на сдвиг. В этом случае происходит разжижение потока , при котором грунт деформируется при низком постоянном остаточном напряжении сдвига. Если почва деформационно-твердеет, например, от умеренно плотного до плотного песка, разжижения потока обычно не происходит. Однако циклическое размягчение может происходить из-за циклических недренируемых нагрузок, например, при землетрясении. Деформация при циклическом нагружении зависит от плотности грунта, величины и продолжительности циклического нагружения, а также степени изменения напряжения сдвига. Если произойдет изменение направления напряжения, эффективное напряжение сдвига может достичь нуля, что приведет к циклическому разжижению. Если реверс напряжения не происходит, нулевое эффективное напряжение не может возникнуть и имеет место циклическая подвижность. [11]
Сопротивление несвязного грунта разжижению будет зависеть от плотности грунта, удерживающих напряжений, структуры грунта (ткани, возраста и цементации ), величины и продолжительности циклической нагрузки, а также степени, в которой происходит изменение напряжения сдвига. [12]
Для оценки потенциала сжижения с использованием упрощенного эмпирического метода необходимы три параметра :
Давление, возникающее во время сильных землетрясений, может вытолкнуть подземные воды и жидкий песок на поверхность. Это можно наблюдать на поверхности в виде эффектов, известных также как « кипение песка », «песчаные удары» или « песчаные вулканы ». Такие деформации грунта при землетрясении можно классифицировать как первичную деформацию, если она расположена на разрывном разломе или вблизи него, или распределенную деформацию, если он расположен на значительном расстоянии от разрывного разлома. [18] [19]
Другим распространенным явлением является нестабильность почвы – растрескивание и движение земли вниз по склону или к неподдерживаемым краям рек, ручьев или побережья. Такое разрушение грунта называется «боковым растеканием» и может произойти на очень пологих склонах с углами всего 1 или 2 градуса к горизонтали.
Одним из положительных аспектов разжижения почвы является тенденция к значительному ослаблению ( уменьшению) последствий землетрясения до конца землетрясения. Это связано с тем, что жидкости не выдерживают напряжения сдвига , и поэтому, когда почва разжижается из-за тряски, последующее землетрясение (передаваемое через землю поперечными волнами ) не передается зданиям на поверхности земли.
Исследования особенностей разжижения, оставленных доисторическими землетрясениями, называемые палеоразжижением или палеосейсмологией , могут выявить информацию о землетрясениях, которые произошли до того, как были сохранены записи или были проведены точные измерения. [20]
Разжижение почвы, вызванное землетрясением, является основным фактором сейсмического риска в городах .
Воздействие разжижения почвы на застроенную среду может быть чрезвычайно разрушительным. Здания, фундамент которых опирается непосредственно на разжижающийся песок, внезапно потеряют опору, что приведет к резкой и неравномерной осадке здания, вызывающей структурные повреждения, включая растрескивание фундамента и повреждение конструкции здания, или даже выход конструкции из строя. без структурных повреждений. Если между фундаментом здания и разжиженным грунтом существует тонкая корка неразжиженного грунта, может произойти разрушение фундамента типа «пробивного сдвига». Неправильная застройка может привести к нарушению подземных коммуникаций. Восходящее давление, создаваемое движением разжиженного грунта через слой корки, может расколоть слабые фундаментные плиты и проникнуть в здания через служебные каналы, а также может позволить воде повредить содержимое здания и электрооборудование.
Мосты и большие здания, построенные на свайных фундаментах, могут потерять поддержку со стороны прилегающей почвы и прогнуться или остановиться при наклоне.
Наклонная земля и земля рядом с реками и озерами могут скользить по слою разжиженной почвы (так называемое «боковое растекание»), [21] открывая большие трещины в земле , и могут нанести значительный ущерб зданиям, мостам, дорогам и службам, таким как вода, природные ресурсы. газ, канализация, электричество и телекоммуникации проложены на пострадавшей территории. Закопанные резервуары и люки могут плавать в разжиженном грунте из-за плавучести . [21] Земляные насыпи, такие как паводковые дамбы и земляные плотины, могут потерять устойчивость или обрушиться, если материал, из которого состоит насыпь или ее фундамент, разжижается.
С течением геологического времени разжижение почвенного материала из-за землетрясений может образовать плотный материнский материал, в котором фрагипан может развиваться в результате педогенеза. [22]
Методы смягчения последствий землетрясений были разработаны инженерами по землетрясениям и включают в себя различные методы уплотнения грунта , такие как виброуплотнение (уплотнение грунта глубинными вибраторами), динамическое уплотнение и виброкаменные колонны . [23] Эти методы уплотняют почву и позволяют зданиям избежать разжижения почвы. [24]
Существующие здания можно смягчить, закачивая в почву раствор для стабилизации слоя почвы, подверженного разжижению. Другой метод, называемый IPS (индуцированное частичное насыщение), теперь можно применять в больших масштабах. При этом методе снижается степень насыщения почвы.
Зыбучий песок образуется, когда вода насыщает участок рыхлого песка и песок перемешивается. Когда вода, попавшая в порцию песка, не может выйти наружу, она образует разжиженную почву, которая больше не может сопротивляться силе. Зыбучие пески могут образоваться в результате стоячих или (вверх) текущих подземных вод (например, из подземного источника) или в результате землетрясений. В случае протекания подземных вод сила потока воды противодействует силе тяжести, в результате чего гранулы песка становятся более плавучими. В случае землетрясений сила тряски может увеличить давление неглубоких грунтовых вод, разжижая отложения песка и ила. В обоих случаях разжиженная поверхность теряет прочность, в результате чего здания или другие объекты на этой поверхности тонут или падают.
Насыщенный осадок может казаться довольно твердым до тех пор, пока изменение давления или удар не инициирует разжижение, в результате чего песок образует суспензию, в которой каждое зерно окружено тонкой пленкой воды. Эта амортизация придает зыбучим пескам и другим жидким отложениям губчатую, текучую текстуру. Предметы в разжиженном песке опускаются до уровня, на котором вес предмета равен весу вытесненной смеси песка и воды, и предмет плавает за счет своей плавучести .
Быстрая глина, известная в Канаде как Leda Clay , представляет собой насыщенный водой гель , который в твердом виде напоминает высокочувствительную глину . Эта глина имеет тенденцию переходить из относительно жесткого состояния в жидкую массу, если ее потревожить. Это постепенное изменение внешнего вида от твердого состояния к жидкому представляет собой процесс, известный как самопроизвольное разжижение. Глина сохраняет твердую структуру, несмотря на высокое содержание воды (до 80% по объему), поскольку поверхностное натяжение удерживает вместе покрытые водой хлопья глины. Когда структура разрушается в результате удара или достаточного сдвига, 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 льдом в эпоху плейстоцена .
Быстрая глина была основной причиной многих смертоносных оползней . Только в Канаде это связано с более чем 250 нанесенными на карту оползнями. Некоторые из них древние и, возможно, возникли в результате землетрясений. [25]
Подводные оползни представляют собой мутные потоки и состоят из водонасыщенных осадков, стекающих вниз по склону. Пример произошел во время землетрясения в Гранд-Бэнксе в 1929 году , которое поразило континентальный склон у побережья Ньюфаундленда . Через несколько минут трансатлантические телефонные кабели начали последовательно рваться все дальше и дальше вниз по склону, вдали от эпицентра . Двенадцать кабелей были оборваны в общей сложности в 28 местах. Для каждого перерыва записывалось точное время и место. Следователи предположили, что подводный оползень со скоростью 60 миль в час (100 км/ч) или мутный поток водонасыщенных отложений пронесся на 400 миль (600 км) вниз по континентальному склону от эпицентра землетрясения, разрывая кабели по мере прохождения. [26]
{{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )СМИ, связанные с разжижением почвы, на Викискладе?