Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Некоторые эффекты разжижения почвы после землетрясения в Ниигате 1964 г.
Разжижение почвы позволило этой канализации подняться вверх и пробить тротуар во время землетрясения в Чуэцу в 2004 году.
Разжижение почвы в Крайстчерче, Новая Зеландия. В результате землетрясения 2011 года на улице образовался слой мелкого песка.

Разжижение грунта происходит, когда 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 Хазеном [1] в связи с разрушением плотины Калаверас в Калифорнии в 1918 году . Он описал механизм потока сжижения на плотине , как:

Если давление воды в порах достаточно велико, чтобы нести всю нагрузку, это будет иметь эффект разделения частиц и создания условий, которые практически эквивалентны состоянию зыбучих песков ... начальное движение некоторой части материал мог привести к накоплению давления сначала в одной точке, а затем в другой, последовательно, поскольку первые точки концентрации были сжижены.

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 . Плотный песок, напротив, имеет 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 воды в порах увеличивается, и вода пытается вытекать из почвы в зоны низкого давления (обычно вверх по направлению к поверхности земли). Однако еслинагрузка применяется быстро и достаточно велика или повторяется много раз (например, землетрясение, нагрузка штормовой волной), так что вода не вытекает до следующего цикла нагрузки, давление воды может возрасти до такой степени, что оно превышает сила ( 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 почвы заставляет ее терять свою прочность (способность передавать напряжение сдвига ), и можно наблюдать, как она течет как жидкость (отсюда и «разжижение»).

Хотя последствия разжижения почвы были давно изучены, инженеры обратили больше внимания на землетрясение 1964 года в Ниигате и землетрясение на Аляске в 1964 году . Это было важным фактором в разрушении в Сан - Франциско «s районе Марина в течение 1989 года Лома Приета землетрясения , а в порту Кобе во время Великого Hanshin землетрясения 1995 года . В последнее время разжижение почвы в значительной степени стало причиной значительного ущерба жилой недвижимости в восточных пригородах и поселках-спутниках Крайстчерча , Новая Зеландия, во время землетрясения в Кентербери в 2010 году [2]и еще более широко после землетрясений в Крайстчерче, последовавших в начале и середине 2011 года . [3] 28 сентября 2018 года землетрясение силой 7,5 балла произошло в провинции Центральный Сулавеси в Индонезии. 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, как братские могилы. [4]

В строительных нормах во многих странах требуют инженеров , чтобы рассмотреть влияние разжижения грунтов при проектировании новых зданий и объектов инфраструктуры , таких как мосты, подпорные плотины и подпорных сооружения. [5] [6] [7]

Технические определения [ править ]

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 возникновением изменения напряжения - примеры включают увеличение нагрузки на насыпь или внезапной потерей опоры для пальцев ног), либо циклической нагрузкой (то есть повторяющимися изменениями в состоянии напряжения - примеры включают волновая нагрузка или землетрясение ). 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 рыхлая почва имеет тенденцию сжиматься при сдвиге, создавая большое избыточное давление поровой воды.поскольку нагрузка передается от каркаса почвы на прилегающую поровую воду во время недренированной нагрузки. По мере того, как давление воды в порах увеличивается, происходит постепенная потеря прочности почвы, так как снижается эффективное напряжение. Разжижение чаще происходит в песчаных или непластичных илистых почвах, но в редких случаях может происходить в гравийных и глинах (см. Негашеная глина ).

«Разрушение потока» может начаться, если прочность грунта снижается 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 на 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% сдвиговой деформации двойной амплитуды. Это определение, основанное на испытании грунта, которое обычно выполняется с помощью циклического трехосного , циклического прямого простого сдвига или циклического сдвига кручения . 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.

Возникновение [ править ]

Разжижение чаще происходит в рыхлых или 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 их давления поровой воды и, следовательно, к снижению прочности на сдвиг , то есть снижению эффективного напряжения .

Наиболее подвержены разжижению отложения молодые ( возраст голоцена , отложенные в течение последних 10 000 лет) пески и илы аналогичного размера (хорошо отсортированные) в пластах толщиной не менее метров и насыщенные водой. Такие отложения часто встречаются вдоль русел ручьев , пляжей , дюн и мест, где накопились переносимый ветром ил ( лёсс ) и песок. Примеры разжижения почвы включают зыбучие пески , подвижную глину, течения мутности и разжижение, вызванное землетрясением.

В зависимости от исходного коэффициента пустотности почвенный материал может реагировать на нагрузку либо деформационным размягчением, либо деформационным упрочнением. Смягченные деформацией почвы, например рыхлые пески, могут быть спровоцированы к обрушению, монотонно или циклически, если статическое напряжение сдвига превышает предельное или установившееся сопротивление сдвигу грунта. В этом случае происходит разжижение потока , когда грунт деформируется при низком постоянном остаточном напряжении сдвига. Если грунт затвердевает от деформации, например, от умеренно плотного до плотного песка, разжижения потока обычно не происходит. Однако циклическое размягчение может происходить из-за циклической недренированной нагрузки, например, землетрясения. Деформация при циклическом нагружении зависит от плотностигрунта, величина и продолжительность циклического нагружения, а также величина изменения напряжения сдвига. Если происходит реверсирование напряжения, эффективное напряжение сдвига может достигнуть нуля, позволяя происходить циклическое разжижение. Если изменение напряжения не происходит, нулевое эффективное напряжение не может возникнуть и имеет место циклическая подвижность. [11]

Сопротивление несвязного грунта разжижению будет зависеть от плотности грунта, ограничивающих напряжений, структуры грунта (ткани, возраста и цементации ), величины и продолжительности циклической нагрузки, а также степени изменения напряжения сдвига. [12]

Разжижение землетрясения [ править ]

Песчаные кипы, возникшие во время землетрясения в Крайстчерче в 2011 году .

Давление, возникающее во время сильных землетрясений, может вытеснить подземные воды и жидкий песок на поверхность. Это можно наблюдать на поверхности как эффекты, также известные 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. [13] [14]

Карта восприимчивости к разжижению - отрывок из карты Геологической службы США для района залива Сан-Франциско . Многие проблемные районы в этом регионе также густо урбанизированы .

Другое распространенное наблюдение - это нестабильность земли - растрескивание и движение земли по склону или в сторону неподдерживаемых краев 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 грунта является тенденция к значительному демпфированию (уменьшению) последствий землетрясения до конца землетрясения. Это связано с тем, что жидкости не выдерживают напряжения сдвига, и поэтому, как только почва разжижается из-за тряски, последующие сотрясения землетрясения (передаваемые через землю поперечными волнами ) не передаются зданиям на поверхности земли.

Изучение особенностей разжижения, оставленных доисторическими землетрясениями, называемых палеоуплотнением или палеосейсмологией , может выявить информацию о землетрясениях, которые произошли до того, как были сохранены записи или были сделаны точные измерения. [15]

Разжижение почвы, вызванное землетрясением, является основным источником сейсмического риска в городах .

Эффекты [ править ]

Последствия бокового распространения (Ривер-роуд в Крайстчерче после землетрясения в Крайстчерче 2011 г. )
Повреждения в Брукленде в результате землетрясения в Кентербери в 2010 году , когда плавучесть, вызванная разжижением почвы, подтолкнула подземные сооружения, включая этот люк

Воздействие разжижения почвы на застроенную среду может быть чрезвычайно разрушительным. Здания, фундамент которых лежит прямо на песке, который разжижается, испытают внезапную потерю опоры, что приведет к резкому и неравномерному оседанию здания, вызывающему структурные повреждения, включая растрескивание фундамента и повреждение конструкции здания, или даже оставление конструкции в неработоспособном состоянии. без структурных повреждений. Если между фундаментом здания и разжиженным грунтом существует тонкая корка несжиженного грунта, может произойти разрушение фундамента по типу «пробивного сдвига». Нерегулярная осадка может привести к разрыву подземных коммуникаций. Восходящее давление, создаваемое движением разжиженного грунта через слой корки, может привести к растрескиванию слабых фундаментных плит и проникновению в здания через служебные каналы,и может позволить воде повредить содержимое здания и электрические сети.

Мосты и большие здания, построенные на свайных фундаментах, могут потерять опору из-за прилегающего грунта и прогнуться или остановиться при наклоне.

Наклонная земля и земля рядом с реками и озерами могут скользить по слою разжиженной почвы (так называемое «боковое распространение») [16], открывая большие трещины в земле , и могут нанести значительный ущерб зданиям, мостам, дорогам и услугам, таким как вода, природные ресурсы. В пострадавшем грунте проведен газ, канализация, электричество и телекоммуникации. Закопанные резервуары и люки могут плавать в разжиженном грунте из-за плавучести . [16] Земляные насыпи, такие как дамбы и земляные дамбы, могут потерять устойчивость или обрушиться, если материал, из которого состоит насыпь или ее фундамент, станет жидким.

В течение геологического времени разжижение почвенного материала из-за землетрясений может дать плотный материнский материал, в котором фрагипан может развиваться в результате почвообразования. [17]

Методы смягчения [ править ]

Основная статья: Динамическое уплотнение

Методы смягчения последствий землетрясений были разработаны инженерами по сейсмостойкости и включают в себя различные методы уплотнения грунта , такие как виброуплотнение (уплотнение грунта глубинными вибраторами), динамическое уплотнение и вибро-каменные колонны . [18] Эти методы уплотняют почву и позволяют зданиям избежать разжижения почвы. [19]

Существующие здания можно смягчить, закачав раствор в почву, чтобы стабилизировать слой почвы, который подвержен разжижению.

Зыбучие пески [ править ]

Основная статья: Зыбучие пески

Зыбучие пески образуются, когда вода насыщает участок рыхлого песка и песок перемешивается. Когда вода, застрявшая в куске песка, не может выйти, она создает жидкую 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 противостоит 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 жидком песке опускаются до уровня, на котором вес объекта равен весу вытесненной смеси песка и воды, и объект плавает благодаря своей плавучести .

Быстрая глина [ править ]

Основная статья: Быстрая глина

Быстрая глина, известная в Канаде как Leda Clay , представляет собой водонасыщенный гель , который в 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 прочную 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, Норвегии , Швеции и Финляндии , которые были покрыты льдом в эпоху плейстоцена .

Быстрая глина была основной причиной многих смертоносных оползней . Только в Канаде с ним связано более 250 нанесенных на карту оползней. Некоторые из них древние и могли быть вызваны землетрясениями. [20]

Токи мутности [ править ]

Основная статья: Ток мутности

Подводные оползни представляют собой мутные течения и состоят из водонасыщенных отложений, 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 обрываться, все дальше и дальше вниз по склону, в сторону 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 сметал 400 миль (600 км) вниз по континентальному склону.от эпицентра землетрясения, оборвав кабели при его прохождении. [21]

См. Также [ править ]

  • Аберфанская катастрофа
  • Пределы Аттерберга
  • Сухой зыбучий песок
  • Земной поток
  • Землетрясение
  • Грязевой вулкан
  • Селевой поток
  • Сеть инженерного моделирования землетрясений # Исследование разжижения почвы
  • Палеосейсмология
  • Кипятить песком
  • Проседание
  • Тиксотропия

Ссылки [ править ]

  1. Перейти ↑ Hazen, A. (1920). «Гидравлические насыпные дамбы». Сделки Американского общества инженеров-строителей . 83 : 1717–1745.
  2. ^ "Геологи приезжают изучать разжижение" . Единая новость . 10 сентября 2010. Архивировано 12 октября 2012 года . Проверено 12 ноября 2011 года .
  3. ^ «Районы Крайстчерча, которые следует покинуть» . The New Zealand Herald . NZPA . 7 марта 2011 . Проверено 12 ноября 2011 года .
  4. ^ «Землетрясение и цунами в Индонезии: все последние обновления» . www.aljazeera.com . Проверено 30 октября 2018 .
  5. ^ Совет по сейсмической безопасности здания (2004). NEHRP рекомендовал положения о сейсмических нормах для новых зданий и других сооружений (FEMA 450) . Вашингтон, округ Колумбия: Национальный институт строительных наук.
  6. ^ CEN (2004). EN1998-5: 2004 Еврокод 8: Проектирование сейсмостойких конструкций , часть 5: Фундаменты, подпорные конструкции и геотехнические аспекты . Брюссель: Европейский комитет по стандартизации.
  7. ^ International Code Council Inc. (ICC) (2006). Международный Строительный Кодекс . Бирмингем, Алабама: Международная конференция строительных служащих и Southern Building Code Congress International, Inc. стр. 679. ISBN 978-1-58001-302-4.
  8. ^ Касагранде, Артур (1976). «Разжижение и циклическое деформирование песков: критический обзор». Гарвардская серия по механике грунтов № 88 .
  9. ^ Джеффрис, Майк; Бин, Кен (2015). Разжижение почвы: подход к критическому состоянию 2-е изд . Тейлор и Фрэнсис. ISBN 9781482213683.[ требуется страница ]
  10. ^ Youd, TL ; Член, Asce, IM Идрисс, председатель; Научный сотрудник Asce, Рональд Д. Андрус, сопредседатель; Аранго, Игнасио; Кастро, Гонсало; Кристиан, Джон Т .; Добрый, Ричардо; Финн, В. Д. Лиам; и другие. (2001). "Сопротивление почв разжижению: Сводный отчет семинаров NCEER 1996 г. и NCEER NSF 1998 г. по оценке устойчивости почв к разжижению" . Журнал геотехнической и геоэкологической инженерии . 127 (10): 297–313. DOI : 10.1061 / (ASCE) 1090-0241 (2001) 127: 10 (817) . S2CID 8299697 . CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  11. Перейти ↑ Robertson, PK, and Fear, CE (1995). «Разжижение песков и его оценка», Труды 1-й Международной конференции по сейсмической геотехнике , Токио.
  12. ^ Робертсон, ПК; Райд, CE (Страх) (1998). «Оценка потенциала циклического ожижения с помощью теста на проникновение конуса» . Канадский геотехнический журнал . 35 (3): 442–59. DOI : 10.1139 / t98-017 . S2CID 129256652 . 
  13. ^ Колаволе, F; Атеквана, EA; Лао-Давила, DA; Abdelsalam, MG; Чиндандали, PR; Салима, Дж; Калиндекафе, L (19.02.2018). «Удельное электрическое сопротивление с высоким разрешением и аэромагнитные изображения выявляют причинную неисправность землетрясения 2009 Mw 6.0 Каронга, Малави» . Международный геофизический журнал . 213 (2): 1412–1425. Bibcode : 2018GeoJI.213.1412K . DOI : 10,1093 / gji / ggy066 . ISSN 0956-540X . 
  14. ^ Колаволе, Фоларин; Атеквана, Эстелла А .; Исмаил, Ахмед (03.05.2017). «Исследование удельного электрического сопротивления приповерхностной зоны вызванной косейсмическим разжижением деформации грунта, связанной с Пауни 2016Mw 5.8, Оклахома, землетрясение». Письма о сейсмологических исследованиях . 88 (4): 1017–1023. DOI : 10.1785 / 0220170004 . ISSN 0895-0695 . 
  15. ^ «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 27 февраля 2009 года . Проверено 12 сентября 2017 . CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )
  16. ^ a b Институт профессиональных инженеров Новой Зеландии. "IPE NV Информация о сжижении" (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 05.05.2011.
  17. ^ Скаленге, Р., Certini Г., Корти Г., Занини Е., Ugolini, FC (2004). «Эффект расслоения льда и разжижения на уплотнение фрагипанов». Журнал Общества почвоведов Америки . 68 (1): 204–214. Bibcode : 2004SSASJ..68..204S . DOI : 10.2136 / sssaj2004.2040 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  18. ^ «Смягчение разжижения» . Betterground . Архивировано из оригинала на 2011-09-05 . Проверено 11 июля 2018 .
  19. ^ Лукас, Р .; Мур, Б. «Динамическое уплотнение» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 13 августа 2011 года.
  20. ^ "Geoscape Ottawa-Gatineau Landslides" Архивировано 24октября2005 г. в Wayback Machine , Natural Resources Canada
  21. ^ Heezen, Британская Колумбия; Юинг, WM (1952). «Мутные течения и подводные обвалы и землетрясение 1929 года в Гранд-Бэнксе [Ньюфаундленд]». Американский журнал науки . 250 (12): 849–73. Bibcode : 1952AmJS..250..849H . DOI : 10,2475 / ajs.250.12.849 .

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Сид и др., Недавние достижения в инженерии разжижения почв: унифицированная и согласованная структура , 26-й ежегодный геотехнический весенний семинар ASCE в Лос-Анджелесе, Лонг-Бич, Калифорния, 30 апреля 2003 г., Исследовательский центр инженерии землетрясений

Внешние ссылки [ править ]

СМИ, связанные с разжижением почвы на Викискладе?

  • Разжижение почвы
  • Разжижение - Тихоокеанская Северо-Западная сейсмическая сеть
  • Видео о процессе разжижения на YouTube
  • Разжижение почвы на YouTube ] во время землетрясения в Тохоку в 2011 году.