Table of Contents

Что такое сжижение и почему это важно?

Ликвефация относится к числу наиболее драматических и разрушительных явлений, вызванных землетрясениями. Во время сильного сейсмического толчка насыщенная водой гранулированная почва может потерять свою твердую структуру и вести себя как вязкая жидкость, с последствиями, которые включают строительство поселений, отказы фундамента, разрывы зарытых трубопроводов и даже боковое грунтовое распространение по целым кварталам. В отличие от самого подземного толчка, который повреждает структуры в первую очередь через инерционные силы, сжижение атакует землю под структурой, устраняя ее способность нести нагрузки. Понимание механики сжижения имеет важное значение для инженеров-строителей, геотехнических специалистов, градостроителей и всех, кто отвечает за устойчивость инфраструктуры в подверженных землетрясениям регионах.

Когда почва сжижается, земля может выбрасывать песок и воду через трещины, наклонять здания, заставлять подземные резервуары для хранения всплывать на поверхность и превращать то, что казалось стабильным, землю в местность, которая ведет себя больше как зыбучий песок. Явление было задокументировано в крупных землетрясениях по всему миру, включая землетрясение Ниигата 1964 года в Японии, землетрясение Лома Приета 1989 года в Калифорнии, землетрясение Кобе 1995 года и землетрясение Кентербери 2010–2011 в Новой Зеландии. В каждом случае сжижение усилило ущерб далеко за пределами того, что могло бы произвести простое тряска, иногда превращая целые жилые кварталы в непригодные для использования зоны в течение многих лет.

В этой статье подробно рассматриваются наука, стоящая за сжижением, условия на месте, которые делают почву уязвимой, инженерные методы, используемые для прогнозирования и снижения риска, а также реальные последствия для инфраструктуры и безопасности.

Механика сжижения: как твердая земля превращается в жидкость

Роль порового водного давления

Почва состоит из твердых минеральных частиц с пустотами между ними. В нормальных условиях эти пустоты содержат как воздух, так и воду, а прочность почвы происходит от фрикционного контакта между отдельными частицами. Вес надлежащей почвы и любых поверхностных структур передается через контактную сеть частица-частица, концепцию геотехнических инженеров называют эффективным напряжением.

Во время землетрясения волны сдвига распространяются по земле, подвергая почву быстрой, циклической нагрузке. В насыщенных, рыхлых, песчаных почвах встряхивание заставляет частицы перестраиваться в более плотную упаковку. Однако, поскольку пустотные пространства уже заполнены водой и дренаж не может произойти достаточно быстро во время быстрого встряхивания, избыток воды не может уйти. Это создает быстрое наращивание давления поры воды, по мере повышения давления поры, оно постепенно уменьшает эффективное напряжение между частицами. Когда давление поры воды становится равным общему напряжению (вес надлежащей почвы), эффективное напряжение падает до нуля, и почва теряет всю свою силу сдвига. В этот момент почва ведет себя как плотная жидкость.

Порог, при котором это происходит, зависит от плотности почвы, амплитуды и продолжительности тряски, а также от характеристик дренажа месторождения. Наиболее восприимчивы свободные, однородные, насыщенные пески с низкой относительной плотностью. Плотные пески и гравий, напротив, имеют тенденцию к расширению во время сдвига, создавая отрицательное давление пор, которое фактически увеличивает прочность, делая их гораздо более устойчивыми к сжижению.

Циклическая подвижность против истинного сжижения

Инженеры различают два связанных, но различных явления. Истинное сжижение происходит, когда давление пор равняется первоначальному эффективному давлению ограничения, производя полную потерю прочности, поддерживаемую с течением времени. Циклическая мобильность, напротив, описывает состояние, при котором давление пор поднимается очень близко к давлению ограничения, но не достигает его, что приводит к временной, частичной потере прочности. Циклическая мобильность все еще может производить большие деформации, но почва сохраняет некоторую остаточную прочность. Различие имеет значение для проектирования, потому что структуры на почвах, подвергающихся истинному сжижению, могут испытывать катастрофические, крупномасштабные поселения, в то время как циклическая мобильность имеет тенденцию производить более постепенную, ограниченную деформацию.

Условия, которые делают почву уязвимой

Тип почвы и распределение размера зерна

Не все почвы одинаково восприимчивы. Наиболее сжижаемыми почвами являются свободные, однородно градуированные пески с размерами частиц примерно от 0,1 до 2,0 миллиметра. Коэффициент однородности, который описывает диапазон размеров частиц в образце почвы, обеспечивает важный показатель. Хорошо градуированные почвы с широким распределением размеров частиц имеют тенденцию быть более устойчивыми, поскольку меньшие частицы заполняют пустоты между более крупными, уменьшая пространство, доступное для накопления поровой воды.

Глинистые пески и илы с низкой пластичностью также могут сжижаться при правильных условиях, хотя они обычно требуют более сильного или более длительного встряхивания. Глины с их сплоченной структурой и низкой проницаемостью обычно не подвергаются классическому сжижению, хотя они могут испытывать значительную потерю прочности и деформацию при циклической нагрузке, связанное явление, называемое циклическое размягчение .

Насыщение и глубина грунтовых вод

Полное или почти полное насыщение является предпосылкой для сжижения. Наличие воды в поровых пространствах — это то, что порождает избыточное давление пор при сотрясении. Наибольший риск представляют участки с неглубоким грунтовым столом, обычно менее 10 метров ниже поверхности. В прибрежных районах, дельтах рек, рекультивированных землях и заполненных озёрных днах, водный стол часто находится близко к поверхности земли, помещая эти зоны в категорию наибольшей опасности. Засушливые районы с глубокими грунтовыми столами редко испытывают сжижение, даже при сильных землетрясениях, потому что почва над водным столом остаётся ненасыщенной.

Относительная плотность и депозиционная история

Свободные почвы с относительной плотностью ниже примерно 40 процентов наиболее склонны к сжижению. Относительная плотность сравнивает плотность почвы in-situ с ее максимальной и минимальной возможной плотностью в лаборатории. Гидравлические отложения почвы, такие как аллювиальные вентиляторы, дельтаичные отложения и гидравлические наполнители, размещенные с небольшим или нулевым уплотнением, часто демонстрируют низкую относительную плотность и соответственно высокую восприимчивость.

Исторически сложилось так, что многие из наиболее подверженных сжижению участков в мире являются молодыми, недавними месторождениями возрастом менее 10 000 лет. Более старые, сильно консолидированные месторождения, как правило, более плотные и стабильные. Слоистые профили почвы с чередующимися песчаными, иловыми и глиняными линзами также могут создавать дренажные барьеры, которые улавливают избыток поровой воды, увеличивая потенциал для сжижения в захваченных слоях песка.

Характеристики землетрясений: масштабы, продолжительность и частота

Характеристики самого сейсмического события играют контролирующую роль. Ликвефация требует достаточного количества сильных, циклических напряжений сдвига, чтобы генерировать необходимое повышение давления пор. Землетрясения магнитудой 5,5 или более обычно требуются, чтобы вызвать широкое сжижение, с тяжестью, увеличивающейся с величиной и продолжительностью. Землетрясение магнитудой 6,0 может вызвать сжижение на ограниченной площади вблизи эпицентра, в то время как событие магнитудой 8,0 может вызвать сжижение на тысячах квадратных километров.

Также имеет значение частотность тряски. Низкочастотное тряска, производящее более длительные, более широко расставленные циклы, имеет тенденцию быть более эффективным при генерации порового давления в толстых отложениях песка, чем высокочастотное движение. Глубокие грунтовые бассейны и мягкие участки могут усиливать эти низкочастотные волны, продлевая продолжительность сильного тряски и увеличивая вероятность сжижения вдали от разрыва разлома.

Поверхностные проявления сжижения

Песчаные кипения и выброшенный материал

Одним из наиболее заметных признаков сжижения является образование песчаных кипений, также называемых песчаными вулканами.Когда избыточное давление поры строит ниже поверхности, смесь воды и песка может извергаться через трещины в надземной коре, откладывая песок в веерообразных курганах на поверхности земли. Эти особенности обеспечивают прямое доказательство того, что сжижение произошло и может помочь инженерам нанести на карту степень подземного разрушения почвы. Во время землетрясения в Крайстчерче в Новой Зеландии в 2011 году песчаные кипения покрывали большие площади жилых земель, иногда выбрасывая материал с глубин от 5 до 10 метров.

Латеральное распространение

Возможно, наиболее разрушительным поверхностным эффектом является двустороннее распространение, где слои сжиженной почвы движутся вниз по склону или к свободной поверхности, такой как берег реки, береговая линия или открытые раскопки. Поперечное распространение обычно происходит на пологих склонах от 0,5 до 3 градусов, смещая поверхность земли по бокам на метры, а не вертикально. Движение может разорвать дороги, разбить зарытые трубопроводы, исказить фундамент моста и вызвать серьезный ущерб зданиям, расположенным на движущемся блоке. Поперечное распространение составило большой процент ущерба инфраструктуры в 1995 землетрясение Кобе и 2010–2011 Кентерберийские землетрясения.

Потоковые сбои

На более крутых склонах сжижение может вызвать отказы потока , где большие массы почвы быстро движутся вниз по склону на значительные расстояния. Эти неудачи катастрофические и часто смертельные. Землетрясение Сан-Фернандо в 1971 году в Калифорнии вызвало массовый отказ потока в Верхнем Сан-Фернандо плотины, а землетрясение 1920 года в Хайюане в Китае вызвало потоки, которые похоронили целые деревни. Неудачи потока особенно опасны, потому что они могут произойти на склонах, которые были стабильными до землетрясения.

Наземное урегулирование и дифференциальное движение

По мере того, как избыточное давление пор рассеивается после остановок встряхивания, почва консолидируется и уплотняется, часто приводя к наземному поселению от 10 до 100 сантиметров или более. Дифференциальное поселение через след здания может вызвать структурное наклонение, трещину фундамента и повреждение надстройки. В Ниигата в 1964 году целые жилые дома наклонились по бокам, поскольку земля под ними поселилась неравномерно. Погребенные коммунальные услуги, такие как водопровод, канализационные линии и газовые трубы, особенно уязвимы для разрыва сдвига на границах между осевшими и незаселенными зонами.

Колебания грунта и песчаные удары

В плоской местности, где сжиженный слой заключен под несжиженной коркой, земля может колебаться в узорах стоячей волны, производя колебания земли без большого постоянного смещения. Это все еще может повредить структуры, фундаменты и поверхностные тротуары. Когда кора прорывается под давлением, песчаные удары извергаются, оставляя песок в листах, которые могут покрыть сельскохозяйственные земли и засорить дренажные системы.

Тематические исследования сжижения при крупных землетрясениях

Землетрясение в Ниигата 1964: событие водораздела

Землетрясение магнитудой 7,5, обрушившееся на Ниигата, Япония, в июне 1964 года, широко считается событием, доведшим сжижение до сведения современного инженерного сообщества. Обширное сжижение вызвало затопление, наклон и даже опрокидывание зданий. Известные сейчас фотографии многоквартирных домов, лежащих по бокам, при этом оставаясь конструктивно неповрежденными, стали определяющими изображениями сейсмостроения. Землетрясение также продемонстрировало, что даже хорошо спроектированные сооружения могут потерпеть неудачу, если грунт под ними превратится в жидкость. После Ниигаты исследователи во всем мире активизировали исследование поведения почвы при циклической нагрузке, что привело к разработке первых практических методов оценки сжижения.

Землетрясение в Лома-Приете 1989 года: сжижение в городской обстановке

Землетрясение магнитудой 6,9 Лома Приета в районе залива Сан-Франциско дало суровый урок уязвимости заполненной земли. Район Марина, построенный на гидравлическом заливе, размещенном после землетрясения 1906 года, испытал обширное сжижение, включая кипения песка, растрескивание грунта и повреждение зданий. Пожары, вызванные разрывом газовых линий, и несколько зданий рухнули или были помечены красным меткой из-за движения фундамента. Событие подчеркнуло критическую важность понимания истории участка и особой опасности, создаваемой искусственными заливами, что привело к более строгим строительным нормам и обязательным геотехническим исследованиям для нового строительства на таких участках.

2010–2011 Кентерберийские землетрясения: широкое боковое распространение

Землетрясение магнитудой 7,1 Дарфилда в сентябре 2010 года и разрушительный афтершок магнитудой 6,3 Крайстчерч в феврале 2011 года сжигли большие площади Кентерберийских равнин, в частности в восточных пригородах Крайстчерча, построенные на молодых аллювиальных отложениях и бывших речных каналах.Латеральное распространение вдоль реки Эйвон нанесло обширный ущерб мостам, дорогам и зарытой инфраструктуре. Пострадали около 70 000 жилых объектов, а большие площади земли потребовали геотехнической оценки, прежде чем можно было бы одобрить восстановление.Кентерберийский опыт показал, что ущерб от сжижения может доминировать над общей стоимостью землетрясения, превышая потери от самого тряски земли.

Инженерная оценка и прогнозирование опасности сжижения

Упрощенные эмпирические методы

Инженеры обычно используют упрощенные эмпирические процедуры для оценки восприимчивости к сжижению. Эти методы, первоначально разработанные Seed и Idriss в 1970-х годах и постоянно совершенствуемые с тех пор, сравнивают сейсмический спрос, выраженный как отношение циклического напряжения (CSR), с емкостью почвы, выраженное как отношение циклического сопротивления (CRR). Полевые измерения сопротивления проникновению от стандартных тестов на проникновение (SPT) или тестов на проникновение конуса (CPT) служат основными входами для оценки CRR. Эти упрощенные методы были проверены против полевых наблюдений от многочисленных землетрясений и составляют основу для большинства кодов проектирования во всем мире, включая те, которые в Соединенных Штатах, Японии, Новой Зеландии и Европе.

Передовые лабораторные испытания

Для проектов с высокой последовательностью геотехники выполняют циклические триаксиальные тесты и циклические простые тесты сдвига на образцах грунта без помех для измерения устойчивости материала к сжижению непосредственно.В циклическом триаксиальном тесте цилиндрический образец грунта подвергается циклическим осевым нагрузкам, будучи ограниченным постоянным давлением, имитируя условия напряжения во время землетрясения. Испытание измеряет реакцию давления пор, накопление осевого деформации и количество циклов, необходимых для запуска сжижения. Эти лабораторные результаты могут калибровать или проверять эмпирические методы для конкретных условий участка, хотя сложность и стоимость получения высококачественных неповрежденных образцов в гранулированных почвах ограничивают их обычное применение.

Численное моделирование

Модели конечных элементов и разностей могут имитировать сопряженную реакцию почвенных скелетов и поровых жидкостей во время землетрясения. Программы, такие как FLAC, OpenSees и PLAXIS, позволяют инженерам моделировать сложные профили почв, слоистую стратиграфию и пространственно-переменные свойства. Эти анализы могут предсказать развитие избыточного давления пор, начало сжижения и возникающие деформации грунта и структур. Эффективные стресс-анализы, которые объясняют связь между поведением почвенного скелета и потоком поровой жидкости, особенно ценны для оценки мер по смягчению последствий, оценки поселений и оценки производительности глубоких оснований.

Методы смягчения и восстановления

Методы улучшения грунта

Инженеры разработали набор методов улучшения грунта для снижения восприимчивости к сжижению на существующих и новых участках. Наиболее распространенным подходом является денацификации, который увеличивает относительную плотность рыхлых грунтов, делая их более устойчивыми к потере прочности. Глубокое динамическое уплотнение, используя тяжелый вес, сброшенный с крана, уплотняет рыхлые гранулированные отложения до глубин от 5 до 12 метров. Виброфлотация, которая использует вибрирующий зонд для компактного окружающего песка при добавлении обратного наполнения, может достичь аналогичных результатов. Каменные колонны, которые заменяют часть почвы уплотненным гравием, обеспечивают как уплотнение, так и дренаж, позволяя избыточному давлению пор рассеиваться быстрее. Пермеационная затирка, которая впрыскивает низковязкий затир в поровые пространства, связывает частицы вместе и предотвращает перегруппировку частиц, которая генерирует давление пор.

Дренажные системы

Поскольку сжижение требует наращивания избыточного давления пор, обеспечение дренажных путей может уменьшить или устранить опасность. Вертикальные стоки установлены для создания преференциальных потоков, которые позволяют воде выходить из встряхивающей почвы, снижая повышение давления пор. Жесткие стоки, такие как каменные колонны или сборные вертикальные стоки с армирующими материалами, сочетают дренаж со структурной поддержкой. Эти системы наиболее эффективны, когда окружающая почва имеет умеренную проницаемость и продолжительность землетрясения достаточно велика, чтобы позволить частичный дренаж во время встряхивания. Конструкция дренажных систем требует тщательного анализа баланса между скоростью генерации давления пор от встряхивания и скоростью рассеивания через стоки.

Решения Foundation

В тех случаях, когда улучшение грунта нецелесообразно, инженеры могут проектировать фундаменты для размещения эффектов сжижения. Глубокие фундаменты , такие как сваи, сверленные валы или кессоны, которые проходят через сжижаемый слой к компетентным несущим слоям ниже, могут передавать структурные нагрузки на стабильный грунт. Однако глубокие фундаменты должны учитывать отрицательное трение кожи, которое развивается по мере того, как оседание почвы тянет вниз на свайный вал, а также должны противостоять боковым нагрузкам от распространения почвы или бокового потока. Матовые фундаменты или , которые распределяют нагрузки на большой площади, могут уменьшить дифференциалы поселений и улучшить стабильность, хотя они не устраняют полностью риск.

Обезвоживание и выбор места

Для нового строительства в районах с высоким потенциалом сжижения, обезвоживание для опускания грунтовых вод ниже критических глубин может устранить условия насыщения, необходимые для сжижения. Этот подход наиболее практичен, когда уровень воды неглубок, а объем воды, который должен быть удален, является управляемым. В некоторых случаях под зданиями устанавливаются постоянные дренажные системы для поддержания уровня грунтовых вод. Однако наиболее надежная стратегия смягчения последствий остается соответствующий выбор участка : размещение критической инфраструктуры, такой как больницы, школы, мосты и средства реагирования на чрезвычайные ситуации на компетентной земле, которая была оценена и, при необходимости, улучшена до строительства.

Строительные кодексы и нормативные рамки

Современные строительные нормы в подверженных землетрясениям регионах включают конкретные требования к оценке и смягчению последствий сжижения. Международный строительный кодекс (IBC) в Соединенных Штатах, Национальный строительный кодекс Канады и Еврокод 7 в Европе включают положения, требующие геотехнических исследований для оценки потенциала сжижения и предписывающие меры по смягчению последствий, где определены опасности. Сейсмические категории в этих кодексах классифицируют серьезность опасности на основе ожидаемых движений грунта и условий почвы на месте, с самыми строгими требованиями, применяемыми к основным объектам, которые должны оставаться в рабочем состоянии после землетрясения.

Помимо строительных норм, подходы к проектированию на основе производительности все чаще используются для крупных проектов, определяя конкретные пределы деформации грунта, а не просто оценивая, произойдет ли сжижение. Этот сдвиг признает, что ограниченное сжижение с допустимыми деформациями может быть приемлемым для некоторых структур, в то время как другие структуры требуют полной защиты. Национальная программа снижения опасности землетрясений (NEHRP) в Соединенных Штатах предоставляет руководящие принципы, которые информируют как разработку кода, так и конкретную инженерную практику.

Изменение климата и будущие соображения

Изменение климата вносит новые измерения в оценку опасности сжижения. Повышение уровня моря и увеличение частоты штормовых нагонов могут повысить уровень грунтовых вод в прибрежных районах, расширяя зоны насыщения, которые являются предпосылками для сжижения. В регионах, где тает вечная мерзлота, ранее замороженные и стабильные почвы, которые насыщаются талой водой, могут стать уязвимыми для потери прочности во время будущих землетрясений. Изменения в характере осадков, которые влияют на подпитку грунтовых вод, также могут изменить сезонную восприимчивость почвенных отложений. Инженеры и планировщики должны включить эти развивающиеся условия в долгосрочные оценки рисков для инфраструктурных проектов с проектным сроком службы от 50 до 100 лет.

Городское развитие продолжает распространяться на окраинные земли, включая заполненные набережные, восстановленные болота и аллювиальные поймы, которые часто очень восприимчивы к сжижению. Расширение городов в этих районах в сочетании с увеличением плотности населения в сейсмически активных регионах означает, что последствия будущих событий сжижения будут продолжать расти, если меры по смягчению последствий не будут идти в ногу. Исследования новых материалов для улучшения почвы, включая методы биоминерализации, которые используют микроорганизмы для цементирования частиц почвы вместе, предлагают многообещающие пути для более устойчивого и менее инвазивного восстановления в будущем.

Заключение

Ликвефация представляет собой сложный физически управляемый процесс, имеющий глубокие последствия для безопасности землетрясений и устойчивости инфраструктуры. По своей сути это явление является результатом взаимодействия между циклической сейсмической нагрузкой, плотностью почвы, содержанием воды и условиями дренажа. Когда эти факторы выравниваются, грунт, который когда-то был твердым, может потерять всю эффективную прочность, создавая эффекты, которые варьируются от тонкого поселения до катастрофического сбоя потока. Инженеры и геофизики разработали надежные методы оценки опасности сжижения на основе полевых испытаний, лабораторных экспериментов и численного анализа и создали разнообразный набор методов смягчения, которые включают уплотнение почвы, дренаж, глубокие фундаменты и обезвоживание.

Экономические потери от сжижения могут превышать потери от самого сотрясения грунта, что неоднократно демонстрировалось при крупных землетрясениях по всему миру. Для владельцев и разработчиков, планирующих новые проекты в сейсмически активных зонах, инвестиции в тщательное геотехническое исследование и, где указано, улучшение грунта или специализированный дизайн фундамента - это не дискреционные расходы, а фундаментальное требование для защиты жизни и имущества. По мере роста городского населения и изменения климатических условий важность понимания и смягчения сжижения будет только возрастать, требуя продолжения исследований, обновленных кодов и информированной практики по всей инженерной профессии.