Upłynnianie gleby

Niektóre skutki upłynnienia gleby po trzęsieniu ziemi w Niigata w 1964 roku
Upłynnienie gleby pozwoliło temu kanałowi unosić się w górę i przebić chodnik podczas trzęsienia ziemi w Chūetsu w 2004 roku
Upłynnianie gleby w Christchurch . Trzęsienie ziemi w 2011 roku spowodowało, że na powierzchni tej ulicy zebrała się warstwa wody i drobnego piasku.

Upłynnianie gleby występuje, gdy niespoisty nasycony lub częściowo nasycony grunt zasadniczo traci wytrzymałość i sztywność w odpowiedzi na zastosowane naprężenia , takie jak wstrząsy podczas trzęsienia ziemi lub inne nagłe zmiany warunków naprężeń, w których materiał, który jest zwykle ciałem stałym, zachowuje się jak ciecz. W mechanice gruntów termin „upłynniony” został po raz pierwszy użyty przez Allena Hazena w odniesieniu do awarii zapory Calaveras w Kalifornii w 1918 r. . Mechanizm skraplania przepływu zapory nasypowej opisał jako:

Jeśli ciśnienie wody w porach jest wystarczająco duże, aby przenieść cały ładunek, spowoduje to rozdzielenie cząstek i wytworzenie warunków praktycznie równoważnych ruchomym piaskom ... początkowy ruch jakiejś części materiału może powodować narastanie ciśnienia, najpierw w jednym punkcie, a potem w innym, sukcesywnie, w miarę upłynniania wczesnych punktów koncentracji.

Zjawisko to najczęściej obserwuje się na glebach nasyconych, luźnych (małej gęstości lub niezagęszczonych), piaszczystych. Dzieje się tak dlatego, że luźny piasek ma tendencję do ściskania się pod wpływem obciążenia . Natomiast gęste piaski mają tendencję do zwiększania objętości lub „ rozszerzania się ”. Jeśli gleba jest nasycona wodą, co często występuje, gdy gleba znajduje się poniżej lustra wody lub poziomu morza , wówczas woda wypełnia luki między ziarnami gleby („przestrzenie porów”). W odpowiedzi na ściskanie gleby ciśnienie wody w porach wzrasta i woda próbuje wypłynąć z gruntu do stref niskiego ciśnienia (zwykle w górę w kierunku powierzchni gruntu). Jednakże, jeśli obciążenie jest przykładane szybko i wystarczająco duże lub jest powtarzane wiele razy (np. trzęsienie ziemi, obciążenie falą sztormową) tak, że woda nie wypłynie przed zastosowaniem następnego cyklu obciążenia, ciśnienie wody może wzrosnąć do w stopniu przekraczającym siłę ( naprężenia kontaktowe ) między ziarnami gleby, które utrzymują je w kontakcie. Te kontakty między ziarnami są środkami, za pomocą których ciężar budynków i leżących nad nimi warstw gleby jest przenoszony z powierzchni gruntu na warstwy gleby lub skał na większych głębokościach. Ta utrata struktury gleby powoduje, że traci ona swoją wytrzymałość (zdolność do przenoszenia naprężeń ścinających ) i można zaobserwować, że płynie jak ciecz (stąd „upłynnianie”).

Chociaż skutki upłynniania gleby były znane od dawna, inżynierowie zwrócili na nie większą uwagę po trzęsieniu ziemi na Alasce w 1964 r. i trzęsieniu ziemi w Niigata w 1964 r . Był to główny czynnik zniszczenia dzielnicy Marina w San Francisco podczas trzęsienia ziemi w Loma Prieta w 1989 r . oraz w porcie w Kobe podczas trzęsienia ziemi w Wielkim Hanshin w 1995 r. . Niedawno upłynnienie gleby było w dużej mierze odpowiedzialne za rozległe zniszczenia nieruchomości mieszkalnych na wschodnich przedmieściach i w miastach satelickich Christchurch podczas trzęsienia ziemi w Canterbury w 2010 r. , a także w większym stopniu po trzęsieniach ziemi w Christchurch, które nastąpiły na początku i w połowie 2011 r . W dniu 28 września 2018 r. trzęsienie ziemi o sile 7,5 w skali Richtera uderzył w prowincję Sulawesi w Indonezji. Wynikające z tego upłynnienie gleby pogrzebało przedmieścia Balaroa i wioskę Petobo w błocie o głębokości 3 metrów. Rząd Indonezji rozważa wyznaczenie dwóch dzielnic Balaroa i Petobo, które zostały całkowicie zasypane błotem, jako masowych grobów.

Przepisy budowlane w wielu krajach wymagają od inżynierów uwzględnienia skutków upłynniania gleby przy projektowaniu nowych budynków i infrastruktury, takiej jak mosty, tamy na nasypach i konstrukcje oporowe.

Definicje techniczne

Szalony dom w Port Royal na Jamajce , który częściowo zapadł się pod ziemię podczas trzęsienia ziemi w 1907 r., które spowodowało upłynnienie gleby, co spowodowało jego charakterystyczny przechylony wygląd.

Upłynnianie gleby następuje, gdy efektywne naprężenie ( wytrzymałość na ścinanie ) gleby jest zredukowane zasadniczo do zera. Może to być zainicjowane obciążeniem monotonicznym (tj. pojedynczym, nagłym wystąpieniem zmiany naprężenia – przykłady obejmują wzrost obciążenia nasypu lub nagłą utratą podparcia stopy) lub obciążeniem cyklicznym (tj. powtarzającymi się zmianami stanu naprężenia – przykłady obejmują obciążenie falowe lub trzęsienie ziemi drżący). W obu przypadkach najbardziej podatne na upłynnienie są grunty w stanie nasyconym luźnym oraz takie, które mogą generować znaczne ciśnienie wody w porach przy zmianie obciążenia. Dzieje się tak, ponieważ luźna gleba ma tendencję do kompresji podczas ścinania, generując duże nadciśnienie wody porowej , gdy obciążenie jest przenoszone ze szkieletu gleby na sąsiednią wodę porową podczas obciążenia bez odpływu. Wraz ze wzrostem ciśnienia wody w porach następuje stopniowa utrata wytrzymałości gruntu w miarę zmniejszania się efektywnego naprężenia. Upłynnienie jest bardziej prawdopodobne w glebach piaszczystych lub nieplastycznych glebach mulistych, ale w rzadkich przypadkach może wystąpić w żwirach i glinach (patrz szybka glina ).

„Brak przepływu” może się rozpocząć, jeśli wytrzymałość gruntu spadnie poniżej naprężeń wymaganych do utrzymania równowagi zbocza lub podstawy konstrukcji. Może to nastąpić z powodu obciążenia monotonicznego lub obciążenia cyklicznego i może być nagłe i katastrofalne. Historycznym przykładem jest katastrofa w Aberfan . Casagrande odniósł się do tego typu zjawisk jako „upłynniania przepływu”, chociaż stan zerowego naprężenia efektywnego nie jest wymagany, aby to nastąpiło.

„Cyklowe upłynnianie” to stan gleby, w którym nagromadziły się duże naprężenia ścinające w odpowiedzi na cykliczne obciążenie. Typowym odkształceniem odniesienia dla przybliżonego występowania zerowego naprężenia efektywnego jest odkształcenie ścinające o podwójnej amplitudzie 5%. Jest to definicja oparta na badaniu gruntu, zwykle wykonywana za pomocą cyklicznego ścinania trójosiowego , cyklicznego bezpośredniego ścinania prostego lub cyklicznego ścinania skrętnego aparat typu. Testy te są przeprowadzane w celu określenia odporności gleby na upłynnianie poprzez obserwację liczby cykli obciążenia przy określonej amplitudzie naprężenia ścinającego wymaganej do wywołania „awarii”. Awaria jest tutaj zdefiniowana przez wyżej wymienione kryteria odkształcenia ścinającego.

Termin „ruchliwość cykliczna” odnosi się do mechanizmu progresywnej redukcji naprężeń efektywnych w wyniku obciążeń cyklicznych. Może to wystąpić we wszystkich rodzajach gleb, w tym w glebach gęstych. Jednak po osiągnięciu stanu zerowego naprężenia efektywnego takie grunty natychmiast rozszerzają się i odzyskują siłę. Zatem naprężenia ścinające są znacznie mniejsze niż rzeczywisty stan upłynnienia gleby.

Występowanie

Upłynnienie jest bardziej prawdopodobne w luźnych lub średnio nasyconych glebach ziarnistych ze słabym drenażem , takich jak piaski muliste lub piaski i żwiry zawierające nieprzepuszczalne osady . Podczas obciążenia falowego , zwykle cyklicznego obciążenia bez odpływu, np. obciążenia sejsmicznego , luźne piaski mają tendencję do zmniejszania objętości , co powoduje wzrost ciśnienia wody w ich porach , aw konsekwencji spadek wytrzymałości na ścinanie , czyli zmniejszenie naprężenia efektywnego .

Osady najbardziej podatne na upłynnienie to młode ( holoceńskie , powstałe w ciągu ostatnich 10 tys. lat) piaski i muły o zbliżonej granulacji (dobrze wysortowane), w warstwach o miąższości co najmniej metrowej , nasycone wodą. Takie osady często znajdują się wzdłuż koryt strumieni , plaż , wydm i obszarów, na których nagromadził się naniesiony przez wiatr muł ( less ) i piasek. Przykłady upłynniania gleby obejmują ruchome piaski , ruchomą glinę, prądy zmętnienia i upłynnianie wywołane trzęsieniem ziemi.

W zależności od początkowego współczynnika pustych przestrzeni , materiał gruntu może reagować na obciążenie albo zmiękczaniem odkształceniowym, albo utwardzaniem odkształceniowym. Gleby zmiękczone przez odkształcenie, np. luźne piaski, mogą zostać wywołane do zapadania się, monotonicznie lub cyklicznie, jeśli statyczne naprężenie ścinające jest większe niż ostateczna lub ustalona wytrzymałość gruntu na ścinanie. W tym przypadku skraplanie przepływowe występuje, gdy gleba odkształca się przy niskim stałym szczątkowym naprężeniu ścinającym. Jeśli gleba twardnieje odkształceniowo, np. średnio gęsty do gęstego piasku, upłynnianie przepływowe na ogół nie występuje. Jednak cykliczne mięknięcie może wystąpić z powodu cyklicznego obciążenia bez odpływu, np. obciążenia spowodowanego trzęsieniem ziemi. Odkształcenie podczas obciążenia cyklicznego zależy od gęstości gruntu, wielkości i czasu trwania obciążenia cyklicznego oraz wielkości odwrócenia naprężenia ścinającego. Jeśli nastąpi odwrócenie naprężenia, efektywne naprężenie ścinające może osiągnąć zero, umożliwiając cykliczne upłynnianie. Jeśli nie nastąpi odwrócenie naprężenia, nie może wystąpić zero efektywnego naprężenia i ma miejsce mobilność cykliczna.

Odporność gruntu niespoistego na upłynnianie będzie zależała od gęstości gruntu, naprężeń ograniczających, struktury gruntu (tkaniny, wieku i cementacji ), wielkości i czasu trwania obciążenia cyklicznego oraz stopnia odwrócenia naprężenia ścinającego.

Potencjał upłynnienia: uproszczona analiza empiryczna

Do oceny potencjału skraplania za pomocą uproszczonej metody empirycznej potrzebne są trzy parametry :

  1. Miara odporności gruntu na upłynnianie: standardowy opór penetracji (SPT), opór penetracji stożka (CPT) lub prędkość fali poprzecznej (Vs)
  2. Obciążenie trzęsieniem ziemi, mierzone jako współczynnik naprężeń cyklicznych do
  3. odporność gruntu na upłynnianie, wyrażona jako współczynnik oporu cyklicznego (CRR)

Upłynnianie trzęsienia ziemi

Czyraki piasku, które wybuchły podczas trzęsienia ziemi w Christchurch w 2011 roku .

Ciśnienia generowane podczas dużych trzęsień ziemi mogą wypychać wody gruntowe i upłynniony piasek na powierzchnię. Można to zaobserwować na powierzchni jako efekty znane alternatywnie jako " wrzenie piasku ", "uderzenia piasku" lub " wulkany piasku ". Takie deformacje gruntu spowodowane trzęsieniem ziemi można sklasyfikować jako deformację pierwotną, jeśli znajdują się na pękniętym uskoku lub w jego pobliżu, lub deformację rozproszoną, jeśli znajdują się w znacznej odległości od pękniętego uskoku.

Mapa podatności na skraplanie – fragment mapy USGS dla obszaru Zatoki San Francisco . Wiele ważnych obszarów w tym regionie jest również gęsto zurbanizowanych .

Inną częstą obserwacją jest niestabilność gruntu – spękania i przemieszczanie się gruntu w dół zbocza lub w kierunku nieobsługiwanych brzegów rzek, strumieni lub wybrzeża. Uszkodzenie gruntu w ten sposób nazywane jest „rozlewaniem bocznym” i może wystąpić na bardzo płytkich zboczach o kącie nachylenia zaledwie 1 lub 2 stopnie od poziomu.

tłumienia (zmniejszania) skutków trzęsienia ziemi przez pozostałą część trzęsienia ziemi. Dzieje się tak, ponieważ ciecze nie wytrzymują naprężeń ścinających , a więc gdy gleba upłynni się w wyniku wstrząsów, późniejsze trzęsienia ziemi (przenoszone przez ziemię przez fale ścinające ) nie są przenoszone na budynki na powierzchni ziemi.

Badania cech upłynniania pozostawionych przez prehistoryczne trzęsienia ziemi, zwane paleoliquefaction lub paleosejsmologią , mogą ujawnić informacje o trzęsieniach ziemi, które miały miejsce, zanim prowadzono zapisy lub można było wykonać dokładne pomiary.

Upłynnianie gleby wywołane wstrząsami sejsmicznymi jest głównym czynnikiem ryzyka sejsmicznego w miastach .

Efekty

Skutki bocznego rozprzestrzeniania się (River Road w Christchurch po trzęsieniu ziemi w Christchurch w 2011 r .)
Uszkodzenia w Brooklands spowodowane trzęsieniem ziemi w Canterbury w 2010 r. , gdzie wyporność spowodowana upłynnieniem gleby wypchnęła podziemne usługi, w tym ten właz

Wpływ upłynniania gleby na środowisko zabudowane może być bardzo szkodliwy. Budynki, których fundamenty opierają się bezpośrednio na upłynniającym się piasku, doznają nagłej utraty podparcia, co spowoduje drastyczne i nieregularne osiadanie budynku powodujące uszkodzenia konstrukcyjne, w tym pękanie fundamentów i uszkodzenia konstrukcji budynku lub pozostawienie konstrukcji niezdatnej do użytku, nawet bez uszkodzeń konstrukcyjnych. Tam, gdzie między fundamentem budynku a gruntem upłynnionym występuje cienka skorupa nieupłynnionej gleby, może wystąpić uszkodzenie fundamentu typu „ścinanie przebijające”. Nieregularne osiadanie może spowodować przerwanie podziemnych linii uzbrojenia. Ciśnienie w górę wywierane przez ruch upłynnionej gleby przez warstwę skorupy może spowodować pęknięcie słabych płyt fundamentowych i przedostanie się do budynków kanałami serwisowymi, a także może spowodować uszkodzenie zawartości budynku i instalacji elektrycznych.

Mosty i duże budynki zbudowane na fundamentach palowych mogą utracić wsparcie z sąsiedniego gruntu i wygiąć się lub zatrzymać się przy przechyleniu.

Pochyły teren i grunt w pobliżu rzek i jezior mogą przesuwać się po upłynnionej warstwie gleby (określane jako „rozlewanie boczne”), otwierając duże szczeliny gruntowe i mogą powodować znaczne uszkodzenia budynków, mostów, dróg i usług, takich jak woda, gaz ziemny, kanalizacja , elektroenergetycznych i telekomunikacyjnych zainstalowanych w dotkniętym gruncie. Zakopane zbiorniki i studzienki mogą unosić się w upłynnionej glebie z powodu wyporu . Nasypy ziemne, takie jak wały przeciwpowodziowe i tamy ziemne, mogą utracić stabilność lub zawalić się, jeśli materiał, z którego zbudowany jest nasyp lub jego fundament, ulegnie upłynnieniu.

W czasie geologicznym upłynnianie materiału glebowego w wyniku trzęsień ziemi może zapewnić gęsty materiał macierzysty, w którym fragipan może rozwijać się w procesie pedogenezy.

Metody łagodzenia

Główny artykuł: Zagęszczanie dynamiczne

Metody łagodzenia zostały opracowane przez inżynierów zajmujących się trzęsieniami ziemi i obejmują różne techniki zagęszczania gleby , takie jak zagęszczanie wibracyjne (zagęszczanie gleby za pomocą wibratorów wgłębnych), zagęszczanie dynamiczne i kamienne kolumny wibracyjne . Metody te zagęszczają glebę i pozwalają budynkom uniknąć jej upłynniania.

Istniejące budynki można złagodzić poprzez iniekcje do gruntu w celu ustabilizowania warstwy gruntu podlegającej upłynnieniu. Inna metoda, zwana IPS (Induced Partial Saturation), jest obecnie możliwa do zastosowania na większą skalę. W metodzie tej zmniejsza się stopień nasycenia gleby.

Ruchome piaski

Główny artykuł: Ruchome piaski

Ruchome piaski tworzą się, gdy woda nasyca obszar luźnego piasku, a piasek jest wzburzony. Kiedy woda uwięziona w porcji piasku nie może uciec, tworzy płynną glebę, która nie jest już w stanie oprzeć się sile. Ruchome piaski mogą być tworzone przez stojącą lub (w górę) płynącą wodę podziemną (jak z podziemnego źródła) lub przez trzęsienia ziemi. W przypadku płynącej wody podziemnej siła przepływu wody przeciwstawia się sile grawitacji, powodując, że granulki piasku są bardziej wyporne. W przypadku trzęsień ziemi siła wstrząsów może zwiększyć ciśnienie płytkich wód gruntowych, upłynniając osady piasku i mułu. W obu przypadkach upłynniona powierzchnia traci wytrzymałość, powodując zapadanie się lub przewracanie budynków lub innych obiektów na tej powierzchni.

Nasycony osad może wydawać się dość stały, dopóki zmiana ciśnienia lub wstrząs nie zainicjuje upłynnienia, powodując utworzenie zawiesiny piasku z każdym ziarnem otoczonym cienką warstwą wody. Ta amortyzacja nadaje ruchomym piaskom i innym upłynnionym osadom gąbczastą, płynną konsystencję. Przedmioty w upłynnionym piasku opadają do poziomu, przy którym ciężar przedmiotu jest równy ciężarowi wypartej mieszanki piasku i wody, a przedmiot unosi się dzięki swojej wyporności .

Szybka glina

Główny artykuł: Szybka glina

Quick Clay, znana w Kanadzie jako Leda Clay , to nasycony wodą żel , który w swojej stałej postaci przypomina bardzo wrażliwą glinkę . Ta glina ma tendencję do zmiany stanu ze stosunkowo sztywnego na płynną masę, gdy jest wzburzona. Ta stopniowa zmiana wyglądu ze stałego na ciekły jest procesem znanym jako spontaniczne upłynnianie. Glinka zachowuje stałą strukturę pomimo dużej zawartości wody (do 80% objętościowo), dzięki napięciu powierzchniowemu utrzymuje razem pokryte wodą płatki gliny. Kiedy struktura zostanie rozerwana przez wstrząs lub wystarczające ścinanie, przechodzi w stan płynny.

Żywa glina występuje tylko w krajach północnych, takich jak Rosja , Kanada , Alaska w USA, Norwegia , Szwecja i Finlandia , które zostały zlodowacone w epoce plejstocenu .

Ruchoma glina była podstawową przyczyną wielu śmiertelnych osunięć ziemi . W samej Kanadzie powiązano go z ponad 250 zmapowanymi osuwiskami. Niektóre z nich są starożytne i mogły zostać wywołane przez trzęsienia ziemi.

Prądy zmętnienia

Główny artykuł: prąd zmętnienia

Osuwiska podmorskie to prądy zmętnienia i składają się z nasyconych wodą osadów spływających w dół zbocza. Przykład miał miejsce podczas trzęsienia ziemi w Grand Banks w 1929 r. , które nawiedziło zbocze kontynentalne u wybrzeży Nowej Fundlandii . Kilka minut później transatlantyckie kable telefoniczne zaczęły pękać sekwencyjnie, coraz dalej w dół zbocza, z dala od epicentrum . W sumie pękło 12 kabli w 28 miejscach. Dokładne czasy i miejsca były rejestrowane dla każdej przerwy. Badacze zasugerowali, że podwodne osuwisko lub prąd zmętnienia osadów nasyconych wodą o prędkości 60 mil na godzinę (100 km / h) przetoczył się 400 mil (600 km) w dół zbocza kontynentu od epicentrum trzęsienia ziemi, zrywając kable, gdy przechodził .

Zobacz też

Dalsza lektura

Linki zewnętrzne

Media związane z upłynnianiem gleby w Wikimedia Commons

Pobrane z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Soil_liquefaction&oldid=1140169861 ”