Lizotyzm podczas trzęsień ziemi

Jak drgania przemieniają piaszczystą ziemię w ciepło

Piaszczysta ziemia, która jest zazwyczaj suchej lub lekko załadowanej, nosi swoją ciężar poprzez sieć kontaktów między grzywnami. Każdy kawałek piaszu naciska na swoich sąsiadów, a fazy i zaciągnięcia w tych punktach kontaktowych dają ziemiowej masie siłę, pozwalając jej nosić ciężar budynku nad nią. W piaszczystej ziemi o słabo zapakowanej strukturze grzywna leży w otwartym, nieciągłym układzie z dużymi przestrzeniami między nimi, podobnie jak stos marliwek upadłych przypadkowo do butelki, a nie tych spowodowanych drganiem i ułożonych gęsto. Gdy silne trzęsienie ziemi wysyła wokół siebie cykliczne siły skrętowe, grzywna o słabo zapakowanej strukturze jest drgać wielokrotnie na sekundę. Każdy cykl drgania to mała okazja dla grzywn, aby zmienić układ i stać się gęstszy, stabilniejszy, podobnie jak stos marliwek, który ułoży się, gdy drgniesz butelkę. W normalnych warunkach, przy wolnym tempie, ta reorganizacja zajmuje się czasem, a wodna spustoszenie między grzywnami po prostu odpływa, gdy grzywna naciska się bliżej siebie. Ale silne drgania trzęsienia ziemi trwają tylko sekundy do kilku minut, co jest zbyt krótko, aby woda mogła wyplątać się przez małe kanały spustoszenia, zwłaszcza w piaszczystej ziemi o niewielkich i średnich przestrzeniach między grzywnami. Zablokowane spustoszenie, grzywna nie może rzeczywiście bliżej siebie się zbliżyć, ponieważ woda zatrzymana między grzywnami jest prawie niewyrażalna. Zamiast tego, każdy cykl drgania przekazuje więcej ciężaru, który przedtem zalegał na kontaktach grzywn, na samą zatrzymaną wodę spustoszenia. To opisane za pomocą prawa stresu skutecznego: cała siła noszona przez ziemię jest podzielona między ciśnienie w wodzie spustoszeniowej a skutecznym stresem przekazywanym bezpośrednio przez szkielet grzywn. Podczas dalszego drgań, ciśnienie w wodzie spustoszeniowej wzrasta coraz wyżej, zbliżając się do całkowitego nacisku obcią Jenskiego zasypiającego ziemię z góry. Gdy ciśnienie w wodzie spustoszenia prawie równe jest całemu stresowi, skuteczny stres między grzywnami spada ku zero, co oznacza, że grzywna są prawie w flotacji pod naciskiem wody zamiast leżeć jedna na drugiej. Wtedy ziemia straci niemal wszystko swoje siły skrętowe i zachowuje się jak gęsta ciepło, nawet jeśli nie dodano ani jednej kropli wody i żadne grzywna nie zostało usunięte.

Zakres zagrożenia spowodowany osłabieniem szkła i wilgotnymi, małostrukturalnym piaskami

Nie wszystkie gleby są podatne na oblepienie (liquefikację), a różnice wynoszą się z ułożenia kropeczek, wielkości kropeczek oraz obecności wody. Małostrukturalny piasek jest zagrożeniem dokładnie dlatego, że jego kropeczki mają długą drogę do osiągnięcia gęstszego ułożenia, co oznacza, że wielokrotne próby zmiany ułożenia i opór wypukłych wodnych przestrzeni powodują duży objętościowy zmienność. Gęsty piasek, na odwrót, już znajduje się w gęstym i zaszyfrowanym ułożeniu. Podczas agitacji kropeczki gęstej gleby tendują do rozszerzenia lub lito rozszerzenia, a nie do kontrakcji, co na chwilę zmniejsza ciśnienie wypukłych przestrzeni, a nie zwiększa go, dlatego gęste osadzienia są znacznie bardziej odpornościowe na oblepienie nawet pod tymi samymi warunkami agitacji i tą samą zawartością wodną. Obecność wody ma tak wiele znaczenia jak gęstość ułożenia. Piasek suchy powyżej poziomu wody ma powietrze zamiast wody w swoich wypukłych przestrzeniach, a powietrze łatwo się kompresuje i wydobywa, dlatego agitacja prostym sposobem tylko zmienia ułożenie suchych kropeczek bez budowania ciśnienia szkodliwego. Tylko gdy wypukłe przestrzenie są całkowicie wypełnione wodą, jak jest poniżej poziomu wody, mechanizm płynu niekompresyjnego może zatrzymać obciążenie i podnieść ciśnienie wypukłych przestrzeni. To dlaczego mapy zagrożenia oblepieniem skupiają się tak intensywnie na głębokość powierzchni gruntowej; płyty wodne na niskich terenach, półokręgi inżynierskie, odzyskane gleby i sztuczne wypełnienia są zawsze najbardziej zagrożonymi obszarami. Rozmiar kropeczek i rodzaj gleby dodają końcowy filtry. Piasek dość mały do średnio mały oraz nieplastyczna glina sztywna są tradycyjnymi materiałami oblepienymi, ponieważ ich pory są wystarczająco cienkie, aby zatrzymać wodę podczas krótkiej trwania agitacji, ale kropeczki same są wystarczająco duże i nie mają wiązającego połączenia gliny, aby były oddzielnie poruszalne. Gleby glinowe są prawie odpornymi na tradycyjne oblepienie, ponieważ cząsteczki są połączone przez wiązujące, elektrorywalne siły między płaskimi mineralami gliny, co daje glebowi massę wewnętrzny zasięg, który nie zależy od wzajemnego napinania się kropeczek i nie jest usunięty nawet podwyższeniem ciśnienia wypukłych przestrzeni. Gleby gliniaste, na odwrót, tendują do za szybkiej drenacji, aby ciśnienie wypukłe mogło zbudować się w pierwszej kolejności, ponieważ ich pory są szerokie.

Co się dzieje z budynkami na liquefikowanej gruzie

Gdy warstwa gleby liquefikuje, już nie może oferować wiarygodnej podpinanej opory ani laterali. Konsekwencje na powierzchni zależą od tego, co znajduje się na lub w tej glebie. Budynki zbudowane na głębokich fundamentach mogą doświadczać awarii wytrzymałościowej, spadając niejednolitymi kawałkami do liquefikowanej warstwy, ponieważ różne części podpięcia naciskają na glebę, która straciła siłę w różny sposób. Jeśli jedna kąt budynku spada o wiele więcej niż inny, całe zabytko się ugięje, często dramatycznie, nawet jeśli budowla sama pozostaje konstrukcyjnie niewzruszona, ponieważ awaria występuje w gruzie, a nie w ścianach lub szkieletach. Podgruzowe i lżejsze zabytki takie jak puste lub słabo wypełnione podziemne magazyny paliwa, kanalizacyjne magazyny i linie przewodniczące doświadczały odwrotnego problemu. Gdy okoliczna gleba liquefikuje, zachowuje się jak gęste ciecz, o masie jednostkowej znacznie większej niż masa podgruzowego zabytku, co powoduje siły flotacyjne, które mogą podnosić zabytek, fenomen, który inżynierom nazywa się flotacją. Manchyliki, puste baseny do wędrówki i lżejsze skrzynie obciążeniowe były widoczne na powierzchni ziemi kilka stopni wyżej podczas zjawisk liquefikacyjnych, dokładnie dlatego. Na łagodnie nachmurzonych terenach lub blisko brzegów rzek i lądu nadbrzeżnego, warstwy gleby liquefikowane mogą spowodować rozszerzenie laterałe, w którym duże bloki nadgruzowych, nadal nienaruszonych gleb spadają wolno łagodnie lub w kierunku wolnej ściany, takiej jak brzeg rzeki, nosząc je na swoje miejsce na topie liquefikowanej warstwy pod nimi. Rozszerzenie laterałe może przesunąć ziemię o wiele stopni, rozdzielać linie przewodniczące, drapać fundamenty i oddzielać się od oporów mostowych. Slopa zbyt łagodna do niepokonania w normalnych warunkach statycznych może płynąć znacznymi odległościami, gdy jej podgruzowa warstwa staje się ciecz. Po zakończeniu drgań i rozprzestrzeniania się powietrza porenowego, gdy woda spływa wolno, gleba ponownie odzyskuje siłę, ale już wtedy szkody, takie jak ugięte budynki lub przesunięte drogi, wystąpiły i zwykle nie można ich cofnąć bez intensywnej naprawy fundamentów lub poprawy ziemi.

Znane historyczne przypadki uszkodzeń spowodowanych lizotyzmem

Trzęsienie ziemi w Niigata w 1964 roku w Japonii wygenerowało niektóre z najbardziej rozpowszechnionych obrazów w geotechnice: całe bloki budynków betonowych z okrutanymi konstrukcjami w district Kawagishi-cho, które sięgnęły kątów ponad trzydziestu stopni, podczas gdy ich ramy pozostawały prawie całkowicie nienaruszone. Budynki były stosunkowo krótkie i twardne, więc gdy poniżej nich osad zatopiony i siany wypłynął, obracały się i opadały jako niemal całe bloki twardych materiałów, a nie kraszając się. Niigata, razem z trzęsieniem ziemi w Alaski w 1964 roku, jest szeroko poznawany za to, że przyciągnęło uwagę inżynierów do lizotyzmu jako oddzielnego i przewidywalnego zagrożenia, co spowodowało dekadę badań nad sposobami wykrywania i ograniczania go. Trzęsienie ziemi w Loma Prieta w 1989 roku w Kalifornii powodowało intensywny lizotyzm w district Marina w San Francisco, gdzie duża część terenu została zbudowana na osadzie słabej i zatopionej sienniczej. Teren ten został uszkodzony i zniszczony wielu budynków oraz rozszarpanych podziemnych instalacji, mimo że district Marina leżał znacznie dalej od epicentra trzęsienia ziemi blisko szczytu Loma Prieta, ilustrując, jak osad artystyczny i głęboka woda podziemna mogą tworzyć poważne zagrożenia nawet daleko od najmocniejszych drgań. W ostatnim czasie seria trzęsień ziemi w Christchurch w Nowej Zelandii w 2011 roku wywołała szerokie i intensywny lizotyzm na całym mieście, wydzielając ogromne ilości siennic i gliny do powierzchni poprzez dziury w terenie, proces nazywany kiszyniem siennicznym, oraz uszkodziła tysiące domów zbudowanych na osadach słabości i zatopionej gliniastej gleby Canterbury Plains. Seria trzęsień ziemi w Tohoku w Japonii w 2011 roku również spowodowała szerokie uszkodzenia spowodowane lizotyzmem na terenie odzyskanych obszarów wokół Zatochu Tokio, daleko od głównego zasięgu drgań pod wodą. Każde z tych wydarzeń potwierdziło tę samą lekcję: zagrożenie spowodowane lizotyzmem kontroluje się mniej przez sam rozmiar trzęsienia ziemi, niż lokalne warunki glebowe, głębokość wody podziemnej i sposób, w jaki teren poniżej miasta został pierwotnie utworzony lub wypełniony.

Ocena i Minimizacja Wyzwania Lizeotycznego

Inżynierowie geotechnici oceniają potencjał lizeotycznego korzystając z ramy obecną w generalności pod nazwą procedury uproszczonej opartej na nacisku, która porównuje cykliczny nacisk skrętowy, jaki przewidywany jest do wprowadzenia przez designowe trzęsienie ziemi na warstwę gleby, zwany stosunkiem cyklicznym nacisku, z oporowścią gleby przeciwko lizeotycy, zwanej stosunkiem cyklicznym odporności. Ta odporność jest obyczajowo szacowana na podstawie testów polowych takich jak test wtrącenia standardowego lub test wtrącenia konusowego, które pomiarzają ile gleby opiera się na probach lub wtrącaniu do niej, dając nieprecyzyjny, ale wiarygodny pomiar gęstości i, zatem, podatności na lizeotycję. Gdy stosunek nacisku przekracza odporność gleby, inżynierowie klasificują miejsce jako podatne na lizeotycję w ramach scenariusza designowego trzęsienia ziemi. Gdzie jest identyfikowany ryzyko lizeotycznego pod istniejącymi lub planowanymi budynkami, kilka technik poprawy warunków podłogowych może zmniejszyć zagrożenie. Vibro-kompakcja i vibro-zamiana używają vibrujących probek do zatwardzenia szczytnych piasków na miejscu, bezpośrednio atakując rozrzutny układ, który sprawia lizeotycję możliwą. Kolumny kamieniowe i przewodniki wertyczne prefabrykowane skrócą drogę do zanurzenia wody porenowej, pozwalając na szybkie zaniesienie nacisku podczas drgań tak, aby nigdy nie zbliżył się do krytycznego próg. Mieszanie gleby na głębokiej poziomie łączy cement lub inne sklepienia w glebie tworząc silniejsze, mniej lizeotyczne kolumny lub siatki wewnątrz rozrzutnej warstwy. W przypadku istniejących budynków, gdzie masowa poprawa warunków podłogowych jest niemożliwa, inżynierowie czasami korzystają z głębokich fundamentów, takich jak pilory wtrącone przez lizeotyczną warstwę do stabilnej gleby lub kamienia poniżej, tak aby ciężar budynku pomija słabe warstwy całkowicie, a nie polega na nich na wsparcie. Ostatecznie, minimizacja lizeotycznego jest tyle jak o mapowaniu, ile technika konstrukcyjna. Detalne mapy zagrożenia łączące głębokość podziemnej wody, typ gleby i historię intensywności drgań pozwalają planerom prowadzić krytyczne infrastrukturę, szpitala i gęste zabudowanie daleko od najbardziej zagrożonych obszarów, co nadal jest najtańszy sposób na zmniejszenie przyszłych strat lizeotycznego.

Często zadawane pytania

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Soil Liquefaction During Earthquakes i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.