Unter entwässerten Bedingungen kann es abseits von Erdbeben-Epizentren zu gefährlicher Bodenverflüssigung kommen – Physics World

Entgegen der landläufigen Meinung kann es bei Erdbeben abseits von Epizentren, in entwässerten Gebieten und bei relativ niedrigen seismischen Energiedichten zu Bodenverflüssigung kommen. Die Entdeckung eines internationalen Forscherteams könnte es uns ermöglichen, Erdbebengefahren besser einzuschätzen und uns darauf vorzubereiten.

Eine der katastrophalsten und beunruhigendsten erdbebenbedingten Gefahren ist die Bodenverflüssigung. Dies geschieht, wenn seismische Erschütterungen vorübergehend den Abstand zwischen einzelnen Bodenkörnern vergrößern und so zu einem Festigkeitsverlust führen. Der Boden beginnt sich wie eine viskose Flüssigkeit zu verhalten, in der Fahrzeuge, Gebäude und andere Bauwerke versinken können. Gleichzeitig können vergrabene Infrastrukturen wie Pipelines an die Oberfläche „schwimmen“ (siehe Abbildung). Die Verflüssigung kann auch dazu führen, dass sich der Boden ausbreitet, Risse bekommt und sogar Erdrutsche auslöst.

Während die Bodenverflüssigung eine verheerende Auswirkung eines Erdbebens sein kann, kann sie auch nützliche Anwendungen haben. Bauingenieure leiten die Verflüssigung bewusst ein, um die Bodenqualität vor dem Bau zu verbessern und das Risiko einer seismischen Verflüssigung zu minimieren. Dies kann durch Sprengen, dynamische Verdichtung und Vibroflotation erfolgen, bei der eine große vibrierende Sonde zum Einsatz kommt.

Undrainierte Bedingungen

Traditionell wird seismische Verflüssigung mit nicht entwässerten Bedingungen (Boden, der kein natürliches Wasser ableitet) in der Nähe der Epizentren von Erdbeben in Verbindung gebracht. Geowissenschaftler haben jedoch auch beobachtet, dass die Verflüssigung abseits des Epizentrums bei geringerer seismischer Energie auftritt.

„Das ist ein recht häufiges Szenario“, erklärt Shahar Ben-Zeev, Seismologe an der Hebräischen Universität Jerusalem. Beispielsweise stellt er fest: „Viele der Verflüssigungsereignisse, die während der berühmten Erdbebensequenz in Canterbury 2010–2011 auftraten, die in Christchurch, Neuseeland, enorme Schäden anrichtete, ereigneten sich im Fernfeld unter sehr geringer Eingabe seismischer Energiedichte.“ .“

Um zu verstehen, wie dies möglich ist, führten Ben-Zeev und Kollegen sowohl Simulationen im Kornmaßstab als auch physikalische Experimente zur Reaktion von Schichten wassergesättigter, kohäsionsloser Körner auf horizontales Schütteln durch. Die physikalischen Experimente wurden in einer transparenten Box durchgeführt, in der eine Reihe von Druckwandlern Messungen sowohl der Kornbewegung als auch des Porendrucks ermöglichten.

Interstitieller Flüssigkeitsfluss

Die Forscher fanden heraus, dass seismische Erschütterungen selbst unter entwässerten Bedingungen einen interstitiellen Flüssigkeitsfluss im Boden auslösen können, was zum Aufbau übermäßiger Porendruckgradienten und infolgedessen zum Verlust der Bodenfestigkeit führt. Es wurde beobachtet, dass sich die entwässerte Verflüssigung schnell entfaltete – gesteuert durch die Bewegung einer Verdichtungsfront durch den Boden mit einer Geschwindigkeit, die durch die Geschwindigkeit der seismischen Energieinjektion begrenzt wird.

„Der klassische undrainierte Mechanismus wird als kumulativer Prozess wahrgenommen, das heißt, der Porendruck steigt mit der Zeit allmählich an“, erklärt Ben-Zeev. Er fügt jedoch hinzu: „Im entwässerten Szenario erfolgt die Druckbeaufschlagung schnell und augenblicklicher. Dementsprechend haben wir herausgefunden, dass der Kontrollparameter für die Drainageverflüssigung die seismische Leistung ist (die Rate der in den Boden eingetragenen seismischen Energiedichte).“

Das Team stellte fest, dass die Ergebnisse auch Auswirkungen darauf haben, wie wir verflüssigungsbedingte geologische Merkmale im Zusammenhang mit vergangenen Erdbeben interpretieren, die nicht mit seismischen Instrumenten gemessen wurden.

„Entscheidungs- und Politikgestaltungsverfahren zur Erdbebenvorsorge stützen sich auf Erdbebenkataloge, hauptsächlich auf das Wiederauftretenszeitintervall einer bestimmten Erdbebenstärke in einer Region“, erklärt Ben-Zeev. Eine Möglichkeit, einen Katalog zu erstellen, der vor den Instrumentenaufzeichnungen zurückreicht, besteht seiner Ansicht nach darin, die Verformung weicher Sedimente in den geologischen Aufzeichnungen zu untersuchen.

„Wenn Hinweise auf Bodenverflüssigungsereignisse gefunden werden, ist es möglich, Bodenbewegungsparameter zu berechnen, die die Verflüssigung ausgelöst haben, und dann den Abstand und die Größe des Epizentrums einzuschränken“, sagt er. „Unsere Studie, die gezeigt hat, dass die Verflüssigung durch Schütteln relativ geringer Intensität eingeleitet werden kann, erfordert eine erneute Untersuchung der möglicherweise überschätzten Paläo-Bodenbewegung.“

Nicht vollständig erklärt

Oliver Taylor, ein Geotechnikingenieur mit ECS Limited Wer nicht an der Studie beteiligt war, hält die Arbeit für bedeutsam: „[Ben-Zeev und Kollegen] bieten einen umfassenden Einblick in Böden, die sich außerhalb des klassischen undrainierten Regimes verflüssigen. Dies ist etwas, das vor Ort beobachtet wurde, aber nach unserem derzeitigen Verständnis noch nicht vollständig erklärt ist.“

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Allerdings weist Taylor darauf hin, dass das Team den möglichst lockeren Bodenzustand nur auf einem unverdichteten, gleichmäßigen Sand getestet hat. „Das Problem dabei ist“, fügt er hinzu, „dass nur das ‚Worst-Case‘-Szenario entsteht, anhand dessen die Ergebnisse ‚validiert‘ werden – und möglicherweise nicht repräsentativ für die In-situ-Bedingungen ist, unter denen die Verflüssigung mit niedriger Energiedichte herrschte.“ beobachtet".

Er nannte die Studie „sehr interessant“ Chi-Yuen Wang − ein angewandter Geophysiker an der University of California, Berkeley – weist darauf hin, dass es „unklar ist, warum [die] Simulation die Kompressibilität des porösen Bodens nicht berücksichtigt hat, da Letzterer der Hauptbestandteil der Bodenspeicherung in geringer Tiefe ist“. das die Entwicklung des Porendrucks steuert.“

Nach Abschluss ihrer ersten Studie haben Ben-Zeev und seine Kollegen denselben theoretischen Rahmen verwendet, um das Geheimnis zu erforschen, wie Bodenverflüssigung viele Male am selben Ort stattfinden kann. Es ist nicht zu erwarten, dass dies eintritt, da die anfängliche Episode den Boden verdichten und eine erneute Verflüssigung in der Zukunft verhindern sollte.

Die Studie ist beschrieben in Natur Kommunikation.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/dangerous-soil-liquefaction-can-occur-away-from-earthquake-epicentres-in-drained-conditions/