Una pericolosa liquefazione del suolo può verificarsi lontano dagli epicentri dei terremoti in condizioni drenate – Physics World

Contrariamente alla saggezza convenzionale, la liquefazione del suolo durante i terremoti può avvenire lontano dagli epicentri, in condizioni drenate e a livelli di densità di energia sismica relativamente bassi. La scoperta di un team internazionale di ricercatori potrebbe consentirci di valutare e prepararci meglio ai rischi di terremoto.

Uno dei rischi più catastrofici e inquietanti legati ai terremoti è la liquefazione del suolo. Ciò si verifica quando lo scuotimento sismico aumenta temporaneamente lo spazio tra i singoli granuli del terreno, provocando una perdita di solidità. Il terreno inizia a comportarsi come un liquido viscoso, nel quale possono affondare veicoli, edifici e altre strutture. Allo stesso tempo, le infrastrutture sepolte come le condutture possono “galleggiare” in superficie (vedi figura). La liquefazione può anche causare l’espansione e la fessurazione del terreno e persino innescare frane.

Sebbene la liquefazione del suolo possa essere un effetto devastante di un terremoto, può avere applicazioni utili. Gli ingegneri civili inducono deliberatamente la liquefazione per migliorare la qualità del suolo prima della costruzione e ridurre al minimo il rischio di liquefazione sismica. Questo può essere fatto mediante sabbiatura, compattazione dinamica e vibroflottazione, che coinvolge una grande sonda vibrante.

Condizioni non drenate

Tradizionalmente, la liquefazione sismica è stata associata a condizioni non drenate (suolo che non drena naturalmente l’acqua) vicino agli epicentri dei terremoti. Tuttavia, i geoscienziati hanno osservato anche la liquefazione che avviene lontano dall’epicentro con livelli più bassi di energia sismica.

"Questo è uno scenario abbastanza comune", spiega Shahar Ben-Zeev, sismologo dell'Università Ebraica di Gerusalemme. Ad esempio, osserva, “molti degli eventi di liquefazione avvenuti durante la famosa sequenza di terremoti di Canterbury del 2010-2011 che causò un’enorme quantità di danni a Christchurch, in Nuova Zelanda, si verificarono in campo lontano, con un input di densità di energia sismica molto bassa”. .”

Per capire come ciò sia possibile, Ben-Zeev e colleghi hanno effettuato simulazioni su scala di grano ed esperimenti fisici sulla risposta di strati di grani privi di coesione e saturi di acqua allo scuotimento orizzontale. Gli esperimenti fisici sono stati condotti in una scatola trasparente, all'interno della quale una serie di trasduttori di pressione ha consentito misurazioni sia del movimento dei grani che della pressione dei pori.

Flusso del fluido interstiziale

I ricercatori hanno scoperto che, anche in condizioni drenate, lo scuotimento sismico può innescare il flusso di fluido interstiziale all’interno del suolo, portando all’accumulo di gradienti eccessivi di pressione dei pori e, di conseguenza, alla perdita di resistenza del suolo. È stato osservato che la liquefazione drenata si svolge rapidamente, guidata dal movimento attraverso il terreno di un fronte di compattazione ad una velocità vincolata dalla velocità di iniezione dell’energia sismica.

"Il classico meccanismo non drenato è percepito come un processo cumulativo, ovvero la pressione dei pori aumenta gradualmente nel tempo", spiega Ben-Zeev. Tuttavia, aggiunge: “Nello scenario drenato, la pressurizzazione è rapida e più istantanea. Di conseguenza, abbiamo scoperto che il parametro di controllo per la liquefazione drenata è la potenza sismica (il tasso di densità di energia sismica immessa nel suolo).”

I risultati, ha osservato il team, hanno anche implicazioni sul modo in cui interpretiamo le caratteristiche geologiche legate alla liquefazione associate a terremoti passati che non sono stati misurati utilizzando strumenti sismici.

“Le procedure decisionali e politiche riguardanti la preparazione ai terremoti si basano sui cataloghi dei terremoti, principalmente sull’intervallo di tempo in cui si ripresenta una certa magnitudo del terremoto in una regione, spiega Ben-Zeev. Un modo per costruire un catalogo che risale a prima delle registrazioni strumentali, osserva, è esaminare la deformazione dei sedimenti molli nella documentazione geologica.

"Se si trovano prove di eventi di liquefazione del suolo, è possibile calcolare i parametri del movimento del suolo che hanno innescato la liquefazione, e quindi limitare la distanza e l'entità dell'epicentro", afferma. “Il nostro studio, che ha dimostrato che la liquefazione può essere avviata in condizioni di scuotimento di intensità relativamente bassa, richiede il riesame del movimento paleo del suolo forse sovrastimato”.

Non completamente spiegato

Oliver Taylor, un ingegnere geotecnico con ECS limitata chi non è stato coinvolto nello studio ritiene che il lavoro sia significativo: “[Ben-Zeev e colleghi] forniscono una visione approfondita dei terreni che si liquefanno al di fuori del classico regime non drenato. Questo è qualcosa che è stato osservato in situ, ma non completamente spiegato dalla nostra attuale comprensione”.

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Tuttavia, Taylor nota che il team ha testato solo le condizioni del terreno più sciolto possibile su una sabbia uniforme e non compattata. “Il problema”, aggiunge, “è che crea solo lo scenario 'peggiore' da cui i risultati vengono 'convalidati' – e potrebbe non essere rappresentativo delle condizioni in situ in cui è stata effettuata la liquefazione a bassa densità di energia. osservato”.

Definendo lo studio “molto interessante”, Chi Yuen Wang − un geofisico applicato dell’Università della California, Berkeley – sottolinea che “non è chiaro il motivo per cui [la] simulazione non abbia considerato la comprimibilità del terreno poroso, dato che quest’ultima è la componente principale dell’immagazzinamento del suolo a bassa profondità, che controlla l’evoluzione della pressione dei pori”.

Una volta completato il loro studio iniziale, Ben-Zeev e i suoi colleghi hanno utilizzato lo stesso quadro teorico per esplorare il mistero di come la liquefazione del suolo possa verificarsi più volte nello stesso luogo. Non è previsto che ciò accada poiché l'episodio iniziale dovrebbe densificare il suolo e impedirne la ri-liquefazione futura.

Lo studio è descritto in Natura Comunicazioni.

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