Gevaarlijke bodemvervloeiing kan plaatsvinden buiten epicentra van aardbevingen in gedraineerde omstandigheden – Physics World

Gevaarlijke bodemvervloeiing kan plaatsvinden buiten epicentra van aardbevingen in gedraineerde omstandigheden – Physics World

Tijdstempel: 7 november 2023 1:52 uur

Vloeibaarmaking in Nieuw-Zeeland
Drijvend op het land: deze stormafvoer werd door de weg in Christchurch omhoog geduwd door vloeibaarmaking veroorzaakt door de aardbeving in Canterbury in 2010. (Met dank aan: Martin Luff/CC BY-SA 2.0)

In tegenstelling tot de conventionele wijsheid kan het vloeibaar maken van de bodem tijdens aardbevingen plaatsvinden buiten epicentra, in gedraineerde omstandigheden en bij relatief lage seismische energiedichtheidsniveaus. De bevindingen van een internationaal team van onderzoekers kunnen ons in staat stellen de gevaren van aardbevingen beter in te schatten en ons erop voor te bereiden.

Een van de meest catastrofale en verontrustende gevaren die verband houden met aardbevingen is het vloeibaar maken van de bodem. Dit gebeurt wanneer seismisch schudden tijdelijk de ruimte tussen individuele grondkorrels vergroot, waardoor een verlies aan stevigheid ontstaat. De bodem gaat zich gedragen als een stroperige vloeistof, waarin voertuigen, gebouwen en andere constructies kunnen wegzakken. Tegelijkertijd kan ondergrondse infrastructuur zoals pijpleidingen naar de oppervlakte ‘drijven’ (zie figuur). Vloeibaar maken kan er ook voor zorgen dat de grond zich verspreidt en barst, en zelfs aardverschuivingen veroorzaakt.

Hoewel het vloeibaar maken van de bodem een ​​verwoestend effect van een aardbeving kan hebben, kan het ook nuttige toepassingen hebben. Civiel-ingenieurs veroorzaken opzettelijk liquefactie om de bodemkwaliteit vóór de bouw te verbeteren en het risico op seismische liquefactie te minimaliseren. Dit kan door middel van stralen, dynamische verdichting en vibroflotatie, waarbij gebruik wordt gemaakt van een grote trillende sonde.

Ongedraineerde omstandigheden

Traditioneel wordt seismische liquefactie in verband gebracht met ongedraineerde omstandigheden (grond die op natuurlijke wijze geen water afvoert) nabij de epicentra van aardbevingen. Geowetenschappers hebben echter ook liquefactie waargenomen buiten het epicentrum met lagere niveaus van seismische energie.

“Dit is een vrij gebruikelijk scenario”, legt hij uit Shahar Ben-Zeev, een seismoloog aan de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem. Hij merkt bijvoorbeeld op dat “veel van de liquefactie-gebeurtenissen die plaatsvonden tijdens de beroemde aardbevingen in Canterbury van 2010-2011, die een enorme hoeveelheid schade veroorzaakten in Christchurch, Nieuw-Zeeland, plaatsvonden in het verre veld, onder een zeer lage input van seismische energiedichtheid. .”

Om te begrijpen hoe dit mogelijk is, hebben Ben-Zeev en collega's zowel simulaties op korrelschaal als fysieke experimenten uitgevoerd naar de reactie van lagen met water verzadigde, cohesieloze korrels op horizontaal schudden. De fysieke experimenten werden uitgevoerd in een transparante doos, waarbinnen een reeks druktransducers metingen van zowel de graanbeweging als de poriëndruk mogelijk maakten.

Interstitiële vloeistofstroom

De onderzoekers ontdekten dat, zelfs in gedraineerde omstandigheden, seismisch schudden de interstitiële vloeistofstroom in de bodem kan veroorzaken, wat leidt tot de opbouw van overmatige poriëndrukgradiënten en, als gevolg daarvan, het verlies aan bodemsterkte. Er werd waargenomen dat de afgevoerde liquefactie zich snel ontvouwde – geleid door de beweging door de grond van een verdichtingsfront met een snelheid die wordt beperkt door de snelheid van seismische energie-injectie.

“Het klassieke ongedraineerde mechanisme wordt gezien als een cumulatief proces, dat wil zeggen dat de poriëndruk in de loop van de tijd geleidelijk stijgt”, legt Ben-Zeev uit. Hij voegt er echter aan toe: “In het gedraineerde scenario vindt de drukverhoging snel en onmiddellijk plaats. Dienovereenkomstig hebben we ontdekt dat de controleparameter voor gedraineerde liquefactie het seismische vermogen is (de snelheid van de seismische energiedichtheid die in de bodem wordt ingevoerd).

De bevindingen, zo merkte het team op, hebben ook implicaties voor de manier waarop we liquefactie-gerelateerde geologische kenmerken interpreteren die verband houden met aardbevingen uit het verleden die niet zijn gemeten met behulp van seismische instrumenten.

“Besluit- en beleidsvormingsprocedures met betrekking tot de voorbereiding op aardbevingen zijn afhankelijk van aardbevingscatalogi, voornamelijk het tijdsinterval van herhaling van een bepaalde omvang van de aardbeving in een regio, legt Ben-Zeev uit. Eén manier om een ​​catalogus samen te stellen die teruggaat tot vóór instrumentrecords, merkt hij op, is door de vervorming van zacht sediment in het geologische record te onderzoeken.

"Als er bewijs wordt gevonden van gebeurtenissen in de bodemvervloeiing, is het mogelijk om grondbewegingsparameters te berekenen die de liquefactie teweegbrachten, en vervolgens de epicentrale afstand en omvang te beperken", zegt hij. “Ons onderzoek, waaruit bleek dat liquefactie kan worden geïnitieerd bij schudden met relatief lage intensiteit, roept op tot heronderzoek van mogelijk overschatte paleo-grondbewegingen.”

Niet volledig uitgelegd

Oliver Taylor, een geotechnisch ingenieur bij ECS beperkt die niet bij het onderzoek betrokken was, is van mening dat het werk significant is: “[Ben-Zeev en collega's] bieden een grondig inzicht in bodems die vloeibaar worden buiten het klassieke, ongedraineerde regime. Dit is iets dat ter plekke is waargenomen, maar nog niet volledig kan worden verklaard door ons huidige inzicht.”

Taylor merkt echter op dat het team alleen de meest los mogelijke bodemgesteldheid heeft getest op niet-verdicht, uniform zand. “Het probleem hiermee,” voegt hij eraan toe, “is dat het alleen het ‘worst-case’ scenario creëert van waaruit de resultaten ‘gevalideerd’ worden – en mogelijk niet representatief is voor de in-situ omstandigheden waarin vloeibaarmaking met lage energiedichtheid plaatsvond. opgemerkt".

Hij noemt het onderzoek “zeer interessant”, Chi Yuen Wang − een toegepast geofysicus aan de Universiteit van Californië, Berkeley – wijst erop dat het “onduidelijk is waarom [de] simulatie geen rekening hield met de samendrukbaarheid van de poreuze grond, gegeven het feit dat laatstgenoemde de belangrijkste component is van de opslag van grond op ondiepe diepte, die de evolutie van de poriëndruk regelt.”

Nu hun eerste studie voltooid was, hebben Ben-Zeev en zijn collega's hetzelfde theoretische raamwerk gebruikt om het mysterie te onderzoeken van hoe bodemvervloeiing vele malen op dezelfde locatie kan plaatsvinden. Dit zal naar verwachting niet gebeuren omdat de eerste episode de bodem zou moeten verdichten en opnieuw vloeibaar maken in de toekomst zou moeten voorkomen.

Het onderzoek wordt beschreven in NATUUR Communicatie.

Tijdstempel:

Meer van Natuurkunde wereld