A perigosa liquefação do solo pode ocorrer longe dos epicentros dos terremotos em condições drenadas – Physics World

A perigosa liquefação do solo pode ocorrer longe dos epicentros dos terremotos em condições drenadas – Physics World

Carimbo de data / hora: 7 de novembro de 2023, 1h52

Liquefação na Nova Zelândia
Flutuando em terra: este bueiro foi empurrado pela estrada em Christchurch pela liquefação causada pelo terremoto de Canterbury em 2010. (Cortesia: Martin Luff/CC BY-SA 2.0)

Contrariamente à sabedoria convencional, a liquefação do solo durante os sismos pode ocorrer longe dos epicentros, em condições de drenagem e em níveis de densidade de energia sísmica relativamente baixos. A descoberta de uma equipa internacional de investigadores poderá permitir-nos avaliar e preparar-nos melhor para os riscos de terramotos.

Um dos perigos mais catastróficos e perturbadores relacionados com os terremotos é a liquefação do solo. Isto ocorre quando a agitação sísmica aumenta temporariamente o espaço entre os grãos individuais do solo, causando uma perda de solidez. O solo passa a se comportar como um líquido viscoso, no qual podem afundar veículos, edifícios e outras estruturas. Ao mesmo tempo, infraestruturas enterradas, como oleodutos, podem “flutuar” até à superfície (ver figura). A liquefação também pode fazer com que o solo se espalhe e rache, e até mesmo provoque deslizamentos de terra.

Embora a liquefação do solo possa ser um efeito devastador de um terremoto, ela pode ter aplicações úteis. Os engenheiros civis induzem deliberadamente a liquefação para melhorar a qualidade do solo antes da construção e minimizar o risco de liquefação sísmica. Isto pode ser feito por detonação, compactação dinâmica e vibroflotação, que envolve uma grande sonda vibratória.

Condições não drenadas

Tradicionalmente, a liquefação sísmica tem sido associada a condições não drenadas (solo que não drena água naturalmente) perto dos epicentros dos terremotos. No entanto, os geocientistas também observaram a liquefação ocorrendo longe do epicentro com níveis mais baixos de energia sísmica.

“Este é um cenário bastante comum”, explica Shahar Ben-Zeev, sismólogo da Universidade Hebraica de Jerusalém. Por exemplo, observa ele, “muitos dos eventos de liquefação que ocorreram durante a famosa sequência do terremoto de Canterbury de 2010-2011, que causou uma enorme quantidade de danos em Christchurch, Nova Zelândia, ocorreram no campo distante, sob entrada de densidade de energia sísmica muito baixa. .”

Para entender como isso é possível, Ben-Zeev e colegas fizeram simulações em escala de grãos e experimentos físicos sobre a resposta de camadas de grãos sem coesão e saturados de água à agitação horizontal. Os experimentos físicos foram realizados em uma caixa transparente, dentro da qual uma série de transdutores de pressão permitiu medições do movimento dos grãos e da pressão dos poros.

Fluxo de fluido intersticial

Os pesquisadores descobriram que, mesmo em condições drenadas, a agitação sísmica pode desencadear o fluxo de fluido intersticial dentro dos solos, levando ao acúmulo de gradientes excessivos de pressão dos poros e, como resultado, à perda de resistência do solo. Observou-se que a liquefação drenada se desenrolava rapidamente – guiada pelo movimento através do solo de uma frente de compactação a uma velocidade que é limitada pela taxa de injeção de energia sísmica.

“O mecanismo clássico não drenado é percebido como um processo cumulativo, ou seja, a pressão dos poros aumenta gradualmente ao longo do tempo”, explica Ben-Zeev. Porém, acrescenta: “No cenário drenado, a pressurização é rápida e mais instantânea. Assim, descobrimos que o parâmetro de controle para a liquefação drenada é a potência sísmica (a taxa de entrada de densidade de energia sísmica no solo).

As descobertas, observou a equipe, também têm implicações na forma como interpretamos as características geológicas relacionadas à liquefação associadas a terremotos anteriores que não foram medidas usando instrumentos sísmicos.

“Os procedimentos de decisão e de elaboração de políticas relativas à preparação para terremotos dependem de catálogos de terremotos, principalmente do intervalo de tempo de recorrência de uma determinada magnitude de terremoto em uma região, explica Ben-Zeev. Uma maneira de construir um catálogo que remonta a antes dos registros dos instrumentos, observa ele, é examinar a deformação dos sedimentos moles no registro geológico.

“Se forem encontradas evidências de eventos de liquefação do solo, é possível calcular os parâmetros de movimento do solo que desencadearam a liquefação e, em seguida, restringir a distância e magnitude epicentral”, diz ele. “Nosso estudo, que mostrou que a liquefação pode ser iniciada sob agitação de intensidade relativamente baixa, exige um reexame do movimento paleoterrestre possivelmente superestimado.”

Não totalmente explicado

Oliver Taylor, engenheiro geotécnico da ECS Limitada que não esteve envolvido no estudo acredita que o trabalho é significativo: “[Ben-Zeev e colegas] fornecem uma visão completa dos solos que se liquefazem fora do regime clássico não drenado. Isto é algo que foi observado in situ, mas não totalmente explicado pelo nosso entendimento atual.”

No entanto, Taylor observa que a equipe testou apenas a condição de solo mais solto possível em areia uniforme e não compactada. “O problema com isto”, acrescenta ele, “é que apenas cria o 'pior cenário' a partir do qual os resultados são 'validados' - e pode não ser representativo das condições in-situ onde a liquefação de baixa densidade energética foi observado”.

Chamando o estudo de “muito interessante”, Chi Yuen Wang − um geofísico aplicado da Universidade da Califórnia, Berkeley – salienta que “não está claro por que [a] simulação não considerou a compressibilidade do solo poroso, dado que este último é o principal componente do armazenamento do solo em profundidades rasas, que controla a evolução da pressão dos poros.”

Com o estudo inicial concluído, Ben-Zeev e seus colegas têm usado a mesma estrutura teórica para explorar o mistério de como a liquefação do solo pode ocorrer muitas vezes no mesmo local. Não se espera que isto ocorra porque o episódio inicial deverá densificar o solo e evitar a reliquefação no futuro.

O estudo é descrito em Natureza Comunicações.

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