Небезпечне розрідження ґрунту може статися далеко від епіцентрів землетрусів у дренованих умовах – Physics World

Небезпечне розрідження ґрунту може статися далеко від епіцентрів землетрусів у дренованих умовах – Physics World

Мітка часу: 7 листопада 2023 р., 1:52

Зрідження в Новій Зеландії
Плаває на суші: цей зливовий стік був виштовхнутий через дорогу в Крайстчерчі через розрідження, спричинене Кентерберійським землетрусом 2010 року. (З дозволу: Мартін Лафф/CC BY-SA 2.0)

Всупереч загальноприйнятій думці, розрідження ґрунту під час землетрусів може відбуватися далеко від епіцентрів, у дренованих умовах і за відносно низьких рівнів щільності сейсмічної енергії. Відкриття міжнародної групи дослідників може дозволити нам краще оцінити небезпеку землетрусу та підготуватися до нього.

Однією з найбільш катастрофічних і тривожних небезпек, пов’язаних із землетрусами, є розрідження ґрунту. Це відбувається, коли сейсмічні струси тимчасово збільшують простір між окремими зернами ґрунту, спричиняючи втрату міцності. Ґрунт починає вести себе як в'язка рідина, в яку можуть потонути транспортні засоби, будівлі та інші споруди. У той же час закопана інфраструктура, як-от трубопроводи, може «спливти» на поверхню (див. малюнок). Розрідження також може спричинити розтікання та розтріскування землі та навіть спровокувати зсуви.

Хоча розрідження ґрунту може бути руйнівним ефектом землетрусу, воно може мати корисне застосування. Інженери-будівельники навмисно викликають розрідження, щоб покращити якість ґрунту перед будівництвом і мінімізувати ризик сейсмічного розрідження. Це можна зробити за допомогою вибухових робіт, динамічного ущільнення та віброфлотації, яка включає великий вібраційний зонд.

Недреновані умови

Традиційно сейсмічний розрідження пов’язували з недренованими умовами (ґрунт, який природним чином не дренує воду) поблизу епіцентрів землетрусів. Однак геологи також спостерігали розрідження, що відбувається далеко від епіцентру з нижчими рівнями сейсмічної енергії.

«Це досить поширений сценарій», — пояснює Шахар Бен-Зеев, сейсмолог Єврейського університету в Єрусалимі. Наприклад, він зазначає, що «багато подій розрідження, які відбулися під час знаменитої послідовності землетрусів у Кентербері 2010–2011 років, які спричинили величезну кількість руйнувань у Крайстчерчі, Нова Зеландія, відбулися у дальній зоні за дуже низької щільності сейсмічної енергії. .”

Щоб зрозуміти, як це можливо, Бен-Зеєв і його колеги провели моделювання в масштабі зерен і фізичні експерименти щодо реакції шарів водонасичених зерен без когезії на горизонтальне струшування. Фізичні експерименти проводилися в прозорій коробці, всередині якої ряд датчиків тиску дозволяв вимірювати як рух зерна, так і поровий тиск.

Потік інтерстиціальної рідини

Дослідники виявили, що навіть у дренованих умовах сейсмічні тряски можуть спровокувати потік інтерстиціальної рідини всередині ґрунту, що призведе до накопичення надлишкових градієнтів порового тиску та, як наслідок, втрати міцності ґрунту. Було помічено, що розрідження осушеного грунту розгортається швидко — керуючись рухом крізь ґрунт фронту ущільнення зі швидкістю, яка обмежена швидкістю введення сейсмічної енергії.

«Класичний недренований механізм сприймається як кумулятивний процес, тобто поровий тиск поступово зростає з часом», — пояснює Бен-Зеєв. Однак він додає: «У дренажному сценарії підвищення тиску відбувається швидко і миттєво. Відповідно, ми виявили, що контрольним параметром для дренованого розрідження є сейсмічна потужність (швидкість надходження щільності сейсмічної енергії в ґрунт)».

Команда зазначила, що ці висновки також мають значення для того, як ми інтерпретуємо пов’язані з розрідженням геологічні особливості, пов’язані з минулими землетрусами, які не були виміряні за допомогою сейсмічних інструментів.

«Процедури прийняття рішень і формування політики щодо готовності до землетрусів спираються на каталоги землетрусів, головним чином на часовий інтервал повторення певної магнітуди землетрусу в регіоні», — пояснює Бен-Зеєв. Він зазначає, що один із способів побудови каталогу, який сягає до записів приладів, полягає в дослідженні деформації м’яких опадів у геологічних записах.

«Якщо будуть знайдені докази подій розрідження ґрунту, можна розрахувати параметри руху ґрунту, які спровокували розрідження, а потім обмежити епіцентральну відстань і величину», — говорить він. «Наше дослідження, яке показало, що розрідження може бути ініційовано при відносно низькій інтенсивності струшування, вимагає повторної перевірки можливо переоцінених палеографічних рухів землі».

Не повністю пояснено

Олівер Тейлор, інженер-геотехнік с ECS Limited хто не брав участі в дослідженні, вважає, що робота є важливою: «[Бен-Зеєв та його колеги] дають повне розуміння ґрунтів, які розріджуються поза класичним недренованим режимом. Це те, що спостерігалося на місці, але не повністю пояснене нашим поточним розумінням».

Проте Тейлор зазначає, що команда перевіряла лише максимально пухкий стан ґрунту на неущільненому однорідному піску. «Проблема з цим, – додає він, – полягає в тому, що це створює лише «найгірший» сценарій, за яким результати «підтверджуються», і може не бути репрезентативним для умов на місці, де відбувалося розрідження з низькою щільністю енергії. спостерігається».

Називаючи дослідження «дуже цікавим», Чи-Юен Ван − прикладний геофізик з Університету Каліфорнії, Берклі – зазначає, що «незрозуміло, чому [у] моделюванні не враховано стисливість пористого ґрунту, враховуючи, що останній є основним компонентом зберігання ґрунту на невеликій глибині, який контролює еволюцію порового тиску».

Закінчивши своє початкове дослідження, Бен-Зеєв та його колеги використовували ту саму теоретичну основу, щоб дослідити таємницю того, як розрідження ґрунту може відбуватися багато разів в одному місці. Очікується, що цього не станеться, оскільки початковий епізод має ущільнити ґрунт і запобігти повторному розрідженню в майбутньому.

Дослідження описано в природа зв'язку.

Часова мітка:

Більше від Світ фізики