Разжижение грунтов: Поведение почвы как жидкости при нагрузке.

Введение

Почвенный материал, обычно являющийся твердым телом, ведет себя как жидкость.

Разжижение грунта происходит, когда несвязный насыщенный или частично насыщенный грунт существенно теряет прочность и жесткость в ответ на приложенное напряжение, такое как сотрясение во время землетрясения или другое внезапное изменение напряженного состояния, при котором материал, обычно являющийся твердым телом, ведет себя как жидкость. В механике грунтов термин "разжиженный" впервые был использован Алленом Хейзеном в связи с разрушением плотины Калаверас в Калифорнии в 1918 году. Он описал механизм текучего разжижения насыпной плотины следующим образом:

Это явление наиболее часто наблюдается в насыщенных, рыхлых (низкой плотности или неспрессованных) песчаных грунтах. Это связано с тем, что рыхлый песок имеет тенденцию сжиматься при приложении нагрузки. Плотные пески, напротив, имеют тенденцию расширяться в объеме или "раздвигаться". Если грунт насыщен водой, что часто происходит, когда уровень грунтовых вод или уровень моря выше, то вода заполняет промежутки между частицами грунта ("поры"). В ответ на сжатие грунта давление воды в порах увеличивается, и вода стремится вытечь из грунта в зоны низкого давления (обычно вверх к поверхности земли). Однако, если нагрузка прикладывается быстро и достаточно велика, или повторяется многократно (например, при землетрясениях, воздействии штормовых волн), так что вода не успевает вытечь до следующего цикла нагрузки, давление воды может возрасти до такой степени, что оно превысит силу (контактные напряжения) между частицами грунта, удерживающими их в контакте. Эти контакты между частицами обеспечивают передачу веса зданий и вышележащих слоев грунта с поверхности земли на более глубокие слои грунта или скальных пород. Эта потеря структуры грунта приводит к потере его прочности (способности воспринимать касательные напряжения), и можно наблюдать, как он течет как жидкость (отсюда и термин "разжижение"). Хотя последствия разжижения грунта были известны давно, инженеры стали уделять этому больше внимания после землетрясения на Аляске в 1964 году и землетрясения в Ниигате в 1964 году. Это было одной из основных причин разрушений в районе Марина города Сан-Франциско во время землетрясения в Лома-Приета в 1989 году и в порту Кобе во время землетрясения в 1995 году. В последнее время разжижение грунта стало основной причиной обширного ущерба жилым домам в восточных пригородах и спутниковых городах Крайстчерча во время землетрясения в Кентербери в 2010 году и в еще большем масштабе после землетрясений в Крайстчерче в начале и середине 2011 года. 28 сентября 2018 года землетрясение магнитудой 7,5 произошло в провинции Центральный Сулавеси (Индонезия). В результате разжижения грунта пригород Балароа и деревня Петобо были погребены под слоем грязи. Правительство Индонезии рассматривает возможность объявления районов Балароа и Петобо, полностью засыпанных грязью, массовыми захоронениями. Строительные нормы во многих странах требуют от инженеров учитывать последствия разжижения грунта при проектировании новых зданий и инфраструктуры, такой как мосты, плотины и подпорные сооружения.

The phenomenon is most often observed in saturated, loose (low density or uncompacted), sandy soils. This is because a loose sand has a tendency to compress when a load is applied. Dense sands, by contrast, tend to expand in volume or 'dilate'. If the soil is saturated by water, a condition that often exists when the soil is below the water table or sea level, then water fills the gaps between soil grains ('pore spaces'). In response to soil compressing, the pore water pressure increases and the water attempts to flow out from the soil to zones of low pressure (usually upward towards the ground surface). However, if the loading is rapidly applied and large enough, or is repeated many times (e. g., earthquake shaking, storm wave loading) such that the water does not flow out before the next cycle of load is applied, the water pressures may build to the extent that it exceeds the force (contact stresses) between the grains of soil that keep them in contact. These contacts between grains are the means by which the weight from buildings and overlying soil layers is transferred from the ground surface to layers of soil or rock at greater depths. This loss of soil structure causes it to lose its strength (the ability to transfer shear stress), and it may be observed to flow like a liquid (hence 'liquefaction'). Although the effects of soil liquefaction have been long understood, engineers took more notice after the 1964 Alaska earthquake and 1964 Niigata earthquake. It was a major cause of the destruction produced in San Francisco's Marina District during the 1989 Loma Prieta earthquake, and in the Port of Kobe during the 1995 Great Hanshin earthquake. More recently soil liquefaction was largely responsible for extensive damage to residential properties in the eastern suburbs and satellite townships of Christchurch during the 2010 Canterbury earthquake and more extensively again following the Christchurch earthquakes that followed in early and mid 2011. On 28 September 2018, an earthquake of 7.5 magnitude hit the Central Sulawesi province of Indonesia. Resulting soil liquefaction buried the suburb of Balaroa and Petobo village deep in mud. The government of Indonesia is considering designating the two neighborhoods of Balaroa and Petobo, that have been totally buried under mud, as mass graves. The building codes in many countries require engineers to consider the effects of soil liquefaction in the design of new buildings and infrastructure such as bridges, embankment dams and retaining structures.

Технические определения

Сжижение грунта происходит, когда эффективное напряжение (прочность на сдвиг) грунта снижается практически до нуля. Это может быть вызвано как монотонной нагрузкой (т.е. однократным, внезапным изменением напряжения – примеры включают увеличение нагрузки на насыпь или внезапную потерю устойчивости откоса), так и циклической нагрузкой (т.е. повторяющимися изменениями напряженного состояния – примеры включают волновое воздействие или сейсмические колебания). В обоих случаях наиболее вероятно сжижение насыщенного рыхлого грунта, способного генерировать значительное поровое давление при изменении нагрузки. Это связано с тем, что рыхлый грунт имеет тенденцию сжиматься при сдвиге, создавая избыточное поровое давление, поскольку нагрузка переносится от скелета грунта в прилегающую поровой воду при неупорядоченной деформации. С ростом порового давления происходит постепенная потеря прочности грунта из-за снижения эффективного напряжения. Сжижение чаще всего происходит в песчаных или непластичных иловатых грунтах, но в редких случаях может наблюдаться в гравийных и глинистых грунтах (см. быстропластичные глины). "Потечный провал" может инициироваться, если прочность грунта снижается ниже напряжений, необходимых для поддержания равновесия откоса или основания сооружения. Это может произойти как при монотонной, так и при циклической нагрузке и может быть внезапным и катастрофическим. Историческим примером является катастрофа в Аберфане. Касагранде называл этот тип явлений "поточным сжижением", хотя для его возникновения не требуется состояние нулевого эффективного напряжения. "Циклическое сжижение" – это состояние грунта, при котором в результате циклической нагрузки накапливаются большие деформации сдвига. Типичным условным значением деформации для приблизительного наступления нулевого эффективного напряжения является 5% двойной амплитуды деформации сдвига. Это определение, основанное на лабораторных испытаниях грунта, обычно выполняется с помощью циклического трехосного сжатия, циклического прямого сдвига или циклического торзионного сдвига. Эти испытания проводятся для определения сопротивления грунта сжижению путем определения количества циклов нагрузки при определенной амплитуде напряжения сдвига, необходимых для достижения "предела прочности". Предел прочности определяется вышеупомянутыми критериями деформации сдвига. Термин "циклическая подвижность" относится к механизму постепенного снижения эффективного напряжения под воздействием циклической нагрузки. Это может происходить во всех типах грунтов, включая плотные. Однако, достигнув состояния нулевого эффективного напряжения, такие грунты немедленно расширяются и восстанавливают прочность. Таким образом, деформации сдвига значительно меньше, чем при истинном сжижении грунта.

Soil liquefaction occurs when the effective stress (shear strength) of soil is reduced to essentially zero. This may be initiated by either monotonic loading (i. e., a single, sudden occurrence of a change in stress – examples include an increase in load on an embankment or sudden loss of toe support) or cyclic loading (i. e., repeated changes in stress condition – examples include wave loading or earthquake shaking). In both cases a soil in a saturated loose state, and one which may generate significant pore water pressure on a change in load are the most likely to liquefy. This is because loose soil has the tendency to compress when sheared, generating large excess porewater pressure as load is transferred from the soil skeleton to adjacent pore water during undrained loading. As pore water pressure rises, a progressive loss of strength of the soil occurs as effective stress is reduced. Liquefaction is more likely to occur in sandy or non plastic silty soils but may in rare cases occur in gravels and clays (see quick clay). A 'flow failure' may initiate if the strength of the soil is reduced below the stresses required to maintain the equilibrium of a slope or footing of a structure. This can occur due to monotonic loading or cyclic loading and can be sudden and catastrophic. A historical example is the Aberfan disaster. Casagrande referred to this type of phenomena as 'flow liquefaction' although a state of zero effective stress is not required for this to occur. 'Cyclic liquefaction' is the state of soil when large shear strains have accumulated in response to cyclic loading. A typical reference strain for the approximate occurrence of zero effective stress is 5% double amplitude shear strain. This is a soil test based definition, usually performed via cyclic triaxial, cyclic direct simple shear, or cyclic torsional shear type apparatus. These tests are performed to determine a soil's resistance to liquefaction by observing the number of cycles of loading at a particular shear stress amplitude required to induce 'fails'. Failure here is defined by the aforementioned shear strain criteria. The term 'cyclic mobility' refers to the mechanism of progressive reduction of effective stress due to cyclic loading. This may occur in all soil types including dense soils. However, on reaching a state of zero effective stress such soils immediately dilate and regain strength. Thus, shear strains are significantly less than a true state of soil liquefaction.

Возникновение

Сжижение более вероятно в рыхлых или умеренно насыщенных гранулярных почвах с плохим дренажем, таких как иловато-песчаные грунты или пески и гравий, содержащие водонепроницаемые осадочные отложения. Во время волнового нагружения, обычно циклической недренированной нагрузки, например, сейсмической, рыхлые пески склонны к уменьшению объема, что приводит к увеличению давления воды в порах и, как следствие, к снижению прочности на сдвиг, то есть уменьшению эффективного напряжения. Наиболее подвержены сжижению молодые (голоценового возраста, образовавшиеся за последние 10 000 лет) пески и илы с однородным гранулометрическим составом (хорошо сортированные), в слоях толщиной не менее нескольких метров и насыщенные водой. Такие отложения часто встречаются в руслах рек, на пляжах, дюнах и в районах, где накапливаются ветровые илы (лесс) и пески. Примеры проявления сжижения грунтов включают в себя плывуны, быстротекучие глины, турбулентные потоки и сжижение, вызванное землетрясениями. В зависимости от начального коэффициента пористости, грунт может реагировать на нагрузку либо путем снижения деформационной способности, либо путем увеличения деформационной способности. Грунты с пониженной деформационной способностью, например, рыхлые пески, могут быть подвержены разрушению как монотонно, так и циклически, если статическое напряжение сдвига превышает предельную или устойчивую прочность на сдвиг грунта. В этом случае происходит текучее сжижение, при котором грунт деформируется при низком постоянном остаточном напряжении сдвига. Если грунт обладает способностью к увеличению деформационной способности, например, умеренно плотный или плотный песок, текучее сжижение обычно не происходит. Однако циклическое снижение деформационной способности может возникнуть под воздействием циклической недренированной нагрузки, например, при землетрясениях. Деформация при циклической нагрузке зависит от плотности грунта, величины и продолжительности циклической нагрузки, а также от степени изменения направления напряжения сдвига. Если происходит изменение направления напряжения, эффективное напряжение сдвига может достичь нуля, что позволяет происходить циклическому сжижению. Если изменение направления напряжения не происходит, нулевое эффективное напряжение не может возникнуть, и происходит циклическая подвижность. Сопротивление несвязных грунтов сжижению будет зависеть от плотности грунта, бокового давления, структуры грунта (ткани, возраста и цементации), величины и продолжительности циклической нагрузки, а также от степени изменения направления напряжения сдвига.

Liquefaction is more likely to occur in loose to moderately saturated granular soils with poor drainage, such as silty sands or sands and gravels containing impermeable sediments. During wave loading, usually cyclic undrained loading, e. g. seismic loading, loose sands tend to decrease in volume, which produces an increase in their pore water pressures and consequently a decrease in shear strength, i. e. reduction in effective stress. Deposits most susceptible to liquefaction are young (Holocene age, deposited within the last 10,000 years) sands and silts of similar grain size (well sorted), in beds at least metres thick, and saturated with water. Such deposits are often found along stream beds, beaches, dunes, and areas where windblown silt (loess) and sand have accumulated. Examples of soil liquefaction include quicksand, quick clay, turbidity currents and earthquake induced liquefaction. Depending on the initial void ratio, the soil material can respond to loading either strain softening or strain hardening. Strain softened soils, e. g., loose sands, can be triggered to collapse, either monotonically or cyclically, if the static shear stress is greater than the ultimate or steady state shear strength of the soil. In this case flow liquefaction occurs, where the soil deforms at a low constant residual shear stress. If the soil strain hardens, e. g., moderately dense to dense sand, flow liquefaction will generally not occur. However, cyclic softening can occur due to cyclic undrained loading, e. g., earthquake loading. Deformation during cyclic loading depends on the density of the soil, the magnitude and duration of the cyclic loading, and amount of shear stress reversal. If stress reversal occurs, the effective shear stress could reach zero, allowing cyclic liquefaction to take place. If stress reversal does not occur, zero effective stress cannot occur, and cyclic mobility takes place. The resistance of the cohesionless soil to liquefaction will depend on the density of the soil, confining stresses, soil structure (fabric, age and cementation), the magnitude and duration of the cyclic loading, and the extent to which shear stress reversal occurs.

Потенциал сжижения: усовершенствованная конститутивная модель

Многие исследователи рассматривали взаимодействие между твердым скелетом и потоком жидкости в порах для моделирования снижения прочности материала, связанного с явлением сжижения. Динамические характеристики насыщенных пористых сред зависят от взаимодействия между почвой и пористой жидкостью. При воздействии сильной сейсмической нагрузки на насыщенную пористую среду происходит перемещение пористой жидкости относительно твердого скелета. Временное перемещение пористой жидкости может существенно влиять на перераспределение давления воды в порах, которое обычно определяется скоростью нагружения, проницаемостью почвы, градиентом давления и граничными условиями. Известно, что при достаточно высокой скорости фильтрации, определяющий закон течения в пористых средах становится нелинейным и не подчиняется закону Дарси. Этот факт был недавно учтен в исследованиях взаимодействия между почвой и пористой жидкостью при моделировании сжижения. Для закона турбулентного течения разработан полностью неявный динамический метод конечных элементов. Управляющие уравнения были сформулированы для насыщенных пористых сред на основе обобщения формулировки Био. Эластопластическое поведение грунта при сейсмическом воздействии было смоделировано с использованием обобщенной теории пластичности, включающей поверхность текучести и неассоциированное правило течения.

Сжижение при землетрясении

Давление, возникающее во время сильных землетрясений, может выталкивать на поверхность подземные воды и разжиженный песок. Это можно наблюдать на поверхности в виде явлений, известных как "песчаные кипения", "песчаные выбросы" или "песчаные вулканы". Такие деформации земной поверхности, вызванные землетрясениями, могут быть классифицированы как первичные, если они расположены непосредственно на разломе или вблизи него, или как распределенные, если они находятся на значительном расстоянии от разлома. Другим распространенным наблюдением является неустойчивость грунта – образование трещин и смещение грунта вниз по склону или к незакрепленным берегам рек, ручьев или побережьям. Разрушение грунта подобным образом называется "боковым распространением" и может происходить на очень пологих склонах с углами наклона всего в 1-2 градуса от горизонтали. Одним из положительных аспектов разжижения грунта является тенденция к значительному ослаблению (снижению) воздействия сейсмических колебаний в течение оставшейся части землетрясения. Это объясняется тем, что жидкости не выдерживают напряжения сдвига, и поэтому, как только грунт разжижается под воздействием колебаний, последующие сейсмические волны (передаваемые через грунт посредством сдвиговых волн) не передаются зданиям на поверхности. Изучение признаков разжижения, оставленных древними землетрясениями, называемое палеоликвидецией или палеосейсмологией, может предоставить информацию о землетрясениях, произошедших до начала ведения записей или проведения точных измерений. Разжижение грунта, вызванное землетрясениями, является одним из основных факторов, способствующих сейсмическому риску в городских районах.

Эффекты

Влияние сжижения грунта на застроенные территории может быть крайне разрушительным. Здания, фундаменты которых опираются непосредственно на сжиженный песок, испытают внезапную потерю устойчивости, что приведет к резкому и неравномерному оседанию, вызывающему структурные повреждения, включая трещины в фундаменте и разрушение несущих конструкций здания, или сделает здание непригодным для использования, даже без видимых структурных повреждений. При наличии тонкого слоя несжиженного грунта между фундаментом здания и сжиженным грунтом может произойти разрушение фундамента по типу «выдавливания». Неравномерное оседание может привести к повреждению подземных коммуникаций. Восходящее давление, создаваемое движением сжиженного грунта через поверхностный слой, может растрескивать слабые фундаментные плиты и проникать в здания через инженерные коммуникации, что может привести к повреждению имущества и электрооборудования. Мосты и крупные здания, построенные на свайных фундаментах, могут потерять поддержку со стороны прилегающего грунта и деформироваться или наклониться. На склонах и вблизи рек и озер возможны оползни по слою сжиженного грунта («боковое распространение»), приводящие к образованию крупных трещин в земле и значительным повреждениям зданий, мостов, дорог и инженерных сетей, таких как водопровод, газопровод, канализация, электроснабжение и телекоммуникации. Подземные резервуары и люки могут всплывать в сжиженном грунте из-за выталкивающей силы.

Методы смягчения последствий

Методы снижения сейсмического риска были разработаны инженерами-строителями, специализирующимися на сейсмостойком строительстве, и включают в себя различные методы уплотнения грунта, такие как виброуплотнение (уплотнение грунта глубинными вибраторами), динамическое уплотнение и виброколонны из щебня. Эти методы повышают плотность грунта и позволяют зданиям избежать разжижения грунта. Существующие здания можно укрепить путем инъектирования в грунт цементного раствора для стабилизации слоя грунта, подверженного разжижению. Другой метод, называемый IPS (индуцированная частичная насыщенность), теперь практически применим в большем масштабе. В этом методе снижается степень насыщенности грунта.

Пыльчатые пески

Быстропесчаные грунты образуются, когда вода насыщает область рыхлого песка, и песок подвергается перемешиванию. Когда вода, заключенная в объеме песка, не может выйти наружу, формируется разжиженная почва, которая больше не способна сопротивляться нагрузке. Быстропесчаные грунты могут образовываться из-за стоячей или (поднимающейся) подземной воды (например, из подземного источника), или в результате землетрясений. В случае поднимающейся подземной воды, сила потока воды противодействует силе тяжести, что приводит к увеличению плавучести песчинок. В случае землетрясений, сила сотрясений может повысить давление в грунтовых водах, разжижая песчаные и илистые отложения. В обоих случаях разжиженная поверхность теряет несущую способность, из-за чего здания или другие объекты на ней могут проваливаться или опрокидываться. Насыщенный грунт может казаться достаточно твердым, пока изменение давления или удар не спровоцируют разжижение, в результате чего песок превращается в суспензию, где каждое зерно окружено тонкой пленкой воды. Эта амортизация придает быстропесчаным грунтам и другим разжиженным отложениям губчатую, текучую текстуру. Объекты в разжиженном песке погружаются до уровня, где вес объекта уравновешивается весом вытесненной смеси песка и воды, и объект плавает благодаря силе Архимеда.

Быстрая глина

Быстрая глина, известная как Leda Clay в Канаде, представляет собой насыщенный водой гель, который в твердом состоянии напоминает высокочувствительную глину. Эта глина имеет тенденцию переходить из относительно твердого состояния в жидкую массу при нарушении ее структуры. Это постепенное изменение состояния из твердого в жидкое называется спонтанным сжижением. Глина сохраняет твердую структуру, несмотря на высокое содержание воды (до 80% по объему), поскольку поверхностное натяжение удерживает вместе покрытые водой чешуйки глины. При разрушении этой структуры ударом или достаточной деформацией сдвига, она переходит в текучее состояние. Быстрая глина встречается только в северных странах, таких как Россия, Канада, Аляска (США), Норвегия, Швеция и Финляндия, которые подвергались оледенению в эпоху плейстоцена. Быстрая глина является первопричиной многих смертельных оползней. Только в Канаде с ней связано более 250 закартированных оползней. Некоторые из них древние и могли быть вызваны землетрясениями.

Туманность

Подводные оползни — это мутные течения, состоящие из насыщенных водой отложений, движущихся вниз по склону. Пример произошел во время землетрясения 1929 года на Гранд-Бэнксе, которое затронуло континентальный склон у побережья Ньюфаундленда. Через несколько минут трансатлантические телефонные кабели начали последовательно обрываться, все дальше и дальше вниз по склону, от эпицентра. Всего было повреждено 12 кабелей в 28 местах. Точное время и место каждого обрыва были зафиксированы. Исследователи предположили, что подводный оползень или мутное течение насыщенных водой отложений со скоростью 100 км/ч прошло 600 км вниз по континентальному склону от эпицентра землетрясения, обрывая кабели на своем пути.