Liquefação de solo por terremoto, fervura de areia, espalhamento lateral e flutuação utilitária enterrada¶

Durante um terremoto moderado a grave (Magnitude 5.5+), o abalo violento da rocha é apenas metade do perigo. Através de planícies costeiras, deltas de rios, leitos de lagos antigos e bairros de preenchimento de baías artificiais, ondas de cisalhamento sísmicas que passam por solos arenosos e siltosos soltos e saturados de água fazem com que os grãos do solo entrem em colapso, aumentando a pressão da água subterrânea (pore-water pressure) para cima até que os grãos de areia flutuem completamente livres uns dos outros. Dentro de 10 a 30 segundos de agitação, o solo sólido perde praticamente 100 por cento de sua resistência ao cisalhamento e se transforma em uma pasta líquida densa e pressurizada, um fenômeno geotécnico conhecido como liquefação do solo. Prédios de apartamentos de concreto pesado e pilares de pontes afundam ou inclinam até 60 graus para os lados (bearing capacity failure), fontes pressurizadas de água barrenta e areia irrompem através de rachaduras em pátios e porões (sand boils), encostas suaves deslizam lateralmente em direção a rios e portos (lateral spreading) e tanques subterrâneos ocos de esgoto, bueiros e cisternas de combustível flutuam para fora da calçada como rolhas em uma banheira, quebrando o gás natural e as redes de água. Se você sofrer um terremoto seguido de fissuras no solo, estruturas inclinadas ou cheiro de vazamento de gás, ligue para o local números de emergência imediatamente e consulte nossos guias sobre terremotos: solte, cubra e segure, tremores secundários do terremoto, reentrada em edifícios e corte de gáse buracos e subsidência do solo.

Faça isso agora¶

1. Soltar, cobrir e segurar durante tremores sísmicos ativos: Nunca tente correr para fora enquanto o solo estiver tremendo ativamente; A queda de fachadas de alvenaria, a quebra de janelas dos andares superiores e o desmoronamento de parapeitos ao longo do perímetro exterior dos edifícios matam muito mais pessoas do que a própria liquefação do solo.
2. Evacue imediatamente assim que o tremor parar se o seu edifício estiver inclinado, afundando ou tiver portas emperradas e lajes de fundação rachadas: Ao contrário de um edifício em rocha sólida que para de se mover quando o terremoto termina, uma estrutura assentada em areia liquefeita pode continuar afundando, assentando de forma irregular ou tombando por vários minutos a horas após o choque principal parar, e um tremor secundário moderado pode derrubar completamente um edifício inclinado.
3. ** Cheire e ouça se há ruptura na rede subterrânea de gás natural e desligue o medidor de gás SOMENTE se sentir cheiro de gás ou ouvir assobios **: A propagação lateral do solo e o assentamento diferencial de edifícios cortam tubos rígidos de gás de ferro fundido e aço exatamente onde eles entram nas fundações. Se você sentir cheiro de mercaptano de ovo podre ou ver sujeira / água soprando de uma tubulação enterrada, gire a válvula externa do medidor de gás um quarto de volta perpendicular ao tubo com uma chave inglesa e evacue contra o vento.
4. Mova-se para cima e para longe de margens de rios, paredes de canais, anteparas de portos e falésias costeiras: Camadas de solo liquefeito sob encostas suaves (mesmo terreno que parece quase plano, com uma inclinação de apenas 0,5 a 3 graus) deslizam lateralmente em blocos fraturados gigantes em direção a canais de água abertos (lateral spreading), abrindo fissuras profundas no solo com 1 a 3 metros (3 a 10 pés) de largura.
5. Nunca dirija sobre pontes, rampas de acesso a rodovias ou estradas cobertas por cones de vulcões de lama ("fervura de areia") ou tampas de bueiros elevadas: A liquefação faz com que os aterros de acesso de terra em ambas as extremidades de uma ponte caiam para baixo de 0,5 a 2 metros, enquanto bueiros de esgoto de concreto enterrados flutuam de 0,5 a 1,5 metros direto para cima através do asfalto.
6. Trate toda a água e lama borbulhando de fervuras de areia e rachaduras no porão como esgoto bruto e risco biológico químico: Quando a liquefação rompe as redes subterrâneas de esgoto sanitário e faz flutuar fossas sépticas, a água subterrânea pressurizada que irrompe nas ruas, forros e salas no térreo fica fortemente contaminada com patógenos fecais (E. coli, Vibrio, hepatite A) e hidrocarbonetos de petróleo.

Árvore de decisão: Liquefação do solo por terremoto e resposta à falha do solo¶

flowchart TD
    Quake["Forte tremor de terremoto (solte, cubra e segure até que o tremor pare)"] --> CheckGround{"Agitação interrompida: observe a construção e o terreno ao seu redor"}
    CheckGround -->|"Edifício inclinado, afundado, portas emperradas ou lama jorrando pelo chão"| GasCheck{"Cheira vazamento de gás, ouve chiados ou vê faíscas?"}
    GasCheck -->|"Sim"| EvacNoSwitch["NÃO toque nos interruptores de luz; Evacue imediatamente; Desligue a válvula de gás externa somente se for seguro na saída"]
    GasCheck -->|"Não"| EvacTilt["Evacuar o edifício imediatamente através de escadas (nunca elevador); Afaste 1,5x a altura do edifício"]
    CheckGround -->|"Ao ar livre perto da margem do rio, do paredão do porto ou da baía recuperada"| LateralCheck{"Rachaduras no solo paralelas à água, paredes de contenção salientes ou fervuras de areia em erupção?"}
    LateralCheck -->|"Sim"| MoveInland["Correr perpendicularmente para o interior/subindo a partir da margem do rio, canal ou paredão antes que a propagação lateral desmorone a margem"]
    LateralCheck -->|"Não, perto da costa"| TsunamiRule["Lembre-se da prioridade do tsunami: se estiver em costa aberta após um terremoto longo/forte, evacue imediatamente para um terreno elevado"]
    EvacTilt --> HazardZone["Evite linhas de energia derrubadas, bueiros elevados, rampas de pontes afundadas e lodo de areia contaminado com esgoto"]
    MoveInland --> HazardZone
    HazardZone --> AftershockPrep["Espere a reliquefação durante os tremores secundários; Não beba água da torneira até que a concessionária confirme que a rede elétrica está intacta"]

Mecânica geotécnica: como o solo sólido se transforma em lama líquida¶

Para entender por que certos bairros se transformam em areia movediça durante um terremoto, enquanto casas nas encostas a dois quilômetros de distância não sofrem nenhuma falha no solo, os engenheiros examinam três ingredientes geotécnicos que devem estar todos presentes simultaneamente: solo granular solto e sem coesão, saturação de águas subterrâneas rasas e tensão de cisalhamento sísmico cíclico.

1. Os três pré-requisitos para a liquefação do solo¶

1. Areia solta e sem coesão ou lodo não plástico (Holocene deposits and uncompacted hydraulic fill):
2. Em solo seco ou normalmente drenado, grãos individuais de areia e lodo repousam uns contra os outros em uma estrutura esquelética aberta e fracamente compactada (high void ratio). O peso dos edifícios e do solo sobrejacente é suportado inteiramente pelo atrito grão a grão nos pontos de contato entre essas partículas de areia (effective stress, denotado como sigma-prime).
3. Solos ricos em argila raramente se liquefazem no sentido clássico porque as plaquetas microscópicas de argila são unidas por forças coesivas elétricas, enquanto a areia limpa e os grãos de lodo têm coesão zero e dependem estritamente do atrito.
4. Lençol freático raso (dentro de 1 a 15 metros / 3 a 50 pés da superfície):
5. Cada espaço microscópico de poros entre os grãos de areia abaixo do lençol freático é 100% preenchido com água líquida incompressível.
6. Agitação sísmica cíclica rápida (carga não drenada):
7. Quando as ondas S (ondas de cisalhamento) do terremoto passam para cima através da coluna do solo, elas cortam a estrutura de areia solta para frente e para trás dezenas de vezes em 15 a 45 segundos.
8. Esta vibração sacode os grãos de areia soltos de seu arranjo aberto e os força a tentarem se agrupar em uma configuração mais compacta e densa (contractive behavior).
9. No entanto, como os espaços dos poros estão cheios de água e a agitação acontece muito rápido para que a água escoe pelo solo, os grãos de areia em colapso comprimem a água dos poros presa.
10. Estresse efetivo zero (sigma-prime = 0): Pressão da água nos poros (u) dispara até igualar o peso total descendente do solo sobrejacente (sigma). Por ** Equação de Tensão Efetiva de Terzaghi (sigma-prime = sigma - u)**, quando a pressão da água nos poros é igual à tensão de sobrecarga total, a força de contato efetiva entre os grãos de areia cai para zero. Com os grãos agora suspensos em água pressurizada sem se tocarem, o solo tem resistência ao cisalhamento por atrito zero e se comporta como um fluido pesado com peso unitário de aproximadamente 1.800 a 2.000 kg/m3 (112 a 125 lb/ft3), quase duas vezes mais denso que a água pura.

2. Onde ocorre a liquefação: Tipos de terreno de alto risco¶

• Abastecimento hidráulico não compactado e terrenos recuperados: Distritos portuários, aeroportos, empreendimentos residenciais à beira-mar e ilhas artificiais criadas pela dragagem de areia solta e lama do fundo de uma baía e bombeando-os para trás de um paredão sem compactação vibratória profunda (como o Marina District de São Francisco, terrenos recuperados da Baía de Tóquio/Urayasu, Kobe Port Island e aterro de Boston Back Bay).
• Deltas de rios, planícies aluviais e canais de rios abandonados (oxbows e point bars): Areia aluvial jovem e lodo depositados por rios sinuosos ao longo dos últimos 10.000 anos (como o corredor do rio Christchurch Avon na Nova Zelândia, o Delta Sacramento-San Joaquin, a zona sísmica do Rio Mississippi New Madrid e o Delta do Rio Fraser perto de Vancouver).
• Corredores de dunas costeiras e lagoas de barreiras: Areia solta soprada pelo vento situada sobre altos lençóis freáticos costeiros.

Comparação dos cinco principais perigos de liquefação¶

Reconhecendo e sobrevivendo à liquefação durante e imediatamente após um terremoto¶

Qual é a aparência, o som e a sensação da liquefação no solo¶

1. Os tremores mudam de solavancos bruscos para um "leito d'água" lento e nauseante ou movimento de rolamento do convés do barco: No momento em que uma camada de areia subjacente se liquefaz, as vibrações verticais e horizontais de alta frequência são amortecidas e substituídas por ondas terrestres ondulantes de longo período (0.5 to 2 Hz) que tornam quase impossível andar ou ficar em pé.
2. Gêiseres de água lamacenta saindo das rachaduras do pavimento e do gramado: 10 a 60 segundos após o início da agitação, a água subterrânea pressurizada rompe a crosta superficial. Você pode ver água suja cinza ou preta jorrando 0,5 a 2 metros (1,5 a 6,5 ​​pés) no ar a partir de rachaduras lineares no solo, juntas de expansão em calçadas de concreto ou ao redor de postes telefônicos e troncos de árvores.
3. Postes telefônicos, postes de iluminação pública e carros estacionados afundando diante de seus olhos: Postes pesados ​​afundam ou se inclinam em ângulos malucos enquanto o asfalto ao redor deles ondula e curva.

Evacuação passo a passo de um edifício que está afundando ou tombando¶

Assim que o tremor violento diminuir o suficiente para você se levantar:

1. Verifique imediatamente a inclinação estrutural: observe os caixilhos das portas, caixilhos das janelas, luminárias suspensas ou coloque um objeto redondo/garrafa de água no chão. Se o piso estiver visivelmente inclinado, ou se você tiver que empurrar com força uma moldura de porta de madeira para forçá-la a abrir, a fundação do seu edifício sofreu assentamento diferencial por liquefação.
2. Calce sapatos resistentes, pegue sua mochila e saia pelas escadas imediatamente:
3. Nunca use elevadores: mesmo uma inclinação de 1 grau deforma os trilhos-guia do elevador e prende as cabines entre os andares.
4. Cuidado com o passo no limiar de saída do térreo: quando um edifício pesado afunda 30 a 90 centímetros (1 a 3 pés) em solo liquefeito, a calçada externa pode curvar-se para cima nas portas de saída do térreo, ou a escada externa pode ter se afastado completamente do patamar da varanda, deixando uma lacuna profunda e aberta preenchida com lama de areia fervente.
5. ** Fique longe da sombra do prédio (1.5 times building height)**: Quando estiver do lado de fora, não se reúna na calçada ao lado de um prédio inclinado de vários andares. Vá para um parque aberto, cruzamento amplo ou estacionamento a pelo menos 1,5 vezes a altura do edifício longe da fachada inclinada.

Gerenciando serviços públicos pós-terremoto e riscos à saúde em zonas de liquefação¶

Em grandes terremotos urbanos (como o terremoto de Christchurch em 2011, que ejetou mais de 400.000 toneladas de lodo de liquefação nas ruas da cidade, ou os terremotos de Kobe em 1995 e Loma Prieta em 1989), a liquefação destrói infraestruturas de "tábua de salvação" enterradas em distritos inteiros simultaneamente:

1. Redes de água quebradas combinadas com linhas de gás rompidas (risco de conflagração)¶

• Por que os hidrantes secam: A liquefação e o espalhamento lateral desmontam os frágeis canos de água municipais de ferro fundido e cimento-amianto em todas as juntas, reduzindo a pressão da água da cidade a zero no exato momento em que as linhas de serviço de gás natural rompidas acendem incêndios dentro de casas de madeira deslocadas.
• Como proteger sua casa:
• Não desligue seu medidor de gás automaticamente se não houver cheiro de gás, nenhum som sibilante e nenhum deslocamento/inclinação estrutural de sua casa (já que as empresas de serviços públicos devem inspecionar e reacender individualmente cada medidor de desligamento, o que pode levar semanas no inverno).
• ** DESLIGUE a válvula principal de gás imediatamente ** se sua casa tiver mudado de fundação, se rachaduras laterais cruzarem seu quintal perto da linha de gás ou se você sentir cheiro de gás ou ouvir assobios.
• Desligue a válvula principal de entrada de água doméstica (por onde a água entra na casa após o medidor da rua) para reter água potável dentro dos canos domésticos e do tanque do aquecedor de água antes que a rede pública rachada sugue a água subterrânea de esgoto contaminada de volta para o encanamento.

2. Fossas sépticas flutuantes, redes de esgoto quebradas e limpeza de lodo com risco biológico¶

• Como quase 100% das linhas subterrâneas de esgoto sanitário de argila e PVC alimentadas por gravidade se rompem quando a liquefação desloca o solo em mais de 10 centímetros (4 polegadas), a água subterrânea que borbulha através da areia ferve em pátios, ruas e porões é misturada com esgoto humano bruto.
• Nunca deixe crianças ou animais de estimação brincarem em areia fervendo, lama ou poças de liquefação.
• Ao remover lodo de liquefação de casas e calçadas:
• Use botas de borracha à prova d'água, luvas pesadas à prova d'água, proteção para os olhos e um respirador de partículas N95 / FFP2 (especialmente quando o lodo fino de farinha de rocha glacial/aluvial seca e se transforma em poeira de sílica transportada pelo ar nos dias seguintes, criando um grave risco respiratório conhecido em Christchurch como "tempestades de poeira de liquefação").
• Coloque lodo úmido em pilhas ao longo do meio-fio da estrada (nunca lave a areia de liquefação nos ralos domésticos ou nas calhas municipais, pois a areia pesada obstrui instantaneamente os esgotos pluviais sólidos como cimento e causa graves inundações nas ruas durante a próxima tempestade).

Mitigação pré-terremoto: verificando mapas e protegendo sua propriedade¶

Se você mora em uma região costeira, ribeirinha ou delta propensa a terremotos:

1. Verifique os mapas oficiais de risco de liquefação geológica:
2. Nos Estados Unidos, pesquisas geológicas estaduais (como o California Geological Survey CGS Zonas de risco sísmico, Washington DNR, Oregon DOGAMI e Utah UGS) e o USGS publicam Mapas de suscetibilidade à liquefação gratuitamente, rua por rua, online.
3. Retrofits de fundações e utilidades para zonas de liquefação:
4. O aparafusamento padrão contra terremotos (aparafusamento de placas de madeira a uma base de tira perimetral não reforçada) é muitas vezes insuficiente se o solo se liquefazer e se espalhar lateralmente, porque a própria base de tira se separa. Casas em zonas de alta liquefação requerem lajes de concreto armado, grades pós-tensionadas ou estacas profundas cravadas em estratos densos não liquefeitos.
5. Instale conectores sísmicos flexíveis de aço inoxidável corrugado ou trançados em seu medidor de gás natural, aquecedor de água e linha principal de entrada de água para que 15 a 30 centímetros (6 a 12 polegadas) de assentamento diferencial do solo entre a rua e sua casa não corte os tubos rígidos na parede.

Números de emergência regionais e protocolos de agências¶

Perguntas frequentes¶

Por que o solo sólido se transforma em líquido durante um terremoto?¶

Em solos soltos, arenosos ou siltosos localizados abaixo do lençol freático, o peso dos edifícios e do solo acima é normalmente suportado pela fricção onde os grãos de areia individuais pressionam uns contra os outros. Quando as ondas de cisalhamento do terremoto agitam violentamente o solo para frente e para trás, os grãos de areia soltos tentam se acomodar em um espaço mais apertado, comprimindo a água presa nos poros microscópicos entre os grãos. Como o tremor acontece muito rápido para que a água escoe, a pressão da água dispara até separar os grãos de areia. Com os grãos flutuando em água pressurizada em vez de se tocarem, o solo perde toda a resistência ao atrito e se comporta como uma pasta líquida pesada.

O que são “furúnculos de areia” ou “vulcões de areia” e são perigosos?¶

Os furúnculos de areia (também chamados de golpes de areia ou vulcões de lama) se formam quando uma camada de areia saturada de água de 2 a 10 metros abaixo do solo se liquefaz sob intensa pressão e explode para cima através de rachaduras na superfície mais seca do solo ou nas lajes de concreto. Esta água pressurizada transporta areia cinzenta ou castanha suspensa para a superfície, formando montes de lodo húmido em forma de cone que variam entre 30 centímetros e vários metros de diâmetro. Embora a temperatura da água seja fria (e não lava vulcânica quente), os furúnculos de areia são perigosos porque escavam cavidades sob estradas e fundações, inundam o chão com lama pesada e são frequentemente contaminados com esgoto bruto de redes de esgoto subterrâneas quebradas.

Por que tampas de bueiros enterradas, fossas sépticas e piscinas emergem do solo durante a liquefação?¶

Quando a areia saturada se liquefaz durante um terremoto, a lama resultante de areia e água tem uma densidade de fluido muito alta, de cerca de 1.900 quilogramas por metro cúbico (quase duas vezes mais pesada que a água pura). Pelo princípio de flutuabilidade de Arquimedes, qualquer recipiente oco enterrado cujo peso total por metro cúbico seja mais leve do que a areia líquida circundante, como um poço de esgoto oco de concreto, uma fossa séptica de fibra de vidro vazia, um tanque de combustível subterrâneo de um posto de gasolina ou uma piscina drenada no quintal, é empurrado com força para cima e flutua de 0,5 a 2 metros para fora do solo como uma rolha.

Uma pessoa pode afundar e se afogar em areia movediça liquefeita durante um terremoto?¶

Não, um ser humano não pode afundar completamente sob a superfície da areia plana liquefeita apenas através da flutuabilidade. Como o corpo humano tem uma densidade próxima de 1.000 kg/m3, enquanto a pasta de areia liquefeita tem uma densidade próxima de 1.900 kg/m3, uma pessoa flutuará aproximadamente na profundidade do joelho até a cintura. No entanto, a liquefação ainda pode prender ou matar pedestres de três maneiras: primeiro, assim que a água sai da fervura da areia, a areia prende-se às suas pernas como cimento sólido; segundo, os rasgos laterais abrem fissuras profundas perto das margens dos rios, onde pessoas ou carros podem cair; e terceiro, em encostas com inclinação superior a 3 graus, a liquefação pode desencadear uma avalanche de fluxo de lama em alta velocidade (`flow slide`).

O que é a “propagação lateral” e por que destrói casas perto de rios e portos?¶

A propagação lateral ocorre quando uma crosta superior de solo de superfície sólida (onde são construídas casas, estradas e tubulações de serviços públicos) fica no topo de uma camada enterrada de areia que se liquefaz durante um terremoto. Mesmo que o solo esteja inclinado em um ângulo quase imperceptível de apenas 0,5 a 2 graus em direção a um canal de rio, canal, beira de lago ou paredão de porto, a crosta superior desliza horizontalmente colina abaixo sobre a camada de areia líquida como um bloco de gelo deslizando sobre graxa. À medida que o solo se estende lateralmente de 0,5 a 5+ metros em direção à água, ele abre rachaduras profundas e paralelas que rasgam as fundações ao meio e cortam todos os canos de água, esgoto e gás enterrados.

Se o meu prédio se inclinar ligeiramente durante um terremoto, mas não tiver paredes quebradas, é seguro ficar dentro de casa?¶

Não, você deve evacuar qualquer edifício que esteja visivelmente inclinado ou afundado no solo assim que o tremor parar. Mesmo que a estrutura de concreto ou madeira pareça intacta, um edifício inclinado deslocou seu centro de massa para fora do centro (`the P-Delta effect`), colocando estresse de gravidade extrema na parte inferior da fundação enquanto o solo abaixo permanece encharcado e fraco. Quando o primeiro tremor forte ocorre minutos ou horas depois, a areia abaixo do lado baixo se liquefaz quase instantaneamente, o que pode fazer com que um edifício ligeiramente inclinado tombe para o lado ou desmorone completamente. Espere que um engenheiro estrutural inspecione e coloque cartazes no prédio.

Guias relacionados¶

• Terremotos: etapas de sobrevivência para derrubar, cobrir e segurar
• Tremores secundários de terremoto, reentrada em edifícios danificados e inspeção de corte de gás
• Buracos, subsidência do solo e colapso da fundação
• Deslizamentos de terra, deslizamentos de terra e evacuação de fluxo de detritos
• Tsunamis: redução do terremoto costeiro e evacuação vertical

Fontes e orientações oficiais¶

• Pesquisa Geológica dos Estados Unidos (USGS) - Programa de Riscos de Terremotos: Folha Informativa sobre Liquefação de Solo, Modelagem de Falhas no Solo em Tempo Real e Avaliação de Riscos de Espalhamento Lateral.
• Agência Federal de Gerenciamento de Emergências (FEMA) e Programa Nacional de Redução de Riscos de Terremotos (NEHRP, Estados Unidos): Redução de riscos sísmicos de edifícios existentes e infraestrutura de linhas de vida em solos propensos à liquefação.
• GNS Science, Toka Tū Ake EQC e Ministério de Negócios, Inovação e Emprego (MBIE, Nova Zelândia): Orientação de planejamento e engenharia para terras potencialmente liquefazíveis (Lições da Comissão Real dos Terremotos de Canterbury).
• California Geological Survey (CGS, Estados Unidos): Publicação Especial 117A: Diretrizes para Avaliação e Mitigação de Riscos Sísmicos (Liquefação e Deslizamentos Sísmicos) na Califórnia.
• Conselho Nacional de Pesquisa (NRC) - Academias Nacionais de Ciências, Engenharia e Medicina (Estados Unidos): Estado da Arte e Prática na Avaliação da Liquefação do Solo Induzida por Terremotos e Suas Consequências.