Розрідження ґрунту під час землетрусу, википання піску, поперечне розповсюдження та засипання корисних копалин¶

Під час землетрусу середньої та сильної сили (Magnitude 5.5+), сильне потрясіння скельних порід , це лише половина небезпеки. Через прибережні рівнини, дельти річок, стародавні дна озер і штучні насипні затоки сейсмічні хвилі зсуву, що проходять через пухкі, водонасичені піщані та мулисті ґрунти, спричиняють руйнування зерен ґрунту разом, посилюючи тиск ґрунтових вод (pore-water pressure) вгору, поки піщинки повністю не звільняться одна від одної. Протягом 10-30 секунд після струсу твердий ґрунт втрачає майже 100 відсотків своєї міцності на зсув і перетворюється на щільну рідку суспензію під тиском, геотехнічне явище, відоме як розрідження ґрунту. Важкі бетонні житлові будинки та опори мостів опускаються або нахиляються до 60 градусів на свої боки (bearing capacity failure), фонтани каламутної води та піску під тиском вириваються крізь щілини у дворах та підвалах (sand boils), пологі схили скочуються вбік до річок і гаваней (lateral spreading), а порожнисті підземні резервуари для стічних вод, люки та паливні цистерни спливають угору з тротуару, як пробки у ванні, розриваючи магістралі природного газу та води. Якщо ви відчуєте землетрус, що супроводжується тріщинами на землі, нахилом конструкцій або запахом витоку газу, зателефонуйте до місцевого номери екстрених служб негайно та зверніться до наших посібників землетруси: падіння, прикриття та утримання, афтершоки землетрусу, повернення будівлі та відключення газу, і воронки та осідання грунту.

Зробіть це зараз¶

1. Кидайте, накривайтеся та тримайтеся під час активних сейсмічних поштовхів: ніколи не намагайтеся вибігти на вулицю, коли земля активно тремтить; Падіння кам’яних фасадів, розбиття вікон верхніх поверхів і обвалення парапетів по зовнішньому периметру будівель вбивають набагато більше людей, ніж саме розрідження ґрунту.
2. Негайно евакуюйтеся, щойно поштовхи припиняться, якщо ваша будівля нахиляється, опускається або має заклинені двері та тріскаються фундаментні плити: на відміну від будівлі на твердій скелі, яка перестає рухатися після закінчення землетрусу, споруда, що стоїть на зрідженому піску, може продовжувати тонути, осідати нерівномірно або перекидатися протягом кількох хвилин або годин після припинення головного поштовху, а помірний афтершок може перекинути нахил будівлі повністю.
3. Понюхайте та прислухайтеся до розриву підземної магістралі природного газу та вимикайте газовий лічильник, ЛИШЕ якщо відчуєте запах газу або почуєте шипіння: бокове розповсюдження ґрунту та диференціальне осідання будівель зрізають жорсткі чавунні та сталеві газові труби прямо там, де вони входять у фундамент. Якщо ви відчуваєте запах меркаптану тухлого яйця або бачите бруд/воду, що віє з закопаного в землю трубопроводу, поверніть зовнішній вентиль газового лічильника на чверть оберту перпендикулярно трубі за допомогою гайкового ключа та евакуйуйте проти вітру.
4. Рухайтеся вгору та подалі від берегів річок, стін каналів, перегородок гавані та прибережних обривів: зріджені шари ґрунту під пологими схилами (навіть земля, яка виглядає майже рівною, з ухилом лише від 0,5 до 3 градусів) ковзають убік гігантськими тріщинами у напрямку до відкритих водних каналів (lateral spreading), відкриваючи глибокі тріщини землі шириною від 1 до 3 метрів (від 3 до 10 футів).
5. Ніколи не проїжджайте через мости, з’їзди на автомагістралі або дороги, вкриті конусами грязьових вулканів («кипить пісок») або піднятими кришками колодязів: розрідження спричиняє опускання земляних насипів на обох кінцях мосту на 0,5-2 метри, тоді як закопані бетонні каналізаційні люки плавають на 0,5-1,5 метри прямо вгору крізь асфальт.
6. Сприймайте всю воду та бруд, що витікає з піщаних кип’ятків і підвальних тріщин, як неочищені стічні води та хімічну біологічну небезпеку: коли зрідження розриває підземну каналізаційну магістраль і спливає септики, ґрунтові води під тиском, що вириваються на вулиці, в коридори та кімнати на перших поверхах, сильно забруднені фекальними збудниками (E. coli, вібріон, гепатит А) і нафтові вуглеводні.

Дерево рішень: розрідження ґрунту під час землетрусу та відповідь на провал землі¶

flowchart TD
    Quake["Сильний землетрус (киньте, накрийте та тримайте, доки струс не припиниться)"] --> CheckGround{"Тремтіння припинено: спостерігайте за будівлями та землею навколо себе"}
    CheckGround -->|"Будівля нахиляється, опускається, двері заклинило або крізь підлогу тече бруд"| GasCheck{"Відчуєте запах витоку газу, почуєте шипіння чи побачите іскри?"}
    GasCheck -->|"так"| EvacNoSwitch["НЕ торкайтеся вимикачів світла; Негайно евакуюйтеся; Перекривайте зовнішній газовий клапан, лише якщо безпечно на виході"]
    GasCheck -->|"немає"| EvacTilt["Негайно евакуйовувати будівлю по сходах (ніколи не використовувати ліфт); Перемістіть 1,5x висоти будівлі"]
    CheckGround -->|"На відкритому повітрі біля берега річки, дамби гавані або рекультивованої затоки"| LateralCheck{"Грунт розтріскується паралельно воді, підпірні стіни випирають або вириваються піщані кипіння?"}
    LateralCheck -->|"так"| MoveInland["Бігайте перпендикулярно вглиб країни/вгору від берега річки, каналу або дамби до того, як бічний розкид обрушиться на берег"]
    LateralCheck -->|"Ні, поблизу берегової лінії"| TsunamiRule["Пам’ятайте про пріоритет цунамі: якщо ви перебуваєте на відкритому узбережжі після тривалого/сильного землетрусу, негайно евакуюйтеся на висоту"]
    EvacTilt --> HazardZone["Уникайте зруйнованих ліній електропередач, піднятих люків, затонулих пандусів мостів і забрудненого стічними водами піску, кип’ятіння мулу"]
    MoveInland --> HazardZone
    HazardZone --> AftershockPrep["Очікуйте повторне розрідження під час афтершоків; Не пийте воду з-під крана, доки комунальна служба не підтвердить, що водопровідна мережа не пошкоджена"]

Геотехнічна механіка: як тверда земля перетворюється на рідкий шлам¶

Щоб зрозуміти, чому під час землетрусу певні околиці перетворюються на сипучі піски, а будинки на схилі пагорба за два кілометри взагалі не відчувають провалів ґрунту, інженери досліджують три геотехнічні компоненти, які мають бути присутні одночасно: пухкий зернистий ґрунт без когезії, неглибоке насичення ґрунтовими водами та циклічне сейсмічне напруження зсуву.

1. Три передумови розрідження ґрунту¶

1. Рухкий, незчеплений пісок або непластичний мул (Holocene deposits and uncompacted hydraulic fill):
2. У сухому або нормально дренованому ґрунті окремі зерна піску та мулу лягають одна на одну у відкриту, нещільно упаковану скелетну структуру (high void ratio). Вага будівель і ґрунту, що лежить вище, повністю підтримується тертям зерно до зерна в точках контакту між цими частинками піску (effective stress, позначається як sigma-prime).
3. Ґрунти, багаті глиною, рідко розріджуються в класичному розумінні, оскільки мікроскопічні глинисті пластинки зв’язані між собою силами електричної когезії, тоді як чисті зерна піску та мулу мають нульову когезію та покладаються виключно на тертя.
4. Грунтова вода (від 1 до 15 метрів / від 3 до 50 футів від поверхні):
5. Кожен мікроскопічний пористий простір між піщинками нижче рівня грунтових вод на 100% заповнений нестисливою рідкою водою.
6. Швидкий циклічний сейсмічний струшування (Недреноване навантаження):
7. Коли S-хвилі (хвилі зсуву) землетрусу проходять угору через стовп ґрунту, вони зсувають пухкий піщаний каркас вперед і назад десятки разів протягом 15-45 секунд.
8. Ця вібрація витрушує сипучі піщинки з їх відкритого розташування та змушує їх намагатися зібратися разом у більш щільну конфігурацію (contractive behavior).
9. Однак через те, що порові простори заповнені водою, а струшування відбувається надто швидко, щоб ця вода не могла втекти крізь ґрунт, піщинки, що руйнуються, замість цього видавлюють захоплену порову воду.
10. Нульовий ефективний стрес (sigma-prime = 0): Тиск порової води (u) різко зростає, доки не зрівняється із загальною спрямованою вниз вагою ґрунту, що лежить вище (sigma). За Ефективним рівнянням напруги Терцагі (sigma-prime = sigma - u), коли тиск порової води дорівнює загальному напруженню розкриву, ефективна контактна сила між піщинками падає до нуля. Оскільки зерна тепер підвішені у воді під тиском, не торкаючись одне одного, ґрунт має нульову міцність на зсув при терті та поводиться як важка рідина з одиничною вагою приблизно 1800-2000 кг/м3 (112-125 фунтів/фут3), що майже вдвічі щільніше чистої води.

2. Де відбувається зрідження: Типи рельєфу високого ризику¶

• Неущільнена гідравлічна засипка та рекультивована земля: портові райони, аеропорти, набережні житлових забудов та штучні острови, створені шляхом витягування пухкого піску та бруду з дна затоки та закачування їх за морську стіну без глибокого вібраційного ущільнення (наприклад, район Марина Сан-Франциско, рекультивована земля Токійської затоки/Ураясу, острів Кобе Порт і Бостонська затока заповнити).
• Дельти річок, заплави та занедбані русла річок (oxbows і point bars): молодий алювіальний пісок і мул, що відкладався звивистими річками за останні 10 000 років (наприклад, коридор річки Крайстчерч-Ейвон у Новій Зеландії, дельта Сакраменто-Сан-Хоакін, сейсмічна зона річки Міссісіпі в Новому Мадриді та дельта річки Фрейзер поблизу Ванкувера).
• Коридори прибережних дюн і бар’єрні коси-лагуни: сипучий пісок, що розноситься вітром, лежить на вершині високого прибережного рівня грунтових вод.

Порівняння п'яти основних небезпек розрідження¶

Розпізнавання та переживання розрідження під час і одразу після землетрусу¶

Як виглядає, звучить і відчувається розрідження на землі¶

1. Струшування змінюється від різких поштовхів до повільного нудотного «водяного ліжка» або руху човнової палуби: у той момент, коли нижній шар піску розріджується, високочастотні вертикальні та горизонтальні вібрації гасяться й замінюються довготривалими хвилями, що котяться (0.5 to 2 Hz), через які ходити чи стояти майже неможливо.
2. Гейзери каламутної води, що вириваються з тротуарів і тріщин на газонах: протягом 10-60 секунд після початку поштовхів ґрунтові води під тиском порушують поверхневу кору. Ви можете побачити брудно-сіру або чорну воду, яка виривається на від 0,5 до 2 метрів (від 1,5 до 6,5 футів) у повітря з лінійних тріщин у землі, компенсаційних швів у бетонних під’їздах або навколо телефонних стовпів і стовбурів дерев.
3. Телефонні стовпи, вуличні ліхтарі та припарковані автомобілі тонуть на ваших очах: важкі стовпи комунікацій опускаються прямо вниз або нахиляються під шаленими кутами, а асфальт навколо них брижі та згинається.

Поетапна евакуація з будівлі, що тоне або нахиляється¶

Коли сильне тремтіння вщухне настільки, що ви зможете підвестися:

1. Негайно перевірте структурний нахил: подивіться на дверні рами, віконні рами, підвісні світильники або поставте на підлогу круглий предмет/пляшку з водою. Якщо підлога помітно нахилена або вам доводиться сильно натискати на дерев’яну дверну коробку, щоб відкрити її, фундамент вашої будівлі зазнав диференціального розрідження.
2. Одягніть міцне взуття, візьміть сумку і негайно вийдіть по сходах:
3. Ніколи не використовуйте ліфти: навіть нахил на 1 градус деформує напрямні ліфтів і затискає кабіни між поверхами.
4. Слідкуйте за своїми кроками біля порогу виходу на першому поверсі: коли важка будівля занурюється на 30-90 сантиметрів (1-3 фути) у розріджений ґрунт, зовнішній тротуар може вигинатися вгору через двері виходу на першому поверсі, або зовнішні сходи можуть повністю відійти від майданчика ганку, залишаючи глибоку відкриту щілину, заповнену киплячим піщаним шламом.
5. Тримайтеся подалі від тіні перекинутої будівлі (1.5 times building height): Вийшовши на вулицю, не збирайтеся на тротуарі біля нахиленого багатоповерхового будинку. Перейдіть до відкритого парку, широкого перехрестя або автостоянки на відстані принаймні в 1,5 рази більше висоти будівлі від нахиленого фасаду.

Управління небезпекою для комунального господарства та здоров’я після землетрусу в зонах розрідження¶

Під час великих міських землетрусів (таких як землетрус у Крайстчерчі 2011 року, який викинув понад 400 000 тонн розрідженого мулу на міські вулиці, або землетруси в Кобе та Лома-Прієта в 1995 році та 1989 роках) розрідження руйнує закопану «рятувальну» інфраструктуру в цілих районах одночасно:

1. Розрив водопроводу в поєднанні з розривом газопроводів (ризик пожежі)¶

• Чому пожежні гідранти висихають: зрідження та бічні розповсюдження розривають крихкі чавунні й азбестоцементні муніципальні водопровідні труби на кожному з’єднанні, знижуючи тиск міської води до нуля в ту саму мить, коли розриви магістралей природного газу викликають пожежі всередині пересунутих дерев’яних будинків.
• Як захистити свій дім:
• Не вимикайте газовий лічильник автоматично, якщо немає запаху газу, шипіння або структурного зміщення/нахилу вашого будинку (оскільки комунальні компанії повинні окремо перевіряти та повторно запалювати кожен відключений лічильник, що може тривати тижнями взимку).
• НЕгайно перекрийте головний газовий кран, якщо фундамент вашого будинку зрушився, якщо бічні розповсюджені тріщини перетинають ваше подвір’я біля газопроводу, або якщо ви відчули запах газу чи почули шипіння.
• Перекрийте свій головний вхідний вентиль для домогосподарства (куди вода надходить у будинок після вуличного лічильника), щоб утримувати чисту питну воду в домашніх трубах і резервуарі водонагрівача до того, як тріснуті вуличні водопроводи втягнуть забруднені стічні ґрунтові води назад у вашу водопровід.

2. Плаваючі септики, пошкоджені каналізаційні магістралі та очищення від біологічно небезпечного мулу¶

• Оскільки майже 100% підземних каналізаційних ліній із глини та ПВХ, що живляться гравітацією, розриваються, коли розрідження зміщує ґрунт більш ніж на 10 сантиметрів (4 дюйми), підземна вода, що виривається крізь пісок, кипить у дворах, на вулицях і в підвалах, змішується з сирими стічними водами.
• Ніколи не дозволяйте дітям або домашнім тваринам грати в піску, киплячому бруді або стоячих розріджених калюжах.
• Під час видалення лопатами зрідженого мулу з будинків і під’їздів:
• Одягніть водонепроникні гумові чоботи, важкі водонепроникні рукавички, захист для очей і респіратор N95 / FFP2 (особливо після того, як дрібний льодовиковий/алювіальний мул із кам’яного борошна протягом наступних днів висохне в силікатний пил у повітрі, створюючи серйозну респіраторну небезпеку, відому в Крайстчерчі як «розріджені пилові бурі»).
• Згрібайте мокрий мул у купи вздовж узбіччя дороги (ніколи не змивайте розріджений пісок у побутову каналізацію чи муніципальні зливові жолоби, оскільки важкий пісок миттєво закупорює зливову каналізацію, міцно наче цемент, і спричиняє сильні затоплення вулиць під час наступної зливи).

Пом’якшення наслідків перед землетрусом: перевірка карт і захист вашого майна¶

Якщо ви живете в сейсмонебезпечному прибережному, річковому або дельтовому регіоні:

1. Перевірте офіційні геологічні карти небезпек розрідження:
2. У Сполучених Штатах державні геологічні дослідження (такі як Каліфорнійська геологічна служба CGS Сейсмічні зони, Вашингтон DNR, Орегон DOGAMI і Юта UGS) і USGS публікують безкоштовні повуличні Карти сприйнятливості до зрідження в Інтернеті.
3. Реконструкція фундаменту та інженерних комунікацій для зон зрідження:
4. Стандартне кріплення проти землетрусів болтами (прикріплення дерев’яних порогів до неармованої опори периметра) часто буває недостатнім, якщо ґрунт розріджується та розповсюджується вбік, тому що опора стрічки сама розривається. Будинки в зонах високого розрідження вимагають залізобетонних матових плит, решіток з додатковим натягом або глибоких паль, забитих у щільні шари, що не піддаються розрідженню.
5. Встановіть гнучкі гофровані з нержавіючої сталі або плетені сейсмічні з’єднувачі на ваш лічильник природного газу, водонагрівач і магістральну лінію входу води, щоб 15-30 сантиметрів (6-12 дюймів) різного осідання ґрунту між вулицею та вашим будинком не зрізало жорсткі труби на стіні.

Регіональні номери екстрених служб і протоколи агентств¶

Часті запитання¶

Чому тверда земля під час землетрусу перетворюється на рідку?¶

У пухких, піщаних або мулистих ґрунтах, розташованих нижче рівня ґрунтових вод, вага будівель і землі над ними зазвичай підтримується тертям, коли окремі піщинки тиснуть одна на одну. Коли хвилі зсуву землетрусу різко трясуть землю туди-сюди, сипучі піщинки намагаються осісти у більш тісному просторі, стискаючи воду, що потрапила в мікроскопічні пори між піщинками. Оскільки струшування відбувається надто швидко, щоб вода могла втекти, тиск води різко зростає, поки не розштовхує піщинки. Коли зерна плавають у воді під тиском, а не торкаються одне одного, ґрунт втрачає силу тертя і поводиться як важка рідка суспензія.

Що таке «піщані фурункули» або «піщані вулкани» і чи небезпечні вони?¶

Піщані кипіння (також звані піщаними ударами або грязьовими вулканами) утворюються, коли шар насиченого водою піску на глибині від 2 до 10 метрів під землею розріджується під сильним тиском і виривається вгору крізь тріщини в сухому ґрунті або бетонних плитах. Ця вода під тиском несе зважений сірий або коричневий пісок на поверхню, утворюючи конусоподібні насипи вологого мулу розміром від 30 сантиметрів до кількох метрів у поперечнику. Хоча температура води низька (а не гаряча вулканічна лава), кипіння піску є небезпечним, оскільки воно видовбує порожнини під дорогами та фундаментами, заливає перші поверхи важким брудом і часто забруднюється неочищеними стічними водами з розбитої підземної каналізаційної магістралі.

Чому під час розрідження з-під землі вириваються закопані кришки люків, септиків, басейнів?¶

Коли насичений пісок розріджується під час землетрусу, піщано-водяний шлам, що утворюється, має дуже високу щільність рідини близько 1900 кілограмів на кубічний метр (майже вдвічі важче чистої води). Відповідно до принципу плавучості Архімеда будь-який закопаний порожнистий контейнер, загальна вага якого на кубічний метр легший за навколишній рідкий пісок, наприклад, порожнистий бетонний каналізаційний колодязь, порожній скловолоконний септик, підземний паливний резервуар на АЗС або осушений басейн на задньому дворі, штовхається з силою вгору та плаває на 0,5-2 метри над землею, як пробка.

Чи може людина під час землетрусу зануритися через голову і потонути в розрідженому сипучому піску?¶

Ні, людина не може повністю зануритися під поверхню плоского розрідженого піску лише завдяки плавучості. Оскільки людське тіло має щільність близько 1000 кг/м3, тоді як зріджений піщаний шлам має щільність близько 1900 кг/м3, людина буде плавати приблизно на глибині від колін до пояса. Однак розрідження все одно може захопити або вбити пішоходів трьома способами: по-перше, щойно вода витікає з піску, пісок закріплюється навколо ваших ніг, як твердий цемент; по-друге, латеральне поширення розриває глибокі тріщини в землі біля берегів річок, у які можуть впасти люди або автомобілі; і по-третє, на схилах крутістю більше 3 градусів розрідження може спровокувати високошвидкісний селевий потік (`flow slide`).

Що таке «бічне поширення» і чому воно руйнує будинки біля річок і гаваней?¶

Бічне розповсюдження відбувається, коли верхня кірка твердої поверхні ґрунту (де будуються будинки, дороги та комунальні труби) сидить на вершині похованого шару піску, який розріджується під час землетрусу. Навіть якщо ґрунт має ледь помітний нахил лише від 0,5 до 2 градусів у бік русла річки, каналу, берега озера чи дамби гавані, верхня кора ковзає горизонтально вниз поверх шару рідкого піску, як брила льоду, що ковзає по жиру. Оскільки земля тягнеться вбік на 0,5-5+ метрів у бік води, вона розриває глибокі паралельні тріщини, які розривають фундаменти навпіл і розривають усі закопані водопровідні, каналізаційні та газові труби.

Якщо моя будівля трохи нахилилася під час землетрусу, але не має зламаних стін, чи безпечно залишатися всередині?¶

Ні, ви повинні евакуювати будь-яку будівлю, яка помітно нахилилася або провалилася під землю, як тільки струс припиниться. Навіть якщо бетонний або дерев’яний каркас виглядає нерозбитим, центр маси будівлі, що нахиляється, змістився за центр (`the P-Delta effect`), створюючи надзвичайну силу тяжіння на нижній стороні фундаменту, тоді як ґрунт під ним залишається заболоченим і слабким. Коли через кілька хвилин або годин відбувається перший сильний афтершок, пісок під нижньою стороною знову розріджується майже миттєво, що може призвести до того, що будівля, яка трохи нахиляється, перекинеться на бік або повністю завалиться. Зачекайте, поки інженер-будівельник огляне будівлю та розмітить її.

Пов'язані посібники¶

• Землетруси: скиньте, прикрийте та затримайтеся
• Афтершоки землетрусу, повернення пошкодженої будівлі та перевірка перекриття газу
• Воронки, осідання ґрунту та обвалення фундаменту
• Зсуви, селі та евакуація селів
• Цунамі: прибережний землетрус і вертикальна евакуація

Джерела та офіційне керівництво¶

• Геологічна служба США (USGS) - Програма запобігання небезпеці землетрусів: Інформаційна довідка про розрідження ґрунту, моделювання заземлення в режимі реального часу та оцінка небезпеки бокового поширення.
• Федеральне агентство з управління надзвичайними ситуаціями (FEMA) і Національна програма зменшення небезпеки землетрусів (NEHRP, Сполучені Штати): Зменшення сейсмічної небезпеки існуючих будівель та інфраструктури життєво важливих шляхів у ґрунтах, схильних до розрідження.
• GNS Science, Toka Tū Ake EQC та Міністерство бізнесу, інновацій та зайнятості (MBIE, Нова Зеландія): Інструкції з планування та проектування для потенційно зріджених земель (уроки Королівської комісії з питань землетрусів Кентербері).
• Каліфорнійська геологічна служба (CGS, Сполучені Штати): Спеціальна публікація 117A: Рекомендації щодо оцінки та пом’якшення сейсмічної небезпеки (розрідження та сейсмічні зсуви) у Каліфорнії.
• Національна дослідницька рада (NRC) - Національні академії наук, інженерії та медицини (Сполучені Штати): Сучасний стан і практика в оцінці розрідження ґрунту внаслідок землетрусу та його наслідків.