искать
Рубрикатор материалов

Сейчас в информационной базе:
рубрик - 105 , авторов - 329 ,
всего информационных продуктов - 3121 , из них
статей журнала - 647 , статей базы знаний - 85 , новостей - 2213 , конференций - 4 ,
блогов - 8 , постов и видео - 128 , технических решений - 4

© 2016-2019 ГеоИнфо

Разработка и сопровождение: InfoDesigner.ru
Геориск. Анализ и оценка 

Гидродинамические выбросы грунта при землетрясениях. На примере Камчатки

Тараканов Александр Иванович и др.
15 мая 2019 года

В обводненных геологических разрезах с близким залеганием зеркала грунтовых вод при землетрясениях наблюдаются выбросы грунта из образующихся разрывных сейсмических трещин. Обычно это происходит на гравийных и песчаных террасах и косах с высоким уровнем залегания грунтовых вод.

Авторы излагают собственное видение возможного механизма образования такого феноменального сейсмического явления с позиции инженерно-геологических представлений о природных процессах и механики грунтов.

Тараканов Александр ИвановичГенеральный директор ООО «Изыскатель»
Пестриков Юрий АлександровичГлавный специалист ООО «Изыскатель»
Марычева Анастасия ВалентиновнаЭксперт ГАУ «Госэкспертиза ПД КК»

В обводненных геологических разрезах с близким залеганием зеркала грунтовых вод при землетрясениях наблюдаются выбросы грунта, чаще в виде водно-песчаных грифонов, из образующихся разрывных сейсмических трещин. Обычно это происходит на гравийных и песчаных террасах и косах с высоким уровнем залегания грунтовых вод. Конкретным примером могут служить выбросы разнозернистых песков из протяженных трещин, возникших на Корфской морской косе при сильном 89 балльном Олюторском землетрясении в с. Тиличики на Севере Камчатки в 2006 г. [1].

Авторы ниже излагают собственное видение на возможный механизм образования такого феноменального сейсмического явления с позиции инженерно-геологических представлений о природных процессах и механики грунтов, при сейсмическом воздействии на грунтовую толщу. Авторы не претендуют на эксклюзивность излагаемой концепции и не исходят с позиции критики мнений других специалистов, а выражают лишь собственные представления, основанные на продолжительном опыте изыскательских работ и изучения свойств грунтов в сейсмически активном Камчатском регионе и на Северных Курилах.

 

Почему возникают сейсмические трещины

Сейсмические трещины возникают, когда идет распространение продольных упругих сейсмических волн со знакопеременными напряжениями «сжатия растяжения». Разрывные напряжения образуются, если скорость распространения упругих сейсмических волн в геологических средах рассогласована (не совпадает) с колебаниями самого грунта и частицы не успевают перемещаться за движением сейсмической волны. Когда напряжения растяжения превышают предел прочности грунтов в массиве, по таким зонам возникают сейсмические трещины и разрывы. При сжатии грунтовый массив сдавливается и уплотняется, но при кратковременном растяжении он не успевает рассредоточится по прежнему объему. В результате образуются сейсмические трещины.

На ледниковой террасе района с. Тиличики сейсмические трещины при землетрясении достигали ширины 1,5 м и измеренной глубины более 40 м. А по протяженности они уходили на десятки километров по простиранию через склоны гор и водоразделы (рис. 1, 2). В одних местах трещины имели все типичные признаки разрывов и раздвижений, а в других на одной и той же сейсмической трещине образовывались сейсмодеформации типа сдвигов, взбросов и даже надвигов (рис. 3). На Корфской низкой морской косе, сложенной, по преобладанию, песчаным и гравийным материалом с песком, образовались протяженные на сотни метров трещины с зиянием до 1020 см; через них происходило фонтанирование водно-песчаной эмульсии воды, перемешанной с песками, хотя распространение песков в виде самостоятельных горизонтов в геологическим разрезе морской косы весьма ограничено.

 

Рис. 1. Сейсмическая трещина в мерзлых породах на ледниковой террасе Рис. 1. Сейсмическая трещина в мерзлых породах на ледниковой террасе

 

Рис. 2. Сейсмические разрывные деформации склонов и вершины гор при сильном Олюторском землетрясении 26 октября 2006 года Рис. 2. Сейсмические разрывные деформации склонов и вершины гор при сильном Олюторском землетрясении 26 октября 2006 года

 

Рис. 3. Вздыбленные блоки многолетнемерзлых грунтов по сейсмическому разрыву Рис. 3. Вздыбленные блоки многолетнемерзлых грунтов по сейсмическому разрыву

 

Механизм «выплеска» грунта

Рассмотрим подробнее, каким образом возникают сейсмические выбросы водно-песчаного материала и как происходит при этом некоторая сортировка состава грунтов, при которой из гравийных и галечниковых разрезов происходят выбросы, преимущественно, песчаного материала.

Как уже было сказано выше, при чередующихся сейсмических волнах «сжатия растяжения» грунт не успевает рассредоточиваться при фазе растяжения в изначальное состояние. Тогда весь грунтовый массив разрывается с образованием вначале зияющей, затем смыкающейся трещины с видимым разрывом толщи грунтов.

Вода, в отличии от грунта, является несжимаемой средой, и когда грунт сжимается, то в единице объема его становится больше первоначального «до сейсмического состояния». Минеральная часть массива сдавливается, объем защемленных пор воздуха в грунте уменьшается, и вода в порах частично оттесняется в зону свободного пространства. В результате зеркало воды в момент фазы сжатия слегка приподнимается. При фазе сейсмической волны «растяжения» грунт, наоборот, испытывает обратную «сжатию» реакцию разуплотнение, и если грунт не успевает рассредоточиться до изначального состояния, тогда и образуются субвертикальные трещины в грунтовом массиве. Заключенная в его порах вода не сжимаема и частицы грунта создают своего рода «барражный эффект» затрудненной фильтрации воды по порам в период их колебательных движений. После образования зияющей трещины в грунтовом массиве при фазе «растяжения» в образованной трещине ее стенки расходятся в противоположные стороны, а грунтовая вода с некоторой примесью песка (гравийного материала) в силу несжимаемых свойств не успевает следовать за деформациями грунта. Происходит раздвижение грунта в противоположные стороны от зоны разрыва, а поровая вода остается в трещине, «вытягивая» из порового пространства песчаный материал, либо даже песчаный заполнитель из крупнообломочного грунта.

В определенный момент возникает некое межфазовое состояние, при котором грунтовый массив по образованной трещине раздвинут по сторонам, а в образованной зияющей трещине скапливается водно-песчаная смесь вода, насыщенная песчаным материалом, «вытянутая» из порового пространства грунтового массива. И при последующей фазе сжатия вода с песком из трещины устремляется по пути наименьшего сопротивления, т.е. по трещине вверх, выплескиваясь на поверхность в виде грифонов. При повторном раздвижении выплеснутая на поверхность вода частично возвращается назад стекает в трещину, а часть воды с песком растекается вдоль трещины и песок может сохраняться небольшими валами или «растекшимися» покровами над самой трещиной и вдоль нее достаточно длительное время. Если при землетрясении образуется несколько субпараллельных сейсмических трещин с небольшим удалением друг от друга, тогда может возникать парадоксальная ситуация, при которой по одним трещинам происходят сейсмогидродинамические «выплески грунта», а по другим не происходят. Это объясняется несколькими причинами: шириной раскрытия трещин, достаточностью в них свободной воды при раскрытии, глубиной залегания зеркала подземных вод и зоной взаимного влияния сейсмогидродинамических событий по сближенным трещинам. Других причин при этом не просматривается.

Многократные колебания грунта знакопеременного типа «сжатия-растяжения» способствуют «высасыванию» песка из геологического разреза подобно циклическому грязевому насосу и выбросу суспензионной водно-песчаной массы при схлопывании зияющих, заполненных водно-песчаной эмульсией, сейсмических трещин. Таким образом вдоль трещин в грунтовом массиве происходит вытяжка песчаного заполнителя. Так может происходить до тех пор, пока из грунта поступает достаточное количество песчаного материала, а в сейсмической трещине образуется избыточное содержание воды для смешивания с песком и выплескивания суспензии наружу.

Сейсмические трещины на морской косе при землетрясении были обозначены дугообразными продольными песчаными валами с высотой гребня до 30 см, а покровы растекания на поверхности водно-песчаной суспензии вдоль трещин шириною до 2,54 м. Некоторые сейсмические трещины были без выбросов водно-песчаной суспензии (рис. 4).

 

Рис. 4. Сейсмическая трещина в рыхлых песчаных и гравийных грунтах морской Корфской косы Рис. 4. Сейсмическая трещина в рыхлых песчаных и гравийных грунтах морской Корфской косы

 

Водно-песчаная смесь выбрасывалась многократно по одним и тем же трещинам при землетрясении (в зимний период) и растекалась по существовавшему в тот период на косе снежному покрову. Снег при взаимодействии с солоноватой «морской» водой частично таял; вода просачивалась обратно в грунт через возникшие разрывные трещины, а песчаный грунт, по большей части, сохранился и остался на поверхности (рис. 5).

 

Рис. 5. Распространенные «выплески» песчаных грунтов по сейсмической трещине на снежном покрове Рис. 5. Распространенные «выплески» песчаных грунтов по сейсмической трещине на снежном покрове

 

Подтверждение концепции

Рассмотрим суммарные кривые гранулометрического состава природного грунта Корфской косы и песка гидродинамических выбросов при землетрясении (рис. 6). Из их сравнения можно видеть идентичность песчаного заполнителя галечникового и гравийного грунта с песчаным материалом гидродинамических сейсмических выплесков по сейсмическим трещинам. Таким образом, подтверждается изложенная концепция механизма сейсмогидродинамических выбросов при землетрясении. В отдельных случаях выбросы могут происходить не по линейным трещинам разрыва, а по отдельным локальным очагам. Последние имеют характерные изометрические очаговые очертания типа небольших сейсмогидродинамических «кратеров» (рис. 7).

Данные по гранулометрическому составу были трансформированы в логарифмические кривые гранулометрического состава (по ГОСТ 25100-2011), а также были дополнены аналогичные логарифмические графики состава песчаного и гравийного грунтов вмещающего сейсмические трещины геологического разреза. Кривые построены для двух видов грунтов для песков (сектор А) и для гравийного грунта (сектор Б). В 80% случаев кривые гранулометрического состава песков сейсмогидродинамических выбросов оказались смещены в сторону уменьшения процентного содержания мелких фракций частиц в сравнении с природным составом песков или (и) гравийного грунта. Это может быть свидетельством того, что при вытяжке песка в сейсмическую трещину происходит некоторая сепарация (сортировка) по крупности грунтового материала крупные частицы застревают в порах, а меньшие по размеру «вытягиваются» в сейсмическую трещину по поровому пространству в существенно большем количестве.

 

Рис. 6. Суммарные кривые гранулометрического состава грунтов в логарифмическом масштабе. Сектор А – песчаные грунты сейсмогидродинамических выбросов; сектор Б – природный гравийный грунт с песком морской Корфской косы, подверженной сейсмическим разрывным деформациям при Олюторском землетрясении 2006 года Рис. 6. Суммарные кривые гранулометрического состава грунтов в логарифмическом масштабе. Сектор А – песчаные грунты сейсмогидродинамических выбросов; сектор Б – природный гравийный грунт с песком морской Корфской косы, подверженной сейсмическим разрывным деформациям при Олюторском землетрясении 2006 года

 

Возникает вопрос: возникает ли сейсмическая трещина вначале, а затем по ней происходят выбросы, либо все проходит одновременно. Очевидно все же, что вначале образуется трещина, как ослабленная зона, и возникновение ее может быть вовсе не связано с наличием воды, а обусловлено исключительно прохождением упругих волн «сжатия растяжения». А затем уже по зоне зияния происходит выброс водно-песчаной суспензии. Но, по сути, это не имеет никакого значения, поскольку обычно землетрясения длятся весьма непродолжительное время (десятки секунд и минуты) и представляют собой упругие волны «сжатия растяжения», чередующиеся с высокой частотой и высокой скоростью перемещения в едином цикле сейсмических колебаний. Одновременное образование трещины и выброса песка маловероятно, поскольку нужны условия для предварительной «вытяжки» песка в зияющею трещину грунтового массива, а затем уже при схлопывании ее на фазе сжатия следует выброс этого грунта на поверхность. Это напоминает работающий гидравлический пульсирующий насос, основанный на механизме создания вакуума в зоне растяжения, вытягивания песка с остающейся в трещине водой, а затем закрытия трещины и выброса водно-песчаной эмульсии в зону наименьшего сопротивления.

 

Рис. 7. Характерные сейсмогидродинамические «кратеры» – локальные очаги выброса водно-песчаной суспензии (Олюторское землетрясение 2006 года) Рис. 7. Характерные сейсмогидродинамические «кратеры» – локальные очаги выброса водно-песчаной суспензии (Олюторское землетрясение 2006 года)

 

Обязательна ли при этом тиксотропия? Нет, совершенно необязательна. И характерный описанный случай гидродинамических песчаных выбросов песка из гравийных грунтов морской Корфской косы при сильном Олюторском землетрясении на Камчатке в 2006 г. подтверждает такие представления. Аналогичные процессы, очевидно, могут происходить и в иных по составу грунтах. Но обводненность при этом более чем вероятна. Если же в сейсмической трещине воды недостаточно, тогда возможна вытяжка песчаного грунта по ней без выплеска на поверхность и образование своеобразных «слепых» вертикальных песчаных «сейсмогидродинамических клиньев». По сейсмическим трещинам в одних случаях образуются небольшие взбугренные валы песчаного материала (рис. 8), а в других растекшиеся водно-песчаные потоки на поверхности земли. Это связано с различными объемами воды в трещинах и разной насыщенностью воды песком. Что же касается тиксотропии, то она может проявляться в каких-то геологических разрезах как одновременно с гидродинамическими проявлениями, так и совершенно вне связи с ними.

 

Рис. 8. Вал песчаного грунта, возникший при гидродинамическом выплеске при сильном Олюторском землетрясении 2006 года Рис. 8. Вал песчаного грунта, возникший при гидродинамическом выплеске при сильном Олюторском землетрясении 2006 года

 

По происшествии непродолжительного времени сейсмические трещины на поверхности обводненных морских и речных террас и кос стираются экзогенными процессами и становятся незаметными, но могут обнаруживаться в обнаженных разрезах или при проходке горных выработок. В первоначальный же период своего возникновения сейсмодеформационные трещины достаточно хорошо обозначены в рельефе местности по выбросам водно-песчаного грунтового материала, а также по протяженным мелким углублениям над ними, возникающими в результате осыпания поверхностного грунта в трещину и смыва его вниз.

Понимание механизма сесмогидродинамических выбросов при землетрясениях позволяет правильно интерпретировать протекающие процессы и оценивать инженерно-геологическую и сейсмическую обстановку с более обоснованным прогнозом сейсмических процессов и деформаций для проектирования и строительства зданий и сооружений в сейсмически активных зонах.

 

Примечание. Лабораторные определения выполнены в ОАО «КамчатТИСИЗ». Фотоиллюстрации для настоящего сообщения любезно были представлены Т.Г. Константиновой и Т.К. Пинегиной.


Список литературы

1. Олюторское землетрясение (20 (21) апреля 2006 г., Корякское нагорье). Первые результаты исследований / Отв. ред. В.Н. Чебров. Петропавловск-Камчатский: ГС РАН, 2007. 290 с.

Отправить сообщение, заявку, вопрос

Отправить заявку на посещение мероприятия

Отправить заявку на участие как экспонент

Запросить консультацию специалистов по данному техническому решению