To φαινόμενο της Ρευστοποίησης

[spy1551]

To παρών thread το ανοίγω μετά από μία συζήτηση που είχαμε με τον acnt.

..........Tην σημασία των γεωτεχνικών μελετών την παραβλέπουμε και εμείς οι ίδιοι οι μηχανικοί .........Οι μελέτες πρέπει να συντάσσονται από γεωτεχνικούς μηχανικούς και όχι από γεωλόγους και να γίνουν υποχρεωτικές με ελάχιστες αμοιβές.Για τη σημασία τους θα αναφερθώ εν καιρώ σε νέα thread.

Άλλωστε όπως είπε η Lady Eίναι κακό στην άμμο να χτίζεις παλάτια

 

2. Ρευστοποίηση

 

Ο όρος ρευστοποίηση χρησιμοποιείται για να περιγράψει τη συμπεριφορά των κοκκωδών μη συνεκτικών (ψαθυρών) εδαφών όταν υποβάλλονται σε ανακυκλιζόμενη φόρτιση ( κυρίως σεισμική ). Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η σεισμική φόρτιση είναι πρακτικά μια επανάληψη κύκλων φόρτισης-αποφόρτισης μεταβλητού πλάτους που διαρκεί μικρό χρονικό διάστημα σε σχέση με τον χρόνο που χρειάζεται το έδαφος για να αποστραγγιστεί.. Πρακτικά δηλαδή έχουμε αστράγγιστες συνθήκες φόρτισης .

Για ένα κλειστό κύκλο φόρτισης η συμπεριφορά του εδάφους είναι μη γραμμική και περιγράφεται από ένα βρόχο υστέρησης, που η επιφάνεια του και η κλίση του εξαρτώνται από το πλάτος της διατμητικής παραμόρφωσης στον συγκεκριμένο κύκλο . Όσο αυξάνει η διατμητική παραμόρφωση τόσο μεγαλώνει η επιφάνεια του βρόγχου και μικραίνει η κλίση του ως προς τον άξονα των παραμορφώσεων.

Κάθε κύκλος φόρτισης μπορεί να περιγραφεί με δύο παραμέτρους :

α) την κλίση της ευθείας που ενώνει τα δύο άκρα του βρόγχου . Η ευθεία εκφράζει το μέσο μέτρο διάτμησης Gm .

β) τοv συντελεστή απόσβεσης D που μετρά την επιφάνεια του βρόγχου και εκφράζει την ενέργεια που αποδόθηκε από το υλικό για την πραγματοποίηση του κύκλου .

Ταυτόχρονα με τις διατμητικές παραμορφώσεις κατά το πέρασμα των σεισμικών κυμάτων είναι δυνατόν να παρατηρηθεί ανάλογα με τον τύπο του εδάφους , αφʼ ενός μια μεταβολή του όγκου, αφʼ ετέρου μια απότομη αύξηση της πίεσης του νερού των πόρων .Κατά την διάρκεια του σεισμού οι συνθήκες είναι αστράγγιστες και παρατηρείται μια ανάπτυξη της υπερπίεσης του νερού των πόρων ως συνέπεια της αδυναμίας παραμόρφωσης όγκου. Ενδέχεται να λάβει χώρα μείωση της ενεργούς τάσης σ΄ = σ- u και μηδενισμός της σε ακραίες περιπτώσεις , που μπορεί να οδηγήσει σε απώλεια της διατμητικής αντοχής , σύμφωνα με το κριτήριο θραύσης Mohr-Coulomb τ = c + σ΄tanφ ( c = 0 για μη συνεκτικά εδάφη ) . Αποτέλεσμα αυτών είναι να μειώνονται ή να εξαφανίζονται οι επαφές με καταστροφικά αποτελέσματα όσον αφορά τη φέρουσα ικανότητα του εδάφους.. Δηλαδή το έδαφος συμπεριφέρεται ως ρευστό ( Ishihara 1993 ) για το μικρό χρονικό διάστημα μερικών λεπτών .

Η ρευστοποίηση μπορεί να πάρει ποικίλες μορφές από καταστροφική << εδαφική ροή >> έως μικρές ( ανεκτές ) παραμένουσες παραμορφώσεις ( Whitman 1995 , Stamatopoulos et al. 1991 ) και μεγάλες αιφνίδιες παραμορφώσεις. Η κατάσταση στην οποία το έδαφος στιγμιαία χάνει ολοκληρωτικά τη διατμητική αντοχή του ονομάζεται αρχική ρευστοποίηση, Συνοδεύεται από περιορισμένες παραμορφώσεις και συχνά στη βιβλιογραφία αναφέρεται με τον όρο << κυκλική κινητικότητα>>. Εάν η φόρτιση διαρκεί ένα μεγάλο σχετικά χρονικό διάστημα και το έδαφος δεν έχει μεγάλη διαπερατότητα , τότε η υψηλή πίεση των πόρων δεν μπορεί να εκτονωθεί, διατηρείται σε πολύ υψηλές τιμές και το έδαφος αρχίζει να παρουσιάζει μεγάλες παραμορφώσεις που προοδευτικά το οδηγούν στην πλήρη θραύση.

Ο παράγοντας χρόνος υπεισέρχεται με έμμεσο τρόπο , μέσα από τους κύκλους φόρτισης και την ταχύτητα εκτέλεσης του κάθε κύκλου .Η κυκλική διατμητική αντοχή του κάθε εδάφους εξαρτάται από τον αριθμό των κύκλων φόρτισης και φυσικά την κατακόρυφη τάση εδάφους σ΄ν και την πυκνότητα του εδαφικού υλικού. Ο αριθμός των ισοδύναμων κύκλων φόρτισης για τον οποίο παρατηρείται ρευστοποίηση εξαρτάται από το μέγεθος του σεισμού .

Το φαινόμενο της ρευστοποίησης ενός ψαθυρού υλικού για να εμφανιστεί θα πρέπει :

(α) να είναι κορεσμένο (π.χ. υψηλός υδροφόρος ορίζοντας)

(β) να βρίσκεται σε χαλαρή κατάσταση

(γ) να είναι λεπτόκοκκο με σχετικά ομοιόμορφη κοκκομετρική διαβάθμιση και να περιέχει πολύ μικρό ποσοστό αργιλικού κλάσματος

(δ) η σεισμική φόρτιση να έχει κάποια διάρκεια ώστε να προλάβει να αναπτυχθεί η πίεση του νερού των πόρων .

(ε) η διαπερατότητα να είναι τέτοια ώστε να μην υπάρχει η δυνατότητα αποτόνωσης της αναπτυσσόμενης υπερπίεσης του νερού των πόρων.

H Japan Road Association καθορίζει τις επικίνδυνες για ρευστοποίηση άμμους αυτές για τις οποίες ισχύουν:

 D60/D10 <5

και  0,04<D20<0,5 mm

 

Γενικά τέτοια εδάφη είναι οι χαλαρές και λεπτές άμμοι , οι ιλυώδεις άμμοι και οι αμμώδεις ιλύς καθώς και οι άμμοι με ποσοστά λεπτόκοκκων

Στα συνεκτικά εδάφη είναι δυνατόν να αναπτυχθεί υπερπίεση νερού των πόρων όμως εξαιτίας της συνοχής τους αποτρέπεται ο διαχωρισμός των κόκκων και επομένως η απώλεια της αντοχής του εδάφους ( Perlea , 2000) . O Perlea αναφέρει κατηγορίες συνεκτικών εδαφών με πιθανότητα ρευστοποίησης όπως αργιλώδεις ιλύς και ιλυώδης άργιλοι χαμηλής πλαστικότητας καθώς και ευαίσθητοι άργιλοι και σημειώνει ότι για να εξαχθούν ασφαλή συμπεράσματα απαιτούνται κατάλληλες εργαστηριακές δοκιμές στα εδάφη αυτά .

Σε πολύ μεγάλα βάθη από z > 20~25m όπου οι ενεργές κατακόρυφες τάσεις είναι πολύ υψηλές , αφού σ΄ν = γz θεωρούμε ότι η ρευστοποίηση είναι πρακτικά αδύνατη .

 

Τα αποτελέσματα της ρευστοποίησης είναι ιδιαίτερα καταστροφικά όπως: η μείωση της φέρουσας ικανότητας και αστοχία στη θεμελίωση έργων ( Silos Ιαπωνία 1964 ), ή καταστροφή χωμάτινων φραγμάτων ( Αλάσκα 1964 ). Σε πολλές περιπτώσεις η ρευστοποιημένη άμμος εμφανίζεται στην επιφάνεια υπό μορφή μικρών κρατήρων και το φαινόμενο είναι άμεσα εμφανές (Κεφαλονιά, Ζάκυνθος 1983 και Μυγδονία 1978 ) .Αν λάβει σημαντική έκταση είναι δυνατό να επιφέρει σημαντικές βλάβες σε κτίρια ,επιχώματα , πρανή ,αντιστηρίξεις ,οδοστρώματα ,δεξαμενές , δίκτυα ύδρευσης .Για σημαντικές κατασκευές όπως δημόσια κτίρια , γέφυρες , φράγματα , εργοστάσια πυρηνικής ενέργειας , δεξαμενές υγροποιημένου αέριου η δυνατότητα ρευστοποίησης πρέπει να αποκλείεται .

Για την πρόβλεψη του φαινομένου της ρευστοποίησης έχουν προταθεί αρκετές μέθοδοι όπως :

α) Σαν κυριότερη παρουσιάζεται η μέθοδος των Seed και Idriss (1971 ) με τις τροποποιήσεις που έχει υποστεί και γνωστή με το όνομα « απλοποιημένη μέθοδος » . Για τη μέθοδο αυτή απαιτείται η γνώση των δυναμικών χαρακτηριστικών παραμέτρων αντοχής του εδάφους που παίρνονται με τη χρήση ειδικών δυναμικών εργαστηριακών συσκευών. Οι αναπτυσσόμενες κατά τον πιθανό σεισμό διατμητικές τάσεις δίνονται

από τον παρακάτω τύπο :

 ταν = 0,65rdσν

 

όπου σν : η ολική κατακόρυφη τάση στο μελετούμενο βάθος

r : συντελεστής μείωσης των διατμητικών τάσεων που εκφράζει την επιρροή της εδαφικής ενίσχυσης .

: η μέγιστη επιτάχυνση στην επιφάνεια του εδάφους

Η διατμητική αντοχή σε ρευστοποίηση τΡ υπολογίζεται είτε απʼ ευθείας από το διορθωμένο αριθμό κτύπων CN N30 (SPT) και το μέγεθος του σεισμού Μ είτε από την παρακάτω σχέση .

 τΡ = Cr   σ΄ν

όπου σ΄ν : η ενεργός τάση του εδάφους στη θέση μελέτης

: η σχετική πυκνότητα (%)

σω : η κυκλική εκτροπική τάση σε τριαξονική κυκλική δοκιμή

Cr : συντελεστής αναγωγής των αποτελεσμάτων

της τριαξονικής δοκιμής σε αποτελέσματα απλής κυκλικής

διάτμησης .

Εάν ισχύει ταν > τΡ υπάρχει μεγάλη πιθανότητα ρευστοποίησης

 

 

β) Μια άλλη μέθοδος που προέρχεται από σειρά παρατηρήσεων και εξέταση της κοκκομετρικής διαβάθμισης των εδαφών σε περιοχές ρευστοποίησης , παρουσιάζεται με τη μορφή φάσματος καμπυλών κοκκομετρικής διαβάθμισης (σχήμα1), που είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθεί υπό την προϋπόθεση ότι συντρέχουν και άλλες προϋποθέσεις ενδεχόμενης ρευστοποίησης .

γ) Οι Iwasaki , Tokida και Tatsuoka πρότειναν μια απλοποιημένη εμπειρική μέθοδο πρόβλεψης ρευστοποίησης , που στηρίζεται στον υπολογισμό της τιμής της διατμητικής αντοχής R κυκλικής φόρτισης σε σχέση με την ενεργό τάση σ΄ , τον αριθμό Ν της SPT δοκιμής του Terzaghi και το δείκτη D50 της κοκκομετρικής διαβάθμισης ενός εδαφικού υλικού .

για 0,04 ≤ D50 ≤ 0,6 mm

 

 R = 0,082 + 0,225log 

για 0,6 ≤ D50 ≤ 1,5 mm

 R = 0,082 - 0,50

Σύμφωνα με τα παραπάνω δεν υφίσταται κίνδυνος ρευστοποίησης για R> τΡ .

 

 

*** Δυστυχώς οι τύποι δεν αντιγράφονται , τους είχα γράψει με το Mathtype.

[acnt]

Oρθότατος και περιεκτικότατος όπως πάντα!

 

Δες τα παρακάτω βίντεο και περισσότερο το 1ο να καταλάβεις τί σου έλεγα (αλλά μάλλον το ίδιο λέγαμε)

 

 

Μέσω της σεισμικής δόνησης λοιπόν, τα κενά ανάμεσα στα σωματίδια του υλικού παύουν να υφίστανται και το νερό ανεβαίνει προς την επιφάνεια. Έτσι επέρχεται α) καθίζηση του ρευστοποιήσιμου στρώματος, β) άνοδος του νερού η οποία με την σειρά της θα μειώσει την αντοχή όποιων υπερκείμενων στρωμάτων.

 

Ακόμα και αν μιλήσουμε για αργιλικά (clay) εδάφη, υπάρχει περίπτωση υγροποίησης με πιό γνωστή την περίπτωση του Champlain Sea clay

[erling]

Τα δύο τελευταία βίντεο είναι παραστατικότερα της ρευστοποίησης μιας και η ύπαρξη του νερού δεν είναι απαραίτητο στοιχείο για ρευστοποίηση.

Φαινόμενα πιδάκων άμμου, είχαν παρατηρηθεί στο σεισμό του '40 στις παραποτάμιες περιοχές της Λάρισας.

Θα ψάξω και ίσως βρω τις φωτογραφίες.

[spy1551]

Στη Λάρισα , όπως έδειξε και η μικροζωνική μελέτη , υπάρχουν πολλές ρευστοποιήσιμες περιοχές κυρίως σε περιοχές παράπλευρα του Πηνειού.Όμως υπάρχουν και άλλες περιοχές οι οποίες βρίσκονται διάσπαρτα και όχι κάπου συγκεντρωμένα.Ευτυχώς από το 40 δεν έχει κάνει μεγάλο σεισμό.Γιατί και oποιαδήποτε επιτρεπόμενη τάση και να έχεις πάρει και ks , κατά την ρευστοποίηση δεν αστοχεί το κτήριο αλλά ανατρέπεται ολόκληρο.Χαρακτηριστική περίπτωση της Niigata.

http://www.youtube.com/watch?v=7vSYsaR87OI (είναι το βιντεάκι που παρέθεσες)

Παραθέτω φωτογραφία από αστοχία κτηρίου στην Νiigata.Oυσιαστικά από τότε ενδιαφέρθηκαν οι μηχανικοί γιατί κατέρρευσαν και κτήρια που είχαν σχεδιαστεί για να αντέξουν το σεισμό.

http://earthquake.usgs.gov/earthquakes/world/events/1964_06_16.php