Разжижение грунтов

Разжижение грунтов — это физический процесс, при котором водонасыщенный рыхлый грунт (обычно песок или пылеватый песок) под воздействием динамических нагрузок (например, землетрясения, взрыва, вибрации от транспорта или строительных работ) теряет свою несущую способность и переходит из твёрдого состояния в состояние, подобное вязкой жидкости. Это явление относится к категории тиксотропных превращений и является одной из основных причин разрушения зданий, сооружений и инфраструктуры при сейсмических событиях.

Механизм процесса

Разжижение происходит в рыхлых водонасыщенных грунтах, где поровое пространство между частицами полностью заполнено водой. В обычном состоянии частицы грунта контактируют друг с другом, образуя жёсткий скелет, который передаёт нагрузку. При резком динамическом воздействии (например, при сейсмических волнах) скелет грунта начинает деформироваться, стремясь к уплотнению. Однако из-за высокой скорости нагружения вода, находящаяся в порах, не успевает отжаться, и давление в поровой воде резко возрастает. Когда это давление превышает силу сцепления между частицами, контакты между ними разрушаются, и грунт теряет прочность. В результате масса ведёт себя как жидкость: она может течь, выплескиваться на поверхность, а объекты на её поверхности (здания, дороги, фундаменты) погружаются, опрокидываются или всплывают.

Условия возникновения

Для возникновения разжижения необходимо одновременное выполнение нескольких условий:

• Водонасыщенность: грунт должен быть полностью насыщен водой (обычно ниже уровня грунтовых вод).
• Рыхлая структура: частицы грунта должны быть слабо уплотнены, с высокой пористостью. Наиболее подвержены разжижению мелкие и пылеватые пески, а также некоторые виды пылеватых супесей.
• Динамическая нагрузка: требуется достаточно интенсивное и продолжительное воздействие (например, землетрясение магнитудой 5,5 и выше, взрывные работы, вибрация от тяжелой техники или забивки свай).
• Дренажные условия: грунт должен быть плохо дренируемым, чтобы вода не успевала отводиться из пор.

Классификация

Разжижение грунтов подразделяется на несколько типов в зависимости от характера проявления и последствий.

По механизму проявления

• Первичное разжижение — возникает непосредственно в момент динамического воздействия в рыхлых водонасыщенных песках. Является наиболее распространённым и опасным типом.
• Вторичное разжижение — развивается после первичного, когда в уже разжиженном грунте возникают дополнительные деформации или перераспределение напряжений, приводящие к повторной потере прочности.
• Циклическое размягчение — характерно для более плотных или глинистых грунтов, которые при многократном циклическом нагружении (например, при серии землетрясений) постепенно теряют прочность, но не переходят в полностью жидкое состояние.

По последствиям для сооружений

• Потоковое разжижение — грунт течёт по склону, вызывая оползни и смещения массивов. Характерно для подводных склонов и береговых откосов.
• Разжижение с выбросом — сопровождается выбросом воды и песка на поверхность через трещины (так называемые «песчаные вулканы» или «грифоны»).
• Разжижение с потерей несущей способности — грунт под фундаментом перестаёт держать нагрузку, здания проседают, наклоняются или разрушаются.

Исторические примеры и крупные катастрофы

Разжижение грунтов неоднократно становилось причиной масштабных разрушений при землетрясениях.

• Землетрясение в Ниигате (Япония, 1964) — одно из самых известных событий, где разжижение привело к массовому опрокидыванию и погружению многоэтажных жилых домов. В некоторых районах города грунт превратился в «жижу», и здания наклонились на 30–60 градусов, но многие из них не разрушились конструктивно.
• Землетрясение в Лома-Приета (США, 1989) — разжижение вызвало разрушение десятков зданий в районе залива Сан-Франциско, повреждение мостов и дорог. Наиболее пострадал район Марина, где дома, построенные на искусственно насыпанном грунте, погрузились в землю.
• Землетрясение в Кобе (Япония, 1995) — разжижение привело к разрушению портовых сооружений, дамб и подпорных стен. В порту Кобе набережные сместились на несколько метров в сторону моря.
• Землетрясение в Чили (2010) — разжижение вызвало массовые оползни и разрушение дорог, а также повреждение зданий в городах Консепсьон и Сантьяго.
• Землетрясение в Турции и Сирии (2023) — в эпицентральных зонах наблюдались многочисленные случаи разжижения, особенно в долинах рек и на побережье, что привело к просадке и опрокидыванию зданий, а также к разрушению дорожного полотна.

Влияние на инфраструктуру

Разжижение грунтов оказывает катастрофическое воздействие на различные типы сооружений:

• Фундаменты зданий: потеря несущей способности приводит к неравномерной осадке, наклону, опрокидыванию или полному разрушению. Особенно уязвимы здания с мелкозаглубленными фундаментами.
• Подземные коммуникации: трубопроводы, кабели и коллекторы могут всплывать, разрываться или деформироваться из-за смещения грунта.
• Дороги и мосты: дорожное полотно проседает, образуются провалы и трещины. Мостовые опоры могут смещаться, а пролёты — обрушаться.
• Плотины и дамбы: разжижение основания или тела плотины может привести к её разрушению и катастрофическому наводнению.
• Портовые сооружения: набережные, причалы и пирсы часто разрушаются из-за смещения и разжижения грунта под ними.

Методы прогнозирования и оценки

Прогнозирование разжижения является важной задачей инженерной геологии и сейсмостойкого строительства. Основные методы включают:

• Полевые испытания: стандартный пенетрационный тест (SPT), статическое зондирование (CPT), сейсмические методы (измерение скорости поперечных волн). По результатам испытаний рассчитываются индексы разжижения (например, фактор безопасности против разжижения).
• Лабораторные испытания: циклические трёхосные испытания, испытания на простой сдвиг, циклические сдвиговые испытания. Позволяют определить поведение грунта при циклических нагрузках.
• Численное моделирование: с использованием программных комплексов (FLAC, PLAXIS, OpenSees) моделируется динамическое поведение грунтового массива и оценивается вероятность разжижения.
• Карты сейсмического микрорайонирования: на основе геологических и гидрогеологических данных выделяются зоны, наиболее подверженные разжижению.

Меры предотвращения и защиты

Для снижения риска разжижения применяются следующие инженерные решения:

• Уплотнение грунта: вибрационное уплотнение, трамбование, динамическое уплотнение (сброс тяжёлых грузов) — повышают плотность и снижают пористость.
• Замена грунта: удаление рыхлых водонасыщенных песков и замена их на более плотные или дренирующие материалы (щебень, гравий).
• Дренаж: устройство вертикальных дрен (песчаных свай, геокомпозитных дрен) для отвода поровой воды и снижения избыточного давления.
• Цементация и инъекции: закачка цементных растворов, силикатизация или смолизация для укрепления грунта.
• Свайные фундаменты: передача нагрузки на глубокие плотные слои, не подверженные разжижению.
• Геосинтетические материалы: армирование грунтов георешётками и геотекстилем для повышения их устойчивости.

Интересные факты

• Явление разжижения грунтов было впервые научно описано и исследовано после землетрясения 1964 года в Ниигате (Япония) и 1964 года на Аляске (США). Именно эти события стали катализатором развития инженерной сейсмологии.
• В бытовом понимании разжижение можно наблюдать на пляже: если быстро и сильно ударить ногой по мокрому песку у кромки воды, песок вокруг ноги становится жидким, а нога погружается в него — это классический пример локального разжижения.
• Разжижение может происходить не только при землетрясениях, но и при взрывных работах, при движении тяжёлой техники (например, танков по болотистой местности), а также при забивке свай.
• В некоторых случаях разжижение может быть полезным — например, при вибрационном погружении свай или при уплотнении грунта с помощью вибрации.

Источники

• Kramer, S. L. (1996). Geotechnical Earthquake Engineering. Prentice Hall.
• Youd, T. L., & Perkins, D. M. (1978). Mapping of Liquefaction-Induced Ground Failure Potential. Journal of the Geotechnical Engineering Division, ASCE.
• Seed, H. B., & Idriss, I. M. (1971). Simplified Procedure for Evaluating Soil Liquefaction Potential. Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division, ASCE.
• ГОСТ Р 56353-2015 «Грунты. Методы лабораторного определения динамических свойств».
• СП 14.13330.2018 «Строительство в сейсмических районах. Актуализированная редакция СНиП II-7-81*».