Механизмът на втечняване
Втечняването (liquefaction) е феномен, при който наситена рохкава или средно плътна пясъчна почва, подложена на циклично срязващо натоварване (от земетресение), губи якост и твърдост и се държи като течност. Механизмът е следният: сеизмичните вълни предизвикват циклични деформации в почвата. При рохкави пясъци циклите на срязване тенденват да уплътнят почвата (компресия). Но тъй като почвата е наситена с вода, уплътняването не може да стане мигновено – водата не изтича достатъчно бързо. Вместо това пороводното налягане нараства. При достигане на критична стойност ефективното напрежение (а с него и якостта) пада до нула – почвата „втечнява".
Образно казано: при нормални условия пясъчните зърна стоят едно върху друго, предавайки натоварванията. При втечняване „плуват" в интерстициалната вода – контактите между зърната са изгубени и масата е практически без якост.
Условия за втечняване
За да настъпи втечняване, трябва едновременно да са налице:
- Уязвима почва – рохкав до средно плътен пясък (N60 по SPT под 15–25), праховит пясък или пясъчен сил (ситен пясък). Глините и чакълите обикновено не втечняват.
- Насищане – почвата трябва да е наситена с вода. Под нивото на подпочвените води.
- Достатъчно силно и продължително земетресение – пиковото хоризонтално ускорение трябва да е достатъчно за генериране на критични цикли на натоварване.
Последствия от втечняването
Последствията от втечняването могат да са катастрофални:
- Потъване и наклон на сгради – при загуба на носимост на основата. Ниигата (Niigata) 1964 г. – сгради потопиха до първи етаж, наклонени при 80°.
- Издигане на подземни конструкции – при загуба на страничен отпор шахти, резервоари и тунели могат да „изплуват".
- Пясъчни фонтани (Sand boils) – вода с пясък изригва на повърхността.
- Латерално разпростиране (Lateral spreading) – течащите почвени маси движат хоризонтално, деформирайки пътища, мостове и комунални мрежи.
- Потоци от втечнена почва (Flow failures) – при откоси и брегове на реки, натечени маси от втечнена почва се придвижват на голямо разстояние.
Оценка на риска от втечняване
Стандартният метод за оценка е SimplifiedProcedure на Seed & Idriss (1971), актуализиран от Youd et al. (2001) и Idriss & Boulanger (2008). Методът сравнява:
- CSR (Cyclic Stress Ratio) – предизвиканото циклично напрежение от земетресението
- CRR (Cyclic Resistance Ratio) – капацитетът на почвата да устои на втечняване
При FS = CRR/CSR < 1 – втечняване. При FS ≥ 1 – без втечняване. CRR се определя от SPT N-число, CPT qc или Vs (вълнова скорост) чрез установени корелации. Еврокод 8 Annex B дефинира опростена процедура за оценка.
Мерки срещу втечняване
Уплътняване на почвата
Виброфлотацията, динамичното уплътняване (heavy tamping) и виброизместването (vibro-replacement/stone columns) уплътняват рохкавата пясъчна почва, увеличавайки SPT N-числото и CRR над критичните стойности. Каменните колони при виброизместване изпълняват двойна функция: уплътняват почвата между колоните и осигуряват бързо дрениране при сеизмично натоварване.
Подобряване на дренажа
Дренажните системи (чакълни дренажи, PVD) позволяват бързо дисипиране на генерираното пороводно налягане по времена земетресението – предотвратявайки достигането на критично ниво. Ефективни при умерени сеизмични въздействия.
Дълбоко фундиране
Пилотите, преминаващи през потенциалните за втечняване зони, предотвратяват потъването, но не и страничното разпростиране. При оразмеряване трябва да се отчете загубата на странична опора в зоните на втечняване (задължително по Еврокод 8).
Химическа стабилизация
Jet grouting или химическо инжектиране създава циментирани зони, значително увеличаващи якостта и намаляващи пропускливостта – предотвратявайки нарастването на пороводното налягане.
Картиране на риска от втечняване в България
В България зоните с риск от втечняване са свързани предимно с алувиалните пясъчни насипи край реките – Дунав, Марица, Искър и техните притоци. Северобългарската равнина, особено около Свищов, Плевен и Никопол (в зоната на влияние на Вранчанските земетресения), е в умерен до висок риск. Рискови зони в Южна България са около Пловдив (Тракийска низина) при хипотетично силно земетресение. Геотехническото проучване при строителство в тези зони трябва задължително да включва оценка на риска от втечняване.