Lichefierea este un fenomen care apare într-un sol saturat necoeziv (nisip, pietriș, nămol non-plastic), după o secvență seismică. Acestea din urmă favorizează o reducere a rezistenței la forfecare a solului datorită creșterii și acumulării de presiuni interstițiale.
Acest fenomen are ca rezultat final, deformări permanente semnificative sau chiar anularea forțelor efective din sol (Eurocodul 8-Partea 5).
Cazurile istorice
La nivel mondial există dovezi ale fenomenelor macroscopice de lichefiere (Fig. 1A, 1B, 1C, 1D):
Figura 1 – A) Scufundarea clădirilor din orașul Niigata (Japonia, 1964); B) Efectele lichefierii solului în marele cutremur care a lovit Alaska în 1964; C) Prăbușirea podului Showa în timpul cutremurului din Niigata (Japonia, 1964); Afundarea carosabilului datorită expansiunii laterale a solului (Alaska, 1964)
Cum are loc lichefierea
Se consideră solul ca un set de particule (sau granule) (Figura 2a) care, sub greutatea terenului superior, generează forțe de contact între particulele în sine (Figura 2b): în astfel de condiții, aceste forțe asigură stabilitate și rezistență terenului.
În momentul cutremurului, depozitele potențial lichefiate, fiind supuse vibrațiilor, tind să se îngroașe, dar fără a avea timpul necesar pentru a scurge sau expulza apa interstițială. Aceasta din urmă, rămasă prinsă, produce efectul unei presiuni interstițiale crescute (figura 2c). Atunci când presiunea apei este egală cu presiunea geologică, presiunile efective transmise prin particulele solide devin zero, rezultând pierderea contactului între ele, făcând astfel ca depunerea să se comporte ca un lichid.
Figura 2 – Mecanismul de lichefiere
Lichefierea în termeni generali
Luând în considerare relația (1) a criteriului Mohr-Coulomb;
Dove:
τn = Tensiunea tangențială;
σn = Tensiunea normală totală;
u = Presiunea interstițială;
φ’ = Aunghiul de frecare;
c = Coeziunea.
Lichefierea apare atunci când tensiunea tangențială τn tinde la zero. Din relația (1) se remarcă faptul că coeziunea c, unghiul de frecare φ și tensiunea totală σn, în creștere, fac mai puțin probabil ca fenomenul de lichefiere să apară. În schimb, presiunile interstițiale u, pe măsură ce cresc, cresc probabilitatea (și pericolul) de apariție a lichefierii.
Alte caracteristici care influențează fenomenul, sunt densitatea relativă Dr și granulometria solului. Un teren inconsistent cu o densitate relativă scăzută, toți ceilalți factori fiind egali, este mai susceptibil la lichefiere.
Clasificarea conform Robertson și Fear (1996)
Cei doi autori au deosebit două tipuri de fenomene de lichefiere:
- Liquefierede tip flux sau fluidificare (Flow liquefaction): are loc în soluri cu înclinații mai mari de 3 grade. Forțele de forfecare statice, fiind mai mari decât rezistența reziduală a solului, declanșează mișcări rapide ale solului lichefiat în cantități mari. Daunele aduse clădirilor sunt devastatoare;
- Dedurizarea ciclică (Cyclic softening), spre deosebire de tipul anterior, deformările se opresc atunci când forțele de forfecare externe aplicate nu sunt prezente. Deformările sunt la rândul lor împărțite în două cazuri:
- Lichefierea ciclică (Cyclic Liquefaction): Un fenomen care apare în cazul în care cota zero a terenului este orizontală și nu se aplică sarcini. Un fenomen care apare în cazul în care cota zero a terenului este orizontală și nu se aplică sarcini.
- Mobilitate ciclică (Cyclic mobility):Fenomen caracterizat prin deformări permanente limitate, adesea de-a lungul versnților abrupți, cu consecințe tasări post-seismice și diferențiale consecutive, alunecări de teren mici și lateral spreading.
Ce factori fac ca solurile să fie susceptibile la lichefiere
Principalii factori sunt:
- Granulometria;
- Presiunea litostatică;
- Gradul de îndesare;
- Conținutul important de fracțiuni fine;
- Deformare volumetrică.
Metode simplificate pentru evaluarea rezistenței la lichefiere CRR
Metodele simplificate se bazează pe relația dintre tensiunile de forfecare care produc lichefiere și cele induse de cutremur, astfel încât acestea trebuie să evalueze parametrii legați atât de evenimentul seismic, cât și de depozit.
Rezistența la lichefiere a depozitelor este evaluată în funcție de factorul de rezistență la lichefiere (FS):
(1)
Unde CRR (Cyclic Resistance Ratio) indică rezistența solului la forfecări ciclice și CSR (Cyclic Stress Ratio) tensiunea maximă de forfecare indusă de cutremur.
Figura 4 – Schema conceptuală a metodelor simplificate
După cum se poate vedea din diagrama din Figura 4, lichefierea are loc atunci când parametrul CSR este mai mare decât CRR, fiind numitorul în relația (1), acesta produce un Fs <1. Analizând adâncimea Z, se poate observa, de asemenea, că se va atinge un „vârf de lichefiere” atunci când diferența dintre valorile CSR și CRR este maximă (cu CSR> CRR), iar apoi scade odată cu creșterea adâncimii.
În evaluarea parametrului CRR (rezistența la lichefiere), în metodele simplificate, cel mai utilizat parametru este numărul de lovituri în testul SPT chiar dacă astăzi, odată cu progresul cunoștințelor, se preferă evaluarea potențialului de lichefiere utilizând teste statice (CPT) sau teste de măsurare a undelor de forfecare Vs.
În schimb, printre metodele de calcul al potențialului de lichefiere a CSR:
- Metoda Seed și Idriss (1982);
- Metoda Iwasaki et al. (1978; 1984);
- Metoda Tokimatsu și Yoshimi (1983);
- Metoda Finn (1985);
- Metoda Cortè (1985);
- Metoda Robertson și Wride modificato (1997);
- Metoda Andrus și Stokoe (1998);
- Metode bazate pe Eurocod 8 (ENV 1998-5);
- Metoda Idriss & Boulanger (2008)
În articolul nostru anterior „Liquefaction with Liquiter” vsunt analizate procedurile simplificate pentru evaluarea rezistenței la lichefierea solului (CRR), care sunt inserate în software-ul Geostru Liquiter.
Liquiter este un software pentru analiza lichefierii solurilor în condiții seismice. Datele de intrare necesare pot fi obținute din diferite teste ale terenului.
Pe scurt, rezultatele oferite de program sunt:
- Factorul de siguranță a lichefierii / indicele potențialului de lichefiere.
- Mobilitatea ciclică pentru argile.
- Lichefierea nisipurilor și argilelor.
- CSR, CSR variabilă cu adâncimea (SHAKE).
- Reconsolidare, Lateral Spreading.
- Forța reziduală.
Intervenții pentru reducerea potențialului de lichefiere
Măsurile de combatere a fenomenului de lichefiere, pe un teren de suprafață liber, constau în:
- Îmbunătățirea compactării terenului cu metode dinamice:
- Vibrocompactare;
- Heavy Tamping;
- Utilizarea explozivilor.
Figura 5 – Intervenția compactării dinamice (Heavy Tamping)
- Reducerea pânzei freatice pentru a crește presiunile reale;
- Efectuarea injecțiilor pe bază de ciment sau de rășini sintetice pentru a îmbunătăți legăturile intergranulare;
- Creșterea permeabilității interstițiale prin instalarea drenurilor (metode statice):
- Drenuri verticale, în pietriș etc
- Drenuri verticale, în pietriș etc
Figura 6 – Metoda de instalare a drenurilor
