Остров Сокровищ, Калифорния. Исследователи из Университета Бригама Янга и Калифорнийского университета в Сан-Диего недавно устроили собственное мини-землетрясение посреди залива Сан-Франциско, чтобы проверить, что именно происходит со зданиями, домами и мосты, когда почва под ними превращается в зыбучие пески.
Инженеры взорвали взрывчатку, закопанную на глубине 12 футов в песчаную почву острова, чтобы смоделировать геологическое явление, называемое разжижением, которое происходит, когда землетрясение вызывает повышение давления воды, превращая когда-то стабильную почву в чан с грязью. часть его прежней силы. Это произошло во время землетрясений в Японии и Калифорнии - например, землетрясение 1989 года, прервавшее Мировую серию.
Области с рыхлой, насыщенной водой, песчаной почвой, особенно вблизи водотоков, подвержены риску разжижения во время землетрясения. Департамент транспорта шести штатов и Федеральная администрация автомобильных дорог профинансировали проект BYU/UCSD в надежде, что результаты эксперимента позволят разработать правила безопасности для мостов и зданий в таких районах.
«До сих пор инженерам приходилось полагаться на 30-дюймовые модели и обоснованные догадки, когда они пытались построить сейсмостойкие конструкции из разжижаемого грунта», - говорит Кайл Роллинз, профессор гражданского строительства УБЯ и содиректор исследователь проекта. «Этот тест предоставил дизайнерам первые в мире достоверные данные такого типа, на которых они могли основывать свои планы».
Роллинз вместе со Скоттом Эшфордом, доцентом геотехнической инженерии Калифорнийского университета в Сан-Франциско, провели сложный эксперимент, который готовился два года. Шестнадцать 1-фунтовых зарядов взрывчатого вещества были закопаны вокруг девяти стальных столбов, подобных тем, которые использовались для закрепления мостов и фундаментов зданий, которые были погружены в землю на 42 фута. С помощью контрольного оборудования и датчиков исследователи надеялись задокументировать, как колонны будут реагировать на внезапный скачок давления воды, вызванный взрывами.
«Чтобы получить необходимую нам информацию, мы могли либо установить все датчики и дождаться землетрясения, либо использовать взрывчатку, чтобы «создать» землетрясение», - говорит Роллинз. «Таким образом, у нас было все волнение и образовательная ценность землетрясения без каких-либо смертей или разрушений».
Это волнение включало вздымание земли и внезапное появление "песочных бурь" - небольших гейзеров высотой менее фута, которые оставляли после себя вулканоподобные груды песка - что указывало на то, что разжижение было успешно достигнуто.
После того, как в результате взрыва образовался кипящий песок, а земля оседала, инженеры столпились вокруг экранов компьютеров в своей портативной лаборатории, сделанной из трейлера. Они наблюдали, как гидравлический домкрат давит на столбы с силой до 300 000 фунтов, имитируя движение здания из стороны в сторону во время землетрясения. Все это время сотни датчиков на столбах и в песке сообщали о результатах.
Инженеры обычно предполагали, что разжиженный грунт практически не имеет прочности, объясняет Роллинз. Но первоначальные результаты этого эксперимента показывают, что после смещения столбов на 6-9 дюймов может развиться значительное сопротивление. Это означает, что инженеры должны строить мосты и фундаменты, которые могут скользить из стороны в сторону, не разрушаясь.
В дополнение к измерению сил, вызванных разжижением, исследователи также проверили способы смягчения последствий проблемы. Пластиковые дренажные трубы, забитые в землю, помогли снизить давление воды после одного взрыва. В другом испытании толстые каменные колонны, встроенные рядом с колоннами, смогли достаточно уплотнить почву, чтобы предотвратить ее разжижение. Во время других тестов инженеры поняли, что может быть более нестандартное решение.
«Мы обнаружили, что почва на наших тестовых участках оседала где-то на 4-12 дюймов после каждого взрыва, что делало ее менее восприимчивой к разжижению», - сказал Роллинз. «Возможно, взорвать почву перед застройкой может быть хорошим профилактическим методом».
Дон Чедборн из Департамента транспорта штата Вашингтон объяснил ценность эксперимента строителям дорог и мостов. «Когда вы живете в зоне с высокой сейсмической активностью, вероятность землетрясений во многом определяет ваш проект», - сказал он. «До сих пор все, на что нам приходилось полагаться, - это лабораторные тесты, а с почвами всегда удивляешься, насколько они точны».
Министерство транспорта штата Юта на некоторых испытаниях представлял инженер Крис Петерсон. «Мы заинтересованы в том, как мы можем применить эти результаты к будущим дорогам», - сказал он, прежде чем надеть желтые непромокаемые штаны и резиновые сапоги до колен, чтобы присоединиться к запутавшимся в грязи университетским исследователям в установке тяжелого оборудования, необходимого для эксперимента.
Профессора и аспиранты, входившие в состав исследовательской группы, могли сойти за строителей, поскольку они использовали вилочный погрузчик, чтобы установить гидравлический домкрат на место, и экскаваторную лопату, чтобы раскопать участки своего испытательного полигона размером с теннисный корт., часть поляны между дорогой и рядом небольших зданий на закрытой базе ВМФ.
Исследователи выбрали Остров Сокровищ, расположенный между Сан-Франциско и Оклендом, потому что он имеет разжижаемую почву и в настоящее время не используется с момента закрытия базы.
После завершения полевых экспериментов Эшфорд и Роллинз вернулись в свои университеты для анализа данных. Датчики измеряли движение столбов и давление воды каждую 10-ю долю секунды, поэтому у исследователей осталось четыре 100-мегабайтных Zip-диска, полных данных для изучения.
Они будут использовать эту информацию для разработки стандартов проектирования, которые инженеры смогут использовать для безопасного строительства сейсмостойких фундаментов в разжижаемом грунте. Аналогичные параметры конструкции для строительства из глины и обычного песка были введены в инженерный мир два десятилетия назад.
Роллинзу и Эшфорду всего несколько месяцев, и Роллинзу и Эшфорду уже было предложено представить свои результаты на Международной конференции по геотехническим сейсморазведкам и динамике грунтов, которая проводится каждые четыре года в 2001 году. Они также опубликуют свои результаты. конкретные результаты в инженерных журналах в ближайшие месяцы.