Приложение 5. Обоснование основных рекомендаций

Приложение 5

Обоснование основных рекомендаций

Детальное изучение сейсмичности проводится применительно к участкам строительства крупных сооружений. Такие работы получили название уточнение исходной сейсмичности (УИС). По своим методам работы по УИС близки к работам по ДСР (детальное сейсмическое районирование). Однако объем работ по УИС и соответственно сроки их выполнения значительно меньше, чем работ по ДСР региона. Заказчиком таких работ обычно выступает будущий владелец объекта в лице государственной организации, акционерного общества и т.п. или проектная организация.

Работы по УИС осуществляются с привлечением разработчиков карт общего сейсмического районирования. Материалы, полученные в результате выполнения этих работ, должны содержать информацию о максимально возможной силе землетрясений в пункте строительства, а также о средних интервалах времени между землетрясениями разной силы (сейсмическом режиме) на прилегающей к объекту территории. Выполнение работ по УИС позволяет использовать при проектировании сооружения новые данные по сейсмотектонике и сейсмичности района строительства, не отраженные на картах ОСР-97 или неизвестные при их составлении.

В инженерном плане сущность методики УИС, применяемой в транспортном строительстве, заключается в преобразовании информации об ожидаемом сейсмическом воздействии в баллах шкалы MSK-64 к естественной форме (к параметрам колебаний грунта в единицах одной из систем измерения физических величин) с введением к последним корректирующих множителей, детально учитывающих сейсмотектоническую обстановку в районе строительства и сейсмический режим на прилегающей к стройплощадке территории [18]. Рассмотрим основные положения методики по определению поправки на сейсмический режим.

В России районы сейсмичностью 7 баллов и более принадлежат как к внутренним, так и к окраинным частям Евро-Азиатского материка. Районы имеют сложно очерченные границы. В целом они вытянуты вдоль планетарных и региональных литосферных структур, выраженных на земной поверхности в виде рифтовых долин (Байкальский рифт), островных дуг (Курилы) и горных хребтов. Например, на Северном Кавказе 9-балльные районы протянулись вдоль главного Кавказского хребта на 1000 км от Керченского пролива на западе до Махачкалы на востоке. В районе Анапы их ширина составляет около 40 км, увеличиваясь до 160 км на территории Дагестана.

При значительных размерах и принципиальном различии тектонической обстановки в сейсмически опасных районах (например, на Кавказе, в Прибайкалье и на Камчатке) естественно ожидать, что поток сейсмических событий в разных пунктах будет иметь различные статистические характеристики. Это положение подтверждается сейсмологическими расчетами, выполненными специалистами, принимавшими участие в работах по научному сопровождению изысканий, проектирования и строительства крупных транспортных объектов на Северном Кавказе, в Восточной Сибири и на Дальнем Востоке (табл.).

Таблица

Средний интервал времени между землетрясениями в некоторых пунктах Северного Кавказа, Восточной Сибири и Дальнего Востока

Название региона	Название пункта	Сила землетрясения по карте ОСР-97-В, баллы	Средний интервал времени между толчками Т, лет
Северный Кавказ	Горячий Ключ	8	500
	Мацеста	9	3500
	Головинка	9	3500
	Рокский перевал	9	1000
	Владикавказ	9	2000
Восточная Сибирь	Улан-Удэ	8	650
	Новоселенгинск	8	880
	Кяхта	8	930
	Иркутск	9	2940
Восточная Сибирь	Чара	9	725
	Чина	9	685
	50 км к югу от Чины	9	2500
Дальний Восток	Пролив Невельского	9	2500

Данные таблицы показывают, что расчетные значения среднего интервала времени между землетрясениями, как правило, отличаются от нормативной величины 1000 лет, регламентированной для проектирования сооружений повышенной ответственности. Причем в одних пунктах (Чара, Чина, Горячий Ключ и др.) расчетная частота сейсмических событий оказывается больше, а в других пунктах (Мацеста, Иркутск, Владикавказ и др.) - существенно меньше нормативной. Таким образом, вариации сейсмического режима по площади сейсмических районов не позволяют обеспечить одинаковую сейсмостойкость объектов одного класса ответственности без специальных исследований этого фактора и учета его при проектировании сооружений.

Для приведения параметров расчетного сейсмического воздействия к предписанной нормами частоте расчетных событий при проектировании транспортных сооружений применяется разработанная авторами процедура.

На первом этапе работы с привлечением сейсмологов расчетным путем определяют средние промежутки времени между сейсмическими сотрясениями разной силы применительно к относительно ровным участкам местности, сложенным грунтами со средними сейсмическими свойствами. Затем по найденным парам чисел (), с использованием известных приемов обработки экспериментальных данных, находят коэффициенты корреляционного уравнения логарифмического типа . Полученная таким образом зависимость позволяет найти уточненную силу землетрясения I, соответствующую заданному промежутку времени Т=1000 лет между толчками расчетной силы или вероятности 95% непревышения расчетного сейсмического воздействия за 50 лет эксплуатации сооружения. В общем случае уточненная сила землетрясения отличается от сейсмичности района по карте ОСР-97-В на положительную или отрицательную величину .

Рассмотрим уточнение сейсмичности на примере створа предполагаемого транспортного перехода через пролив Невельского. Согласно расчетам промежутки времени между землетрясениями силой 7, 8 и 9 баллов по шкале MSK-64 составляют лет, лет и лет.

Соотношение между десятичным логарифмом промежутка времени Т и силой толчка в баллах l можно приближенно представить в виде показанной на графике корреляционной зависимости . Подставляя в найденное уравнение сейсмического режима значение интервала времени 1000 лет, находим уточненную сейсмичность створа транспортного перехода балла. Уточненная сейсмичность относится к участкам, сложенным средними по сейсмическим свойствам грунтами.

Далее определяем поправку на сейсмический режим в виде множителя к параметрам колебаний грунта при толчке силой 9 баллов. При этом будем считать, что при сейсмическом воздействии силой 9 баллов ускорение колебаний среднего по сейсмическим свойствам грунта вблизи створа достигает 0,4g, где g - ускорение силы тяжести.

Коэффициент равен отношению ускорений колебаний грунта при толчке силой 8,6 балла и при толчке силой 9 баллов, указанной на карте ОСР-97-В как сейсмичность района транспортного перехода.

Как известно, нормативные величины ускорения горизонтальных колебаний грунта образуют возрастающую геометрическую прогрессию со знаменателем 2. Таким образом, искомый коэффициент вычисляется по формуле

,

где балла - изменение балльности за счет использования расчетных данных о сейсмическом режиме места перехода.

По формуле находим величину коэффициента к ускорению 0,4g, которая с округлением до первой значащей цифры равна 0,8. Следовательно, поправка на сейсмический режим позволяет в данном случае уменьшить расчетное ускорение грунта на 20%. В таком же размере уменьшаются другие параметры колебаний грунта (скорость и перемещение).

Применение изложенной процедуры УИС позволяет рассчитывать сооружения одного класса ответственности с одинаковой обеспеченностью по отношению к сейсмическому воздействию. Это позволяет в одних случаях существенно уменьшить стоимость антисейсмических мероприятий, в других - повысить сейсмостойкость строящихся (реконструируемых) сооружений до требуемого уровня и избежать тяжелых социально-экономических потерь от предстоящих землетрясений.

При выполнении работ по сейсмическому микрорайонированию участков строительства транспортных сооружений в части учета местных инженерно-геологических условий наиболее широко применяется метод сейсмических (акустических) жесткостей, принципиальные основы которого разработаны С.В. Медведевым [13, 14].

Метод основан на эмпирически установленном факте влияния сейсмической жесткости грунтов на интенсивность их колебаний при землетрясениях и на степень повреждения зданий. С.В. Медведев принимал, что за счет различия сейсмической жесткости наиболее прочных невыветрелых скальных пород и самых слабых насыпных грунтов, расположенных выше УГВ, приращение силы землетрясения составляет 3 балла по шкале MSK-64.

Согласно упомянутой предпосылке приращение балльности на исследуемой площадке, сложенной грунтом естественной влажности, по отношению к наиболее прочному скальному (эталонному) грунту определяется по формуле

,

где - приращение силы сейсмического воздействия, баллы шкалы MSK-64, на исследуемой площадке по отношению к наиболее безопасному в сейсмическом отношении участку за счет различия сейсмической жесткости грунтов;

и - скорости продольных сейсмических волн, км/с, в граните и в исследуемом грунте;

и - плотности гранита и исследуемого грунта, .

В дальнейшем методика СМР по способу сейсмических жесткостей была существенно дополнена на основании данных многих теоретических и экспериментальных исследований. В частности, Н.Д. Красников [12] предложил для оценки сейсмичности строительных площадок дополнительно использовать скорости поперечных волн.

Для оценки влияния уровня воды в грунте на интенсивность колебаний песчаных, супесчаных, суглинистых и крупнообломочных отложений С.В. Медведев дал формулу приращения балльности, основанную на данных о повреждениях зданий при сильных землетрясениях. Согласно этой оценке при м изменением сейсмичности площадки можно пренебречь, при м сейсмичность площадки повышается на 0,5 балла, при м увеличение сейсмичности приближается к 1 баллу.

Исследованиями влияния воды в грунте на интенсивность сейсмических колебаний занимались многие специалисты. Еще в 1896 г. И.К. Ивановский в докладе [10] о повреждениях на бывшей Закаспийской железной дороге, причиненных Красноводским землетрясением, обращал внимание на повышенную опасность низин староречья Аму-Дарьи. Им же высказывалась совершенно правильная мысль о том, что причина повреждений железнодорожного пути на низменных участках заключалась в слабости водонасыщенных грунтов.

Ш.Г. Напетваридзе [15], используя метод многократно отраженных волн, рассмотрел горизонтальные колебания грунтовой толщи, состоящей из слоя галечника мощностью 5 м и вышележащего слоя суглинка или песка мощностью от 5 до 20 м. Расчетное сейсмическое воздействие принято в виде акселерограммы землетрясения в Эль-Центро. В результате расчета выяснилось, что вода в грунте практически не влияет на интенсивность землетрясения (на ускорения колебаний поверхности грунта), за исключением песчаных и глинистых слоев малой мощности, когда возможно приращение интенсивности, выражаемое в долях балла. Вместе с тем им было отмечено увеличение преобладающего периода сейсмических колебаний (примерно вдвое для суглинка и на 20% для песка), а также амплитуд сейсмических перемещений частиц грунта. Это явление автор объяснил увеличением массы слоя и уменьшением его сдвиговой жесткости при насыщении грунта водой. В итоге Ш.Г. Напетваридзе пришел к выводу о необходимости исключения из норм требования о повышении сейсмичности площадок при высоком уровне воды в грунте. Предлагалось также внести исправления в график нормативной кривой коэффициента динамичности.

Д.Д. Баркан, Ю.Г. Трофименков и М.Н. Голубцова [7] выполнили экспериментальное исследование влияния уровня воды в грунте на величину амплитуды колебаний на его поверхности. Волны в грунте возбуждались вибратором, совершавшим вертикальные колебания. Искусственное изменение уровня воды производилось на площадке, имевшей в плане размеры м. Колебания измерялись при понижении уровня воды с 0,9 до 3,5 м через каждые 0,5 - 0,7 м. Опыт не выявил изменения амплитуды колебаний на поверхности грунта.

После землетрясения 1971 г. в Калифорнии, вызвавшего значительные разрушения автодорожных мостов, американские инженеры [21] провели специальные работы с целью уточнения нормативных требований к проектированию мостов. Влияние инженерно-геологических условий, характерных для строительства в Калифорнии, на интенсивность сейсмических воздействий исследовалось по программе расчета колебаний многослойной грунтовой толщи. В результате расчета большого числа вариантов, отличавшихся мощностью и составом грунтовой толщи (рассматривались плотные и средней плотности пески различного гранулометрического состава), было установлено, что в основном интенсивность сейсмического воздействия определяется полной мощностью покровных отложений и величиной максимального ускорения скального основания. Влиянием воды в грунте на интенсивность колебаний его поверхности можно пренебречь.

Принимая во внимание изложенные результаты натурных, теоретических и экспериментальных исследований, можно полагать, что повышенный процент разрушенных и поврежденных построек при высоком уровне воды в грунте является следствием главным образом меньшей прочности и устойчивости водонасыщенных грунтов по сравнению с маловлажными грунтами. Последнее имеет место и при статических нагрузках, но особенно заметно при сильных землетрясениях.

Строительными нормами предусмотрен ряд конструктивных и расчетных требований, учитывающих снижение прочности грунта при землетрясениях. При строительстве мостов подошвы массивных фундаментов, а также нижние концы свай, столбов и оболочек стремятся заглубить до скального массива, крупнообломочного грунта, гравелистого плотного песка или глинистого грунта твердой (полутвердой) консистенции. При расчете фундаментов мелкого заложения, опирающихся на водонасыщенные пески, вводится коэффициент условий работы , понижающий расчетную несущую способность фундаментов по грунту. При проектировании фундаментов из висячих свай в сейсмических районах сопротивление грунта по боковым поверхностям свай от поверхности грунта до некоторой отметки, определяемой расчетом, принимается равным нулю. Несущая способность свай на оставшейся части боковой поверхности и под нижними концами определяется с учетом уменьшенного сопротивления песчаных и глинистых грунтов, зависящего от вида грунта и расчетной интенсивности землетрясения.

Принимая во внимание вышеизложенное, авторы настоящих Рекомендаций считают возможным отказаться от учета воды в грунте при оценке сейсмичности строительных площадок по методу сейсмических жесткостей. При расчете приращения балльности за основу принята приведенная выше формула С.В. Медведева с заменой скоростей продольных волн на скорости поперечных волн.

Вычислять приращение балльности по этой формуле не совсем удобно, так как задача сейсмического микрорайонирования заключается в оценке влияния ряда факторов на сейсмичность данной площадки по отношению к площадкам, сложенным средним по сейсмическим свойствам грунтом, а не монолитным гранитом.

Средними по сейсмическим свойствам считаются грунты второй категории по табл.1 СНиП II-7-81* [1]. К этой обширной по составу категории относятся грунты, наиболее часто служащие основанием для фундаментов гражданских и промышленных зданий, в том числе скальные выветрелые и сильновыветрелые грунты, пески гравелистые, крупные и средней крупности, плотные и средней плотности, маловлажные и влажные, глины твердой и полутвердой консистенции при коэффициенте пористости менее 0,9.

Согласно РСН-60-86 [5] плотность средних грунтов составляет 1,7-1,8 , скорости поперечных сейсмических волн лежат в диапазоне 250 - 350 м/с. Фактически плотность и скорость поперечных волн для грунтов второй категории изменяются в более широких пределах. Это вносит существенную неопределенность в основную характеристику сейсмических свойств грунта второй категории - его расчетную сейсмическую жесткость. Для определения последней нужно обратиться к экспериментальным данным.

Исследования иркутских геологов [9] основных типов изверженных и метаморфических пород, выполненные в связи со строительством Байкало-Амурской магистрали, позволили определить диапазоны изменения плотности и скорости сейсмических волн в этих грунтах. Наибольшее значение плотности образцов из монолитного базальта равно 2,95 , максимальная скорость поперечных волн м/с. Следовательно, наибольшая сейсмическая жесткость скальных пород по скоростям поперечных волн .

Наименьшие значения сейсмической жесткости присущи насыпным неуплотненным грунтам, а также рыхлым мелким пескам и илистым грунтам в устьях рек и морских проливах (заливах). Скорость поперечных сейсмических волн в таких грунтах может упасть до 110 м/с при их плотности в водонасыщенном состоянии примерно 1,5 . Таким образом, сейсмическая жесткость самых слабых грунтов составляет . Приращение балльности для площадки, сложенной такими гунтами, по отношению к монолитному базальту будет балла.

Найдем значения жесткости , соответствующие границам между грунтами различных категорий по сейсмическим свойствам.

К грунтам первой категории будем относить все грунты, для которых приращение балльности по отношению к монолитному базальту не превышает одного балла. Из условия находим искомую жесткость для грунтов, лежащих на границе между грунтами первой и второй категорий. Эта жесткость равна 2570 , что соответствует плотности и скорости м/с, которые характерны для осадочных трещиноватых горных пород типа песчаника или мергеля за пределами зоны наибольшего выветривания.

Сейсмическую жесткость , соответствующую грунтам на границе между второй и третьей категориями, находим из условия . Этому условию удовлетворяют, в частности, пески и глинистые грунты при плотности и скорости поперечных волн м/с, т.е. покровные отложения, имеющие сейсмическую жесткость .

Выбор расчетной жесткости для эталонного среднего грунта по сейсмическим свойствам из допустимых значений от 655 до 2570 диктуется экономическими соображениями, а также традиционным для сейсмического районирования представлением о среднем грунте как о типичным грунте селитебных территорий. Исходя из этого принимаем сейсмическую жесткость для среднего по сейсмическим свойствам грунта равной 655 . Это условие является определяющим для эталонного (среднего по сейсмическим свойствам) грунта.

Предлагаемый порядок определения приращения балльности отличается от принятого в гражданском строительстве порядка величиной жесткости эталонного грунта, зависимостью геометрических параметров расчетной толщи от свойств грунта и конструкции фундаментов, а также неучетом поправок на воду в грунте и на резонансные явления. Последние поправки исключены из-за несоответствия получаемых при этом дополнительных приращений балльности данным инструментальных наблюдений и оценкам "эффекта площадки" в строительных нормах разных стран [27, 28].

Согласно преобразованной формуле приращение силы землетрясения для площадок, сложенных выветрелыми скальными грунтами, составляет минус один балл, а для самых слабых грунтов - плюс один балл шкалы MSK-64, т.е. интенсивность колебаний ровных участков земной поверхности за счет различия инженерно-геологических условий изменяется в четыре раза по величине ускорения. Сопоставим эту расчетную оценку с данными инструментальных измерений колебаний грунтов при землетрясениях.

Во время землетрясения Лома-Приета в Калифорнии (США) американские сейсмологи получили несколько десятков записей колебаний грунта [23, 26]. Вблизи эпицентра ускорения колебаний скальных обнажений равнялись приблизительно 0,65g. На удалении около 100 км от эпицентра ускорения колебаний коренных пород уменьшались до 0,07 - 0,10 g, на слабых и насыпных грунтах - до 0,16-0,24g. Таким образом, на слабых и насыпных грунтах наблюдалось увеличение интенсивности колебаний в 2 - 3 раза по сравнению с обнажениями коренных пород.

Землетрясение в районе японского г. Кобе имело магнитуду М = 7,2 при глубине очага 14 км. Вблизи проекции тектонического разрыва на поверхность о. Хонсю акселерометры записали ускорения колебаний грунта в диапазоне от 0,31 до 0,84g. На территории г. Осака, расположенного в 40 км от эпицентра, ускорения колебаний грунта уменьшились до 0,08-0,29g [22]. Следовательно, для площадок, равноудаленных от источника сейсмических волн, интенсивность сейсмического воздействия изменялась в среднем в 3-4 раза за счет различия свойств грунтов в местах установки сейсмометров.

Приведенные примеры показывают, что принятая в настоящих Методических рекомендациях формула для определения позволяет в основном правильно оценивать влияние инженерно-геологических условий на сейсмичность участков для более или менее ровной местности.

Формула позволяет также достаточно верно оценивать приращение балльности для прочных и очень прочных горных пород, обычно залегающих на глубине не менее нескольких десятков метров от земной поверхности и служащих средой для проходки горных выработок при строительстве тоннелей глубокого заложения. Для наиболее прочных магматитов и метаморфитов приращение балльности относительно эталонного (среднего по сейсмическим свойствам) грунта получается близким к минус двум баллам. Эта оценка соответствует известным данным об уменьшении интенсивности колебаний грунта по мере увеличения прочности горной породы и мощности перекрывающей толщи осадочных отложений.

В условиях глубоко расчлененного рельефа сотрясения грунта на склонах долины могут сильно отличаться от сотрясений на ее дне и ровных участках местности за ее пределами. До середины 60-х годов прошлого века этот вопрос количественно был мало исследован. В последующие годы, в основном в связи с крупным гидротехническим строительством, были выполнены необходимые теоретические и экспериментальные работы, позволившие во многих случаях количественно оценить влияние неровностей рельефа на интенсивность сейсмического воздействия.

Обширные натурные наблюдения колебаний склонов ущелий в Средней Азии проведены сейсмологической экспедицией Института физики Земли. Основной эксперимент поставлен в створе плотины Токтогульской ГЭС до начала строительства плотины. Приборы помещались в штольни, расположенные на левом борту каньона на высоте 10 и 90 м от уреза воды в р. Нарын, на правом борту - на высоте 85 м. Анализ записей колебаний бортов при землетрясениях и взрывах показал увеличение амплитуд колебаний в верхних частях бортов. Наиболее сильно (в три раза) возрастало горизонтальное смещение поперек каньона. При переходе сейсмической волны через долину наблюдались существенный сдвиг фазы и некоторое уменьшение амплитуды колебаний. Эти результаты опубликованы И.Л. Нерсесовым и др. в статье [16].

В Туркмении исследовались колебания склонов Бикровинского массива, расположенного на юго-западе республики. Высота склонов на экспериментальном участке достигала 45 - 50 м, угол наклона изменялся в пределах от 15 до 65°. Склоны сложены глиной, включающей линзы сцементированного крупнообломочного материала. Колебания возбуждались ударами груза массой 2,5 т, сбрасываемого с высоты 20 м. Приборы устанавливались на зацементированные площадки, расположенные в четырех точках по высоте склона. Б.И. Ильясов и Ш.Ш. Саидова в статье [11] сообщили, что обработка записей колебаний показала увеличение амплитуд колебаний в верхней части склона примерно в два раза по отношению к его подножию.

Для случая вертикального распространения горизонтально поляризованной поперечной сейсмической волны Е.Г. Бугаевым [8] предложены полуэмпирические формулы, позволяющие вычислять интенсивность колебаний грунта на дне и в верхних частях бортов каньонов (склонов долин). Согласно этим формулам интенсивность колебаний изменяется в следующих пределах: на дне каньона от 1 до 0,5 и у бровки бортов от 1 до 1,25 от уровня амплитуд колебаний горизонтальных участков местности, удаленных от долины. При переходе от дна к бровке склона долины отношение амплитуд изменяется от 1 до 2,5 в зависимости от соотношения между длиной падающей волны и глубиной долины. Данные инструментальных наблюдений и численные решения задач диффракции подтверждают возможность использования приближенных формул для оценки изменения интенсивности колебаний грунта на склонах речных долин.

За рубежом разработаны точные методы расчета диффракции сейсмических волн в каньонах. Для полуцилиндрического каньона получено решение в замкнутой форме, использующее функции Бесселя и Ханкеля. Приведенный в статье [25] анализ этого решения показывает, что влияние каньона на интенсивность колебаний довольно значительно, если длина падающей волны близка к радиусу каньона. В этом случае амплитуда колебаний грунта вблизи каньона быстро изменяется от точки к точке, но увеличение амплитуды не превышает двух раз.

Для каньонов с произвольной формой поперечного сечения задача формулируется в виде интегральных уравнений Фредгольма [24]. Уравнения решаются численным методом с построением акселерограмм для различных точек поперечного сечения каньона при произвольном угле падения сейсмической волны. В случае треугольного выреза в упругом полупространстве амплитуды колебаний по сравнению с горизонтальной поверхностью увеличиваются на 10-30% у кромки выреза и уменьшаются на 50-70% в нижней точке.

Таким образом, на участках с неровной поверхностью интенсивность колебаний меняется в зависимости от рельефа. По отношению к ровным площадкам для сильно неровных участков местности в одних точках теория и наблюдения предсказывают понижение, в других точках - повышение интенсивности колебаний примерно до двух раз. Для учета этого фактора в данных рекомендациях предлагается корректировать нормальные амплитуды колебаний грунта с помощью коэффициента К_р.м.

С помощью коэффициентов, учитывающих сейсмотектоническую обстановку, сейсмический режим, местные инженерно-геологические условия и рельеф местности вдоль трасс железных (автомобильных) дорог, метрополитенов, магистральных трубопроводов, а также на территориях железнодорожных станций, морских, речных и аэропортов выделяются микрозоны с различной интенсивностью сейсмического воздействия. Изолинии воздействия (границы микрозон) маркируются в физических единицах измерения картируемого параметра колебаний с приемлемым округлением его величины. Например, при построении карт максимальных ускорений грунта изолинии ускорений могут строиться с интервалом 0,05g, что существенно улучшает представление о распределении на местности параметров сейсмического воздействия по сравнению с его картированием в баллах шкалы MSK-64.