Введение к работе
Проблема сейсмического микрорайонирования является одной из главных в прикладной сейсмологии. С годами ее значение постоянно растет. Это связано с урбанизацией, расширением строительства огромных промышленных сооружений, повреждение и разрушение которых грозит экологической катастрофой: высотных плотин, атомных электростанций, химических заводов, могильников для захоронения высокоактивных отходов и др. Растет количество, сложность и уязвимость коммуникаций - про-дуктопроводов, линий электропередач, железных дорог. Результатом техногенных воздействий является повышение сейсмической опасности от инициированных землетрясений. Изменяются инженерно-геологические характеристики грунтов на урбанизированных территориях.
Общим следствием этих процессов является постоянный рост сейсмической опасности и уязвимости городских территорий для землетрясений.
Применяемые методы сейсмического микрорайоннрования основываются на опыте изучения макросейемнческих проявлений при сильных землетрясениях и на исследовании искажений сейсмических волновых полей от слабых местных и удаченных землетрясений в их зависимости от грунтовых условий, рельефа, строения самой верхней части земной коры.
Таким образом, сильные сейсмические движения, в их зависимости от характеристик грунта изучаются на основе грубых количественных неинструментальных показателей, а инструментальные способы используются для оценки особенностей слабых движений грунта и прогнозирования с их помощью эффекта сильных землетрясений.
Ясно, что при сильных сейсмических движениях значительную роль играют нелинейные явления, которые особенно сильно проявляются в рыхлых осадочных грунтах - супесях, суглинках, во-донасыщенных глинах. Это явление имеет решающее значение
при сейсмическом районировании, требует детального исследования, создания методов расчета и корректировки определений приращения балльности. Вместе с тем, до настоящего времени проблеме исследования и учета нелинейных явлений практически не уделялось внимание. Имеющиеся теоретические и экспериментальные результаты исследования нелинейных эффектов в грунтах (А.В.Николаев, А.А.Гвоздев, В.В.Кузнецов, В.В.Гущин, Г.М.Шалаш В.С.Соловьев, И.А.Береснев и др.) позволяет не только оценить возможный масштаб проявления нелинейных эффектов, но определить пути их исследования и учета.
Диссертация посвящена исследованию возможности и разработке метода оценки степени нелинейности грунтов различного литоло-гпческого состава и физических свойств для целей сейсмического мпкрорайонированпя.
Актуальность проблемы
Газвитне метода сейсмического микроранонирования, основанное на учете нелинейно-упругих свойств грунта и прогнозировании их влияния на развитие нелинейных эффектов при сильных сейсмических воздействиях, дает.возможность повысить надежность и точность определения приращения балльности. Использование вибрационных и импзгльсных сейсмических излучателей позволит аттестовать грунт сильными сейсмическими деформациями, эквивалентными 6-7 балльному сотрясению, создать простую и эффективную методику сейсмического мпкрорайонированпя. Это позволит также значительно более обоснованно планировать застройку новых территорий и сократить убытки от возможных сильных землетрясений.
Необходимость разработки способа СМР, основанного на изучении нелинейных свойств грунтов современными невзрывными источниками большой мощности определяет актуальность диссертационной работы.
Цели работы
-
Изучить характер нелинейных эффектов по существ}тощпм записям сильных и разрушительных землетрясении и по макро-сейсмнческим данным: установить простые и эффективные показатели нелинейности грунтов, разработать методы их использования для оценки приращения балльности.
-
Разработать основы метода сейсмического мпкрораионпрованпя, нспользущего невзрывные импульсные и вибрационные источники для прогноза нелинейных эффектов при сильных землетрясениях.
Для достижения поставленных целей решены следующие задачи
-
Найдена простая количественная характеристика нелинейной трансформации волнового поля на основе использования невзрывных импульсных и вибрационных источников.
-
Разработана практическая методика определения показателей нелинейности по экспериментальным данным.
-
Установлены корреляционные связи между интенсивностью макр о сейсмического эффекта и нелинейностью грунтов.
-
Практическим опробованием показана эффективность разработанной методики оценки приращения балльности на типичных участках и грунтах районируемой территории.
Научная новизна
- Разработаны и апробированы новые инструментальные способы сейсмического мпкрораионпрованпя, позволяющие оценивать и учитывать в расчетах балльности степень нелинейности и неупругости грунтов;
- введены новые показатели поглощения и нелинейности грунтов, основанные на использовании связей спектральных характеристик волнового поля искусственных источников с особенностями грунтовых условий территории, установлена универсальность характера введенных показателей, обуславливающая возможность их использования в практических целях;
- выведены новые эмпирические формулы для расчета прпращ
ния балльности при сильных землетрясениях с учетом нелинейны
трансформаций волнового поля вблизи дневной поверхности, и<
пользующие показатели нелинейности, упругие и неупругие свої
ства среды;
Практическая значимость и реализация работы
- Разработанный способ обладает большей точностью опред< ленпя приращений балльности, чем традиционно применяемые м< тоды, особенно на дисперсных, рыхлых грунтах, где при сильны сотрясениях нелинейные эффекты проявляются особенно ярко;
способ мобилен, универсален, может быть использован практіги скн в любых условиях, в городах, вблизи ответственных объекто
способ экономически целесообразен.
Эти особенности способа открывают перспектив}' его пепол зования для сейсмического мпкрорайоннрования.
Способ реализован на основе современных невзрывных сейсмі ческих источников и использован в практике работ по СМР террі торий целого ряда городов Грузин и России: г .Тбилиси, Руставі Горн, Ткибули, Кутаиси и отдельных участков Большого Сочі Результаты применения способа показывают высокую эффекта ность и практическую целесообразность применения современны невзрывных источников при СМР.
На защиту выносятся
-
Совокупность результатов исследований, основанных на ан-лизе записей сильных и разрушительных землетрясений, а така экспериментальных данных, полученных с применением искусств ных сейсмических источников.
-
Критерии и методика оценки степени нелинейного поведені дисперсных и скальных грунтов на основе предложенных моделе свойств среды и сейсмического воздействия.
3. Методика количественной оценки относительной сейсмической опасности грунтов типичных участков районируемых территорий.
Апробация работы
Результаты работы докладывались на международном симпозиуме по методам сейсмического мнкрорайонпрования (Ялта, 1983 г.), на Всесоюзном совещании по сейсмическому районированию территории СССР и изучению сильных землетрясений (Кишинев, 1984 г.), на республиканской конференции молодых ученых Грузни (Тбилиси, 1984 г.), на Объединенной сессии НИИ Закавказских республик по строительству (Тбилиси, 198G г.), на Всесоюзном научно-координационном совещании по СМР при МСССС (Алма-Ата, 1987 г.), на Всесоюзном совещании по оценке сейсмической опасности (Черноголовка, 1988 г.), на Всесоюзной конференции по гидротехническом}^ строительству в сейсмических районах (Нарва, 1988 г.), на заседании рабочей группы по СМР при МСССС (Кишинев, 1989 г.), на IX Европейской конференции по сейсмостойкому строительству (Москва, 1990 г.), на Всесоюзной конференции по надежности строительных материалов и конструкций в строительстве (Батуми, 1990 г.), на международном семинаре по Рачннскому землетрясению и сейсмичности Кавказа (Тбилиси, 1992 г.), на международной конференции по зонированию землетрясений и уменьшению сейсмической опасности (Ереван, 1993 г.), на научных семинарах: в ИГ АН Грузии (1985 г.), в отделе сейсмического мнкрорайонировання ИГГ АН Молдавии (Кишинев, 1985г.), в ИСМиС им.К.С.Заврнева АН Грузин (Тбилиси, 1981- -1991 г.), в ПНИИИС Минстроя России (Москва, 1995), в отделе экспериментальной геофизики ИФЗ им.О.Ю.Шмидта РАН (Москва, 1983 - -1995 г.), на кафедре физики твердой Земли физического факультета МГУ им.М.В.Ломоносова (Москва, 1996).
Личный вклад автора
Основные результаты диссертации изложены в 29 опубликован ных работах, среди которых 2 изобретения защищены патентами
Автор активно участвовал в постановке задачи, теоретическод и экспериментальном обосновании основных положений работь совместно с научным консультантом чл.-корр. РАН А.В.Николаев
Основные материалы, положенные в основу работы получень автором лично. Автор руководил и непосредственно участвовав в выполнении научных исследований и работ по СМР террнто рніі гг. Тбилиси, Кутаиси, Гагра, Поти, Батуми, Руставн, Гали Гори, Ткварчелн, Боржоми, Ахалцнхс, участков трассы Кавказ скоп Перевальной железной дороги, отдельных участков террнто рпн г.Б.Сочи, крупных строительных площадок под особо ответ ственные объекты (гг.Гали и Цптелпцкаро, с.Ульяновка и т.д.) < использованием инструментального метода. Кроме того, в основ* фактического материала лежат данные, полученные автором процессе решения различных неотложных практических задач (вл янне взрывов на сохранность монастырского комплекса Давид Га реджн, деформации трубопровода и.т.д.), а также - специальны, полевых и лабораторных исследований по теме диссертации. Всі указанные экспериментальные материалы были получены, обрабо таны п интерпретированы лично автором и под его руководством В работе проведен анализ данных Рачинского землетрясения (Гру зия, 1991 г.), Спитакского землетрясения (Армения, 1988), Группь SMART - 1 (о.Тайвань, 1981-1987 гг.), землетрясения в Черного рин (б.Югославия, 1979г.), землетрясения в Сан Фернандо (США 1971 г.) и т.д.
Обработка инструментальных данных при анализе записей Ра чннского землетрясения от 29 апреля 1991 г. проводилась со вместно с к.т.н. Ш.М.Марджанишвили. Расчетный анализ ко лебаний грунтов под воздействием импульсного и вибрационног источников производился совместно с к.т.н. И.Э.Тимченко. В всех случаях автору принадлежит идея и постановка задачи, уча
стие в обработке и интерпретации данных.
Объем и структура работы