Отчет о выполнении 1 этапа Государственного контракта №
| 1.3.4 Роль мощности пластов 1.3.5 Влияние рельефа местности Глава 2 Выбор и обоснование оптимального варианта направления исследований |
Смотрите также:
- Отчет о выполнении 2 этапа Государственного контракта №
- Отчет о выполнении 3 этапа Государственного контракта №
- Отчет о выполнении 3 этапа Государственного контракта №
- Отчет о выполнении 1 этапа Государственного контракта №
- Отчет о выполнении 1 этапа Государственного контракта №
- Отчет о выполнении 1 этапа Государственного контракта №
- Отчет о выполнении 2 этапа Государственного контракта №
При макросейсмическом обследовании в одном из районов селения Аркит на участках, расположенных на коренных выходах «адыров», представляющих собой сцементированные древние аллювиальные отложения и перекрытых тонким слоем покровных мелкоземов, сейсмическая интенсивность землетрясения 2 ноября 1946 г. повышалась с увеличением мощности слоя покровных отложений []. В результате макросейсмического обследования последствий Газлийских землетрясений 8 апреля и 17 мая установлено закономерное изменение сейсмического эффекта на территории г. Газли в зависимости от мощности песчано-глинистых отложений. Интенсивность сотрясения изменялась до 1.5 баллов. Такие же результаты получены при обследовании Ленинабадского и Исфара-Баткенского землетрясений. При сейсмическом микрорайонировании территории городов инструментальными методами выявлено влияние мощности рыхлых отложений на интенсивность землетрясений, определены спектральные особенности колебания грунтов, сопоставлены амплитуды колебаний по записям сейсмических станций, проанализированы сейсмическая жесткость грунтов для расчета приращений сейсмической интенсивности, амплитуды высокочастотных микросейсм, а также выявлены спектры приведенных сейсмических ускорений. Величины приращения интенсивности при увеличении мощности лессового слоя, полученные по инструментальным, акустическим и макросейсмическим данным, можно усреднить сплошной кривой линией (рисунок 8). Известны также теоретические расчеты, основанные на построении спектров колебаний, которые дают возможность рассматривать зависимость спектральной характеристики грунтов от их мощности []. Аналитические результаты для случая, когда в качестве модели выступает трехслойная среда, верхняя толща которой представлена суглинком, далее – песчаники с постоянной мощностью 140 м, которые подстилаются алевролитом, представлены на рисунке 9.  Рисунок 8 - График изменения интенсивности в зависимости от мощности лессовых пород (г. Ташкент), полученный но инструментальным (а), акустическим (б) и макросейсмическим (в) данным []. Можно видеть, что спектральная кривая осложнена несколькими слабовыраженными максимумами, наибольшие из которых соответствуют частотам 3,2, 4,6 и 6,7 Гц. При разной мощности верхнего слоя (5 и 10 м) максимальное значение смещения наблюдаются для последнего максимума при большей мощности суглинков. Кроме того, на частоте 1,8 Гц проявляется дополнительный максимум, полностью отсутствующий в среде с меньшей толщей суглинков.  Рисунок 9 - Влияние мощности слоя на горизонтальное смещение []. ^ В связи с проблемой строительства крупных сооружений в горных сейсмоактивных районах особое внимание уделяется изучению влияния рельефа местности на интенсивность колебаний. Вследствие сильных землетрясений на склонах часто возникают обвалы, оползни, трещины, происходит оседание насыпей и другие явления. Роль рельефа наглядно продемонстрирована при обследовании эффекта сильных землетрясений на местностях, расположенных на разных высотах [, ]. Первые попытки объяснения механизма разрушения склонов при сильных землетрясениях были сделаны за рубежом (Seed, 1960; Seed, Goodman, 1964; Neymark, 1965; Xobayashi, 1969) путем изучения связи между возникающими деформациями склонов и параметрами сейсмических колебаний. Сейсмическая устойчивость откосов изучалась виброиспытаниями в работах В.Г. Мельника. Анализ записей сейсмических колебаний, полученных на разных уровнях склона, показал увеличение интенсивности колебаний от основания к вершине склона []. Помимо этого обнаружены изменения амплитуд колебаний в зависимости от локальных условий склона. Интенсивность колебаний горизонтальных составляющих по мере увеличения локальной крутизны склона в области коротких периодов линейно растет []. Из вышеизложенного следует, что рельеф местности в определенной мере влияет на изменение спектрального состава сейсмических колебаний. При сейсмическом микрорайонировании участков дорог и магистральных трубопроводов, расположенных на горных склонах, нормальные амплитудные характеристики колебаний грунта, уточненные за счет других данных (сейсмотектоническая обстановка, сейсмический режим в пункте строительства, местные грунтовые условия), дополнительно корректируются в зависимости от рельефа местности []. Поправка определяется в форме коэффициента рельефа местности Kр.м, на который умножают расчетные амплитуды колебаний грунта. Коэффициент Kр.м, учитывающий влияние рельефа местности на интенсивность сейсмического воздействия, находят линейной интерполяцией между величинами Книз и Кверх в зависимости от высоты стройплощадки над дном долины. Величина Книз есть отношение амплитуд колебаний грунта на дне долины (Аниз) и на плоских горизонтальных участках местности (Апл), удаленных от долины. Это отношение при равных грунтовых условиях определяется формулой:  , (2)где В – характеристика формы поперечного сечения долины; х – отношение длины сейсмической волны к глубине долины H. Величина Кверх есть отношение амплитуд колебаний грунта для площадок, расположенных в самых верхних частях склонов (Аниз) и на плоских горизонтальных участках местности, удаленных от долины. Это отношение при равных грунтовых условиях находят по формуле:  (3)Для вычисления характеристики формы поперечного сечения долины используется формула:  , (4)где Н – глубина долины, L – ширина долины поверху, измеряемая перпендикулярно оси долины. Длина гармонической волны определяется из соотношения: = VS T, (5) где VS – скорость поперечной волны, Т – основной период колебаний грунта склонов при землетрясении. ^ Изучение сейсмических характеристик грунтов, начатое в СССР и за рубежом еще в 20-30-х гг. XX в., было вызвано потребностями сейсморазведки и сейсмомикрорайонирования и до недавнего времени заключалось в исследовании амплитудно-частотных спектров колебаний различных видов грунтов, деформаций грунтов при динамических воздействиях и связи параметров колебаний с механическими и физико-механическими свойствами грунтов (методы динамики грунтов). За последние десятилетия накопилось большое количество фактов, показывающих, что на сейсмические характеристики грунтов (скорости волн Р и S, их отношение, параметры затухания колебаний) влияют также физико-химические процессы, связанные с температурой (мерзлые грунты), диффузией воды в грунте, энергетическими характеристиками грунта и физико-географическими факторами, влияющими на влажность грунта. Таким образом, возник новый круг вопросов, который объединен под названием «сейсмогрунтоведение» (сейсмолитология) []. Кратко рассмотрим главнейшие факторы, влияющие на сейсмические свойства грунтов. Влияние тонких пленок воды. Такие пленки воды, проникая в тонкие трещины, способны вызывать эффект расклинивания и приводить к ослаблению структурных связей в породе и увеличению трещин. Этим эффектом объясняется падение скоростей волн при увлажнении лессовых и глинистых пород, что освещалось ранее. Падение скоростей продольных волн при увлажнении пород наблюдается преимущественно в следующих интервалах влажности: супеси – 4-12%, суглинки – 10-18%, майкопские глины – 16-28%. Расклинивание осуществляется пленками рыхлосвязанной воды, количество которой возрастает по мере увеличения глинистости (свободной поверхности) породы. Этим объясняется зависимость вышеуказанного интервала влажности (в котором происходит падение скоростей) от гранулометрического состава породы. При достаточно высокой степени влажности скорости в песчано-глинистых породах резко возрастают. Грунты, чутко реагирующие на увлажнение, называют переменно-прочными, и их сейсмические характеристики также меняются при изменении влажности. При наличии подобных грунтов карты сейсмического микрорайонирования следует делать прогнозными, ориентирующими проектировщиков и строителей на предполагаемые изменения свойств грунтов. Влияние температуры. При переходе температуры через 0ºС в грунте происходят фазовые изменения, влекущие за собой изменение сейсмических характеристик грунта. Величину изменения VP и VS для рассмотренных разновидностей грунтов в интервале изменения температур T от 0 до -10° и при влажности, близкой к полному водонасыщению грунта, характеризуют графики, представленные на рисунке 10. Интенсивность роста VS в крупнообломочных и песчаных грунтах при температуре, близкой к 0°, меньше, чем VP, а в интервале T = -2° -10° приращение скорости поперечных волн больше, чем продольных. В суглинках и супесях зависимость VP и VS от Т по характеру и по величине идентичны. Описанная закономерность роста VP и VS и определяет уменьшение их отношений температуры мерзлого грунта для всех значений влажности, включая и лед (влажность 100 %).  Рисунок 10 - Зависимость приращения скоростей продольных и поперечных волн от температуры: а – грубообломочные грунты; б – пески; в – супеси; г – суглинки []. Влияние плотности (пористости) грунта. Пористость может рассматриваться как косвенная характеристика запасов потенциальной механической энергии зерен, слагающих породу. При уплотнении породы (падении зерен) происходит переход потенциальной энергии в кинетическую с тепловым эффектом. Уплотнение породы приводит к повышению сейсмических скоростей, если происходящее при этом нарушение структурных связей не вызывает резко выраженного противоположного явления. Возрастание пористости грунта при набухании глин сопровождается падением скоростей. Таким образом, скорости VP обратно пропорциональны запасам потенциальной механической энергии зерен в грунте, т. е. их вкладу в сейсмическую интенсивность. Наряду с суммарным объемом пор на сейсмические свойства грунтов влияют также форма и размер пор, т. е. структура грунта. В значительной мере от нее зависят сейсмические характеристики песков, лесса и глин. Влияние прочности структурных связей. При рассмотрении широко распространенной модели песчано-глинистого грунта как скопления зерен разного диаметра, соединенных глинисто-солевым цементом (цементационные связи, сцепление упрочнения), сейсмические свойства грунта в значительной мере зависят от свойств цемента. Например, песчаники с кварцевым и кремниевым цементом характеризуются скоростями VP>4000 м/с, известковистый лес – 600-1200 м/с. Если цемент является переменно-прочным, то продольные скорости тоже являются величинами переменными, например, зависящими от влажности или температуры породы. В таких породах в результате расклинивания цемента тонкими водными пленками падение скоростей VP тем больше, чем менее прочными являются структурные связи. Влияние кристаллохимической энергии (состав грунта). Использование современных представлений о кристаллохимических связях позволяет построить обобщенную модель грунта, состоящего из агрегатов различного порядка (от молекулы до массивов пород), связанных энергией ионной решетки, атомизации, водородных связей и т.д. Вышеуказанная модель зернистого грунта со структурными связями является частным случаем рассматриваемой модели, поскольку прочность глинисто-солевого и водно-коллоидного цемента объясняется сочетанием ионных, водородных, ковалентных, вандерваальсовых и других связей, как и прочность самих зерен. Эта модель объясняет и более крупные агрегаты, вплоть до массивов пород, изучаемых методами сейсморазведки и сейсмологии. На основе представлений в рамках новой обобщенной модели грунта уже выявлена зависимость скоростных характеристик отдельных минералов от их кристаллохимической энергии []. На рисунке 11 показаны зависимости скоростей VP и VS от энергии атомизации (графики построены на основании обобщения данных геофизической и кристаллохимической литературы). Энергия атомизации (т. е. энергия, необходимая для отрыва и удаления на бесконечное расстояние атома из атомной решетки) определяет прочность вещества, и естественно, что возрастание этой энергии вызывает увеличение скоростей волн. Разброс эмпирических данных объясняется дислокациями и другими нарушениями вещества на атомном, молекулярном и более высоком уровнях.  Рисунок 11 - Зависимость скоростей продольных волн (а) и поперечных (б) от энергии атомизации минералов []. Влияние физико-географического окружения. На сейсмические характеристики грунтов оказывают влияние также физико-географические (климат, рельеф, биосфера) и техногенные факторы. С этой точки зрения грунты следует делить на инертные и сенсорные (чувствительные). Инертные грунты (талые пески, галечники) слабо реагируют на воздействие среды и в разных условиях их сейсмические характеристики приблизительно одинаковы. Сенсорные грунты, напротив, способны значительно изменять свои свойства под воздействием среды. К сенсорным грунтам относятся лёсс и мерзлые грунты, изменяющиеся в зависимости соответственно от влажностного и температурного режимов среды. Влияние климата может быть иллюстрировано на примере суглинков, к которым принадлежит и лёсс. Климат влияет на свойства суглинков посредством воздействия на их влажность, от которой зависят структурная прочность, деформационные, просадочные и сейсмические свойства этих грунтов. Из ведущих климатологических показателей здесь должен быть отмечен радиационный индекс сухости  , где R – радиационный баланс; r – количество атмосферных осадков; L – скрытая теплота испарения воды. Высокие (>2) значения индекса соответствуют засушливому климату. Установлено, что увлажнение климата и понижение вызывает изменение сейсмических характеристик суглинков, в результате чего возрастает приращение сейсмической интенсивности []. Если для суглинков значение I в пустынях составляет в среднем около -0,4, то в зоне таежных лесов оно достигает +0,5 (рисунок 12). Этот эффект может иметь не только теоретическое, но и практическое значение. Рисунок 12 - Зависимость средних значений приращения сейсмической интенсивности на суглинках и лессовых грунтах от радиационного индекса сухости []. Рельеф и техногенные процессы, влияя на распределение влаги в грунтах, влияют и на сейсмические характеристики сенсорных грунтов. Изложенное показывает, что сейсмические характеристики грунтов находятся в зависимости от физико-химических, энергетических, физико-географических и техногенных факторов. Но даже при идентичности этих факторов в каких-либо рассматриваемых случаях при кажущемся сходстве грунтов сейсмические эффекты могут быть различными в зависимости от состояния грунтов и темпов изменения физико-географического окружения. Следует, прежде всего, учитывать влияние напряженного состояния грунтов. В зависимости от имеющегося в грунте напряжения его поведение при прохождении сейсмической энергии может быть различным. Известно, что механические напряжения в грунте возрастают с глубиной. Это состояние существует геологически длительное время, и под его влиянием грунт подвергается лишь медленным геологически длительным изменениям. На фоне этих напряжений существуют аномалии, вызванные природными рельефообразующими и особенно техногенными факторами. В этих случаях возможны сейсмодеформации в грунте даже при невысокой интенсивности сотрясений. Наиболее отчетливо это наблюдается на сенсорных грунтах. Пример был описан в Яванской долине, где при 4-балльном толчке в лёссовых грунтах образовались крупные трещины. Просадки грунта на полигоне вызвали перераспределение напряжений в окрестностях полигона, что способствовало сейсмодеформации. В качестве другого примера можно рассмотреть трещинообразование на застроенных участках в Центральных Кызылкумах при сейсмических толчках и даже без них, связанное с явлениями набухания и усадки глин, вызвавших изменения напряженного состояния грунтов []. Среднеазиатские исследователи дают различные толкования этому явлению, хотя с инженерно-геологической точки зрения, учитывающей свойства глин, оно объясняется довольно просто. Обобщая изложенное, можно говорить о влиянии термодинамического состояния на поведение грунтов при сейсмических толчках. Без вмешательства человека грунты большей частью находятся в состоянии механического, теплового и водного равновесия, нарушаемого сейсмическими толчками лишь высокой интенсивности. Техногенез нарушает это равновесие, и грунты, находящиеся в неравновесном состоянии, деформируются даже при сравнительно слабых землетрясениях. Застроенные территории являются примером этого. Для них характерно поднятие уровня грунтовых вод и подтопление фундаментов сооружений грунтовыми водами, что резко ухудшает инженерно-сейсмическую обстановку. Для застроенных территорий характерно оттаивание мерзлоты, что также приводит к повышению приращения сейсмического балла. Учет возможного изменения сейсмических свойств пород в будущем (после завершения строительства) всегда следует принимать во внимание при районировании территорий, подверженных влиянию техногенеза.
|
