» » Классификация грунтовых условий по сейсмическим свойствам

Классификация грунтовых условий по сейсмическим свойствам

16.08.2016

Как мы уже неоднократно отметили, анализ результатов записей землетрясений показывает, что величины горизонтальных, вертикальных и вращательных перемещений, скоростей и ускорений грунта, при прочих равных условиях, существенно зависит от структуры геологического разреза места регистрации, физико-механических, прочностных, деформационных и акустических свойств залегающих пластов. Кроме того, анализ результатов последствий землетрясений показывает, что характер и особенности повреждений зданий и сооружений во время землетрясения также различны в зависимости от грунтовых условий. На рыхлых грунтах во время землетрясения преимущественно наблюдаются значительные осадки, наклоны и даже полные опрокидывания сооружений, а на скальных грунтах — повсеместные трещины, большие относительные перемещения и остаточные деформации по всему телу сооружения. Таким образом, грунтовые условия не только влияют на кинематические параметры сейсмического воздействия, но и существенно изменяют характер повреждения сооружения. Все эти обстоятельства должны найти отражение в Нормах по сейсмостойкому строительству как в виде количественных коэффициентов при определении величин инерционных сейсмических сил, так и в виде принципов проектирования. Для этого необходимо от общих понятий рыхлых и скальных грунтов перейти к выработке детальных рекомендаций по разделению грунтов площадки строительства на специальные категории по сейсмическим свойствам.
При классификации грунтовых условии по сейсмическим свойствам для норм сейсмостойкого строительства, по нашему мнению, необходимо исходить из следующих соображений:
- категорийность площадки строительства по сейсмическим свойствам должна устанавливаться на основании количественных показателей динамических характеристик геологического разреза,
- степень усиления или понижения уровня сейсмического воздействия (величина ожидаемого ускорения грунта) должна зависеть как от категории грунта, так и от силы землетрясения,
- очертание спектра реакции (безразмерного динамического коэффициента) на грунтах разной категории должно быть разным.
Возникает естественный вопрос о числе категории грунтов. В принципе, чем на большее число категорий разделить грунтовые условия, тем большая возможность более дифференцированного учета их влияния. В нормах США по сейсмостойкому строительству их число равно 6. В нормах других стран их число 3 или 4. Для разделения грунтов на большое число категорий необходимо провести более детальные инженерно-геологические изыскания и сейсмологические исследования, что не всегда под силу проектным организациям. По-видимому, разделение на 4 категории можно считать наиболее оптимальным, подразумевал под ним: скальные, полускальные, рыхлые и мягкие грунты.
Задача определения категории груша существенно затрудняется особенно для неоднородных оснований, состоящих из нескольких пластов (слоев) с мощностью Hk, плотностью ρk и модулем сдвига Ck от самых твердых до самых мягких. Очевидно, что главную роль в передаче энергии сейсмических волн сооружению играет верхний слой грунта, на который опирается фундамент сооружения. С другой стороны, кинематические параметры верхнего слоя в свою очередь обусловлены физико-механическими и акустическими свойствами нижележащих слоев» Здесь возникает естественный вопрос: до какой глубины H разреза нижележащие слои грунта оказывают ощутимые влияния на амплитуду и период ускорения верхнего слоя. Как мы видели выше, для скальных грунтов значение H можно принимать в пределах 30-50 метров, а для аллювиальных грунтов до уровня коренных пород - от 10 до 300 и более метров. Поэтому, в качестве интегральной характеристики грунтов, для установления их категорийности по сейсмическим свойствам целесообразно принимать величину преобладающего периода T01, так как на ее формирование, как мы видели выше, влияют физикомеханические и мощностные характеристики всех слоев. Кроме того, известно, что при любом динамическом воздействии отношение периодов свободных и вынужденных колебаний играет решающую роль. При сейсмических воздействиях преобладающий период колебания грунта фактически это период вынужденных колебаний для надземных зданий и сооружений. В некоторых странах за характеристику категоричности неоднородных оснований принимают среднюю скорость поперечных волн vs по формуле (2.48), что фактически соответствует вышесказанному, учитывая связь между T01 и vs согласно формуле (2.47). Основное различие заключается лишь в том, что величина T01 в этом случае вычисляется приближенным способом.
Для однородных грунтов скальных оснований основную роль при определении их категорийности могут играть прочностные показатели грунта и мощность слоя, а для оснований из рыхлых пород - их консистенция, пористость, влажность и мощность слоя. В табл. 2.11 и 2.12 иллюстрированы приемы разделения однородных и неоднородных оснований по сейсмическим категориям, принятым в нормах по сейсмостойкому строительству Республики Армения в 2006 году. Для неоднородных оснований за расчетную категорию из двух вариантов по табл.2.12 (в зависимости от среднего значения скоростей распространения поперечных волн γs и преобладающего периода T01) принимается категория с большим порядковым номером.
Классификация грунтовых условий по сейсмическим свойствам
Классификация грунтовых условий по сейсмическим свойствам

Значение vs и T01 определяется теоретически или экспериментально в процессе проведения инженерно-геологических изысканий и сейсмологических исследований. При установлении значений vs и T01 по микросейсмам или в результате регистрации слабых взрывов за расчетные значения, из-за нелинейной работы грунтов, соответственно принимаются 0,77vs и 1.3Т01 от фактически измеренных значений vs и T01. Для скальных пород со скоростью поперечных волн vs больше чем 1500 м/сек любой однородный разрез с мощностью более чем 10 метров можно отнести к I категории. Верхний слой, на который опирается фундамент сооружения, должен иметь мощность не менее 5 метров, в противном случае этот слой целесообразно удалить.
Для грунтов IV категории достаточно наличие 10-метрового слоя от уровня подошвы фундамента. Тип фундамента, его конструктивные особенности и глубина заложения, а также изменения характеристик грунта в результате его закрепления на локальном участке не могут стать основой для изменения категории площадки строительства по сейсмическим свойствам.
Коэффициенты грунтовых условий. Влияние локальных грунтовых условий (категорийность грунта) на колебания земной поверхности при землетрясениях является конечным результатом сложного процесса сейсмического воздействия. При этом, в зависимости от категории грунта, уровень сейсмического воздействия может или существенно увеличиться, или, наоборот, - уменьшиться. Данные имеющихся инструментальных наблюдений показывают, что показатели изменения уровня сейсмического воздействия в зависимости от грунтовых условий разные при слабых и сильных землетрясениях. При этом качественные показатели отличия величин перемещений и ускорений грунта в зависимости от грунтовых условий также различны. Как правило, при одинаковом эпицентральном расстоянии максимальные перемещения грунта, в зависимости от грунтовых условий места регистрации, отличаются друг от друга в значительно большей степени, чем ускорения грунта. При слабых землетрясениях перемещения на рыхлых — аллювиальных породах могут в 10 и более раз превышать значения перемещений на скальных - плотных породах, тогда когда отношение ускорений на тех же грунтах редко превышает 2 раза. Такие явления наблюдались во время большого числа землетрясений и, в частности, во время умеренных автершоков Спитакского землетрясения 1988 года, результаты которых для четырех мест регистрации с разными грунтовыми условиями приведены в табл.3.6 главы 3. В некоторых случаях определенную роль в усилении или уменьшении сейсмического эффекта в зависимости от грунтовых условий играет эпицентральное расстояние и глубина очага. Один из наиболее обоснованных вариантов графического представления зависимости между ускорениями на скальных и рыхлых грунтах при землетрясениях разной интенсивности показан на рис. 2.36, заимствованный у Х.Б. Сида и И.М. Идрисса. На рисунке пунктиром показана рекомендуемая зависимость между ускорениями на участках со скальными и рыхлыми грунтами. Сплошными прямоугольниками показаны диапазоны реально зарегистрированных данных при двух известных землетрясениях: 1985 года в Мехико и 1989 года в Ломо Приета.
Классификация грунтовых условий по сейсмическим свойствам

Как видно из рисунка (по пунктирной кривой), при относительно слабых землетрясениях значения ускорения на рыхлых грунтах зарегистрированы в среднем до 2 раза больше, чем на скальных грунтовых участках; при сравнительно умеренных землетрясениях они почти равны, а при сильных землетрясениях происходит обратное явление - ускорение на скальных грунтах больше, чем на рыхлых.
Непосредственное воплощение аспектов учета влияния грунтовых условий при строительстве в сейсмических районах производится посредством национальных норм сейсмостойкого строительства. По нашему мнению, наиболее комплексный и дифференцированный учет факторов грунтовых условий рекомендуется нормами США. В табл. 2.13 приведены значения коэффициента Ca, на которое умножается значение горизонтальной сейсмической нагрузки в зависимости от категории грунта и сейсмической зоны для территории США.
Классификация грунтовых условий по сейсмическим свойствам

В табл. 2.13 коэффициент Z представляет собой отношение ожидаемого ускорения грунта данной зоны к ускорению свободного падения g, коэффициент Na - учитывает влияние активных разломов и очаговых зон на уровень сейсмического воздействия в зависимости от типа активного разлома и расстояния до строительной площадки от 2км до 15 км, Na принимается равным от 2.0 до 1,0 (см. табл. 2.21).
В нормах Республики Армения по сейсмостойкому строительству влияние грунтовых условий площадки строительства учитывается безразмерным коэффициентом грунтовых условий k0, на которое умножается ожидаемое ускорение грунта данной сейсмической зоны. Значения ко в зависимости от категории грунта и номера сейсмической зоны принимаются по табл. 2.14.
При проектировании особо ответственных зданий и сооружений (атомные и крупные гидроэлектростанции, большие плотины и водохранилища, большепролетные мосты и эстакады) возникает необходимость дополнительной информации о продолжительности интенсивных колебаний грунтов, величинах горизонтальных и вертикальных перемещений, преобладающих периодах и длине поверхностных поперечных волн для грунтов разной категории. В принципе чем сильнее землетрясение, тем долго оно длится.
Классификация грунтовых условий по сейсмическим свойствам

Ho продолжительность интенсивных колебаний грунта обусловлена также эпицентральным расстоянием. Eurocode 8 рекомендует следующие продолжительности интенсивных колебаний грунта для строительных площадок до 30 км от эпицентра в зависимости от ожидаемого ускорения грунта:
Классификация грунтовых условий по сейсмическим свойствам

Для максимальных, перемещений грунта у0max (в см) согласно тем же нормам Eurocode 8 предлагается формула:
Классификация грунтовых условий по сейсмическим свойствам

где k0 - коэффициент грунтовых условий (в частности, их значения можно принимать по табл.2.14), Td - принимается равным 3.0 сек, Т0 - преобладающий период грунта данной категории, значения которого в среднем можно принимать:
Классификация грунтовых условий по сейсмическим свойствам

Длина λ поверхностных поперечных сейсмических волн зависит от скорости и периода колебаний частиц грунта. Согласно CHPA11-6,02.2006, для λ рекомендуются следующие значения:
Классификация грунтовых условий по сейсмическим свойствам

С целью уменьшения влияния дополнительных крутильных колебаний рекомендуется длину (ширину) здания (отсека) принимать не более 0.25 λ. Значения продолжительности интенсивных сотрясений грунта преобладающих периодов и длин сейсмических волн можно использовать также при генерировании синтетических акселерограмм для данной строительной площадки.
Очертание спектров реакции. За последние годы накопился большой объем информации о геометрическом очертании спектра реакции, построенного но акселерограммам сильных землетрясений, зарегистрированных на грунтах с различными геологическими разрезами. O некоторых из таких спектров мы уже говорили выше; они были приведены на рис. 2.9.
В дополнение к приведенному на рис. 2,37 показаны нормализованные спектры реакции 20 сильных землетрясений, приписываемые к грунтам разных категорий для коэффициента затухания n=5%, заимствованные из работы.
Классификация грунтовых условий по сейсмическим свойствам

Аналитическое выражение динамического коэффициента P(T) (безразмерного отношения ускорения инертной массы линейного осциллятора с периодом T к ускорению грунта) в общем виде, для произвольного значения коэффициента затухания n, представляется:
Классификация грунтовых условий по сейсмическим свойствам

В нормативных документах по сейсмостойкому строительству очертания спектра реакции обычно подвергают существенным корректировкам и осреднениям (при n=5%) для облегчения их использования при проектировании обычных зданий и сооружений. В общем случае упрощенное очертание спектра реакции, принятое в нормах большинства стран в мире, представляется в виде трех отрезков: восходящей от 1 прямой, постоянной горизонтальной прямой и нисходящей более пологой кривой (рис. 2.38):
Классификация грунтовых условий по сейсмическим свойствам

Степень затухания и их различия, связанные с видом материала или конструктивной схемы сооружения в явном виде, не входит в (2.83). Для сооружении из материалов с низкой степенью (n≤5%) затухания (стальные конструкции) и меньшим разбросом прочностных характеристик и для сооружений из материалов с высокой степенью (n≥5%) затухания (железобетонные и каменные конструкции) и высоким разбросом прочностных показателей можно считать, что влияние этих факторов, с точки зрения обеспечения надежности расчета на сейсмостойкость, взаимно уравновешивается. Кроме того, для сооружений с периодом Т≥1,5сек и грунтов I и II категорий ординаты спектров реакции почти не зависят от уровня затухания. Более детальный учет влияния уровня затухания на ординаты спектров реакции по отношению к спектрам при n=5% можно произвести по следующей формуле:
Классификация грунтовых условий по сейсмическим свойствам

рекомендуемой французскими нормами по сейсмостойкому строительству для n от 2% до 30%.
При n=5 kз=1, ниже для различных п приведены значения kз;
Классификация грунтовых условий по сейсмическим свойствам

Весь вопрос заключается в оптимальном подборе количественных значений коэффициентов βmax, v, Ta и Ta, которые, по нашему мнению, в принципе должны быть одинаковыми для всех сейсмоактивных стран мира. В настоящее время в национальных нормах по сейсмостойкому строительству значения этих коэффициентов почти стабилизировались и отличаются друг от друга незначительно.
Классификация грунтовых условий по сейсмическим свойствам

Например, для грунтов II категории их значения находятся в следующих диапазонах:
Классификация грунтовых условий по сейсмическим свойствам

Согласно новой редакции норм Армении, эти коэффициенты имеют следующие значения:
βmax = 2.5 для всех категорий
Ta = 0.1, 0.2, 0.3 сек соответственно для грунтов I, II, III и IV категорий»
Tb = 0.4, 0.6, 0.8 сек соответственно для грунтов I, II, III и IV категорий,
v = 1,4/5,2/3 соответственно для грунтов I, II, III и IV категорий.
Соответствующие графические очертания спектров реакции показаны на рис.2.39.
В заключение несколько слов о нормах по сейсмостойкому строительству. В настоящее время в разных сейсмоактивных странах мира действуют разные национальные нормы проектирования, несмотря на то, что в основе всех норм лежат одни и те же явления природы: колебания грунтов при землетрясениях и реагирование различных сооружений на эти специфические возмущения. Сопоставление норм разных стран приводит к существенным их расхождениям как в количественном отношении, так и по тем предпосылкам, на основании которых они были разработаны. Такое положение нам кажется неестественным. По нашему мнению оно вызвано отсутствием полноценной взаимной информации между специалистами разных стран, особенно в период 1950-1970 годов, когда начались интенсивные научные исследования по разработке национальных норм по сейсмостойкому строительству. Оно является также следствием консервативности мышления и стремления к национальной престижности разработчиков национальных норм. Немалую роль здесь играли также экономические аспекты сейсмостойкого строительства и структура общественно-государственного строя данной страны. Конечно, нормы сейсмостойкого строительства должны учитывать локальные геолого-тектонические условия и фактическую статистику происшедших слабых и сильных землетрясений на территории данной страны, т.е., нормы всех стран мира в принципе должны отличаться только картами сейсмического районирования. Однако отражение в национальных нормах даже этих специфических особенностей не должно привести к столь большим расхождениям, которые имеют место в нормах более 50 сейсмоактивных стран мира.
В последние годы появились Нормы сейсмостойкого строительства отдельных регионов: Еврокод, ISO 3010, Нормы Балканских стран, стран СНГ. Все это свидетельствует о необходимости объединения усилий ученых и инженеров мира с целью разработки единых Норм и правил по сейсмостойкому строительству. Мы полагаем, что статистические наборы записей сильных и разрушительных землетрясений, накопленные во всех сейсмоактивных регионах мира за последние 50 лет, инженерный анализ последствий этих землетрясений, теоретические и экспериментальные исследования по сейсмическим воздействиям на здания и сооружения, а также мировой опыт сейсмостойкого строительства позволяют уже сейчас приступить к разработке таких международных норм по сейсмостойкому строительству.