» » О сейсмическом микрорайонировании, влияние многослойной поверхностной толщи

О сейсмическом микрорайонировании, влияние многослойной поверхностной толщи

16.08.2016

В сейсмостойком строительстве кроме карт общего сейсмического районирования (зонирования), о которых шла речь в первой части настоящей работы, пользуются также так называемыми картами сейсмического микрорайонирования. Они получили большое распространение в основном в бывшем Советском Союзе. Что из себя представляют эти карты. При разработке проектов архитектурнопланировочных решений территорий для новых населенных пунктов или при освоении еще незастроенных территорий городов, а также в стадии подготовки технико-экономических обоснований строительства крупных производственных комплексов (в состав которых входят десятки отдельных объектов) возникает естественная необходимость заранее выделить, в общей, подлежащей застройке территории отдельные зоны, имеющие разные, с точки зрения сейсмической опасности, уровни. Схематическое изображение территории, разделенной на такие зоны - это и есть карта сейсмического микрорайонирования данной территории. Как было отмечено выше, уровень сейсмического воздействия обусловлен структурой геологического разреза основания сооружения, поэтому эти карты в основном должны отражать особенности акустических и физикомеханических характеристик пород слоев выделенных микрозон, которые в той или иной степени могут повышать или понижать уровень сейсмического воздействия, предусмотренный картой общего сейсмического районирования для данного населенного пункта. К составлению таких карт сейсмического микрорайонирования в 40-60-х годах прошлого столетия стремились их инициаторы В.О. Цшохер, С.В. Медведев, А.Г. Назаров, Ш.Г. Напетваридзе, И.А. Гзелишвили, А.К. Сафарян, Н.В. Шебалин и др. Карты сейсмического микрорайонирования ряда крупных городов бывшего СССР - Петропавловск-на-Камчатке, Фрунзе, Алма-Аты, Ашхабада, были составлены под руководством С.В. Медведева. Карты влияния грунтовых условий были составлены также для городов Сан-Франциско, Токио, Тбилиси, Еревана, Ташкента, Душанбе и многих других крупных городов. Первоначальные принципы составления карт сейсмического микрорайонирования были разработаны при отсутствии полноценных инструментальных регистраций параметров колебаний различных грунтов при сильных землетрясениях. Были предложены некоторые упрощенные схемы учета влияния местных геологических условий, применением которых рассчитывались количественные показатели приращения (в сторону увеличения или уменьшения) уровня сейсмической опасности на общей карге сейсмического районирования (исходная сейсмичность). Так как на картах общего сейсмического районирования уровень исходной сейсмической опасности оценивался целыми баллами, то и на картах сейсмического микрорайонирования приращения также указывались целыми единицами балла, округляя их от 0 или до ±1. Таким образом, такой способ учета влияния местных грунтовых условий приводил к увеличению или уменьшению уровня сейсмического воздействия минимально в 2 раза и максимально в 4 раза, так как уровень сейсмического воздействия при переходе от одного балла к следующему изменяется в два раза. В действительности, как мы уже неоднократно отмечали выше, при реальных умеренных и сильных землетрясениях такие различия инструментально не регистрируются. То, что грунтовые условия оказывают существенное влияние на колебания на поверхности Земли и на поведение здания, неоспоримо и неоднократно наблюдалось при сильных землетрясениях. И не случайно, что в нормах по сейсмостойкому строительству всех стран имеются специальные коэффициенты грунтовых условий. Для США и PA они были приведены в табл. 2.13 и 2.14, В действительности, сущность сейсмического микрорайонирования — это учет влияния локальных грунтовых условий на усиление или уменьшение сейсмического воздействия на поверхности Земли, о котором подробно остановились в предыдущем параграфе.
С целью выявления более четкой сущности сейсмического микрорайонирования еще раз остановимся на задаче о роли приповерхностной толщи на формирование колебательного процесса на поверхности Земли в более общей постановке.
И так, предположим, что для некоторой небольшой территории данной сейсмической зоны требуется составить карту сейсмического микрорайонирования по вышеописанным принципам. Будем считать, что в результате геотехнических и геофизических изучений получены все инженерно-геологические и физико-механические параметры геологических разрезов исследуемой территории. Естественно, что эти данные позволят составить литологическую колонку для любого вертикального разреза типа, рассмотренного выше в 2.5. В первом приближении примем, что все плоскости колонки имеют горизонтальную направленность. По аналогии с однослойным вариантом в качестве расчетной примем доказанную на рис, 2.43 схему, где для упрощения вычислительных операций в отличие от схемы 2.40 для каждого слоя начало координат принято на его верхней плоскости.
Допустим, что из коренных пород в сторону расположения слоев под прямым углом распространяется произвольная поперечная волна f(t).
Волну, проникающую из слоя i+1 в i-ый слой, обозначим через Uif(t), а волну (отраженную), проникающую из i-1 в i-ый слой, через Dif(t), где Ui и Di пока неизвестные коэффициенты. Перемещения слоев будут обусловлены падающими и отраженными волнами и выражаться уравнениями:
О сейсмическом микрорайонировании, влияние многослойной поверхностной толщи

На плоскостях раздела соседних слоев при xi=0 в силу непрерывности среды должны удовлетворяться еще 2n-2 условий равенства перемещений и касательных напряжений:
О сейсмическом микрорайонировании, влияние многослойной поверхностной толщи

И наконец, на уровне коренных пород величина перемещения будет обусловлена только падающей волной f(t) и отраженной от границы нижнего слоя волной Dn+1f(t), в результате чего получим еще одно равенство в виде:
О сейсмическом микрорайонировании, влияние многослойной поверхностной толщи

Из полученных уравнений (2411)-(2414) получаются следующие выражения для коэффициентов Di и Ui волн:
О сейсмическом микрорайонировании, влияние многослойной поверхностной толщи

В обозначениях коэффициенты α0, β0 и α0 и β0 выражают следующие физические свойства:
α0,i-1,i = коэффициент отражения от нижней границы плоскости раздела,
β0,i,i+1 - коэффициент передачи от нижнего слоя к верхнему слою по плоскости раздела,
αi0,i+1 - коэффициент отражения от верхней границы плоскости раздела,
βi-1,i - коэффициент передачи от верхнего слоя к нижнему слою по плоскости раздела.
Полученные решения (2.115)-(2.117) позволяют при произвольной падающей от коренных пород волны f(t) и известных параметрах слоев ρi, Gi, vi,Hi вычислить величины перемещений скоростей и ускорений на уровне поверхности Земли u1(x,t), u1'(x,t) и u1''(x,t), а также на уровнях всех слоев ui(x,t), ui'(x,t) и ui''(x,t). А это позволит ответить на главный вопрос задачи сейсмического микрорайонирования - какое влияние оказывают физико-механические и акустические характеристики всех слоев приповерхностной толщи на величину параметров колебаний на поверхности Земли.
Решение задачи с практической точки зрения значительно упростится, если в качестве падающей волны f(t) принимать гармоническую волну с единичной амплитудой, как это было принято в случае двухслойного основания, т.е. принимать
О сейсмическом микрорайонировании, влияние многослойной поверхностной толщи

где T - период падающей волны, р=1/Т - ее частота. Давая периоду T разные значения (0.05-3.0 сек) для данной многослойной приповерхностной толщи, можно получить соответствующие коэффициенты отклика на поверхности Земли R(T) = u1max/fmax. Для сравнительного анализа Tmax принимается равным 2, так как при однородной среде амплитуда падающей волны на поверхности Земли удваиваются. По всей вероятности, наибольшие значения R(Т) окажутся для тех значений T, которые совпадают с периодами свободных колебаний T01, Т02, Т03 приповерхностного слоя, т.е. при наличии резонансных явлений в приповерхностной толще.
Для установления параметров любого геологического разреза (колонки) территории, подлежащей микрорайонированию, потребуется большой объем изыскательных работ и средств, поэтому целесообразно установить такие параметры для таких разрезов, которые имеют на поверхности Земли однотипные обнаженные породы (первый слой) независимо от их мощности.
Обычно обнаженные на поверхности Земли породы подразделяются на четыре основных типа: скальные, полускальные, рыхлые и мягкие. При этом на подлежащей микрорайонированию территории могут встречаться различные варианты геологического разреза. Например, для участков со скальными обнажениями мощность скального слоя и структура нижних напластований могут быть разными. В общем случае на территории, подлежащей микрорайонированию, могут встречаться с верхним скальным слоем п-ое количество разных разрезов, а с верхним рыхлым слоем - m разных разрезов* Располагая параметрами всех разрезов данного типа, по описываемой выше методике, строятся зависимости R(T) для каждого разреза, производится их осреднение, в результате получаем одну расчетную зависимость R(T) для данного типа стройплощадки. Таким образом, в итоге для территории, подлежащей микрорайонированию получим четыре графические зависимости R(T) (спектры) для стройплощадок со скальными, полускальными, рыхлыми и мягкими обнаженными породами на поверхности Земли. Напомним, что T - здесь период в секундах падающей от нижних коренных пород гармонической волны с единичной амплитудой, поэтому значение R(T) в действительности будет коэффициентом локального усиления или понижения уровня сейсмического воздействия (ускорение грунта), принятого на общей карте сейсмического районирования. Преимущество этого способа заключается в том, что он позволяет в результате микрорайонирования данной территории не только определить степень изменения уровня сейсмической опасности в локальной стройплощадке, но и определить действительный уровень сейсмического воздействия на здания и сооружения с различными периодами собственных колебаний, которые предусматриваются возвести на этой площадке. Это вытекает из характера спектров R(T) отклика (реакции) грунтов. Te значения Т, при которых на спектрах прослеживаются наибольшее или наименьшее значения ординат R, одновременно будут означать, что здания и сооружения с такими же значениями периодов собственных колебаний будут подвергаться наибольшему или наименьшему уровню сейсмического воздействия. Таким образом, осуществленное по вышеизложенной методике микрорайонирование территории (городов, крупных промузлов и электростанций) не только ответит на основной вопрос — для каких локальных стройплощадок имеет место усиление или понижение уровня сейсмической опасности, но на новый не менее важный вопрос - на данной стройплощадке, какие здания и сооружения целесообразно возвести с точки зрения обеспечения наиболее благоприятных условий для их сейсмостойкости. А это, с нашей точки зрения, наиважнейшая задача сейсмостойкого строительства.
О сейсмическом микрорайонировании, влияние многослойной поверхностной толщи

В качестве примера ниже приводятся результаты исследований по микрорайонированию территории города Сан Франциско, проведенные группой авторов в составе Жака Боатвричта, Линды Синкинга и Мануела Бониллы в 1995 году после Ломо-Приетского землетрясения. Грунты всей территории города размерами 14x12 километров, показанной на рис.2.44 (масштаб 1:24000), были разделены на четыре основные группы по обнаженным на поверхности Земли породами:
I. Коренные скальные породы (Franciscan bedroch);
II. Серпентиниты (Serpentinite);
III. Пески, разнообразные (Miscellaneos sands);
IV. Во до насыщенные глины и насыпные отложения (Bay mud and fill).
На всей территории были выделены 8 разрезов по I группе, 2 разреза по II, 8 по III и 10 разрезов по IV группам грунтов. Мощности слоев в группах III и IV оказались небольшими - меньше чем 4 метра, мощность коренных пород были до 30 метров. Для всех 28 разрезов были построены спектры реакции (response) R(p) (р=1/Т - частота колебания), а потом их распределили по группам I-IV. Для каждой группы значения R(p) были определены исходя из количества разрезов по группам (8, 2, 8, 10). Окончательные результаты показаны на графиках 2.45, причем оси R и p приведены по логарифмической шкале. Безразмерные значения R изменяются от 0.3 до 10 раз, а значения р - от 0.3 герц до 10 герц (для периода T соответственно от 3.3 сек до 0.1 сек). На графиках R(p) штрихованные площади показывают пределы изменения значений R для фиксированного значения р. На оси р на графиках указаны пределы собственных частот двухэтажных, четырехэтажных и десятиэтажных зданий:
для 2-этажных зданий 2.9+5.4 герц (0.34+0.18сек),
для 4-этажных зданий 1.4+2.9 герц (0,7+0.34сек),
для 10-этажных зданий 0.78+1.4 герц (1.28+0.7сек),
которые позволяют оценить степень усиления или понижения уровня сейсмического воздействия на здания, возведенные на грунтах этой группы. Как видно из графиков, для всех трех видов зданий (3-, 4-, 10-этажных), возведенных на грунтах I категории, значения коэффициентов R почти равны 1 и изменяются в узком диапазоне от 0.8 до 1.1.
О сейсмическом микрорайонировании, влияние многослойной поверхностной толщи
О сейсмическом микрорайонировании, влияние многослойной поверхностной толщи

А для этих же зданий, возведенных на грунтах IV типа, значения R сильно отличаются друг от друга, достигая для 10-этажного здания от 3.2 раза до 8.5 раза. Это значит, что на грунтах IV типа 10-этажные здания будут подвергаться от 3.2 до 8.5 раза большему сейсмическому воздействию, чем если бы они были бы возведены на грунтах I типа.
Анализ всех спектров R(p) показывает, что для данной территории (территории города Сан Франциско) на грунтах I типа все здания (по этажности и жесткости), с точки зрения их сейсмостойкости, находятся в благоприятных условиях.
На грунтах II типа в наиболее благоприятных условиях находятся здания, имеющие собственную частоту больше чем 4 герца; здания с собственной частотой меньше чем I герц на этих грунтах также не будут подвергаться большим сейсмическим воздействиям.
Грунты III типа предпочтительны для возведения зданий с собственной частотой меньше I герца (здания этажностью 10 и более). И наконец, все здания и сооружения,, возведенные на грунтах IV типа, во время землетрясений будут подвергаться дополнительным большим сейсмическим возведениям. По мнению авторов этих исследований Ж. Боатвричта, Л. Сникинга и М. Бониллы уровни повреждений зданий, возведенных на территории города Сан Франциско, во время Лома Приетского землетрясения 17 октября 1989 года в основном соответствовали вышеприведенным выводам.