CC BY
33
УДК: 550.343.4 DOI: 10.19110/2221-1381-2018-11-12-21
АКСЕЛЕРОГРАММЫ СИЛЬНЫХ ДВИЖЕНИЙ ДЛЯ СЫКТЫВКАРА
В. А. Лютоев
Институт геологии Коми НЦ УрО РАН, Сыктывкар
VALutoev@geo.komisc.ru
Несмотря на относительно слабую сейсмичность территории Республики Коми, южная ее часть, включая Сыктывкар, на карте общего сейсмического районирования (ОСР-97 С) отнесена к шестибалльной сейсмической зоне. Исторически известно, что в 1939 г. в зоне сочленения Сысольского свода и Кировско-Кажимского авлакогена произошло семибалльное землетрясение, получившее название Сысольского. Это дает нам право утверждать, что и в будущем возможно повторение подобного сейсмического события. Наибольшее число землетрясений произошло в Кировско-Кажимской сейсмоген-ной зоне,что подтверждается инструментальными записями сейсмограмм. Важным моментом является то,что в пределах Сыктывкара находится крупное промышленное лесохимическое предприятие, которое по статусу экологической опасности относится к особо ответственным объектам (ООО). Поэтому обеспечение безопасности функционирования данного предприятия обязывает проводить детальное сейсмическое районирование (ДСР) и микросейсмическое районирование (СМР), по результатам которых можно определить параметры предельно допустимого сейсмического воздействия на подстилающие грунты геологического разреза. В соответствии с этим мы придерживались следующего алгоритма решения поставленных задач:
— проводилась двухуровневая оценка сейсмических воздействий максимального расчетного землетрясения (МРЗ), при котором возможно превышение расчетной сейсмической опасности 0.5 % в течение 50 лет, и проектного землетрясения (ПЗ), где вероятность превышения расчетной сейсмической опасности может достичь 1 % в течение 50 лет (масштаб 1 : 2 500 000 — 1 : 1 000 000);
— определялась совокупность вероятностных сейсмических воздействий на важнейшие промышленные объекты (масштаб 1 : 500 000 — 1 : 200 000);
— проводилась количественная оценка влияния инженерно-геологических условий на исходную сейсмичность (масштаб 1 : 25 000 — 1 : 5 000).
Таким образом, основная цель данной работы — получение исходных параметров, соответствующих сильным движениям грунтов при наиболее неблагоприятных условиях, когда скальные грунты перекрыты мощными четвертичными отложениями: II и III (IV) категориями грунтов.
Ключевые слова: землетрясение, сейсмодинамическое воздействие, категория грунтов, пиковое ускорение, дила-тансия, упругое состояние, спектры реакции, акселерограмма, районирование.
BASIS OF SEISMIC MICRDUNDATIDN FOR SYKTYVKAR
V. A. Lytoev
institute of Geology Komi SC UD RAS, Syktyvkar
Despite the relatively weak seismicity of the Komi Republic, its southern part, including Syktyvkar, is referred to a six-point seismic zone on a map of general seismic zoning (GSZ-97 C). It is historically known that in 1939 a seven-point earthquake occurred in the junction zone of the Sysolsky arch and the Kirov-Kazhim aulakogen, which was called the Sysolsky earthquake. This gives us the right to assert that in the future a similar seismic event can be repeated. The greatest number of earthquakes occurred in the Kirov-Kazhim seismogenic zone, which is confirmed by instrumental records of seismograms. An important point is that within the city of Syktyvkar there is a large industrial wood chemical plant, which, according to the status of environmental hazard, belongs to the most critical objects (EIO). Therefore, ensuring the safety of the operation of this enterprise requires detailed seismic zoning (DSZ) and microseismic zoning (SMZ), which can determine the parameters of the ultimate seismic effect on the underlying geological section. In accordance with this, we adhered to the following algorithm for solving the problems posed:
— a two-level assessment of the seismic effects of the maximum estimated earthquake (MEE), which may exceed the estimated seismic hazard of 0.5 % for 50 years and a projected earthquake (DE), where the probability of exceeding the estimated seismic hazard can reach 1 % for 50 years (scale 1 : 2 500 000 — 1 : 1 000 000);
— the set of probabilistic expected seismic impacts on the most important national economic objects was determined (scale 1 : 500 000 — 1 : 200 000);
— Quantitative assessment of the effect of engineering-geological conditions on the initial seismicity was carried out (scale 1 : 25 000 — 1: 5 000).
Thus, the main goal of this work is to obtain initial parameters corresponding to strong soil motions for the most unfavorable conditions, when rocky soils are covered by thick Quaternary deposits of the second and third (fourth) soil categories.
Keywords: earthquake, seismodynamic impact, soil category, peak acceleration, dilatancy, elastic state, reaction spectra, accelerogram, zoning.
Введение
В тектоническом плане Сыктывкар расположен на окраине Сысольского свода, с севера граничит с Вычегодским прогибом, с востока — с Кировско-Кажимским авлакогеном. В зоне сочленения этих геологических структур повсеместно распространены мощные рыхлые отложения. Исторические све-
дения о произошедших здесь землетрясениях до недавнего времени были весьма скудными. С открытием сейсмической станции «Сыктывкар» в 1997 г. резко изменилась общая сейсмическая картина Республики Коми. Станция ежедневно регистрировала удаленные землетрясения и местные микросейсмические события, не всегда ясного происхож-
дения. Раз в два-три года фиксировала близкие землетрясения и один раз в несколько лет — местные сейсмические толчки.
За последние полтора десятка лет в нашей стране существенно изменились требования к проведению сейсмического микрорайонирования: если раньше учитывалось приращение балльности в десятиметровой грунтовой толще, то в настоящее время эта глубина увеличена до тридцати метров. Для особо ответственных объектов, независимо от мощности рыхлых отложений, требуется проводить расчеты уже до глубин скальных горизонтов [12]. Следует обратить внимание, что специалисты «большой» и инженерной сейсмологии дают различные оценки сейсмодинами-ческим процессам. Первые рассматривают этот процесс с точки зрения упругих деформаций, вторые — с позиции разрушения горных пород [4]. Таким образом, эти два подхода, отличающиеся между собой способом описания энергетических уровней колебаний в условиях количественно-качественных изменений акустического состояния среды, представить одной сейсмической моделью вряд ли возможно. Когда целостность горных пород под воздействиемсейсми-ческой волны от землетрясения не нарушается, задача определения приращения балльности при микросейсмическом районировании вполне решаема с помощью общепринятых уравнений инженерной сейсмологии.
Для определения интервала резонансных частот в грунтовых толщах на начальном этапе был зарегистрирован общий фон микросейсм. Далее с помощью импульсного источника возбуждения были инициированы в них сейсмические колебания с последующей регистрацией их амплитудно-частотных составляющих. В результате амплитуда спектра реакции этих грунтов на определенных участках частот резко-возрастала по отношению к фоновому. Вместе с тем были выполнены опытные работы по выяснению декрементов затухания в различных грунтах. При этом было замечено, что с увеличением расстояния резонансная частота снижается, что говорит опостепен-ном затухании высокочастотных колебаний. Однако одновременно с этим проникающая способность уже более низкочастотных волн усиливается, а способность к отражению уменьшается. В горизонтально-слоистых разрезах с коэффициентом Пуассона, близким к 0.5, волны Рэлея могут рассеиваться и образовывать дополнительные вертикально направленные Р- и SV-волны [10], которые могут участвовать в формировании резонанса в верхней части разреза рыхлых отложений, воздействуя большей амплитудой колебания снизу на дневную поверхность, усиливая общую величину приращения балльности на грунтах основания фундамента.
Аппаратурное обеспечение
Аппаратурное обеспечение для сейсмических исследований включает:
1. Цифровую сейсмическую станцию SDAS. Она позволяет регистрировать местные и близкие землетрясения. Состоит из блока сбора и сейсмического канала с привязкой точного времени по GPS; сейсмические события фиксируются сейсмометрами СМ3-
КВЭ, ориентированными по направлениям (N-8, Б-М, 2), диапазон частот — 0.5—40 Гц.
2. Инженерную цифровую сейсмическую станцию 2е1 048-с в скважинном исполнении. Она предназначена для получения акселерограмм и спектрограмм, позволяет осуществлять привязку к местности по ОР8, проводить без демонтажа поверку сейсмо-приемника ВС-1313, встроенного в станцию с трехосной измерительной системой (Х, У, 2), диапазон частот — 0.3—400 Гц.
3. Низкочастотную компьютизированную электроразведочную станцию «Электротест-С/и8В». Она предназначена для получения геоэлектрического разреза, способна работать в условиях промышленных помех и сложных заземлений.
Сейсмологические
и сейсмотектонические сведения
Ввиду того, что сейсмическая станция в Сыктывкаре была запущена сравнительно недавно (1996 г.), график повторяемости местных сейсмических событий как рассеянной, так и сосредоточенной сейсмичности слабоинформативен. Однако с использованием этих статистических данных и моделей зон ВОЗ ОСР-97 (А, В, С, Б) был рассчитан график повторяемости землетрясений I = ДТ) (рис. 1), который, по нашему мнению, допустим для района исследований. Полученное уравнение выглядит следующим образом: I (балл) = 1.31§Т + 2.3 ± 0.2, где Т — временной период землетрясений в годах.
Энергетические величины — магнитуда и класс землетрясения — не являются полностью независимыми и связаны между собой корреляционными соотношениями. Чаще всего используется следующая эмпирическая зависимость [7]:
К = 4 + 1.8МЬ , где К — энергетический класс,
— локальная магнитуда землетрясения:
1) при Мь = 4.7, К = 12.46 — энергетический класс детерминистского землетрясения,
2) при Мь = 4.2, К = 11.56 — энергетический класс максимального проектного землетрясения.
Границами Кировско-Кажимского авлакоге-на являются крупноамплитудные разрывные нарушения, проникающие в глубокие слои земной коры. Здесь отмечается повышенная плотность разломной сети, которая представляет собой систему ступенеобразных сбросов, местами осложненных сдвигами. Максимальная ширина плейстосейстовых зон определена из расчетов, проведенных по данным семибалльного Сысольского землетрясения [2, 16]. В границах Республики Коми протяженность этой сейсмогенной зоны достигает 280 км, ширина — 25 км в семибалльной плейстосейстовой области, а вместе с шестибалльной зоной может доходить до 70 км. Внутри этой зоны в настоящее время известны эпицентры землетрясений: М8 = 4.7, 1939 г.; М8 = 2.6, 2002 г.; М8 = 3.3, 2004 г.; М8 = 3.3, 2008 г.; М8 = 2.8, 2011 г. [8, 11].
Для выяснения степени активности разлома в современное время, когда разломы перекрыты мощными четвертичными отложениями, были опробованы сейсмические измерения амплитудно-частотных составляющих спектральной плотности (м/с2/с) и спектральной мощности (м/с2/Гц1/2) с привлечением дан-13
ных объемной концентрации радона в зоне разломов. В результате измерений было выявлено, что в разлом-ной зоне по отношению к неразломной наблюдается заметное увеличение тренда амплитудного уровня микросейсм в высокочастотной области спектра колебаний с одновременным существенным повышением ЭРОА радона-222 (Бк/м3) по отношению к фоновым значениям. Местоположения самих разломов были определены еще ранее сейсморазведочными и аэросъемочными работами и вынесены на структурно-тектоническую карту фундамента Тимано-Североуральского региона и прилегающих районов Русской плиты [5]. Глубины очагов землетрясений, по инструментальным данным, варьируют от 10 до 14 км. При определении прочностных характеристик в сейсмоструктурных этажах были получены вероятные глубины инициации ВОЗ для Волго-Уральской антеклизы: Сысольский свод — 13 и 27 км, Кировско-Кажимский авлакоген — 14 и 28 км [9].
Для уточнения исходной сейсмичности Сыктывкара были выбраны ближайшие активные разрывы, способные генерировать максимальную силу сотрясений в разломах Кировско-Кажимского авлакоге-на с кинематикой развития очага — сбросом. Ближе всего к городу находится его левое ответвление — 6—7 км. По сейсмологическим и сейсмотектоническим данным эта зона способна инициировать землетрясение магнитудой 4.7 единиц с глубиной очага — 10—14 км (расчеты выполнены для него).
Инженерно-геологические
и сейсмические свойства грунтов
Четвертичные отложения Сыктывкара залегают на триасе и юре, причем основная часть — на породах нижнего триаса и только к востоку и юго-востоку — на породах средней и верхней юры. В их составе выделены неоплейстоценовые и голоценовые отложения. В разрезе неоплейстоцена прослеживаются два ледниковых горизонта: вычегодский и печорский, отличающиеся положением в разрезе и инженерно-геологическими показателями. Верхняя часть неоплейстоцена сложена аллювиальными (озерно-аллюви-альными) отложениями II и III надпойменных террас рек Вычегды и Сысолы. Разрез голоцена представлен аллювиальными отложениями пойм и первых надпойменных террас рек, отложениями долин мелких водотоков и болот. Сложены четвертичные отложения суглинками и глинами с обводненными прослоями супесей и песков, встречаются включения гальки различных пород. Мощность четвертичных отложений варьирует от 20 до 80 и более метров [1]. Проявление сейсмической интесивности зависит от сейсмических свойств грунтов, в связи с чем подразделяем их по категориям:
I категория — пермские и юрские отложения: глины и алевролиты, песчаники и аргиллиты. Интенсивность уменьшается на 1 балл;
II категория — четвертичные отложения: пески гравелитистые крупные и средние; плотные пылева-тые глинистые грунты с показателем консистенции I < 0.2 и коэффициентом пористости Кп < 0.9; глины и суглинки с коэффициентом Кп < 0.7, супеси сцементированные. Интенсивность не меняется;
III категория — четвертичные отложения: пески рыхлые маловлажные, влажные и водонасыщенные; глинистые грунты с показателем консистенции I > 0.5; глинистые грунты с показателем консистенции I < 0.5 при коэффициенте пористости Кп > 0.9 для глин и суглинков и Кп > 0.7, для супесей. Интенсивность увеличивается на 1 балл.
IV категория — «слабые грунты»: пески рыхлые, склонные к разжижению, плывуны, мягкопластичные глины, биогенные грунты, илы. Интенсивность устанавливается по результатам специальных исследований.
Оценка резонансных свойств грунтов
на основе СМР
Электроразведочным методом ВЭЗ были определены геоэлектрические параметры грунтовых толщ. Параметрические скважины позволили наполнить их литологическим содержанием и определить водонасыщенные горизонты. Скальные грунты (песчаники, сланцы) изучались на карьерах в местах их выхода.
Для инициирования поперечных волн в рыхлых грунтах использовался груз массой 32 кг, падающий с высоты 1.5 м и несущий с собой энергию удара 339 Дж. Удар наносился по доске, забитой в землю под углом 45° на глубину 0.5 м по отношению к земной поверхности. Для скальных грунтов выбирались площадки, которые позволяли наносить удары сбоку. При этом возбуждались поперечные волны типа SH с поляризацией, перпендикулярной плоскости профиля, благодаря чему интенсивность поверхностных волн Рэлея оказалась гораздо ниже, чем при вертикальных ударах. Так как скорости распространения поперечных волн в 1,7 раза меньше скорости продольных волн, то поперечные волны от одних и тех же сейсмических границ приходят чуть позже, чем продольные волны. Таким образом, в рамках исследований СМР импульсным способом возбуждения сейсмических колебаний для различных грунтов были получены массивы акселерограмм и спектров реакции, часть из которых приведена здесь [рис. 1, а—d и таблица].
Испытания в однородных грунтах при равной силе ударного воздействия показали следующее:
— в песчаниках фиксировались относительно высокие частоты — 4—6 Гц. Пиковая амплитуда спектра ускорения поперечных волн достигала 0.004709 м/с2 на частоте 4.55 Гц (период 0.22 с), спад сотрясений до фонового уровня — 0.35 с, что говорит о высокой добротности скального грунта;
— в суглинках фиксировались относительно низкие частоты — 0.7—0.93 Гц. Пиковая амплитуда спектра ускорения поперечных волн достигала 0.014702 м/с2 на частоте 0.75 Гц (период 1.3 с), спад сотрясений до фонового уровня — 0.65 с, что говорит о низкой добротности пластичного грунта;
— в песках по отношению к песчаникам фиксировались средние частоты — 0.81—1.32 Гц. Пиковая амплитуда спектра ускорения поперечных волн достигала 0.0192 м/с2 на частоте 1.32 Гц (период 0.76 с), спад сотрясений до фонового уровня — 0.55 с, что говорит о средней добротности зернистого грунта;
Рис. 1. Сравнение акселерограмм и спектров реакции в условиях равной силы возбуждения для S-волн: а) скальный грунт,
b) пластичный грунт, с) зернистый грунт, d) многослойный грунт
Fig. 1. Comparison of accelerograms and reaction spectra under conditions of equal excitation force for S-waves: a) rocky soil, b) plastic
soil, c) granular soil, d) multilayer soil
Примечание: здесь приведены акселерограммы и спектрограммы только для S-волн, P-волны при данной магнитуде землетрясения существенно уступают в плане разрушений.
Резонансные частоты в однородном разрезе М > 30 м (скальный, пластичный, зернистый) и диапазон частот
в разнородном многослойном разрезе
Resonance frequencies in a homogeneous section section M > 30 m (rocky, ductile, granular) and frequency range
in a heterogeneous multilayered section
Энергия удара 480 J / Impact energy 480 J
I. Однослойный разрез < 30 m (выборка из 6 точек наблюдений)
Single layer section < 30 m (sampling from 6 observation points)
№ п/п Литология / Lithology F0a, HZ ^ Hz T0s, s PGA, m/s2
1 Песчаник I кат. / Sandstone I cat. 181—217 4.6—5.5 0.22—0.18 0.0039—0.0052
2 Суглинок II кат. / Clay loam II cat. 28.1—36.7 0.7—0.93 1.4—1.1 0.0124—0.0168
3 Песок III кат. / Sand III cat. 31.8—52.2 0.8—1.32 1.2—0.76 0.0134—0.0252
II. Многослойный разрез < 30 m (выборка из 12 точек наблюдений)
Multilayer section < 30 m (sampling from 12 observation points)
4 Преобл. грунты II кат. / Dominated soils II cat. 22.0—65.0 0.48—1.8 2.1—0.69 0.0117—0.0296
5 Преобл. грунты III кат. / Dominated soils III cat. 28.3—99.6 0.72—2.6 1.4—0.38 0.00323—0.008
Примечание: F0a — резонансная частота грунта по амплитуде ускорения S-волны; F0s — резонансная частота грунта по амплитуде смещения S-волны; T0s — преобладающий период колебаний грунта по амплитуде смещения S-волны, PGA — пиковое ускорение грунта.
Note: F0a — is the resonance frequency of the soil in terms of the amplitude of the acceleration S of the wave; F0s — is the resonance frequency of the ground in amplitude with respect to the amplitude of the displacement S of the wave; Tos is the predominant period of soil oscillations in the amplitude of the displacement S of the wave, PGA is the peak acceleration of the soil.
— в многослойных разрезах частотные составляющие сейсмических колебаний имели следующие трендовые изменения: если разрезы представлялись в средневзвешенном исчислении с более высокой добротностью, то периоды колебаний такого рода грунтов уменьшались, в менее плотных — увеличивались, а их амплитуды вели себя в обратной зависимости;
— грунты с более низкой добротностью имели большую ширину спектра колебаний, с высокой — меньшую, их амплитуды также вели себя в обратной зависимости;
— глубина грунтовых вод существенно влияла на амплитуду регистрируемого спектра: при близком их стоянии к дневной поверхности амплитуда колебаний существенно возрастала.
В целом ударно-динамические испытания грунтов показали, что в грунтах первой, в меньшей степени второй категории лучшим образом могут сохраняться первоначальные сейсмические параметры, отвечающие закону линейной функциональной зависимости энергии расхождения. В грунтах третьей категории такая зависимость может сохраняться только при бо-
лее слабом ударном воздействии. В связи с этим для третьей категории грунтов превалирующая роль в инженерно-сейсмических исследованиях должна отводиться изучению их дилатансионных свойств.
Расчеты параметров максимального
сейсмического воздействия
Здесь представлены оценочные вычисления основных параметров сейсмических воздействий для местных исходных условий в рамках эмпирических соотношений, принятых в национальных стандартах России [6, 13-15]:
1. Диапазоны изменений PGA в зависимости от расстояния и категорий грунта определяются тремя зонами затухания сейсмического воздействия:
— в очаговой зоне PGA для сброса PGAg = 5 м/с2;
— граница между очагом и ближней зоной составляет: lgRG_6 = 1.1 км; в ближней зоне, где R = 6.5 км, PGA6 равна 2.05 м/с2, или 0.205g;
— граница между ближней и дальней зонами находится на расстоянии lgR^ = 8.7 км; тогда PGAÖ^ на этой границе равно 1.7 м/с2при любых условиях;
— величина PGA^ дальней зоне в зависимости от категории грунта равна:
I категория — PGA^ = 1.17 м/с2, или 0.12g, тогда PGV^ « 0.11 м/с, PGDä1 « 0.032 м;
II категория — PGA^ = 1.74 м/с2, или 0.17g, тогда PGV^ « 0.18 м/с, PGDä2 « 0.06 м;
III категория — PGA^ = 2.57 м/с2, или 0.26g (скачок PGA связан с увеличением общей продолжительности колебаний в грунтах III категории), тогда PGV^ « 0.28 м/с, PGD^ « 0.12 м.
2. Преобладающий период колебаний Т0 и резонансная частота F0 для дальней зоны составляют: Т = = (0.13 ± 0.20) с; Т1 = 0.33 с или F1 = 3.03 Гц; учитывая 67 % доверительный интервал, продлим частотный интервал в сторону низкочастотной части для горизонтальной компоненты, тогда предельное значение будет: Т2 = 0.13 + 0.087 = 0.217 « 0.22 с или F2 = 4.55 Гц, соответственно, 0.22 < Т0 <0.33 с и 3.03 < F0 < 4.55 Гц.
3. Ширина импульса т в дальней зоне по категории грунтов соответствует: для грунтов I категории т1 = = 1.08 с; для грунтов II категории т2 = 1.5 с; для грунтов III категории т3 = 3.9 с.
4. Общая продолжительность колебаний примерно в 5 раз превышает ширину импульса, тогда: для грунтов I категории t1 = 5.25 с; для грунтов II категории t2 = = 7.5 с; для грунтов III категории t3 = 19.5 с.
5. Оценка исходной сейсмической интенсивности для Сыктывкара в условиях детерминистского сценария. Ввиду того, что сейсмическая интенсивность меняется по мере распространения сейсмической волны от очага землетрясения, распределим ее по зонам: I = = 2.5lgPGA + 1.25lgT + 1.05, где:
— в очаге PGAо = 5 м/с2До = 0 км, тогда I = 7.8 балла;
— на границе между очагом и ближней зоной PGA^ = 2.05 м/с2, I = 7.5 балла;
— на границе между ближней и дальней зонами PGA6-ä = 1.7 м/с2, I = 7.2 балла;
— в дальней зоне для грунтов III категории PGAÄ = 2.57 м/с2, t = 3.9 с, I = 7.8 балла.
lg(PSA/PGA) feß
lg(0.5)P
0.1 О
_____ / Si
с
/ ° lg(F/Fe)
Рис. 2. Нормированный спектр по уровню и преобладающей частоте:
Sj — высокочастотная часть спектра; S2 — низкочастотная часть спектра; S = Sj + S2 — логарифмическая ширина спектра; F — частота колебаний; F0 — преобладающая часть спектра колебаний; PGA— пиковое ускорение грунта; PSA-спектральная амплитуда; в — коэффициент динамического усиления
Fig. 2. The normalized spectrum by the level and the prevailing
frequency, where: Sj — high-frequency part of the spectrum; S2 — low-frequency part of the spectrum; S = Sj + S2 is the logarithmic width of the spectrum; F is the oscillation frequency; F0 — is the predominant part of the vibration spectrum; PGA — peak ground acceleration; SA is the spectral amplitude; в — coefficient of dynamic amplification
6. Расчет спектра реакции был выполнен на основе эмпирических зависимостей Ф. Ф. Аптикаева [3], где спектры нормированы по уровню PSA и резонансной частоте F0 (рис. 2). Значение коэффициента динамичности в условиях разрядки очага — сброса для первой, второй, третьей категорий грунтов было получено: lgß = 0.72 — 0.28 х S + 0.07lgT ± 0.07, где S = = 0.55; 0.65; 0.75, т = 1.08; 1.5; 3.9. После расчетов кривая динамичности для каждой категории грунтов соответствует:
ß1 = 3.7 ± 0.07 для грунтов I категории; ß2 = 3.55 ± ± 0.07 для грунтов II категории; ß3 = 3.56 ± 0.07 для грунтов III категории; тогда ее эффективная величина ß = 3.56.
7. Максимальная амплитуда спектра реакции PSAmax с учетом коэффициента динамичности будет составлять:
— в очаговой зоне РSAоmax= 3.7 х 5 м/с2 * * 18.5 м/с2 = 1.85g;
— между очагом и ближней зоной PSA^6 max = 3.7 х 2.05 м/с2 * 7.59 м/с2 = 0.759g;
— между ближней и дальней зонами PSA^ max = 3.55 х 1.7 м/с2 * 6.04 м/с2 = 0.604g;
— в дальней зоне для грунтов I категории PSA^ = 3.7 х 1.17 м/с2 * 4.33 м/с2 = 0.433g;
— в дальней зоне для грунтов II категории PSA^ = 3.55 х 1.74 м/с2 * 6.18 м/с2 = 0.618g;
— в дальней зоне для грунтов III категории PSA^ = 3.56 х 2.57 м/с2 * 9.15 м/с2 = 0.915g.
Формирование местных
акселерограмм и спектров ответа
В разделе оценки параметров сейсмического воздействия были проведены расчеты, относящиеся к сильным движениям грунта. В результате были
определены исходные независимые друг от друга параметры, позволяющие описать любое сейсмическое движение: РОЛ(РОУ, РОБ), т, Т0, В. Резонансные частоты и дилатансионные свойства местных грунтов были определены сейсмодинамическими исследованиями в условиях их естественного залегания. В дальнейшем эти данные были использованы в построении спектров реакции и генерации синтетических акселерограмм, отвечающих региональным сейсмическим условиям. Ввиду того, что Сыктывкар находится на мощных рыхлых четвертичных отложениях, расчеты акселерограмм сдвиговых движений и спектров реакции основания грунта имеют несколько отличительный характер в области резонансных частот и динамических коэффициентов по сравнению с классическими разрезами в сейсмическом понимании.
Акселерограмма и спектрограмма при превышении
интенсивности МРЗ с вероятностью 0.5 %
в течение 50 лет (период повторяемости 10 000 лет)
Данное допущение —1 = 7 баллов ШСИ-17 для ОСР-97-Б — основывается на семибалльном Сысольском землетрясении, которое было зарегистрировано опорными телесейсмическими сейсмо-станциями: «Свердловск», «Пулково», «Москва», «Фрунзе», «Андижан» [2]. Следовательно, этот маловероятный сценарий уже был реализован местной сейсмичностью в 1939 г. в южной части Республики Коми. В связи с этим мы допускаем возможность повторных сейсмических толчков и в будущем при данной вероятности в неблагоприятных грунтовых усло-
виях, где приращение интенсивности к исходной будет существенно усиливаться. Варианты «предельного ущерба» могут иметь место в обводненных приповерхностных грунтовых горизонтах, состоящих из песков, супесей, а также в мягкопластичных глинах, имеющих коэффициент пористости 0.9. Расчетные параметры для задания предельного спектра и акселерограммы оценки параметров интенсивности в условиях ОСР-97-D следующие:
1) для грунтов III категории (ag = 0.15g, S = 0.64, T0 = 0.5 с, F0 = 2 Гц. т = 3.9 c, PGA = 0.243g, PGV = = 0.254 м/с, PGD = 0.0795 м, p = 3.82).
2) для грунтов II категории (ag =0.15g, S = 0.43, T0 = 0.33 с, F0 = 3.03 Гц. т = 1.5c, PGA = 0.225g, PGV = = 0.147м/с, PGD = 0.0460 м, p = 4.09).
Расчеты на основе этих данных показывают эффективное значение исходной интенсивности ШСИ-17 для грунтов: III категории I = 7.81 балла, II категории I = 7.16 балла. Акселерограмма и спектрограмма представлена на рис. 3. Результаты хорошо согласуются с расчетами исходной интенсивности для дальней зоны, где она повышается за счет увеличения общей продолжительности колебаний, влекущих резонансные проявления в грунтах III и II категорий.
Акселерограмма и спектрограмма при превышении
интенсивности ПЗ с вероятностью 1 % в течение
50 лет (период повторяемости 5 000 лет)
Проектное землетрясение заданной сейсмичности с максимальной интенсивностью I = 6 баллов ШСИ-17 для ОСР-97-С может произойти с вероятно-
Рис. 3. Графическое изображение основных параметров сейсмического воздействия в условиях ОСР-97-D (категория грунтов III и II)
Fig. 3. Graphical representation of the main parameters of the seismic action in the conditions of GSZ-97-D (soil category III and II)
Рис. 4. Графическое изображение основных параметров сейсмического воздействия в условиях ОСР-97-С (категория грунтов III и II)
Fig. 4. Graphical representation of the main parameters of the seismic action in the conditions of GSZ-97-С (soil category II)
стью 1 % в течение 50 лет при периоде повторяемости 5 000 лет. Оно может реализоваться в максимально неблагоприятных грунтовых условиях, где приращение интенсивности к исходной будет усиливаться от одного до двух баллов ШСИ-17. Варианты возникновения «ощутимого ущерба» также могут иметь место в обводненных грунтовых горизонтах, состоящих из песков, супесей и мягкопластичных глин, имеющих коэффициент пористости 0.9. Параметры расчетной региональной акселерограммы приведены ниже, в рисунках и таблице (рис. 4). Расчетные параметры для задания предельного спектра и акселерограммы оценки параметров интенсивности в условиях ОСР-97-С следующие:
1) для грунтов III категории (ag = 0.15g, S = 0.55, T0 = 0.5 с, F0 = 2 Гц. т = 3.9 c, PGA = 0.097g, PGV = = 0.06 м/с, PGD = 0.011 м, ß = 4.05);
2) для грунтов II категории (ag = 0.15g, S = 0.38, T0 = 0.33 с, F0 = 3.03 Гц. т = 1.5c, PGA = 0.09g, PGV = = 0.052 м/с, PGD = 0.008 м, ß = 4.24).
Расчеты на основе этих данных дают эффективное значение исходной интенсивности ШСИ-17 для грунтов III категории I = 6.63 балла и II категории I = 6.06 балла. Акселерограмма и спектрограмма представлена на рис. 4.
Это также согласуется с расчетами исходной интенсивности для дальней зоны, где ее повышение происходит за счет увеличения общей продолжительности колебаний, приводящих к резонансным явлениям для грунтов III и II категорий, но уже в меньшей степени.
Акселерограмма и спектрограмма превышения интенсивности ПЗ с вероятностью 5 и 10 % в течение 50 лет (за период 500 и 100 лет)
В районе сейсмических исследований ожидаемые землетрясения заданной сейсмичности по величине максимальной интенсивности I = 5 баллов по ШСИ-17 совпадают с картами ОСР-97-В и ОСР-97-А, но при разной величине вероятности их проявления составляют 5 и 10 % в течение 50 лет при периоде повторяемости 500 и 100 лет соответственно. В связи с этим для данной интенсивности вероятность проявления землетрясений можно увеличить до 10 % в течение 50 лет при периоде повторяемости 100 лет. Пятибалльная интенсивность сейсмических толчков будет наблюдаться прежде всего вдоль береговой зоны рек Сысолы и Вычегды в виде оползневых процессов, а также на участках ослабленных зон самого города. Это будет проявляться в виде просадки фундаментов с последующим образованием трещин и слабых разрушений. В целом воздействие сейсмического толчка при данной интенсивности можно охарактеризовать как «слабый ущерб». Расчетные параметры для задания предельного спектра и акселерограммы оценки параметров интенсивности в условиях ОСР-97-В (А) следующие:
1) для грунтов III категории (ag = 0.05g, S = 0.47, T0 = 0.5 с, F0 = 2 Гц. т = 3.9 c, PGA = 0.081g, PGV = 0.0648м/с, PGD = 0.026 м, ß = 4.24).
2) для грунтов II категории (ag = 0.05g, S = 0.33, T0 = 0.33 с, F0 = 3.03 Гц. т = 1.5c, PGA = 0.075g, PGV = 0.0491м/с, PGD = 0.015 м, ß = 4.36).
Рис. 5. Графическое изображение основных параметров сейсмического воздействия в условиях ОСР-97-В и ОСР-97-А (категория грунтов III и II)
Fig. 5. Graphical representation of the main parameters of the seismic action in the conditions of GSZ-97-В and GSZ-A (soil category
III and II)
Расчеты на основе этих данных показали эффективное значение исходной интенсивности ШСИ-17 для грунтов III категории I = 5.00 баллов и II категории I = 4.48 балла. Акселерограмма и спектрограмма представлены на рис. 5.
Рассеянная «фоновая» сейсмичность
Рассеянная сейсмичность связана с более низким порядком развития разломной тектоники (трещины и локальные разрывы), а также она возможна при повышенной, резко меняющейся градиентной неоднородности по глубине разреза земной коры, что позволяет накапливать энергию дифференцированно: в более плотных слоях — большее количество, в менее плотных — меньшее. При этом типы подвижек в очаге могут быть самыми разными. Ввиду выброса меньшей энергии в очаге максимально ожидаемая магни-туда в локальных зонах, скорее всего, не будет превышать 3.5 единицы, тогда исходная интенсивность сейсмического толчка будет слабее на порядок, чем в районах проявления сосредоточенной сейсмичности. Основная опасность заключается в том, что такого рода землетрясения могут произойти в любой точке «ослабленной зоны» геологической структуры на рассматриваемой территории. Повторяемость землетрясений существенно реже, чем в зонах сосредоточенной сейсмичности. Поэтому оценка сейсмической опасности, связанной с фоновыми землетрясениями, сводится к установлению наличия их эпицентров в непосредственной близости к площадке ООО.
Эпицентральное расстояние здесь кратчайшее, т. к. гипоцентральное и эпицентральное расстояния совпадают. Pасчетные параметры для задания предельного спектра и акселерограммы оценки параметров интенсивности в условиях фоновой сейсмичности OCP-97-A следующие:
1) для грунтов III категории (ag = 0.05g, S = 0.38, T0 = 0.5 с, F0 = 2 Гц. t = 3.9 c, PGA = 0.0324g, PGV = = 0.0848 м/с, PGD = 0.0265 м, ß = 4.52);
2) для грунтов II категории (ag = 0.05g, S = 0.30, T0 = 0.33 с, F0 = 3.03 Гц. t = 1.5c, PGA = 0.03g, PGV = = 0.0491 м/с, PGD = 0.0153 м, ß = 4.45).
Pасчеты на основе этих данных показывают эффективное значение исходной интенсивности ШСИ-17 для грунтов III категории I = 4.17 балла и II категории I = 3.91 балла. Акселерограмма и спектрограмма представлены на рис. 6.
Заключение
Проведенные исследования показали следующие результаты:
• на основе сейсмологических и сейсмотектонических данных составлено уравнение (график) повторяемости местных землетрясений;
• с помощью сейсмического мониторинга раз-ломных зон определены области распределения частотного состава микросейсм, где полезными сигналами являются высокочастотные микросейсмические колебания с повышающейся амплитудой сигнала,
Рис. 6. Графическое изображение основных параметров сейсмического воздействия в условиях фоновой сейсмичности ОСР-
97-А (категория грунтов III и II)
Fig. 6. Graphical representation of the main parameters of the seismic action under conditions (background seismicity) of GSZ-97-A
(category of soils III and II)
формирующиеся в разломных зонах (требуются дальнейшие исследования);
• проведена дифференциация местных грунтов по несущим сейсмическим свойствам с последующим разделением их на четыре категории;
• дана оценка резонансным и дилатансионным свойствам как для однородных по составу грунтов, так и разнородных, переслаивающихся по глубине разреза II и III категориями;
• дана предварительная оценка параметров сейсмического воздействия, отвечающих условиям крайне неблагоприятного и ожидаемого сценария;
• на основе теоретических и опытно-методических исследований определены исходные данные для построения спектров и акселерограмм, отвечающих условию исходной интенсивности для МРЗ и ПЗ;
• затронута тема рассеянной сейсмичности с последующим построением спектров и соответствующих им акселерограмм;
• проведено условное разделение спектрограмм и акселерограмм по степени причинения ущерба: «предельный ущерб», «ощутимый ущерб», «слабый ущерб», «отсутствие ущерба».
Литература
1. Андреичева Л. Н. Плейстоцен Европейского Северо-Востока. Екатеринбург: УрО РАН, 2002. 322 с.
2. Ананьин И. В. К вопросу о проявлении некоторых землетрясений в восточной части Восточно-Европейской
платформы // Исследования по сейсмической опасности. М.: Наука, 1988. С. 119—123 (Вопр. инж. сейсмологии; Вып. 29).
3. Аптикаев Ф. Ф. Инструментальная шкала сейсмической интенсивности. М.: Наука и образование, 2012. 176 с.
4. Аптикаев Ф. Ф, Эртелеева О. О. Методы прогноза регионального спектра реакции для строительства и проектирования // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. 2012. № 2. С. 15—19.
5. Белякова Л. Т., Богацкий В. И., Богданов Б. П., Довжиков Е. Г., Ласкин В. М. Фундамент Тимано-Печорс-кого нефтегазового бассейна. Киров: Кировская областная типография, 2008. 288 с.
6. ГОСТ Р 57546—2017. Землетрясения. Шкала сейсмической интенсивности // ИСС «ТЕХЭКСПЕРТ».
7. Гутенберг Б., Рихтер К. Ф. Магнитуда, интенсивность, энергия и ускорение как параметры землетрясений // Слабые землетрясения. М.: Изд-во иностранной литературы. 1961. С. 72—119.
8. Лютоев В. А., Лютоева Н. В. Особенности сейсмического районирования платформенных областей (на примере Республики Коми) // Успехи современного естествознания. 2017. № 3. С. 102—111.
9. Лютоев В. А., Пономарева Т. А. Геолого-геофизическая основа сейсмического районирования Европейского Северо-Востока России // Вестник Института геологии КНЦ Уро РАН. 2012. № 12. С. 2—5.
10. Моделирование процесса естественного образования вертикально -направленных объемных волн в гео-
среде / M. Р Камилов., Е. В. Билярцев, Д. В. Бережной // Экспозиция. Нефть. Газ. 2011. № 6. С. 5—7.
11. Носкова Н. Н., Михайлова Р. С. Республика Коми и Кировская область // Землетрясения Северной Евразии, 2011 год. Обнинск: ФИЦ ЕГС РАН, 2017. С. 228—238.
13. Руководство по безопасности. РБ-006-98. Определение исходных сейсмических колебаний для проектных основ. M.: Госатомнадзoр России, 2000. 76 с.
12. СП ХХХ. 1325800.2017. Детальное сейсмическое районирование и сейсмомикрорайонирование для территориального планирования. M., 2017.
14. СП 286. 1325800.2016. Объекты строительные повышенной ответственности. Правила детального сейсмического районирования. M., 2016.
15. СП 14.13330.2014. Строительство в сейсмических районах. СНиП-7-81* (актуализированный СНИП II-7-81* «Строительство в сейсмических районах» (СП 14.13330.2011)) (с Изменением № 1).
16. Тимонин Н. И. Сысольское землетрясение 1939 г. (материалы опроса) / Коми научный центр УрО АН СССР. Сыктывкар, 1986.
References
1. Andreevcheva L. N. Pleistotsen evropeiskogo Severo-Vostoka (Pleistocene of the European North-East). Ekaterinburg: UB RAS, 2002, 322 p.
2. Ananin I. V. K voprosu o proyavlenii nekotoryh zemletry-asenii v vostochnoi chasti Vostochno-Evropeiskoiplatformy (To the question of the manifestation of some earthquakes in the eastern part of the East European Platform). Studies in seismic hazard. Moscow: Nauka, 1988, pp. 119—123 (Vocab., Engineer of seismology, issue 29).
3. Aptikayev F. F. Instrumentalnaya shkala seismicheskoi in-tensivnosti (Instrumental scale of seismic intensity). M.6, Science and Education, 2012, 176 p.
4. Aptikayev F. F., Erteleeva O. O. Metodyprognoza region-alnogo spektra reaktsii dlya stroitelstva proektirovaniya (Methods of forecasting the regional response spectrum for construction design). Seismic resistant construction. Safety of buildings, 2012, No. 2, pp. 15—19.
5. Belyakova L. T., Bogatsky V. I., Bogdanov B. P., Dovzhikov E. G., Laskin V. M. Fundament Timano-Pechorskogo
neftegazovogo basseina (The foundation of the Timano-Pechora oil and gas basin). Kirov: Kirov Regional Printing House, 2008. 288 p.
6. GOST R 57546-2017 Zemletryaseniya. Shkala seismicheskoi intensivnosti (ISSR 57546-2017 Earthquakes. Scale of seismic intensity). Source of TECHEKSPERT.
7. Gutenberg B., Richter K. F. Magnituda, intensivnost, energiya i uskorenie kak parametry zemletryasenii. (I). (II) (Magnitude, intensity, energy and acceleration as parameters of earthquakes. (I). (II)). Weak earthquakes. Moscow: Publishing House of Foreign Literature, 1961, pp. 72—119.
8. Lyutoev V. A., Lyutoeva N. V. Osobennosti seismicheskogo raionirovaniya platformennyh oblastei (na primere Respubliki Komi). Uspehi sovremennogo estestvoznaniya № 3 (Features of seismic zoning of platform areas (on the example of the Republic of Komi). Successes of modern natural science №3), 2017, pp. 102—111.
9. Lyutoev V. A., Ponomareva T. A. Geologo-geofizicheskaya osnova seismicheskogo raionirovaniya Evropeiskogo severo-vostoka Rossii (Geological and geophysical basis of seismic zoning of the European North-East of Russia). Vestnik of Institute of Geology, Komi SC UB RAS, 2012, No. 12, pp. 2—5.
10. Modelirovanie protsessa estestvennogo obrazovaniya vertikalno-napravlennyh ob'emnyh voln v geosrede (Simulation of the process of natural formation of vertically directed volume waves in the geospace environment). Kamilov M. R., Bilyartsev E. V., Berezhnoi D. V. Exposition. Oil. Gas, 2011, 6, pp. 5—7.
11. Noskova N. N., Mikhailova R. S. Respublika Komi i Kirovskaya oblast. Zemletryaseniya Severnoi Evrazii (Komi Republic and Kirov Region. Earthquakes of Northern Eurasia), 2011, Obninsk: EGS RAS, 2017, pp. 228—238.
12. Rukovodstvo po bezopasnosti. RB-006-98. Opredelenie ishodnyh seismicheskih kolebanii dlya proektnyh osnov (Safety Guide. RB-006-98. Determination of initial seismic vibrations for design bases). Moscow: Gosatomnadzor of Russia, 2000, 76 pp.
13. SP XXX. 1325800.2017 Detailed seismic zoning and seismostratigraphy for spatial planning. Moscow, 2017.
14. SP 286. 1325800.2016 Objects of increased responsibility. Rules for detailed seismic zoning. Moscow 2016.
15. SP 14.13330.2014 Construction in seismic regions SNiP-7-81 * (updated SNIP II-7-81* «Construction in seismic regions» (SP 14.13330.2011)) (with Change No. 1)
16. Timonin N. I. Sysolskoe zemletryasenie 1939 g. (materi-aly oprosa) (Sysolskoe earthquake in 1939 (materials of the survey)). Komi SC UB RAS, Syktyvkar, 1986.
