CC BY
88
(СССР). - № 2892665/29-03; заявл. 07.03.80; опубл. 07.02.83, Бюл. № 5. - 4 с.
17.А.с. 1016445 СССР, МКИ3 Е 02 Б 5/30. Рыхлитель / Ю.А. Геллер, А.А. Киричек, Н.П. Безруч-ко, Г.Р. Круглов (СССР). - № 3399226/29-03; заявл.24.02.82; опубл. 07.05.83, Бюл. № 17. - 4 с
18.Пат. 1176944 (РФ), МКИ3 Е 02 F 5/30. Рыхлитель / Ю.А. Геллер (РФ); заявитель и патенто-
обладатель Чит. гос. ун-т. - № 3709935/29-03; Заяв. 02.01.84; Опубл. 07.09.85. - Бюл. № 33. -4 с.
19. Геллер Ю.А. Рыхлитель с пружинным аккумулятором энергии двухстороннего действия; Заявка на предполагаемое изобретение. ЯИ 2010146238. Решение о выдаче патента от 01.12. 2011.
УДК 550.349(571.55) Черных Евгений Николаевич,
к. г.-м. н, с. н. с. ИЗК СО РАН.(Иркутск), тел.:(3952)42-58-23, e-mail: [email protected]
Басов Александр Дмитриевич, к. г.-м. н., с. н. с. ИЗК СО РАН (Иркутск), тел.:(3952)42-58-23, e-mail: [email protected]
Семенов Рудольф Михайлович, д. г.-м. н., профессор ИрГУПС, в. н. с. ИЗК СО РАН (Иркутск), тел. 89086607683, (3952)42-54-04, e-mail: [email protected]
ДЕФОРМАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В СЕВЕРОМУЙСКОМ ТОННЕЛЕ
E.N. Chernyh, A.D. Basov, R.M. Semenov
DEFORMATION PROCESS IN SEVEROMUISK TUNNEL
Аннотация. В данной работе рассматриваются остаточные деформации горных пород в подземных выработках Северомуйского тоннеля, связанные с динамическим воздействием местных землетрясений. Представлены результаты исследований напряженно-деформированного состояния тоннеля, измерений остаточных деформаций и сейсмичности территории Северомуйского района на северо-восточном фланге Байкальской рифтовой зоны. Основными факторами, определяющими сейсмическую опасность тоннеля, являются зоны тектонических нарушений, подземные воды над тоннелем и интенсивность сейсмических воздействий. Замерными станциями, смонтированными в зонах разломов, зафиксированы скачки деформаций на участках тоннеля, сложенных дезинтегрированными и обводненными породами. Такие деформации являются следствием сейсмического действия землетрясений? произошедших вблизи тоннеля.
Ключевые слова: Северомуйский тоннель, эпицентральная зона, остаточные деформации, горное давление, деформометры.
Abstract. In this paper, the residual deformation of rock in underground mines of Severomuisk tunnel related to dynamic impact of local earthquakes is considered. The research results of the stress-strain state of the tunnel, measurements of residual strain and seismicity of Severomuisk district to the northeastern flank of the Baikal Rift Zone are given. The main factors determining the seismic risk of the tunnel
are zones of tectonic disturbances, underground water above the tunnel and the intensity of seismic effects. Gauging stations, mounted in fault zones recorded jumps of strains on the parts of the tunnel, composed of disintegrated rock and watering. These deformations are the result of the seismic action of earthquakes occurred near the tunnel.
Keywords: Severomuisk tunnel, epicentral zone, residual deformations, confining pressure, strainmeters.
Район расположения Северомуйского тоннеля находится в высокосейсмической зоне, где вероятны землетрясения интенсивностью более 9 баллов. Известно, что сильные землетрясения сопровождаются остаточными деформациями в виде разрывов и трещин в массивах горных пород и смещениями отдельных блоков относительно друг друга в ближней зоне (на удалениях от гипоцентра порядка 30 км). Наибольшие разрушения подземных конструкций от сильных землетрясений наблюдались в эпицентральных зонах на удалениях не более 15 км от эпицентра землетрясения на участках со слабыми песчано-глинистыми обводненными породами. Разрушались места сопряжения выработок, сочленения различных по прочности конструкций и контактов разной по «сейсмической жесткости» горных пород, а также смещений блоков горных пород по зонам тектонических нарушений. Об этом можно судить на основе целого ряда примеров таких разрушений.
Рис. 1. Деформации в тоннеле на Южно-Тихоокеанской ж. д. при землетрясении Керн-Каунти 21 июля 1952 г.
М = 7,7, 1„ = 10 баллов, эпицентр в 30-35 км от тоннеля
Так, землетрясение Керн-Каунти 21.07.1952 г. в Калифорнии (магнитуда М = 7,7, 10 = 10 баллов) в районе расположения тоннелей ЮжноТихоокеанской железной дороги с учетом глубины их заложения оценивалось с интенсивностью проявления не более 6-7 баллов. Однако все четыре тоннеля, расположенные в зоне разлома Уайт-Волф, были разрушены. В связи с этим сила землетрясения в тоннелях была оценена в 11 баллов, а сейсмические ускорения колебаний превысили ускорения силы тяжести (рис. 1).
Существуют и другие примеры разрушений от сильных местных землетрясений в тоннелях, трассы которых попадают в зоны разломов. На относительно больших эпицентральных расстояниях, как показал пример Спитакского землетрясения 7.12.1988 г., тоннели серьезных повреждений не получали.
Таким образом, имеющийся опыт наблюдений за тоннелями, испытавшими воздействия землетрясений, показывает, что, если тоннели не попадают в зону сместителя по разлому, то они практически не повреждаются и являются устойчивыми сооружениями в отношении сейсмических нагрузок. Однако в этой части остается недостаточно еще изученной проблема неравномерного высвобождения сейсмической энергии в массивах горных пород, отдельные блоки которых находятся в высоконапряженном состоянии, близком по уровню к разрушающим напряжениям. При прохождении волн напряжений от сильных землетрясений с амплитудами, достаточными для того, чтобы привести напряженный блок в «возбужденное» состояние, на отдельных участках такого
массива могут произойти скачкообразные концентрации напряжений вплоть до разрушающих со смещениями блоков по тектоническим нарушениям при эпицентральных расстояниях больших 30 км [1, 2]. К обозначенной проблеме можно отнести и пока нерешенную задачу о вероятном саморазрушении бетонных обделок в зонах концентрации высоких напряжений в прилегающих к тоннелю блоках и в квазистатическом режиме.
Исследованиям напряженно-деформированного состояния горного массива по трассе Севе-ромуйского тоннеля еще во время его проходки уделялось очень большое внимание. Некоторое время в тоннеле работала подземная сейсмостан-ция [3]. В первую очередь необходимость этих работ была вызвана масштабными проявлениями горного давления. Горное давление при проходке реализовывалось главным образом в призабойной части выработок в динамической форме стреляния, шелушения, заколообразования и обрушений в высоконапряженных блоках массива, сложенных крепкими, но хрупкими при разрушении гранитами, а также выбросов и выносов в зонах тектонических нарушений, сложенных продуктами тектонической переработки, обводненных и с высокой гидростатикой. Основной объем исследований выполняли сотрудники группы механики подземных сооружений Лаборатории строительства тоннелей БАМ ЦНИИСа с участием специалистов СУС Бамтоннельстроя, Бамтоннельпроекта и других.
Одной из задач являлось выявление по трассе тоннеля участков и блоков горных пород с высокими напряжениями. Эта задача решалась
в натурных условиях путем наблюдений за процессами выполнения горных работ, связанных с разведочным бурением скважин, когда по выходу бурового шлама или дискованию керна оценивали уровень действующих в массиве напряжений. По проявлению стреляний, заколов и шелушению на контуре штольни, в которой проходка велась роторным горнопроходческим комплексом и стенках выработки в скальном массиве имели относительно гладкую форму поверхности, определяли не только уровень, но и направления максимальных напряжений.
Наибольшую ценность представляют данные долговременных наблюдений, полученные с помощью замерных станций с деформометрами и реперами для измерений конвергенции контура подземных выработок, деформаций в обделке и крепях, которые выполнялись в течение ряда лет.
На рис. 2 показаны эпицентры землетрясений, случившихся в районе Северомуйского тоннеля (СМТ) в 1985-1990 гг., начиная с энергетического класса К = 4.
В районе СМТ в период его строительства с 1976 по 1993 гг. функционировала локальная сеть сейсмических станций (до 7 наземных сейсмических станций в разные годы), расположенных на расстояниях не более 50 км от трассы тоннеля. Эти сейсмические станции регистрировали местные землетрясения с К > 4 до 1000 и более событий в год. В настоящее время из всей сети в районе тоннеля работает одна сейсмическая станция «Северомуйск». Для тоннеля разработана и в ближайшее время будет реализована система комплексного сейсмического мониторинга для обеспечения безопасности эксплуатации тоннеля.
В условиях недостатка инструментальных сейсмических данных о проявлениях землетрясений в выработках тоннеля дополнительная информация о прямых наблюдениях деформаций крепей и постоянных обделок тоннеля является ценной.
Во время строительства тоннеля основную сложность представляли зоны тектонических нарушений по его трассе, которые в сумме составили почти одну треть его длины. Транспортно-разведочно-дренажная штольня (ТРДШ) сооружалась горнопроходческими комплексами роторного типа и по своему назначению опережала забой тоннеля. Проходка основного однопутного тоннеля велась буро-взрывным способом. При проходке тектонических зон происходили динамические проявления горного давления, сопровождавшиеся большими деформациями крепей и обделок, в забоях - залповыми выбросами водно-грунтовых
масс. Существующая угроза аварий потребовала изучения напряженно-деформированного состояния крепей, обделок и прилегающего к тоннелю и ТРДШ массива горных пород в натурных условиях. С этой целью на СМТ во время его сооружения было смонтировано 18 замерных станций, на которых установили деформометры и другие приборы для исследования напряженно-деформированного состояния конструкций обделок. Кроме того, 11 замерных станций было оборудовано для изучения природных полей напряжений.
По результатам исследований напряженно-деформированного состояния, с целью уменьшения взаимного влияния двух параллельных выработок тоннеля и ТРДШ, первоначальная мощность целика между ними в 8 м на участке сверхглубокого заложения тоннеля и ТРДШ была увеличена на 5 м, а по 4-й тектонической зоне - на 13 м.
Для измерений деформаций применялись датчики ПЛДС-400, хорошо известные своей надежностью при исследованиях в гидротехнике и других отраслях. ПЛДС-400 - это преобразователь линейных деформаций струнного типа. На базе 400 мм предел измерений деформаций сжатия составляет от 0,510-3 до 210-3, деформаций растяжения - от 0,2 10-3 до 210-3. Датчики имеют индивидуальные заводские градуировоч-ные характеристики и нормально работают в диапазоне температур от -30 до +40 оС. Предел допустимой основной погрешности ±2 % от диапазона измерений.
Деформометры ПЛДС-400 в тоннеле монтировали попарно (для определения моментов сил) в своде, стенках тоннеля при бетонировании ароч-но-бетонной крепи. В шпуры, пробуренные в породу, установили температурные датчики ПТС-460. При сооружении постоянной обделки в нее также установили датчики ПЛДС-400. Всего на одной из таких замерных станции было смонтировано 16 деформометров ПЛДС-400. После укладки бетона в опалубку в нем обычно возникают деформации сжатии, и при экзотермии бетона они увеличиваются, а затем бетон приобретает температуру окружающей среды. При этом деформации сжатия уменьшаются, пока бетон набирает прочность, и в дальнейшем деформации сжатия переходят в деформации растяжения. Стабилизация горного давления происходит при отходе забоя от замерной станции, смонтированной в забое, на расстояние 20-30 м. В ТРДШ датчики ПЛДС-400 монтировали в своде и на уровне горизонтального диаметра.
Известно, что чувствительный деформометр часто регистрирует ступенчатое изменение деформаций во время удаленного землетрясения.
Исследователями было показано скачкообразное изменение амплитуды деформации как функции магнитуды землетрясения и эпицентрального расстояния. Причина возникновения таких скачков еще не ясна. Одни приписывают их глобальным статическим деформациям, непосредственно связанным с очагом землетрясения; другие ищут объяснение в аппаратурном гистерезисе или в незначительных изменениях свойств массива пород, в котором установлен деформометр.
В классической работе Ч.Ф. Рихтера «Элементарная сейсмология» [4] приводятся примеры регистрации землетрясений в тоннелях и рудниках. Например, сейсмографы, установленные на поверхности и в руднике Хоумстейк (США, штат Южная Дакота) на уровне 5000 футов, зарегистрировали колебания, соответствующие записи которых на дневной поверхности и под землей заметно не различались, за исключением того, что на записях под землей исчезли второстепенные местные и поверхностные импульсы. Кроме того, Ч.Ф. Рихтер сообщает, что японской сетью обсерваторий при землетрясении в Гифу в сентябре 1969 года были зарегистрированы скачки деформаций. А в руднике Хитачи (Япония) сейсмологи провели одновременные записи на поверхности и на глубинах 150, 300 и 450 м и затем детально сравнивали сейсмограммы. Оказалось, что различия были незначительными.
Проявление остаточных деформаций в подземных выработках и макросейсмические данные об уменьшении интенсивности сейсмических колебаний под землей все еще объяснены не полностью. Известно по крайней мере два случая подземных смещений подобного рода, произошедших вслед за землетрясением обычного типа или одновременно с ним. Случаи были в 1941 и 1944 гг. на нефтеносных площадях вдоль зоны разлома Инглвуд (США). Соответствующие сейсмограммы не отличаются особо высокой интенсивностью, и очаги землетрясений, по-видимому, расположены на обычной глубине около 16 км. Разрушительные просадки должны были быть спровоцированы либо непосредственно сотрясениями от землетрясения, либо перераспределением местных деформаций.
Во время исследований проявлений горного давления и изменений напряженно-деформированного состояния крепей и постоянных обделок при строительстве СМТ с помощью замерных станций проводились наблюдения деформаций. В основном эти станции монтировались на крепях и обделках в зонах разломов, где проявлялось горное давление и происходили значительные деформации. Проведение этих исследований
диктовалось производственной необходимостью. Организовать и выполнять регулярные режимные работы удавалось по разным причинам не на всех станциях. Тем не менее, такие длительные наблюдения позволили зарегистрировать скачки деформаций практически по всем замерным станциям от близких (на расстояниях до 50 км) землетрясений К = 11 и К = 13, случившихся в период наблюдения деформаций.
Особо следует подчеркнуть действие воды, поскольку этот фактор при проходке разломов являлся определяющим. Горные породы, особенно трещиноватые и раздробленные в зонах тектонических нарушений по трассе тоннеля, характеризуются высокой водообильностью. В большинстве случаев на прочность горных пород наибольшее влияние оказывает поровое давление и давление воды в трещинах. Если при нагружении породы отвод воды затруднен, то сжатие пор и трещин сопровождается повышением давления содержащейся в них воды.
Рв =
^2 Г 45 • ]-1
где рв - поровое давление или давление воды в трещинах; цсж - прочность на одноосное сжатие; Ф - угол внутреннего трения.
Гидростатическое давление в трещине ослабляет влияние роста нормального напряжения. Для расчета гидростатического давления, при котором возможно скольжение в разломе или в трещине, следует определить величину, при которой круг Мора, соответствующий реальному напряженному состоянию, должен сместиться влево, и между нормальными и касательными напряжениями в плоскости разлома (или трещины) возникнут предельные соотношения в соответствии с критерием разрушения.
На рис. 2 показаны эпицентры землетрясений с десятого энергетического класса, случившиеся в окрестностях тоннеля в период проведения временных изменений деформаций в 1985-1990 гг. с помощью замерных станций.
Напряженное состояние породы определяется эллипсоидом напряжений, построенном на трех полуосях р1, р2, р3. Вертикальное давление р3 определяется мощностью и плотностью вышележащих горных пород. Горизонтальные напряжения р1 = р2 возникают из-за пластичности горных пород и связаны с р3 простой зависимостью: р1 = р2 = Лр3. В результате дополнительных динамических нагрузок от землетрясений такие породы, как водонасыщенные пески, суглинки, могут переходить в разжиженное состояние и некоторое
ЛГШ
Л
Рис. 2. Эпицентры землетрясений 1984^1990 гг. в районе Северомуйского тоннеля. Значками в виде черных треугольников обозначены сейсмические станции, внизу под значками - их названия
время, пока происходят колебания (вибрации), находятся в таком состоянии. Таким образом, факторами, определяющими сейсмическую опасность в выработках СМТ, являются зоны тектонически нарушенных пород, подземные воды над тоннелем и интенсивность сейсмических воздействий.
На СМТ по состоянию на 1989 г. в работе находилось 18 замерных станций, оснащенных деформометрами. Приведем описание замерных станций, по которым получены наиболее длительные по времени данные.
Замерная станция № 6 расположена в тоннеле со стороны восточного портала (ПК 69 + 90^70 + 46) на границе блоков. Глубина заложения тоннеля 110 м. Породы на участке представлены среднезернистыми биотитовыми гранитами, обохренными и катаклазированными желто-бурого цвета, с густой сетью коротких трещин, полости которых заполнены каолином. Порода слабой устойчивости. При проходке отмечали сильный капеж с общим водопритоком около 1 м3/час. Коэффициент прочности пород / по Прото-
дьяконову 2^4 (/ = ^^, где о(Ж - прочность
образца в МПа на сжатие). Участок проходили одним уступом с арочно-бетонным креплением. В бетоне крепи были определены напряжения методом частичной разгрузки цилиндрической скважины. Вычисленные по результатам измерений напряжения сжатия имели наибольшую величину порядка 9,5 МПа.
Всего было смонтировано 14 датчиков ПЛДС-400 в двух сечениях. Анализ результатов измерений по установленным датчикам показывает, что с 1986 по 1989 гг. показания датчиков практически не менялись. Только на начальном этапе работы конструкции в ней развились деформации растяжения из-за экзотермии бетона. Вследствие релаксации напряжений и ползучести еще твердеющего бетона растяжения перешли в сжатия. Максимальная величина напряжений по измерениям в 1989 г. составляла порядка 1,0 МПа.
На рис. 3 приведены результаты измерений на замерной станции № 6. По всем датчикам на интервале с марта 1988 г. по конец декабря 1988 г. измерений не проводилось, а суммарное изменение деформаций за этот же интервал времени не достигло 2 10-5. Эти изменения кривых деформирования в начале и конце графика связаны с технологическими причинами.
На замерной станции в ТРДШ на ПК 78+13, расположенной в скальном блоке, датчики ПЛДС-400 были установлены через трещину, рассекающую блок крепких гранитов, которая практически вертикально пересекала штольню. Заметных деформаций ни до, ни после ощутимого в районе СМТ землетрясения 04.06.1988 г. с К = 13 по замерам на этой станции не зафиксировано. Это хорошо видно по данным, изображенным на графиках (рис. 4). Скачок деформаций в 1985 г. был связан с выполнением технологических операций, при которых на данном участке проводили боль-
Рис. 3. Результаты измерений деформаций на замерной станции №6 СМТ (ПК 69+80) по деформометрам ПЛДС-400, установленным в двухслойную бетонную обделку: № 943 п., № 997 л. - номера деформометров ПЛДС-400; _буквами п. и л. обозначены правая и левая стенки тоннеля по ходу от восточного портала_
ч
ш
X I-
о
30
20
10
к -10
| -20 о
■0 -30 0) С1
-40
-50
1-
!>—б ) ос (-
К—7 НУ ЖЖ
АН гА— кН А
ю ю ю ю со со со со оо оо оо оо оз оз оз оз о о
оо оо оо оо оо оо оо оо оо оо оо оо оо оо оо оо оо оо оо оо оо оз оз
О) О) О) О) О) О) О) О) О) О) оз оз оз оз оз оз оз оз оз оз оз оз оз
т— т— т— т— т— т— т— т— т— т— т— т— т— т— т— т— т— т— т— т— т— т— т—
Ы ю оо Ы Ю о(з Ы Ю о(з Ы Ю о(з Ы ю о(з Ы Ю
о о о сз сз сз сз сз сз сз сз сз сз сз сз сз сз
ы Ы Ы Ы Ы Ы ы Ы Ы Ы Ы Ы Ы Ы Ы Ы Ы Ы Ы ы Ы ы Ы
о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о
■ №425
• №926
• №934 —©— №969
■ №952
0
Рис. 4. Результаты измерений деформаций в ТРДШ на ПК 78+13. Внизу указаны номера деформометров ПЛДС-400
шой объем буровых работ из ТРДШ в сводовую часть основного тоннеля.
Наиболее отчетливые остаточные деформации, по времени совпадающие с землетрясениями в районе Северомуйского тоннеля, были зарегистрированы на замерной станции № 10.
Замерная станция № 10 находится в ТРДШ со стороны восточного портала (ПК 45+80) у границы скального блока с третьей тектонической зоной. Глубина заложения выработки 430 м. Породы представлены дезинтегрированными грани-
тами, характеризующимися коэффициентом крепости по Протодьяконову 0,6^2, от слабо устойчивых до неустойчивых. При проходке отмечался слабый капеж суммарным водопритоком 0,3 м3/час. Общая протяженность разлома по штольне 12 м. Перед проходкой грунты закрепляли инъектированием цементно-силикатных растворов. Проходку вела ГПК «Роббинс». Крепление штольни осуществлялось сборным круговым кольцом из железобетонных блоков. Деформомет-ры ПЛДС-400 смонтировали после проходки этого
участка основным тоннелем. Установка датчиков потребовалась для наблюдений за процессом деформирования, после того как в блоках образовались трещины при проходке тоннеля. Установлено было 7 датчиков ПЛДС-400 через трещины в блоках и через стыки между блоками.
Измерения на замерной станции № 10 были начаты за полгода до начала заморозки пород разлома жидким азотом на опытном полигоне, который был расположен в выработке, пройденной параллельно ТРДШ на расстоянии 8 м с нагорной стороны, то есть севернее ТРДШ, если смотреть со стороны восточного портала. В это время в блоках возникли сжимающие деформации от -0,110-5 до -610-5.
Во время замораживания, длящегося ~ 1,5 месяцев, в обделке ТРДШ наблюдалось резкое увеличение сжимающих деформаций на величины от -710-5 до -9010-5. При этом три датчика вышли из строя и в дальнейшем были заменены.
Во время проходки на опытном полигоне в кольцах крепи ТРДШ также отмечались деформации, но менее интенсивные. Так, за месяц их суммарный прирост составил от -3 10-5 до -6-10-5. Затем процессы деформирования замедлились и в течение последующих 6 месяцев суммарные изменения не превысили -10-5.
Результаты исследований показывают, что низкотемпературное (азотное) замораживание оказывает значительное влияние на напряженно-деформированное состояние массива пород разлома. В процессе замораживания горное давление на ранее пройденную ТРДШ увеличилось в сред-
нем в 12,5 раз. До замораживания горное давление на обделку ТРДШ было невысоким, его максимальные значения достигали 0,14 МПа.
На рис. 5 приведены результаты измерений деформаций на замерной станции № 10. Видно, что два датчика среагировали активно в июне 1988 г. на землетрясение с К =13 с эпицентром примерно в 40 км (см. рис. 2) от этой замерной станции. Также отмечены скачки деформаций, которые можно связать с землетрясениями: одним в апреле и двумя парами землетрясений в мае и июле с К = 11 в 1986 г. Максимальные остаточные деформации составили -2-10-4.
Замерная станция № 11 расположена в подходной штольне № 1 от шахтного ствола № 2 СМТ в разломе общей протяженностью 42 м. Глубина заложения выработки на замерной станции № 11 равна 330 м. Породы на участке представлены средне- и крупнозернистыми серо-розовыми пор-фировидными биотит-амфиболовыми гранитами, выветрелыми с зонами интенсивного дробления с супесчано-глинистым заполнителем. Коэффициент крепости по М.М. Протодьяконову 0,6^2. Породы слабоустойчивые, в зонах дробления неустойчивые. Перед проходкой на этом участке провели инъекционное закрепление разлома це-ментно-силикатными растворами. Проходка велась ГПК «Вирт», выработку крепили сборной круговой обделкой из чугунных тюбингов. На тюбинги на уровне горизонтального диаметра под оболочкой щита устанавливали на ребра и спинку деформометры ПЛДС-400. Всего было смонтировано 20 датчиков на 5 кольцах.
Рис. 5. Результаты измерений деформаций на замерной станции № 10 в транспортно-разведочно-дренажной штольне Северомуйского тоннеля на пикете ПК 45+80 со стороны восточного портала по замерам на деформометрах ПЛДС -400, установленных на железобетонные тюбинги крепи
иркутским государственный университет путей сообщения
Измерения показали, что горное давление на кольца стабилизируется при отходе забоя от места установки датчиков на 10-20 м. Последующие измерения в течение 3,5 лет наблюдений практически не фиксировали изменений напряженно-деформированного состояния колец. Максимальные растягивающие напряжения в тюбингах составляли 26,2 МПа, сжимающие - 4,2 МПа. По разовым измерениям в 1988 г. и 1989 г. отмечены существенные деформации.
На других замерных станциях измерения по времени были меньше и производились относительно редко, например в 1988 и 1989 гг. по одному разу. Тем не менее, на интервале времени между последними замерами в 1987 г. и измерением осенью 1988 г. отмечены скачки деформаций от -0,410-5 до -3210-5 практически по всем замерным станциям в разломах тоннеля. Поэтому есть основание предполагать, что эти скачки связаны с землетрясением 04.06.1988 г. с К = 13, случившимся примерно в 40 км от трассы тоннеля с очагом под Муяканским хребтом (см. рис. 2). Отметим, что в основном это были деформации сжатия.
Зарегистрированная сейсмической станцией «Северомуйск» (эпицентральное расстояние 41 км) максимальная амплитуда смещения на дневной поверхности была по вертикальной компоненте 0,47 10-6 м, по горизонтальным компонентам на периоде 0,4 с смещения почти в два раза меньше. Датчики ПЛДС-400 на замерных станциях также регистрируют вертикальную составляющую тензора деформаций. Если оценить вертикальную компоненту смещение для участка замерной станции № 10, то
М = I ■£ = 400-10 3 • 2-10""4 = 0,8-106
м,
где I - база деформометра ПЛДС-400, равная 400 мм; £ - относительная деформация. Учитывая, что остаточные деформации являются долей упругих деформаций, получаем, что на глубине заложения тоннеля 430 м смещения были больше, чем на дневной поверхности.
Для сильных землетрясений (9-10 баллов) в мягком грунте можно ожидать (по грубым оценкам на основании измеренных значений скоростей смещений и ускорений) величин напряжений до 0,5 МПа. Однако данные о прямых измерениях
напряжений в грунтах при землетрясении отсутствуют.
Многие сейсмологи считают, что причиной повреждений зданий при землетрясениях являются необратимые деформации оснований, сложенных мягким грунтом. Прямых инструментальных данных очень мало. Они показывают, что остаточные деформации появляются в таких грунтах, как лессы и суглинки, у дневной поверхности на глубинах 1,5-2,5 м при землетрясениях силой 4-5 баллов (воет = 10"6^10"5). Грунты небольшой влажности (10-15 %), имеют скорости распространения продольных волн Ср = 250-300 м/с ^ 600-650 м/с.
Наименьшие остаточные деформации характерны для плотных глин и сухих лессов с Ср = 350-400 м/с, а наибольшими остаточными деформациями обладают слабые суглинки с Ср = 250-350 м/с, особенно влажные. В нарушенном грунте остаточные деформации еще больше увеличиваются.
Остаточные деформации сдвига лучше характеризуют поведение грунта при землетрясении. Разница в величинах остаточных деформаций сдвига остается такой же, как на диаграмме «деформация сжатия - напряжения», те грунты, которые имеют наибольшие величины остаточных деформаций сжатия, имеют и самые большие остаточные деформации сдвига. Здесь подчеркивается, что почти все измерения приходятся на ту область напряжений, в которой остаточные деформации остаются меньше упругих.
Для оценки скорости смещения V по напряжению о можно рассмотреть плоскую волну, распространяющуюся со скоростью С. Для нее о = pСV, где р - плотность грунта. Значение С зависит от вида диаграммы «о - £» и величины напряжения. При малых напряжениях С равна скорости распространения упругих волн. Зная величины напряжений сдвига, плотности пород и скорости распространения упругих волн, можно вычислить скорости смещения, связанные с интенсивностью землетрясений I в баллах (табл. 1).
Таким образом, существует соответствие между значениями V и, следовательно, I и величиной напряжений сдвига ттах, найденное по результатам измерений при взрывах и землетрясениях
Т а б л и ц а 1
Сейсмические параметры землетрясений [5]
Интенсивность землетрясения I, баллы Максимальная скорость смещения V, м/с Напряжение сдвига ттах, МПа
6 0,031-0,06 -
7 0,061-0,12 0,020-0,035
8 0,0121-0,024 0,036-0,060
9 0,0241-0,48 0,061-0,12
без учета различий в длительностях колебаний.
Величина остаточных деформаций сдвига уост без учета большей длительности колебаний при землетрясениях, чем при взрывах, для исследованных грунтов при 8 баллах составляет от 110-5 до 210-4, а при 9 баллах - от 210-5 до
7-10-4. Эти оценки получены для короткого взрывного импульса. Для перехода к более вероятному при землетрясении длительному колебанию той же амплитуды величину уост, по-видимому, необходимо удвоить. Но и тогда при землетрясении интенсивностью 9 баллов уост не превысят 110-3, а при 8 баллах - 5 10-4. Полученные таким образом значения уост для землетрясений интенсивностью
8-9 баллов относятся к грунтам в условиях их естественного залегания на глубине 1-2 м. Можно полагать, что с глубиной они должны уменьшаться, подобно тому, как уменьшаются с глубиной пористость, просадочность [5].
При экспериментах с небольшими взрывами были получены приближенные оценки остаточных деформаций сдвига уост в мягких сухих грунтах в условиях естественного залегания на глубине 1 -2 м при сильных землетрясениях. Полученные оценки максимальных значений уост при 9-балльных сотрясениях составили около 10-3, а при 8-балльных - порядка 5 10-4. При этом остаточные деформации остаются меньше упругих, которые и составляют основную часть полных деформаций. Таким образом, в указанных, достаточно типичных условиях при землетрясениях до 9 баллов включительно остаточные деформации сдвига невелики по абсолютной величине и поэтому вряд ли непосредственно достаточны для разрушения зданий и сооружений, построенных на этих грунтах, без учета дополнительных эффектов. Роль порового давления в разжижении грунтов при сейсмических воздействия изучали и многие исследователи за рубежом, например [6] и другие.
В механике грунтов обычно принимают, что при переходе в состояние пластического течения грунты удовлетворяют условию пластичности Ми-зеса - Шлейхера:
т = ар + в,
где т - интенсивность касательных напряжений, а и в - тангенс угла внутреннего трения и сцепление соответственно; р - давление до 0,5-1,0 МПа и менее. Тогда с учетом того, что для водонасы-щенных глин, песков а = 0,3^04, а сцепление порядка 0,1 МПа, можно получить грубую оценку напряжения сдвига, при котором грунт начинает течь. В нашем случае это т ~ 0,015^0,5 МПа. В таком диапазоне напряжений сдвига возможно проявление разжижений глинистых и песчаных грун-
тов. Для практических расчетов Е.В. Вознесенский [7] приводит выражение для оценки потенциала разжижения при динамических нагрузках: р • h _
т « 0,65-a r, где р - плотность, h - глубина,
g
amax - максимальное ускорение на поверхности грунта, r < 1 - коэффициент уменьшения касательных напряжений с глубиной. Тогда уже при 5-балльном сотрясении, согласно приведенной формуле, на глубинах порядка 400 м возможно появление напряжений сдвига, при котором происходит разжижение пород разлома. Неупругие свойства грунта проявляются в виде остаточных деформаций, по данным наблюдений, после 6-7-балльных землетрясений визуально, а при 5-балльных и ниже - инструментальными методами. Следовательно, скачки деформаций, зафиксированные замерными станциями, смонтированными в зонах разломов по трассе тоннеля, сложенных дезинтегрированными и обводненными породами, в свете приведенных данных могут быть связаны со случившимися в районе тоннеля землетрясениями с К > 11.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Press F. Displacements, strains, and tilts at teleseismic distances. /Journal of geophysical research. 1965. Vol. 70, No. 10. Pp. 2395-2412.
2. Wideman C.J., and Major M.W. Strain steps associated with earthquakes. /Bulletin of the Seismo-logical Society of America. 1967. Vol.57, No 6. Pp.1429-1444.
3. Басов А.Д., Иванов Ф.И., Павлов О.В., Потапов
B.А., Сильвестров С.Н. Организация подземной сейсмостанции на Северомуйском тоннеле. /Сейсмостойкость транспортных и сетевых сооружений. М.: Наука, 1986. С. 81-84.
4. Рихтер. Ч.Ф. Элементарная сейсмология. М., Изд-во ИЛ, 1963. - 671 с.
5. Васильев Ю.И., Гвоздев А.А., Иванова Л.А. и др. Механические свойства мягкого грунта по результатам измерения напряжений и деформаций. - М.: ВИНИТИ, 1981. Деп. № 5167-81. -104 с.
6. Фаччили Э., Резендиц Д. Динамика грунтов: поведение грунта при сейсмическом воздействии, включая разжижение. /Сейсмический риск и инженерные решения. Под ред. Ц. Лом-нитца, Э. Розенблюта. - М.: Недра, 1981.
C. 66-128.
7. Вознесенский Е.А. Динамическая неустойчивость грунтов. М.: Эдиториал УРСС, 1999. -264 с.
