CC BY
32
УДК 550.348/349 Серебренников Сергей Петрович,
к. г.-м. н., с. н. с. ИЗК СО РАН (Иркутск), тел. (3952)425860, e-mail: serebr@crust.irk.ru
Джурик Василий Ионович,
д. г.-м. н., заведующий лабораторией инженерной сейсмологии и сейсмогеологии ИЗК СО РАН (Иркутск),
тел. (3952)427510, e-mail: dzhurik@crust.irk.ru Семенов Рудольф Михайлович, д. г.-м. н., профессор ИрГУПС, в. н. с. ИЗК СО РАН (Иркутск), тел. (3952)425404, e-mail: semenov@crust.irk.ru Брыжак Евгений Вадимович, аспирант ИЗК СО РАН (Иркутск), тел. (3952)425860, e-mail: bryzhak@crust.irk.ru
МЕТОДИКА РАЙОНИРОВАНИЯ ЛИНЕЙНЫХ СООРУЖЕНИЙ В УСЛОВИЯХ КРИОЛИТОЗОНЫ ПО СЕЙСМИЧЕСКИМ ВОЗДЕЙСТВИЯМ НА ИХ ОСНОВАНИЯ
S. P. Serebrennikov, V. I. Dzhurik, R. M. Semenov, E. V. Bryzhak
TECHNIQUE OF LINEAR-STRUCTURE ZONING IN CRYOLITHIC ZONE CONDITIONS BASED ON SEISMIC EFFECTS ON STRUCTURE BASEMENTS
Аннотация. В статье представлен разрабатываемый авторами метод, основанный на районировании сейсмической опасности трасс линейных сооружений (железнодорожные пути) по вероятным мерзлотно-грунтовым моделям, для которых по экспериментальным и расчетным данным проведена оценка набора параметров сейсмических воздействий, необходимых для их проектирования, как для естественного, так и для прогнозируемого состояния грунтов. На стадии выбора трассы железнодорожного пути в первую очередь необходимы сейсмологические и сейсмогеологические данные. В случае оценки изменения сейсмической опасности по профилю (микрорайонирование) выбранной трассы, конечным результатом является разработка крупномасштабного представления расчетных и экспериментальных данных по параметрам сейсмических воздействий на грунты основания линейного сооружения. Это позволяет с высокой степенью детальности оценивать локальные инженерно-сейсмологические условия трассы, что является одним из важнейших элементов в комплексе защитных мероприятий, обеспечивающих повышение безопасности особо ответственных линейных сооружений, какими являются железные дороги.
Ключевые слова: сейсмическая опасность, инженерная сейсмология, мерзлотно-грунтовые модели, грунты.
Abstract. The paper deals with the technique designed for seismic zoning of linear structures (railways) from probable permafrost models for which the necessary parameters describing seismic effects have been estimated based on the experimental and calculated data for both natural and predicted ground conditions. At the stage of railway track selection, seismological and geological data are primarily needed. In the case of changes of seismic hazard assessment on the profile (micro-zoning) of selected track, the end result is the development of large-scale representation of the calculated and experimental data on the parameters of seismic effects on linear structures basis soils. This allows with high degree of detail to assess the local engineering seismological track conditions, which is one of the most important elements in the complex of protective measures, enhancing security of especially critical line structures, such as the railroads.
Keywords: seismic hazard, engineering seismology, permafrost models, grounds.
Введение
Освоение севера Восточной Сибири и юга Якутии связано со строительством линейных сооружений, железных дорог и трубопроводов. Известно, что площадное районирование сейсмической опасности требует не только комплексного подхода к ее оценке, но и соблюдения кондиции карт по параметрам, определяемым экспериментальными методами инженерной сейсмологии. Такие исследования оправданы на стадии выбора трассы железнодорожного пути, когда, для оценки сейсмической опасности, наряду с результатами работ по ключевым участкам в первую очередь необходимы и сейсмогеологические данные. В случае оценки изменения сейсмической опасности по профилю (микрорайонирование) выбранной трассы, конечным результатом является разработка крупномасштабного представления расчетных и экспериментальных данных по парамет-
рам сейсмических воздействий на грунты основания линейного сооружения. Это позволяет с высокой степенью детальности оценивать локальные инженерно-сейсмологические условия трассы, что является одним из важнейших элементов в комплексе защитных мероприятий, обеспечивающих повышение безопасности особо ответственных линейных сооружений, какими являются железные дороги.
Сейсмичность
Для землетрясений рассматриваемой территории и смежных районов (рис. 1) была рассчитана средняя повторяемость крупных событий (зависимость числа представительных землетрясений от их энергетического класса). Так, подземные толчки с К = 12 (6 баллов) возможны один раз в 10 лет, с К = 13 (6-7 баллов) - раз в 30 лет, с К = 14 (7 баллов) - раз в 100 лет, с К = 15 (8 баллов) - раз в 280 лет и К = 16 (9 баллов) - раз в 800 лет.
Современные технологии. Транспорт. Энергетика. Строительство. _Экономика и управление_
Рис. 1. Карта эпицентров землетрясений Южной Якутии и соседних районов. Кружками показаны эпицентры землетрясений с магнитудой соответственно >7,0; 6,5-6,9; 5,5-6,4; 4,8-5,4; 4,4-4,7; 3,8-4,3; <3,7
По наблюдениям близких станций или группы станций (эпицентральное расстояние от участка работ равно или больше 50 км) определялась глубина возникновения местных землетрясений, которая соответствует 8-40 км. Самые глубокие местные подземные толчки произошли в районе Южно-Якутского землетрясения 1989 г. на глубине около 40 км. Анализ распределения глубин возникновения очагов землетрясений (ВОЗ) в Олекмо-Становой сейсмической зоне показал, что все они располагаются выше подошвы земной коры, которая, по оценкам разных исследователей, находится здесь на глубине 40-60 км.
Следует отметить, что построенная карта эпицентров землетрясений исследуемого района характеризуется довольно высокой концентрацией эпицентров землетрясений, с группированием сильных событий (15-16 энергетических классов) в южных частях района исследований (рис. 1). Поэтому планируемое промышленное развитие Южно-Якутского региона, включающее строительство различных промышленных объектов на территориях с высокой сейсмичностью, ставит серьезные задачи по обеспечению их сейсмической безопасности.
Детализация полученных результатов позволила дать более объективную оценку сейсмической опасности и провести детальное сейсмическое районирование территории строительства в масштабе 1:100000. В результате выполненных
работ было установлено, что предельная интенсивность территории участков исследований оценивается в 7 баллов по карте ОСР-97-В [1]. По сейсмогеологическим данным району расположения изучаемых участков присвоен сейсмический потенциал с М = 5,5-6,0, глубиной возникновения гипоцентров ожидаемых землетрясений 10-20 км и возможными единовременными сейсмическими подвижками с амплитудой до 60 см. Эпицентраль-ные расстояния сильных землетрясений могут меняться от 50 до 200 км.
В данном направлении исследований авторами разрабатывается метод, основанный на районировании трасс линейных сооружений по вероятным мерзлотно-грунтовым моделям, для которых по экспериментальным и расчетным данным проведена оценка набора параметров сейсмических воздействий, необходимых для их проектирования, как для естественного, так и для прогнозируемого состояния грунтов. Основы такого подхода изложены в работе [2]. Для естественного состояния грунтов он реализован на примере участков подъездных железнодорожных путей к месторождениям полезных ископаемых, расположенных между г. Нерюнгри и Алданом. Как основа для проведения теоретических расчетов использованы полученные и имеющиеся сведения о сейсмотектонике и сейсмичности районов, а также инженерно-геологические и мерзлотные данные, необходимые для обоснования разрабатываемого
подхода. Сама методика исследований показана на примере одного из участков строительства железнодорожных путей к месторождениям Таежного ГОКа (Якутия).
Расчет сейсмических воздействий
Расчет сейсмических воздействий для линейных сооружений железнодорожной трассы требует задания исходного сигнала и построения обобщенных сейсмических моделей, отвечающих грунтовым и мерзлотным условиям их оснований. Они необходимы как для оценки изменения сейсмической опасности в баллах по трассе железной дороги, так и для расчетов сейсмических воздействий в виде максимальных ускорений.
Для расчетов акселерограмм, спектральных характеристик, спектров ускорений использовался набор методов [3] и программ [4]. Для их реализации необходимо задание исходного сигнала и расчетной модели. Исходный сигнал для вероятного сильного землетрясения определяется на основе количественных геолого-геофизических и сейсмологических данных, приведенных в начале статьи. Расчетная модель - на основе прямых измерений скоростей сейсмических волн по трассе линейного сооружения.
Для участка «Таежный» протяженностью 7 км достаточно было построить 5 сейсмогрунтовых моделей. Они характеризуются распределением скоростей сейсмических волн и объемной массы слоев до относительно плотных коренных пород. В нашем случае, на основе прямых измерений
скоростей сейсмических волн с помощью сейсморазведки, данных бурения и имеющихся сведений о физических свойствах грунтов, такое построение не вызывало затруднений до глубин 20 и более метров. При построении моделей учитывалось преобладающее неглубокое залегание коренных пород на участке и градиент изменения скоростей с глубиной. Это было положено в основу построения моделей и определяло их количество (табл. 1). В то же время при выборе скоростей мы отдавали предпочтение их наиболее вероятным значениям и выявленным зависимостям для исследуемого участка. В таблицу введены значения приращений балльности и сейсмическая опасность в баллах, рассчитанных по методу сейсмических жесткостей [5] для участков трассы, представленных моделями 1-5.
Модели отличаются состоянием грунтов, но их представительность разная. Модели № 1 и № 2 соответствуют коренным и твердомерзлым (Т < -2 оC) основаниям трасс. Модели № 3 и № 4 характеризуют участки пластично-мерзлых грунтов различной мощности (Т > -2 а модель № 5-таликовые зоны.
Для более надежных оценок сейсмической опасности в баллах использовался и метод микро-сейсм [6]. При использовании данных этого метода повышается достоверность оценок для водона-сыщенных грунтов и участков с температурой мерзлых грунтов, близкой к нулю градусов. Одной из наиболее значимых характеристик, получаемых
Т а б л и ц а 1
Параметры обобщенных сейсмических моделей для участка «Таежный»
№ модели Тип, состояние грунта h V» Vs Р М I
(м) (м/с) (м/с) (т/м3) (баллы) (баллы)
А(см/с2)
№ 1 Коренные 10 2700 1450 2,5 -1 6
«эталон» (мерзлые) да 3000 1600 2,6
№ 2 Рыхлые 3 м, 3 2500 1300 2,0 -1 6
ниже коренные 10 2700 1450 2,5
(Т < -2 °0) да 3000 1600 2,6
№ 3 Рыхлые до 7 м, 3 2500 1300 2,0 0 7
ниже коренные породы 4 2600 1360 2,1
(Т > -2 оС) 10 2700 1450 2,5
да 3000 1600 2,6
№ 4 Рыхлые до 14 м, 3 2500 1300 2,0 0 7
ниже коренные породы 11 2600 1360 2,1
(Т > -2 оС) 10 2700 1450 2,5
да 3000 1600 2,6
№ 5 Рыхлые 7 1700 500 2,0 +1 8
водонасыщенные до 13 м, 6 1900 600 2,1
ниже коренные 10 2700 1450 2,5
да 3000 1600 2,6
этим методом, является частотная характеристика верхнего слоя. Ее параметры могут использоваться как непосредственно для относительной оценки сейсмической опасности в баллах, так и для анализа спектральных особенностей изучаемых площадок. По методу микросейсм для участка «Таежный» получены средние частотные характеристики для мерзлых грунтов с различной температурой (рис. 2).
При достаточно обоснованных данных о температуре мерзлой толщи (прямые измерения до глубины нулевых колебаний), такое разделение дает возможность использования частотных экспериментальных характеристик для проведения теоретических расчетов максимальных пиковых ускорений [7] на случай сильных землетрясений. Такая возможность нами реализована на примере участка «Таежный», но для этого необходимо было задание исходного сигнала, приведенного к эталонным коренным породам.
Выше проанализированы и получены основные сейсмологические данные и указаны пределы, в которых могут меняться параметры сильных землетрясений из выделенных зон ВОЗ. Они имеют значительные интервалы изменений эпицен-тральных расстояний, магнитуд, интенсивности в баллах и других параметров. Все это свидетельствует о необходимости более обоснованного подхода как к заданию исходного сейсмического воздействия, так и к оценке его изменения за счет не-однородностей в пунктах строительства ответственных сооружений, о чем свидетельствуют представленные частотные характеристики верхних слоев. Поэтому, в нашем случае, задание сигнала отвечало требованиям, изложенным в руководстве по безопасности (РБ-006-98) и методике [8] и в других нормативных документах.
В то же время статистические данные по записям сильных землетрясений для исследуемого района ограничены. Для сбора данных использовались землетрясения, зарегистрированные на сейсмостанциях, расположенных в пунктах Чуль-ман, Иенгра, Алдан и Тында, - всего 6 землетрясений за 2004-2005 гг., энергетический класс от 10
до 12,8. Они и послужили нам основой для формирования исходной акселерограммы. В форме, приведенной к эталонному «скальному» грунту, она показана для максимальной горизонтальной компоненты (N8) на рис. 3 (М-1).
Основные параметры исходного сигнала для «эталона» имеют следующие значения: максимальные ускорения N8-57 см/с2 и 2-21 см/с2, продолжительность записи на уровне 0,3 от максимума - 20 с, максимум спектра - 8 см/с, ширина максимума спектра на уровне 0,7 - от 1 до 7,2 Гц, основной максимум спектра приходится на частоту 5,9 Гц. По своим параметрам, согласно нормативным документам, расчетная акселерограмма (рис. 3, М-1) соответствует 6-балльному сотрясению коренных пород, представленных моделью эталона (табл. 1, М-1). Расчетные акселерограммы и их спектры для горизонтальной компоненты представлены на рис. 3, а их основные параметры для горизонтальной и вертикальной компонент сведены в табл. 2.
Расчеты показывают, что верхняя пачка слоев увеличивает интенсивность колебаний исходного сигнала (модели 1-5) для горизонтальной и вертикальной компонент, которая достигает значений 57-210 см/с2 - N8 и 21-62 см/с2 - Ъ (табл. 2). Исследуемый район входит в зону сплошного распространения мерзлых грунтов [9], строительство планируется проводить.
Это, согласно шкале балльности, соответствует сейсмическому воздействию, равному примерно 6,1-8,2 балла. Основной максимум спектров ускорений соответствует частоте 5,9 Гц и находится в интервале 8-30 см/с - N8 и 3-9 см/с - Ъ.
Согласно частотным характеристикам пачек слоев представленных моделями 1-5 (рис. 3, в), наибольшие увеличения исходного сигнала отмечаются на частотах 10 и более герц. Они не играют существенной роли, приходятся на спады спектров и не являются значимыми (т. е. находятся в пределах погрешности их расчетов), поэтому вводить поправку за счет резонанса при расчетах приращений балльности нет оснований.
Современные технологии. Транспорт. Энергетика. Строительство. Экономика и управление
Рис. 3. Расчетные акселерограммы (а), их спектры (б) и частотные характеристики (в) (горизонтальная компонента, слева - номера моделей, соответствующие табл. 1)
Т а б л и ц а 2
Основные параметры расчетных акселерограмм и соответствующих им спектров
для моделей 1-5 «Таежный ГОК»
Компо- А ■^мах Макси- Частота Интервал Резонанс-
№ модели нента (см/с2) мальное основного частот для ная частота
значение максимума 0,7^ах рыхлых
спектра (см/с) спектра (Гц) слоев (Гц)
№ 1 Ш 57 8 5,9 1,0-7,2 >10
(эталон) Z 21 3 5,9 1,0-7,2
№ 2 Ш 62 9 5,9 1,0-7,2 >10
Z 24 3 5,9 1,0-7,2
№ 3 ш 83 12 5,9 1,0-7,2 >10
Z 32 5 5,9 1,0-7,2
№ 4 ш 95 14 5,9 1,0-7,2 >10
Z 36 5 5,9 1,0-7,2
№ 5 ш 210 30 5,9 1,1-11,5 12,5
Z 62 9 5,9 1,1-7,2
После проведения необходимых расчетов районирование трассы железнодорожного пути не вызывает затруднений. По данным экспериментальных и расчетных методов получены все необходимые сведения о состоянии грунтов, мощности рыхлых отложений, основных сейсмических параметрах эталонных и исследуемых грунтов, скоростях распространения в них сейсмических волн, распределении уровня микросейсм на грунтах, служащих основаниями сооружения, и значениях максимальных ускорений на случай сильных землетрясений, соответствующих исходной сейсмичности, с учетом ее сохранения в основании железнодорожного пути. Поэтому и оценка сейсмической опасности этого участка проведена для естественного состояния грунтов.
Заключение
Расчет сейсмических воздействий, с учётом вероятности сильных землетрясений, для исследуемой территории проведен по исходной сейсмичности, обоснованной для ответственных сооружений, - это 5%-й риск вероятности превышения (или 95%-й вероятности непревышения) расчетной интенсивности в течение 50 лет [10].
В итоге по данным комплекса экспериментальных и расчетных методов получены сведения о количественной оценке параметров движений грунта на случай сильных землетрясений. Краткая характеристика выделенных зон по параметрам сейсмических воздействий следующая.
Шестибалльная зона занимает большую часть участка железнодорожного пути которая характеризуется неглубоким залеганием коренных пород (менее 4-5 м). Приращения балльности по отношению к «эталону» по методу сейсмических жесткостей и микросейсм меняются от 0 до 0,4 балла. Расчетные максимальные значения ускорений для горизонтальной компоненты для сильных землетрясений меняются от 57 до 62 см/с2, для вертикальной - лежат в интервале 21-24 см/с2, резонансная частота верхнего слоя >10 Гц.
Семибалльная зона расположена на бортах мостовых переходов, мерзлые рыхлые грунты имеют температуру, близкую к нулю градусов. Это переходные зоны от мерзлых и коренных пород к русловым участкам. Максимальные значения ускорений для горизонтальной компоненты для сильных землетрясений могут меняться от 83 до 95 см/с2, для вертикальной - лежат в интервале 32-36 см/с2, резонансная частота верхнего слоя >10 Гц.
Восьмибалльная зона охватывает небольшие участки таликовых зон. Основанием сооружений служат рыхлые водонасыщенные грунты. Приращения балльности по отношению к «этало-
ну» скального грунта по методу сейсмических жесткостей и микросейсм составляют в среднем 2,2 балла. Расчетные значения ускорений для горизонтальной компоненты для сильных землетрясений достигают 210 см/с2, для вертикальной -62 см/с2, резонансная частота верхнего слоя равна 12,5 Гц.
Таким образом, нами реализован подход, основанный на районировании основания линейных сооружений с использованием сейсмогрунто-вых моделей, для которых с помощью экспериментальных и расчетных данных выполнена оценка набора параметров сейсмических воздействий, необходимых для проектирования сейсмостойкого сооружения. Подход позволяет экономично и с большей степенью надежности районировать протяженные трассы линейных сооружений по вероятным максимальным сейсмическим воздействиям.
Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ (№ 14-05-00200А; № 14-05-31359 мол а; №14-05-00245).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Комплект карт ОСР-97. / гл. ред. В.Н. Страхов, В.И. Уломов. М., ОИФЗ, 1999. 57 с.
2. Джурик В.И., Серебренников С.П., Дреннов А.Ф. Районирование сейсмической опасности протяженных трасс линейных сооружений в Сибирском регионе // Вопросы инженерной сейсмологии. 2009. Т. 36, № 4. С. 53-69.
3. Сейсмический риск и инженерные решения. М. : Недра, 1981. 370 с.
4. Расчетные методы в СМР // Методическое руководство по сейсмическому микрорайонированию. М. : Наука, 1988. С. 196-130.
5. Оценка влияния грунтовых условий на сейсмическую опасность // Методическое руководство по сейсмическому микрорайонированию М. : Наука, 1988. 300 с.
6. Методические рекомендации по сейсмическому микрорайонированию участков строительства транспортных сооружений. МДС 22-1.2004. М. : ФГУП ЦПП, 2005. 48 с.
7. Джурик В.И., Серебренников С.П., Дреннов А.Ф., Усынин Л.Н. Методика районирования сейсмической опасности линейных сооружений по сейсмо-грунтовым моделям // Криосфера земли. 2008. Т. XII, № 4. С. 66-76.
8. Джурик В.И., Дреннов А.Ф., Басов А.Д. Прогноз сейсмических воздействий в условиях криолитозо-ны. Новосибирск : Наука, 2000. 270 с.
9. Геокриологические условия Забайкальского Севера / отв. ред. Н.А. Граве. М. : Наука, 1966. 216 с.
10. СНиП 11-7-81 Строительство в сейсмических районах. М. : Госстрой России, 2001. 45 с.
