Применение сейсмологии в решении инженерногеологи ческих задач на примере лесопромышленного проекта «Дракон» Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

ПРИМЕНЕНИЕ СЕЙСМОЛОГИИ В РЕШЕНИИ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ЗАДАЧ НА ПРИМЕРЕ ЛЕСОПРОМЫШЛЕННОГО ПРОЕКТА «ДРАКОН»

К. г. -м. н. В. А. Лютоев

valutoyev@geo.komisc.ru

Летом 2006 г. производственное объединение ЗАО «Кэмон» обратилось в Институт геологии за помощью в решении возникших производственных проблем — определения расстояния от шлифовального цеха до будущей строительной площадки с условием допустимого уровня вибраций, идущих от сваебоечной машины на шлифовальный и токарный станки, а также определение влияния вибраций на качество шлифовки валов во время забивки свай. Геофизическая обсерватория «Сыктывкар», имея в наличии соответствующее геофизическое оборудование, взялась за решение этих задач. Для нас появилась прекрасная возможность на практике посмотреть, каким образом меняется приращенная балльность в реальных геологических условиях г. -Сыктывкара от искусственных сотрясений. Полученные статистические данные должны послужиь дальнейшему развитию нашей теоретической базы в разработке методики микросейсморайонирования.

Известно, что негативные вибрационные воздействия на промышленных предприятиях возникают чаще всего от работы механизмов, имеющих узлы передачи механических колебаний (фундамент здания или другие инженерные сооружения), распространение которых происходит через окружающую геологическую среду (возможен и обратный вариант). Вибрации от источника воздействия по продолжительности подразделяются на постоянные (производственные предприятия), временные (транспорт, микроземлетрясения) и кратковременные (забивка свай, взры-

М. н. с. В. И. Арихина

lutoyeva@geo.komisc.ru

вы) [2]. Колебания, распространяющиеся в грунтах под воздействием техногенных или природных источников вибрации, могут привести к изменению состояния и качества геологической среды, в связи с изменениями несущих свойств грунтов, и повлиять на временной отрезок срока службы инженерных объектов и зданий или даже разрушать их, причем в отдельных исключительных случаях капитальный ремонт бесполезен. Неблагоприятное воздействие вибраций (амплитуда, частотный диапазон) может повлиять также и на работоспособность людей, находящихся в этих зданиях. Следует иметь в виду, что основной причиной негативного влияния на несущие свойства грунтов, повреждения зданий и сооружений является не столько амплитуда сейсмического сигнала, сколько длительность времени воздействия источников вибрации, которые ведут к «усталости» грунтов, материалов и конструкций. К настоящему времени доказано, что происходит энергетическое накопление усталости материалов конструкций по нелинейному геометрическому закону [1]. Отображение негативных свойств на геологическую среду, промышленное оборудование, здания и сооружения от вибрационных воздействий носит локальный характер, размеры этого влияния зависят от интенсивности источника колебаний и несущих способностей грунтов. Оценку и прогнозирование этого воздействия и разработку мероприятий по защите от него необходимо решать комплексно для системы «источник вибрации — геологическая среда — инженерный объект».

М. н. с. Н. В. Лютоева

lutoyeva@geo.komisc.ru

Аппаратурное обеспечение

Вибросейсмические замеры проводились с помощью цифровой сейсмической станции SDAS, разработанной конструкторским бюро НПП «ГЕО-ТЕХ+» при Геофизической службе России. Данная цифровая сейсмическая станция состоит из следующих блоков и систем:

— блок регистрации и сбора сейсмических сигналов DASS;

— спутниковая система GPS для привязки к нулевому времени Гринвича;

— трехкомпонентные короткопериодные сейсмоприемники СМ3-КВЭ-И с рабочей полосой пропускания от 1 до 40 Гц.

Блок регистрации и сбора позволял накапливать сейсмические сигналы на жестком диске в течение длительного времени, что давало возможность в отсутствие оператора проводить фоновый вибросейсмический мониторинг в шлифовальном цехе в вечернее и ночное время. В реальном времени при процессе регистрации вибраций, возникающих во время забивки свай, блок позволял просматривать на мониторе компьютера амплитуду сигнала и в случае превышения допустимых значений уровня вибрации оперативно вмешиваться в работу строителей.

Для синхронизации всех процессов внутри станции и привязки оцифровки данных к шкале мирового времени с максимальной точностью в системе сбора используется дополнительная настройка частоты по 1-секундному импульсу, выдаваемому внешней системой времени GPS.

Датчик приема вибраций состоял из

ВесмАме, октябрь, 2006 г., № 10 ® і

трех сейсмоприемников. Два сейсмоприемника являлись горизонтальными, они принимали составляющую вектора сейсмического сигнала в горизонтальной плоскости в направлении север-юг и запад-восток, их обыгчно обозначают значками X, У или N-8, соответственно. Такое положение сейсмоприемников обычно используется для решения стандартных сейсмологических задач. В нашем случае положение сейсмоприемников менялось в зависимости от решения поставленных задач. Третий сейсмоприемник был ориентирован в вертикальной плоскости, поэтому регистрировал вертикальную составляющую сейсмического сигнала, и обозначался — 2. Таким образом, любой сейсмический сигнал можно было регистрировать по трем координатным осям и определять величину смещения почвы (станка) с привязкой к плану местности. Все сейсмические датчики СМ3-КВ прошли паспортизацию в 2005 г.

Определение фоновых микро-

сейсм в шлифовальном цехе

Микросейсмический мониторинг в шлифовальном цехе на шлифовальном и токарном станках осуществлялся следующим образом:

— проводились одновременные замеры фоновых составляющих вибраций на станинах импортного шлифовального и отечественного токарного станков по горизонтальным компонентам, ориентированным в одном произвольно выбранном направлении. Замеры проводились в течение одного суточного производственного цикла. Уровень фоновых вибраций можно разделить на две подгруппы:

1) уровень микросейсм при условии работы станков, 2) уровень микро-сейсм при условии неработающих станков.

Эти замеры позволили определить уровень фоновых составляющих мак-

симальных амплитуд с частотами как посторонних наводящих шумов, так и шумов, идущих непосредственно от работающего электродвигателя станков и движения стола с изделием то-

карно-шлифовальной обработки (табл. 1, рис. 1);

— определялись суточные отклонения уровня вибросейсм от медиального значения (табл. 1, рис. 2);

Рис. 1. Схема района проведения вибросейсмических работ с пунктами наблюдений

и источниками возмущений

ІЗ Т1П7

Рис. 2. Характерные кривые и спектры колебательных движений, зарегистрированные в шлифовальном цехе:

Л — волновая картина, появляющаяся при забивке свай; Б1 — спектр колебаний для шлифовального станка; Б2 — спектр колебаний для токарного станка; В — полный спектр колебаний в интервале частот 0—20 Гц

Т а б л и ц а 1

Уровень фоновых вибросейсм на станинах станков

Уровень міжросейсм при условии Уровень микросейсм при условии

работы станков {максимальный} неработающих станков (максимальный)

Амплитуды Прео бла дающие Амплитуды Преобладающие Суточное

Виды смещении по частоты по смещении по частоты по отклонение,

станков компонентам компонентам компонентам X, У, компонентам в %

X. У. ъ X, У, Ъ Ъ X, У, 1

(мкм) (Гц) ('мкм') (Гц)

Аг Ах Ау Рт Рх Гу Аг Ах Ау Рх Ру Аг Ах Ау

Шлифовальный 53 60 53 7.6 7.5 7.5 35 49 46 7.5 7.8 7,5 269 204 460

Токарный 16 10 14 5.4 5.0 5.0 12 6 6.0 5.0 5.0 5.0 137 Ш 217

1 2 Рис. 3. Уровни микросейсм по 7, X, У компонентам в интервале преобладающих частот при условии работающих (А) и неработающих (Б) станков 1 — шлифовальный; 2 — токарный

— на шлифовальном и токарном станках определялись горизонтальные составляющие фоновых вибраций в цехе по направлению движения шпинделя станка и перпендикулярно его движению (рис. 3).

При проведении анализа спектров, полученных во время работы шлифовального станка и сваебоечной машины было замечено, что они раскладываются на ряд отличающихся друг от друга составляющих:

— спектр, полученный при ударе молота, имеет частоты от 5 до 8 Гц с различными величинами амплитуды, зависящей от силы удара, грунтовых условий, площади сечения сваи и расстояния;

— спектр фоновой составляющей — при нерабочем состоянии станков и агрегатов, в ночное время;

— линейный спектр — от крутящегося вала с подшипником во время работы шлифовального станка. Он отличается от вышеперечисленных спектров тем, что на нем присутствует регулярная частота, напрямую зависящая от оборотов крутящегося вала с изделием (при шлифовке и при ее отсутствии), которая может составлять дискретные значения по всем трем компонентам сейсмодатчика (6.6; 11.8 Гц). Уровень этой помехи достигает достаточно больших величин, соизмеримых с уровнем вибраций от ударов молота сваебоечной машины в ближних точках: в1, в2, в3.

Определение уровня

вибросейсм в шлифовальном

цехе при забивке свай

Выше было отмечено, что уровень вибросейсм (как колебательного про-

цесса) определяется амплитудой колебаний и их спектральным составом. В нашем случае уровень вибросейсм оценивался по виброперемещению, выраженному в микрометрах (мкм), в децибелах (Дб), относительно некоторого порогового уровня (80 = 8-10-12 м), и по силе сотрясаемости (М-магнитуда), выраженной в баллах.

Величина виброперемещения бралась непосредственно со спектров, как функции амплитуды смещения от частоты — А = ДБ), полученных от различных источников вибраций. Каждому спектру частот соответствует своя величина смещения почвы, из которых выбирались максимальные значения с последующим присуждением имен виброперемещений. Например, фоновая составляющая работы станка, а также отклонение от этой фоновой составляющей, вибросейсмы от ударов и др.

Для определения уровня вибраций в децибелах использовалась известная формула:

ЬА = 20LgA/A0,

где LA — уровень вибрации в децибелах, А — измеренное значение виброперемещения в м, А0 — пороговое значение параметра в м.

В других странах пороговые уровни имеют иные значения, поэтому при сопоставлении данных необходимо провести перерасчет.

Магнитуда вибросейсм определялась с помощью формулы:

М = LgA■f,

где А — измеренное значение виброперемещения в мкм, f — частота в Гц.

Уровни вибраций, идущих от сва-ебоечной машины, определялись двумя сейсмоприемниками, 7-вертикаль-ной и Х-горизонтальной компонентами. При каждой забивке свай сейсмоприемник Х поворачивался таким образом, чтобы горизонтальный маятник прибора испытывал наибольшее качание от распространяющихся упругих колебаний, для вертикальной компоненты 7 положение сейсмоприемника не менялось. В этих условиях измерения проводились в плоскости, перпендикулярной распространению фронта волны, что позволяло фиксировать максимальные значения вибро-сейсм, исходящих от ударов сваебоечной машины, не используя третий сейсмодатчик.

На основании проведенных работ по оценке вибрационного воздействия

и восприимчивости геологической среды вблизи шлифовального цеха можно сделать следующее заключение:

• Геологическая среда вокруг шлифовального цеха неоднородна, на это указывает неравномерный характер (не подчиняется закону расхождения энергии) изменения уровня вибраций при забивке свай на одном и том же условно приведенном расстоянии (рис. 4, 5);

Рис. 4. Суточные отклонения уровня вибросейсм на шлифовальном (А 1z, A1x, A1y) и токарном (A2z, A2x, А2у) станках (во время работы) от медиального А (фоновый уровень) в процентном отношении

Рис. 5. Горизонтальные составляющие фоновых вибраций на шлифовальном (А1х, А1у ) и токарном (А2х, А2у) станках по направлению движения шпинделя станка и перпендикулярно движению

• Амплитуда интенсивности вибраций в процессе забивки свай меняется не только от силы удара молота и смены литологических границ, но и от изменения механических свойств грунтов во время самой забивки. Изменение несущей способности грунтов вблизи забиваемой сваи происходит следующим образом: сначала идет уплотнение грунта (регистрируемая амплитуда увеличивается), затем на некоторой стадии забивки он может перейти в плывунное состояние (в1, в8, в9 — уменьшение амплитуды);

• Интенсивность вибраций несколько увеличивается (от 10 до 50 % и более) при проходке сваи через нижележащие, более плотные породы;

• Уровень вибраций на станине токарного станка ниже, чем на станине шлифовального как минимум в два раза (рис. 1). Это заметно как по фоновым составляющим (при работе станков без забивки свай), так и в процессе забивки свай. Технологические подушки по снижению вибрационных

Таблица расчета уровня вибраций в децибелах и баллах

Т а б л и ц а 2

Пункты Гйіииики свай № спаи м" 1-, в м А по А и X компонентам ттачало/добивтса и м іс.м Уровень вибрации Ь но ІСОМІЮНЄН іїш 7 и X (8.;:= 8*1 О-12) начало/добивка иди Преобладающие частоты 1' по компонентам ¿иХ и Гц Уронень сотрясаемое™ М по компонентам £ и X начало,'добивка к йалла*

Аж Ах и, ЬЛ8 1-ж 1'Х _Мг Мх

С1 1 300*300 110 120/140 182/236 44/45 47/49 8/6.9 5.8/5.8 2. У 8/2.98 3.02/3.14

2 300*300 110 165/206 374/335 46/48 53/52 5.8/6.4 6/6 2. У 8/3.12 3.35/3.3

3 300*300 110 166/247 242/530 46/50 50/56 5.8/7 6/6 2.98/3.3 3.16/3.5

4 350*350 110 201/241 252/518 48/50 50/56 7/6.7 6/5.6 3.15/3.2 3.18/3.46

5 350*350 ПО 224/211 488/385 49/48 56/54 7/6.8 5.9/6.2 3.2/3.16 3.46/3.38

6 350*350 ПО 200/130 210/245 48/44 48/30 5.5/5.4 6/6 3.04/2.85 3.1/3.17

02 1 300*300 91 138/182 159/208 45/47 46/48 5.5/5.7 5.7/5.7 2.88/3.02 2,96/3.07

■і 350*350 91 32 5,;32 5 218/218 52/52 49/49 6/6 6/6 3.29/329 3.12/3.12

СЗ 1 350*350 84 274/330 268/318 51/52 51/52 6/6 6/6 3.22/3.30 3.21/3.28

2 300*300 К4 336/575 251/520 52/57 50/56 6.4/5.4 5.9/5.6 3.33/3.49 3.17/3.46

□ 4 1 300*300 І6К 226/151 244/59 49/46 50/37 5.8/5.4 6.2/5.5 3.13/2.91 3.18/2.51

350x350 168 1 1 9/665 КЗ/97 43/58 4(1/42 6/5.7 6/6.7 2.345/3.58 2,70/2.81

(15 1 350*350 190 105/142 67/68 42/45 38/39 5.5/5.7 5.6/5.7 2.76/2.91 2,57/2.59

300^300 190 97/239 57/1 17 42/150 37/143 5.3/5.1 7/5.1 2.71/3.09 2.6/2.78

06 1 300x300 330 68/80 53/42 39/140 36/134 5.8/5.К 7.5/6.9 2.6/2.67 2.6/2.46

2 350x350 330 98/87 75/72 42/141 39/139 7.4/7.1 7.3/7.1 2.86/2.79 2,74/2.71

ві 1 300x300 292 14/14 8/8 25/125 20/120 6/6 5/5 1.92/1.92 1.6/1.6

2 350*350 292 17/32 7/13 27/132 19/124 6.1/5.7 5/5.7 2.02/2.26 1,54/1.87

08 1 300*300 315 61/112 64/58 38/143 38/137 5.7/5.? 7.5/6.6 2.54/2.82 2,68/2.58

350*350 315 118/62 66/27 43/138 38/131 6/6.2 6.5/6.8 2.85/2.58 2,63/2.26

С9 і 300*300 168 154/252 142/146 46/150 45/145 5.5/5.6 6.6/6.5 2.УЗ/3.15 2,97/2.98

2 350*350 І6К 113/210 111/187 43/148 43/147 5.8/5.9 6.8/6.8 2.82/3.09 2.88/3.1

Примечание. Точка забивки свай: 07 — для токарного станка, остальные точки — для шлифовального станка.

воздействии на станки качественно отличаются друг от друга, для токарного станка технология изготовления более удачная;

• Наиболее высокий уровень вибраций исходил при забивке свай в точке в3, где на станине шлифовального станка по вертикальной компоненте он достигал величины 575 мкм, что соответствует уровню сотрясения почвы 3.49 балла. По горизонтальной компоненте из этой же точки была зарегистрирована поперечная вибросейсмичес-кая волна, которая смещала станину станка почти на такую же величину — 520 мкм, что соответствует уровню сотрясения почвы 3.46 балла;

• В зависимости от положения точек забивки свай по отношению к станкам было замечено, что превалирует интенсивность поперечной или продольной волны в точке наблюдений, исходя из этого, на шлифовальный вал или шпиндель станка будет воздействовать сила нормальная или к тангенсаль-ная. Тангенсальная сила оказывает большее негативное влияние на чистоту обработки валов, чем нормальная.

Такая взаимосвязь — влияние положения источника вибраций и амплитуд различного типа объемных волн, возникающих от удара. Тангенсальная составляющая больше нормальной в 1.3—1.7 раза;

• Сечение сваи в основном играет роль в момент ее дозабивки, увеличивая при этом силу вибрации на 10— 20 % (наблюдается до появления плы-вунности);

• Известно, что предельно допустимая величина вибрационного воздействия на инженерные объекты составляет 73 Дб [2], при этом происходит разрушение сооружений в процессе дилатансии грунтов, служащих основанием для фундамента. В нашем случае максимальный уровень вибраций достигал 57 Дб, такая величина соответствует вибрации от проезда транспорта весом в три-четыре тонны на удалении 15—20 м;

• В процессе мониторинга вибро-сейсмических воздействий на шлифовальный станок были замечены помехи, не входящие в частотный спектр ударной волны с фиксированной час-

тотой 6 и 11.8 Гц, которые мы отнесли к неисправной работе самого станка.

Для сопоставления полученных данных вибросейсмического мониторинга и принятия решения по определению минимального расстояния от места забивки свай до цеха необходимы паспортные данные для импортного шлифовального станка, где были бы указаны предельно допустимые нормы влияния посторонних величин вибраций на допустимое качество изготовляемой детали. Такие данные, к сожалению, не были предоставлены заказчиком. При появлении таких данных ответ можно найти из вышеприведенной таблицы. Тем не менее «Кэмон» получил ряд рекомендаций от геофизиков Института геологии.

С точки зрения научного интереса, геофизики получили данные, которые можно использовать в построении схемы микросейсморайонирования в масштабе 1:5000 на территории СЛПК (на сегодняшний день масштаб составляет 1:25000) [3], а также несколько под другим углом взглянуть на явления, сопутствующие увеличению балльности.

А. К1М АКО

А. иг.м

¿Х35П

ждыш

Л№"А 5^К>5 Ри

ЯАг САд

А. Ы(М

а№1

?К-л»:

■Ж т:-100 в

Е35П

---““I

В403 1«&5а К, м

Я Ал <ЗЯж

М61 110(31 16609 Э15БЬ Я Аз Р Ак

Рис. 6. Зависимости изменения уровня вибросейсм от расстояния и грунтовых условий для вертикальной и горизонтальной компоненты

А300, А350 — уровень вибраций, исходящих от рыхлых грунтов при забивке свай сечением 300x300 и 350x350мм; Б300, Б350 — уровень вибраций, исходящих от плотных грунтов при забивке свай сечением 300x300 и 350x350мм

В результате, внести поправки при вычислении этих приращений. Так, например, предварительно обобщая полученные данные этих исследований, можно высказать предположение, что любая сейсмическая волна (энергетически достаточно мощная), воздействуя на грунты (вторая и третья категории) в райо-

не Сыктывкара, будет распространятся в пределах мощностей (10—20 м) по усилению балльности, подчиняясь закону интерференции и когерентности волн. В местах, где наблюдаются грунты, способные к переходу в плывунное состояние, энергия сейсмической волны будет переводить устойчивое состо-

яние грунтов в плывуны, снижая при этом энергию воздействия ударной волны, часть энергии со сменой длины волны (увеличится) уйдет дальше и усилит воздействие на окружающие объекты. В районах, где грунты имеют более прочные механические свойства, энергия сейсмической волны полностью перейдет на промышленный объект (длина волны уменьшится). Именно такие моменты были видны при регистрации вибросейсм в шлифовальном цехе. На сегодняшний день процесс анализа полученных данных еще не завершился, необходимо привлечь предыдущие данные по бурению и провести совместную интерпретацию.

Литература

1. Ананьин И. В. Влияние многократности сейсмических воздействий на степень повреждений зданий // Источники и воздействие разрушительных сейсмологических колебаний. М., 1990. С. 142—148. (Вопросы инженерной сейсмологии, Вып. 31). 2. ЛокшинГ П., ЧесноковаИ. В. Транспортные магистрали и геологическая среда (оценка техногенного воздействия). М.: Наука, 1992. 112 с. 3. Лютоев В. А. Сейс-могенные зоны Республики Коми и особенности микросейсморайонирования г. Сыктывкара. Сыктывкар: Геопринт, 2001. 32 с.

НИНА СТЕПАНОВНА ПОПОВА

;

27 октября 2006 г. отмечает 80-летний юбилей старейший сотрудник шлифовальной мастерской Нина Степановна Попова.

Нина Степановна родилась в маленькой деревушке Вельского района Архангельской области в семье трудолюбивых крестьян. Нине не исполнилось и 15 лет, когда началась Великая Отечественная война. Все четыре года войны Нина работала токарем в механических мастерских Вельского леспромхоза, на локомобиле электростанции.

С 1946 г. Нина Степановна живет в Республике Коми. 20 лет (с 1962 по 1982 г.) Н. С. Попова трудилась в шли фовальной мастерской Института геологии Коми филиала АН СССР. Сотрудники института помнят Нину Степановну как отличного специалиста по изготовлению палеонтологических ориентированных шлифов (в частности, кораллов), как доброжелательного и отзывчивого человека, всегда готового прийти на помощь.

За честный самоотверженный труд Нина Степановна заслуженно награждена медалью «За доб-

лестный труд в Великой Отечественной войне 1941—1945 г.», медалью в честь 100-летия со дня рождения В. И. Ленина, медалью «Ветеран труда». Почетной грамотой в ознаменование 250-летия Академии наук (1974).

/

Дорогая Нина Степановна, неутомимая труженица, усердная и успешная дачница, заботливая мама, добрая бабушка и прекрасная хозяйка! От всего сердца поздравляем Вас с юбилеем и искренне желаем Вам крепкого здоровья, счастья, тепла, солнца, добра и всего самого наилучшего на долгие-долгие годы!

С уважением и любовью коллектив шлифовальной мастерской Института геологии Коми НЦ УрО РАН.

Г. Панфилова