CC BY
121
Сейсмическое действие подземных массовых взрывов на поверхностные сооружения
С.А. Козырев
Горный институт КНЦ РАН
Аннотация. На основе экспериментальных наблюдений за сейсмическим действием подземных массовых взрывов установлена взаимосвязь между мощностью наносов и периодом собственных колебаний грунтов. Выявлено, что для ближней зоны взрыва, где преобладают высокочастотные колебания, критерием опасности является скорость смещения в основании сооружений, а для дальней зоны, где период колебаний функционально зависит от мощности наносов и скорости распространения в них поперечных волн, критерием опасности является смещение в конструктивных элементах сооружения. Установлено, что снижение сейсмического действия массовых взрывов достигается подбором конструкции массового взрыва, что обеспечивает спектр колебаний, наиболее безопасный по критерию энергонасыщенности низкочастотного диапазона, в котором возникают резонансные явления. Для этих целей предложен способ и разработана спектральная модель короткозамедленного взрыва, позволяющая оценить амплитудно-частотные характеристики массовых взрывов в зависимости от их конструкции.
Abstract. On the basis of experimental observations over seismic action of underground mass explosions the interrelation between alluvium amount and period of ground fluctuations has been established. It has been revealed that for the near zone of explosion, where the high-frequency fluctuations prevail, criterion of danger is the speed of displacement in the basis of structures, and for the distant zone, where the period of fluctuations functionally depends on alluvium amount and on speed of cross wave distribution in them, criterion of danger is the displacement in constructive elements of the structure. It has been established that decrease of mass explosion seismic action is achieved by selection of mass explosion design, that provides fluctuation spectrum, most safe by energy saturation criterion of a low-frequency range, in which there are resonant phenomena. For these purposes the spectral model of short-delay explosion has been developed. It allows to estimate amplitude and frequency characteristics of mass explosions depending on their design.
1. Введение
В настоящее время, когда экология и охрана окружающей среды стали важнейшими проблемами современности, весьма необходимым представляется совершенствование проектирования и производства взрывных работ с целью уменьшения ущерба от них окружающей среде. Изучению эффектов сейсмических волн на поверхностные объекты посвящены многочисленные исследования, которые изложены во многих статьях и монографиях, но в них недостаточно отражены вопросы сейсмики в средней и дальней зонах действия взрыва применительно к грунтам с переменной мощностью наносов (Миронов, 1973; Цейтлин, Смолий, 1981; Азаркович и др., 1984; Богацкий, Пергамент, 1978; Кузъменко и др., 1990). Как правило, модель грунта рассматривается в виде горизонтально-слоистой слабозатухающей среды, колебания которой носят линейный характер. При изучении влияния сложнопостроенных грунтовых массивов на сейсмические колебания использовались в основном методы математического моделирования (Штейнберг, 1980).
2. Экспериментальные исследования
Для решения подобных задач были проведены длительные наблюдения за сейсмическим действием подземных массовых взрывов на жилищный массив поселка Кукисвумчорр, который расположен в Саамской долине и непосредственно примыкает к промплощадке Кировского рудника ОАО "Апатит". Долина представляет собой глубокую депрессию коренных пород, заполненную мощной толщей четвертичных отложений. Мощность наносных грунтов в районе промплощадки составляет 5-10 м, а в конце поселка - 150 м.
Проведенные экспериментальные исследования показали, что основное влияние на интенсивность сейсмического воздействия оказывают следующие факторы: общий вес ВВ и вес ВВ в ступени замедления; количество ступеней и интервал замедления между ними; наличие выработанного пространства между массовым взрывом и охраняемым объектом; мощность наносов, на которых
Козырев С. А. Сейсмическое действие подземных массовых взрывов на поверхностные сооружения
расположены охраняемые объекты; гидрогеологические условия. При этом, для конкретных горногеологических условий в различных зонах действия взрыва указанные параметры сказываются по разному.
На основе сейсмометрических наблюдений установлено, что для данных горногеологических условий можно выделить две зоны с различными частотными характеристиками колебаний. Первая зона - для расстояний менее 1000 м и мощности наносов менее 50 м. В данной зоне преобладает относительно широкий спектр колебаний (рис.1а), который зависит от конструктивных особенностей массовых взрывов. Для второй зоны - более 1000 м - характерен достаточно узкий спектр с преобладанием низкочастотных колебаний (рис.1 б).
Учитывая, что здания и сооружения являются резонансными системами и избирательно реагируют на сейсмовоздействия, необходимо уделять внимание и частотным характеристикам сейсмоколебаний, а уменьшение сейсмоопасности рассматривать на основе регулирования их спектрального состава. Частоты собственных колебаний для наиболее распространенных конструкций зданий и сооружений находятся в диапазоне 2-10 Гц. Поэтому степень сейсмичности можно уменьшить, если снизить энергонасыщенность указанного диапазона частот.
Для оценки амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) колебаний в первой зоне разработаны спектральная модель короткозамедленного взрыва, алгоритм и программа расчета. По разработанной методике на стадии проектирования оценивается величина сейсмической опасности и выбирается оптимальный вариант конструкции массового взрыва.
X
тт/э эреес! 34 •
Рис.1. Сейсмограмма и спектр колебаний от подземных взрывов в первой зоне (Я<1000 м, Н<50 м) (а) и
во второй (б) (Я>1000 м, Н>100 м).
В качестве примера на рис.2 приведены АЧХ колебаний при различных интервалах между взрываемыми ступенями с учетом разброса времени срабатывания электродетонаторов. Расчетные значения АЧХ указывают, что при увеличении интервала замедления максимум смещается в область низкочастотного диапазона, близкого к резонансным частотам зданий, а наиболее безопасным (по критерию энергонасыщенности низкочастотного диапазона) является спектр, полученный при интервале г= 23 и 18 ступенях замедления.
Проверка адекватности результатов расчетов АЧХ проведена по сейсмометрическим наблюдениям за взрывами с теми же интервалами замедлений и показала достаточное сходство полученных результатов (рис.3). Анализ сейсмограмм показал, что при интервале замедления г= 23 Ш8 (рис.3а) наблюдается широкополосный спектр колебаний с примерно одинаковыми амплитудными значениями в диапазоне частот от 3 до 30 Гц, за исключением максимума на частоте 12 Гц, что говорит о равномерном распределении энергии сейсмовзрывных волн в указанном диапазоне частот, за счет чего снижается общая интенсивность колебаний. При замедлениях г= 46 и 69 Ш8 имели место довольно узкие спектры (рис.3а, б) с преобладающими частотами при г= 46 Ш8 / = 8-18 Гц, а при г= 69 Ш8 / = 6-15 Гц, т.е. четко прослеживается тенденция смещения спектра в диапазон частот, в котором возникают резонансные явления в зданиях.
Таким образом, с точки зрения сейсмической безопасности, целесообразно применять интервал замедления между ступенями в 23 шб при максимальном использовании всех ступеней при монтаже массового взрыва.
Рис.2. Амплитудно-частотные характеристики колебаний при различных конструкциях массовых
взрывов.
29.01.89 у
I 12
20.0 40.0 бО.О
Рис.3. Сейсмограмма и спектр колебаний при взрывах с интервалом замедлений (а - г =23 шб; б - т = 46 шб; в - т = 69 шб).
Козырев С.А. Сейсмическое действие подземных массовых взрывов на поверхностные сооружения
Т,тэ
400 200
500 1000 1500 2000 К, т
Рис.4. Изменение периода колебаний от массовых взрывов в зависимости от расстояния и
мощности наносов.
В результате анализа данных сейсмометрических наблюдений во второй зоне (при расстояниях более 1000 м) установлено, что на этих расстояниях период колебаний мало зависит от веса ВВ массового взрыва и определяется в основном грунтовыми условиями (рис.4). Так, если при мощности наносов 5<Н<50 м и расстояниях менее 1000 м преобладающий период составляет 0.15-0.19 с, то при 50<Н<120 м и расстояниях от 1 до 2 км период изменяется от 0.19 до 0.39 с, т.е. с возрастанием мощности наносов период колебаний увеличивается. Это увеличение описывается для данных горногеологических условий известной зависимостью Т = 4Н/УВ (И - мощность наносов, м; У - скорость распространения поперечных волн, м/с). В свою очередь, увеличение мощности наносов и расстояния приводит к увеличению продолжительности колебаний и интенсивности сейсмических волн. Коэффициент усиления колебаний в зависимости от мощности наносов описывается эмпирической зависимостью К = 0.71 И017
С другой стороны, анализ параметров колебаний в основании жилых зданий в верхней и нижней части Саамской долины, при мощности наносов соответственно 33 м и 110 м, показал, что с увеличением вдвое расстояния скорость смещения снижается в 5-10 раз, в то время как величина смещения остается примерно одинаковой.
Так как определяющим фактором прочности строительных конструкций зданий в целом при колебаниях с частотами до 10 Гц являются перемещения, то скорость смещения нельзя использовать во второй зоне в качестве критерия сейсмической опасности. Поэтому для данных горно-геологических условий в первой зоне, где преобладает в основном широкополосный спектр и наиболее высокие частоты, предлагается использовать в качестве критерия сейсмической опасности скорость смещения в основании сооружений, а в дальней зоне (далее 1000 м) наряду с оценкой скорости смещения необходимо производить проверку по максимально возможным перемещениям.
3. Методика расчета сейсмоопасных зон
Основываясь на данных о параметрах колебаний в различных зонах действия взрыва, разработана методика расчета сейсмически опасных зон, и получены эмпирические зависимости для расчета ожидаемых скоростей смещения. В случае расположения охраняемых объектов на внешней границе полусферы (с радиусом 300<Я<1000 м), не отделенных от взрываемой секции выработанным пространством, получено выражение
У = 145 Ка (Яф/л/3Д510:Т^0(Т7Г7 )-1,304, (1)
а для взрывов, отделенных выработанным пространством,
У = 207 (Яф)-1,55. (2)
При расстояниях более 1000 м и мощности наносов менее 50 м применима зависимость (1), а при мощности наносов Н>50 м зависимость для расчета скорости смещения имеет вид:
У = 145 КГКВ (Яф)-1,304, (3)
где коэффициенты описывают: K = 0.71 H 017- усиление колебаний грунтом в зависимости от мощности наносов; KB - увеличение сейсмичности для водонасыщенных грунтов (учитывается при уровне грунтовых вод менее 4,5 м); Ka - влияние угла прихода сейсмической волны к охраняемому объекту (учитывается при расстоянии менее 500 м);
Ka = 0.67 + 0.107а + 0.881 о2,
а - угол между фронтом отбойки и охраняемым объектом, рад; Яф - фактическое расстояние от центра взрыва до охраняемого сооружения, м; Q - суммарный вес ВВ, кг; Т - толщина взрываемой секции, м; W - величина ЛНС, м; S - фронтальная площадь сечения отбиваемой секции, м2.
Литература
Азаркович А.Е., Шуйфер М.И., Тихомиров А.П. Взрывные работы вблизи охраняемых объектов. М., Недра, 213с., 1984.
Богацкий В.Ф., Пергамент В.Х. Сейсмическая безопасность при взрывных работах. М., Недра, 128с., 1978.
Кузьменко H.A., Воробьев В.Д., Денисюк И.М., Дауетас A.A. Сейсмическое действие взрыва в горных
породах. М., Недра, 173с., 1990. Миронов П.С. Взрывы и сейсмобезопасность сооружений. М., Недра, 168с., 1973.
Цейтлин Я.И., Смолий Н.И. Сейсмические и ударные воздушные волны промышленных взрывов. М., Недра, 192с., 1981.
Штейнберг В.В. Колебания грунта при землетрясениях. Источники и воздействие разрушительных сейсмических колебаний. Вопросы инженерной сейсмологии. М., Наука, вып.31, с.47-67, 1980.
