ГЕОДЕФОРМАЦИИ КАК ФАКТОР РИСКА ОБРУШЕНИЯ СТРОЕНИЙ С УЧЕТОМ ИЗМЕНЕНИЯ ИНЖЕНЕРНОГЕОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГРУНТОВ


Наиболее изучены процессы, связанные с изменением инженерногеологического состояния грунтов при разрывных геодеформациях. Землетрясения представляют собой мощные геодинамические прояв
ления (геодеформации разрывного типа). После разрыва накопленная энергия переходит в энергию упругих волн напряжений, распространяющихся из гипоцентра во все стороны со скоростями от сотен метров до нескольких километров в секунду. Разрывы в очагах сильных землетрясений могут протягиваться на несколько сот километров.
Поверхностные волны, генерируемые землетрясениями, вызывают низкочастотные колебания сооружений. Поскольку сооружения обладают большой массой, то при колебаниях возникают значительные силы инерции, в результате чего в различных местах конструкций генерируются высокие механические напряжения (сжатия-растяжения и сдвига), которые могут превысить прочность материала в том или другом месте и привести к повреждениям или даже к обрушению всего сооружения. Проектирование осложняется тем, что в зависимости от спектра толчка, угла подхода волн к поверхности, типа и жесткости сооружения, формы и глубины заложения фундамента и других факторов могут одновременно возбуждаться разные пространственные моды колебаний как сооружения в целом, так и его конструктивных частей. В общем случае сооружение как свободное тело в пространстве имеет шесть степеней свободы и соответствующие им разные пространственные формы, или моды колебаний: три простых поступательных перемещения и три вращательных перемещения.
Вибрации сооружения с фундаментом являются результатом наложения разных мод колебаний, для каждой из которых существует собственная частота колебаний.
Очевидно, что колебания сооружения зависят и от характеристики грунтов, на которых оно стоит. Важнейшей задачей при расчете колебательной системы сооружение-основание по всем модам является прогноз ее резонансных частот и пиковых амплитуд смещения, рассматриваемых как предельные — самые неблагоприятные условия работы сооружения. Дело в том, что в спектре сейсмической волны присутствуют колебания с частотами, близкими к собственной частоте ряда сооружений, которая для разных мод часто составляет от долей до первых герц (характерные периоды от 0,2 до 2,0 с). При возникновении резонанса резко возрастают напряжения по контакту фундамента с грунтом, а также в самой конструкции сооружения, и вероятность его разрушения повышается.
Особенно опасно резонансное усиление маятниковых колебаний — когда центр тяжести сооружения значительно удален от точки его опоры, что характерно для мостовых опор, труб и высотных зданий вообще.
Следовательно, сейсмический эффект можно характеризовать в ос
новном тремя параметрами: уровнем амплитуд, преобладающим периодом и продолжительностью колебаний. Последний фактор может иметь решающее значение для устойчивости сооружений, и кратковременная нагрузка даже с весьма высоким ускорением может оказаться неопасной для многих из них. Показательна запись, полученная у Паркфилда при Калифорнийском землетрясении 27 июня 1966 года: максимальные ускорения на поверхности достигали 0,5 g, что соответствует 10-балльному толчку, но из-за краткости воздействия не было существенных повреждений зданий. А длящееся сравнительно долго (несколько десятков секунд) малоамплитудное воздействие может привести к серьезным разрушениям. Яркий пример этого — полное разрушение многоэтажных зданий в центре Мехико при землетрясении 28 июля 1957 года с максимальными ускорениями лишь 0,05-0,1 g.
Для справки: при землетрясении разрушительной бывает именно горизонтальная компонента удара. Она измеряется ускорением. Этим показателем пользуются для оценки сейсмостойкости строений. Землетрясение с интенсивностью V баллов соответствует ускорению, равному 0,015 g; с интенсивностью X баллов - 0,7g, а с интенсивностью XII баллов - 3,0 g
Задача усложняется плохо прогнозируемыми эффектами резонансного усиления сейсмических колебаний рыхлыми приповерхностными грунтами: в зависимости от их типа и мощности пластов, колебания одних частотных интервалов могут избирательно усиливаться, а других практически полностью поглощаться. Явление это связано с возбуждением собственных колебаний самого пласта вблизи свободной поверхности в волнах данного типа. Так, при землетрясении Лома Приета в Калифорнии (1989 год) с М = 7,1 более всего пострадала часть Сан- Франциско, расположенная на молодых морских глинистых отложениях.
Сейсмограммы показали, что по сравнению с другими участками, амплитуды сейсмических колебаний на этих грунтах были усилены в 6-10 раз для колебаний с частотами около 1 Гц и в 2-3 раза с частотами 5 Гц. Собственные же частоты многих разрушенных 3-4-этажных домов составляли как раз 2,5-3 Гц. Еще более драматичен пример Мехико, расположенного в 300 км от эпицентра землетрясения 1985 года с М = 8,1. В отдельных частях города резонансное усиление сейсмических колебаний с периодами около 2 с увеличилось в 75 раз. Это привело к избирательному тотальному разрушению 15-25-этажных зданий с близкими резонансными периодами и к гибели 10 тыс. человек.
Поэтому для того, чтобы спроектировать устойчивое здание, необходимы не только сведения о силе и месте возможных землетрясений,
но и надежные данные о вынужденных колебаниях сооружения на тех или иных грунтах основания.
Однако характер многих рыхлых увлажненных грунтов (песков, глин, суглинков, то есть таких, которые обычно залегают с поверхности земли) заключается в способности менять свои механические свойства при прохождении через них упругих волн. Суть такого эффекта заключается в следующем. Указанные грунты состоят из мелких и мельчайших (до сотых и тысячных долей миллиметра) минеральных частиц, в промежутках (порах) между которыми находятся вода и газы. Все сопротивление такого грунта внешней нагрузке, например, весу стоящего на нем здания, осуществляется за счет огромного числа контактов между этими частицами, многие из которых очень слабые. При прохождении упругой волны возбуждаются колебания частиц грунта с разными скоростями, и часть контактов (тем большая, чем выше энергия волны) разрывается. В результате прочность грунта заметно (иногда в несколько раз) снижается, а стоящее на нем сооружение может осесть вглубь, перекоситься или опрокинуться [Эйби Дж. А., 1982].
Некоторые водонасыщенные грунты (в особенности мелкие рыхлые пески) могут даже разжижаться при достаточно сильном сейсмическом воздействии: при исчезновении непосредственного контакта между песчаными зернами они в какой-то момент оказываются как бы взвешенными во вмещающей их воде. Вода при этом стремится отжаться, но процесс этот требует некоторого времени, поскольку ограничивается водопроницаемостью грунта. В результате сейсмическое разжижение грунтов обычно сопровождается тяжелыми авариями даже сейсмостойких сооружений: здания успевают “утонуть” или перекоситься, дороги разрываются на поверхности разжиженных отложений, а подземные емкости с горючим, наоборот, всплывают на затопленную поверхность. Происходят даже выбросы разжиженного грунта на поверхность с образованием песчаных кратеров. Катастрофическое разжижение водонасыщенных пылевато-песчаных грунтов, вызвавшее жертвы и огромный экономический ущерб, произошло при двух сильных землетрясениях 1964 года: 27 марта у берегов Аляски близ Анкориджа с М = 8,4 и 16 июня в Ниигате (Япония) с М = 7,5 [Эйби Дж. А., 1982]. Сейсмическое воздействие может нарушить равновесие значительного объема горных пород на склоне и привести к образованию крупных оползней и обвалов.
Землетрясения также разрушают дороги, мосты и самые надежные здания со стальным каркасом, прерывают подачу воды и электроэнергии, вызывают взрывы и пожары. Один из недавних и впечатляющих примеров — Калифорнийское землетрясение 17 января
1994 года с MS = 6,8 и эпицентром в Нортридже близ Лос-Анджелеса. При толчке погибли 63 человека, но по уровню нанесенного ущерба (свыше 30 млрд. долларов) это землетрясение стало самым “дорогостоящим” за всю историю США. При толчке были зафиксированы невероятно высокие вертикальные и горизонтальные ускорения колебаний — до 1,8 g, а большая часть аварий оказалась связана с разжижением грунтов и оползнями, а также с усилением колебаний в приповерхностных грунтах [Эйби Дж. А., 1982]
Разрушение современных надежных сооружений при землетрясении обычно связано с неблагоприятным поведением рыхлых грунтов у основания и вызывается эффектами:
а)              избирательного усиления колебаний определенных частот;
б)              разжижением грунтов или частичной потерей их прочности;
в)              возникновением оползней на склонах, в том числе и в результате разжижения грунтов.
Важно отметить, что влияние быстрых пластических геодеформаций на обрушение зданий, еще 5 лет назад не считалось актуальным.
<< | >>
Источник: Войтенко С.П., Учитель И.Л., Ярошенко В.Н. Геодинамика.. Основы кинематической геодезии. 2007

Еще по теме ГЕОДЕФОРМАЦИИ КАК ФАКТОР РИСКА ОБРУШЕНИЯ СТРОЕНИЙ С УЧЕТОМ ИЗМЕНЕНИЯ ИНЖЕНЕРНОГЕОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГРУНТОВ:

  1. Н.А. Сатаров. Бюджетное право. Учебник., 2009
  2. В.Н. Ла вриненко, проф. В.П. Ратников. Философия: Учебник для вузов, 2010
  3. Момджян К.Х.. Введение в социальную философию, 1997
  4. Сергеев М. Г.. Основы экологии: Учеб. пособие. Ч. 2., 2007
  5. Салова Т. Ю., Громова Н. Ю., Шкрабак В. С., Курмашев. Основы экологии. Аудит и экспертиза техники и технологии, 2004
  6. Куликова Т. А.. Семейная педагогика и домашнее воспитание, 2000
  7. Хачатурян В. М.. История мировых цивилизаций с древнейших времен до конца XX века. 10—11 кл., 1999
  8. Комиссаров В. С.. Российское уголовное право. Особенная часть: Учебник для вузов., 2008
  9. А. С. Михлин. Уголовно-исполнительное право, 2008
  10. В. А. Праг, О. Н. Балакшина, Н. Б. Розова. Изучение вопросов экологии в школьном курсе физики, 2005
  11. Горбунова Е.М., Ларионова М.В.. АНАЛИЗ РИСКОВ И ПОТЕНЦИАЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙРОССИЙСКОГО ОБРАЗОВАНИЯВ УСЛОВИЯХПРИСОЕДИНЕНИЯК ВТО, 2007
  12. Краевский В. В.. Общие основы педагогики: Учеб. пособие для студ. высш. пед. учеб. заведений. — 2-е изд., 2005
  13. Салеев, В. А.. Основы эстетики : учеб. пособие, 2012
  14. Елена В. Федорова. Императорский Рим в лицах, 1995
  15. Хокинг С.. Кратчайшая история времени, 2006
  16. Соколов А.К.. Курс советской истории, 1917-1940: Учеб. пособие для студентов вузов. -, 1999
  17. Л.Б. Черноскутова. СОЦИАЛЬНО-ПОЛИТИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫСОВРЕМЕННОГО ОБЩЕСТВА, 2013