WWW.NET.KNIGI-X.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Интернет ресурсы
 

Pages:   || 2 |

«Стр. ВВЕДЕНИЕ.. 4 Глава 1. ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СЕЙСМИЧЕСКОЙ ОПАСНОСТИ И РИСКА. ПРОБЛЕМЫ И РЕШЕНИЯ. 11 1.1. Анализ литературных данных и постановка задачи. 11 1.2. Исходные материалы и ...»

-- [ Страница 1 ] --

2

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………….. 4

Глава 1. ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СЕЙСМИЧЕСКОЙ

ОПАСНОСТИ И РИСКА. ПРОБЛЕМЫ И РЕШЕНИЯ…………. 11

1.1. Анализ литературных данных и постановка задачи……………... 11

1.2. Исходные материалы и методика исследований………………… 26

1.3. Основные выводы………………………………………………….. 35

Глава 2. РЕГИОНАЛЬНЫЕ И ЛОКАЛЬНЫЕ МОДЕЛИ И ОЦЕНКИ

ДОЛГОВРЕМЕННОЙ СЕЙСМИЧЕСКОЙ ОПАСНОСТИ……... 36

2.1 Модели сейсмичности для изучаемого района…………………... 36

2.2. Модели сильных движений грунта……………………………….. 43

2.3. Опыт геоэкологических оценок сейсмической опасности……… 52

2.4. Основные выводы………………………………………………….. 66

Глава 3. ОЦЕНКИ ОПАСНОСТИ СЕЙСМОГЕННОГО РАЗЖИЖЕНИЯ

ГРУНТА…………………………………………………………….. 68

3.1. Общие положения и методология исследований………………... 68

3.2. Детерминистские и вероятностные модели сейсмогенного разжижения грунта………………………………………………… 74

3.3. Опыт геоэкологических оценок сейсмогенного разжижения грунта……………………………………………………………….. 85

3.4. Основные выводы………………………………………………….. 93

Глава 4. ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА СЕЙСМИЧЕСКОГО

РИСКА……………………………………………………………… 94

4.1. Модели сейсмического риска……………………………………... 95

4.2. Опыт геоэкологических оценок сейсмического риска…………... 98



4.3. Анализ полученных результатов………………………………….. 107

4.4. Основные выводы………………………………………………….. 116 ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………… 117 СПИСОК ПРИНЯТЫХ ТЕРМИНОВ ………………………………………... 120 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ………………………………………………..…… 127 ПРИЛОЖЕНИЯ………………………………………………………………... 143 Приложение А – Характеристики базы данных по инструментальной регистрации землетрясений …………………………………………………... 143 Приложение Б – Расчет вероятных сейсмических воздействий при возникновении отдельных землетрясений …………………………………... 144 Приложение В – Расчет вероятных сейсмических воздействий от всей совокупности землетрясений………………………………………………….. 145 Приложение Г – Учет влияния локальных условий…………………………. 146 Приложение Д – Расчетные модели зон ВОЗ………………………………… 147 Приложение Е – Расчетные параметры разреза. Районы г.г. Ставрополя, Краснодара и ст. Кавказская. «Средние» грунтовые условия………………. 151 Стр.

Приложение Ж – Расчетные параметры разреза. Площадка строительства 22-этажного жилого дома с торговым центром и подземным паркингом в г. Ставрополе…………………………………………………………………… 151 Приложение З – Расчетные параметры разреза. Участок проектируемого строительства 10-этажного жилого дома в г. Ставрополе…………………... 152 Приложение И – Расчет МСЖ приращений макросейсмической балльности в г. Ставрополе……………………………………………………. 152 Приложение К – Логарифмы спектральных характеристик в г. Ставрополе 153 Приложение Л – Изменение наиболее вероятных значений логарифмов пиковых ускорений в г. Ставрополе………………………………………….. 154 Приложение М – Расчетные параметры разреза. Участок проектируемого многоэтажного жилого дома с подземной автостоянкой в г. Краснодаре…. 154 Приложение Н – Расчет МСЖ приращений макросейсмической балльности в г. Краснодаре……………………………………………………. 154 Приложение О – Логарифмы спектральных характеристик в г. Краснодаре 155 Приложение П – Изменение наиболее вероятных значений логарифмов пиковых ускорений в г. Краснодаре………………………………………….. 155 Приложение Р – Расчетные параметры разреза. Район г. Пятигорска.





«Средние» грунтовые условия………………………………………………… 156 Приложение С – Расчетные параметры разреза. Район г. Пятигорска.

«Ухудшенные» грунтовые условия…………………………………………… 156 Приложение Т – Расчетные параметры разреза. Район г. Пятигорска.

«Улучшенные» грунтовые условия…………………………………………… 156 Приложение У – Расчет МСЖ приращений макросейсмической балльности в г. Пятигорске……………………………………………………. 157 Приложение Ф – Логарифмы спектральных характеристик в г. Пятигорске 157 Приложение Х – Изменение наиболее вероятных значений логарифмов пиковых ускорений в г. Пятигорске…………………………………………... 158 Приложение Ц – Расчетные параметры разреза. Участок проектируемого НПЗ в районе ст. Кавказская…………………………………………………... 159 Приложение Ч – Расчет МСЖ приращений макросейсмической балльности в ст. Кавказская…………………………………………………… 159 Приложение Ш – Логарифмы спектральных характеристик в ст.

Кавказская………………………………………………………………………. 160 Приложение Щ – Изменение наиболее вероятных значений логарифмов пиковых ускорений в ст. Кавказская…………………………………………. 160 Приложение Э – Опытно-промышленное внедрение полученных результатов исследования в производство…………………………………… 161 Приложение Ю – Внедрение полученных результатов исследования в учебный процесс……………………………………………………………….. 163

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Сохранение и восстановление природных экосистем в современных условиях становится все более важным фактором обеспечения комфортного и безопасного проживания людей, устойчивого развития производительных сил и общества в целом. В 2012г.

утверждены «Основы государственной политики в области экологического развития Российской Федерации на период до 2030 года» (далее «Основы»).

Одним из принципов реализации «Основ» является научно обоснованное сочетание экологических, экономических и социальных интересов человека, общества и государства в целях устойчивого развития в условиях благоприятной окружающей среды и экологической безопасности. Достижение же поставленных стратегических целей должно обеспечиваться совершенствованием системы государственного экологического мониторинга (включая научное и информационное обеспечение) и прогнозированием чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера. Одним из элементов решения поставленных задач является расширение комплексных фундаментальных и прикладных исследований в области прогнозирования угроз экологического характера.

Эффективность антисейсмического проектирования, оценок сейсмического риска, зависит от качества прогнозов ожидаемых в данном месте сейсмических воздействий. На территориях центрального Предкавказья отвечающие современным требованиям вероятностные оценки долговременной сейсмической опасности пока системно осуществляются лишь на основе результатов общего сейсмического районирования (ОСР) и вытекающих из них стандартных рекомендаций СНиП. Однако, как подчеркивается в программных разработках ведущих ученых, данные ОСР слишком генерализованы и часто не отражают важные региональные и локальные особенности конкретных участков и строительных площадок. Это ограничивает точность и достоверность прогнозных оценок. Поэтому разрабатываемая тема «Геоэкологическая оценка сейсмической опасности и риска на примере застраиваемых территорий центрального Предкавказья», отражающая важные региональные и локальные особенности конкретных участков и строительных площадок, представляется актуальной научной задачей.

Работа направлена на исследование вопросов оценки сейсмической опасности застраиваемых территорий, опасности сейсмогенного разжижения грунта оснований зданий и сооружений, а также геоэкологической оценки сейсмического риска. В связи с этим тема исследования соответствует паспорту научной специальности 25.00.36 – Геоэкология (строительство и ЖКХ), в частности пункту 5.11 «Динамика, механизм, факторы и закономерности развития опасных природных и техноприродных процессов, прогноз их развития, оценка опасности и риска, управление риском, мероприятия по снижению последствий геокатастрофических процессов, геоинженерная защита территорий, зданий и сооружений».

Объект исследования. Геоэкологическая оценка сейсмической опасности и риска на примере застраиваемых территорий центрального Предкавказья.

Предмет исследования. Геоэкологическая оценка сейсмической опасности и риска на примере застраиваемых территорий центрального Предкавказья как фактор устойчивой человеческой жизнедеятельности.

Степень разработанности темы исследования. Большой вклад в развитие данного направления в разные годы внесли видные ученые Аверьянова В. Н.,,Алешин А. С., Ананьин И. В., Аптикаев.Ф. Ф., Арефьев С. С., Бабешко В. А., Буне В. И., Горшков Г. П., Гусев А. А., Джибладзе Э. А., Заалишвили В. Б., Карлович И. А., Кейлис-Борок В. И., Кофф Г. Л., Медведев С. В, Никонов А. А., Осипов В. И., Рогожин Е. А., Передельский Л. В., Платов Н. А, Потапов А. Д., Приходченко О. Е., Ризниченко Ю. В., Слесарев М. Ю., Стоиков В. Ф., Татевосян Р. Э., Теличенко В. И., Трофимов В. Т., Уломов В. И., Чернов Ю. К., Чернышев С. Н., Шебалин Н. В., Штейнберг В. В.,Шумилина Л. С., Щербина Е. В., Ясаманов Н. А. Их усилиями создана общая теоретическая база подобных исследований, разработаны эффективные методики, получены важные практические результаты.

Цель исследования – совершенствование методики и проведение геоэкологической оценки сейсмической опасности и риска на примере застраиваемых территорий центрального Предкавказья.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

1. Адаптировать к условиям центрального Предкавказья современные вероятностные методы детального прогнозирования сейсмической опасности, включая разработку новых и усовершенствование имеющихся региональных и локальных моделей сейсмичности и сильных движений грунта и произвести уточненные вероятностные оценки инженерных параметров сейсмических воздействий для исследуемых территорий.

2. Апробировать в условиях центрального Предкавказья методику вероятностной оценки сейсмогенного разжижения грунтов оснований объектов строительства, выходящую за рамки действующих нормативов и способную стать составной частью геоэкологического мониторинга и аудита.

3. С использованием полученных результатов выполнить геоэкологические оценки сейсмического риска, на основе которых разработать способ оценки оптимальной сейсмостойкости объектов строительства различной степени ответственности в различных сейсмотектонических, инженерно-геологических, социально-экономических, экологических и иных условиях, который может быть использован как инструмент управления проектом, реализуемым в условиях центрального Предкавказья.

Научная новизна исследования.

1. Результаты детального прогнозирования сейсмической опасности, разработка новых и адаптация к условиям центрального Предкавказья имеющихся региональных и локальных моделей сейсмичности и сильных движений грунта.

2. Количественные оценки вероятности и глубины сейсмогенного разжижения грунтов оснований для застраиваемых территорий исследования, выходящие за рамки действующих нормативов и способные стать составной частью геоэкологического мониторинга и аудита.

3. Геоэкологическая оценка сейсмического риска, которая может быть использована как эффективный инструмент управления проектом, реализуемым на исследуемых территориях.

Теоретическая и практическая значимость исследования.

Значимость результатов, выводов и рекомендаций, изложенных в данной работе, состоит в следующем:

– они могут быть использованы при актуализации существующей нормативной базы в части учета для отдельных территорий расширенного перечня инженерных параметров сейсмических воздействий, фактора опасности сейсмогенного разжижения грунта основания;

– а также при определении «достаточного» или «оптимального» уровня проектной сейсмостойкости объектов строительства;

– предложенная методология может быть использована как эффективный инструмент управления проектом.

Значение полученных результатов исследования для практики подтверждено опытно-промышленным внедрением в производство инженерностроительных изысканий, проводимых АО «Ставрополь ТИСИЗ» и ООО «Изыскатель» в 2007 – 2015 г.г. (Приложение Э) Результаты диссертации используются в учебном процессе ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский федеральный университет». (Приложение Ю) Методология и методы исследования. Экспериментальную основу настоящего исследования составляет комплекс сейсмологических, геологогеофизических, макросейсмических, инженерно-строительных и других данных из разных районов центрального Предкавказья и смежных территорий, а также ряда других сейсмоактивных районов мира (Дальний Восток, центральная Азия, южная Европа, запад США, Япония и др.). Исходные материалы обрабатывались при помощи методов теории вероятностей и математической статистики – применялись корреляционный, регрессионный и дисперсионный анализы.

Использовались также методы инженерно-геологических аналогий, спектральный анализ и математическое моделирование. Методологическую базу составили научные труды отечественных и зарубежных авторов.

Информационная база исследования.

В числе информационных источников диссертации использованы:

– научные источники в виде данных и сведений из книг, журнальных статей, научных докладов и отчетов, материалов научных конференции, семинаров;

– официальные документы в виде нормативных и инструктивнометодических материалов, относящихся к исследуемой области;

– результаты собственных разработок.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту.

1. Результаты детального прогнозирования сейсмической опасности в условиях центрального Предкавказья с использованием вероятностных методов и региональных локальных моделей сейсмичности и сильных движений грунта.

2. Методика и результаты количественной оценки вероятности сейсмогенного разжижения грунтов оснований для застраиваемых территорий исследования, выходящие за рамки действующих нормативов как составной части геоэкологического мониторинга и аудита.

3. Геоэкологическая оценка сейсмического риска и разработанный на этой основе способ оценки «достаточного» или «оптимального» уровня сейсмостойкости для объектов строительства различной степени ответственности в различных сейсмотектонических, инженерно-геологических, социальноэкономических и экологических условиях центрального Предкавказья.

Личный вклад автора.

Все положения, выносимые на защиту и основные результаты, представленные в работе, были получены лично автором, либо при его непосредственном участии в рамках работ, выполняемых в составе рабочей группы.

Степень достоверности и апробация результатов.

Большой объем использованных в данном исследовании исходных данных и качество их проработки, сопоставление полученных результатов (расчетных моделей, вероятностных оценок, практических рекомендаций) с данными имеющихся аналогичных работ, а также инструментально и другими способами зарегистрированными реальными сейсмическими событиями свидетельствуют об обоснованности и достаточной степени достоверности получаемых результатов.

Основные положения диссертационной работы докладывались на научных семинарах, совещаниях и международных конференциях, в том числе на III Международная научная студенческая конференция «Научный потенциал студенчества в XXI веке» (Российская Федерация, г. Ставрополь, СевКавГТУ, 2009); VIII Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «География, геоэкология, геология: опыт научных исследований в контексте международного сотрудничества и интеграции» (Украина, г.

Днепропетровск, 2011); Современные проблемы освоения недр: материалы I Всерос. заочной (с международным участием) науч.-практ. конф. молодых ученых, аспирантов и студентов (Российская Федерация, г. Белгород, 2011);

Науки о Земле на современном этапе: Материалы I Международной научнопрактической конференции (Российская Федерация, г. Москва, 2011);

Современное состояние естественных и технических наук: Материалы IV Международной научно-практической конференции (Российская Федерация, г.

Москва, 2011); II Международной научной конференции «Географические и геоэкологические исследования в Украине и сопредельных территориях»

(Украина, г. Симферополь, 2013); Актуальные проблемы строительства, транспорта, машиностроения и техносферной безопасности: материалы II-й ежегодной научно-практической конференции Северо-Кавказского федерального университета «Университетская наука – региону» (Российская Федерация, г.

Ставрополь, 2014); Актуальные проблемы строительства, транспорта, машиностроения и техносферной безопасности: материалы III-й ежегодной научно-практической конференции Северо-Кавказского федерального университета «Университетская наука – региону» (Российская Федерация, г.

Ставрополь, 2015), а также на кафедре «Строительства» Северо-Кавказского государственного технического университета (СевКавГТУ) и Северо-Кавказского федерального университета (СКФУ).

Публикации.

По теме диссертационной работы опубликовано 15 работ, 4 из которых в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК при Минобрнауки России.

Структура и объем работы.

Работа состоит из введения, четырех глав и заключения; включает в себя 142 страницы текста, 17 таблиц, 40 рисунков, библиографический список включает 149 наименований. Имеются приложения на 21 странице.

ГЛАВА 1. ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СЕЙСМИЧЕСКОЙ

ОПАСНОСТИ И РИСКА. ПРОБЛЕМЫ И РЕШЕНИЯ

Новые отрасли знаний (к которым относится и геоэкология) из-за высокого динамизма часто сопровождаются не до конца устоявшейся терминологической базой. В публикациях иногда могут использоваться одни и те же термины, но с разным смыслом или, наоборот, одно и тоже понятие может обозначаться поразному. Поэтому, во избежание разночтений в разделе «Список принятых терминов», приведены и расшифровываются используемые в настоящем исследовании основные формулировки и термины, которые достаточно широко распространены и, на наш взгляд, в целом соответствуют современной понятийной базе.

1.1. Анализ литературных данных и постановка задачи

Геодинамическая экологическая функция литосферы (т. е. способность литосферы влиять на состояние биоты, безопасность и комфортность проживания человека [94]) зачастую выражается чрезвычайно активно и даже катастрофически и поэтому является одной из важнейших.

При проведении геоэкологических исследований в узком смысле (когда рассматриваются природные и антропогенные процессы, протекающие непосредственно в геологической среде) используются геологические, геохимические, геофизические, гидрогеологические, геоморфологические методы. В более широком смысле (когда рассматриваются экономические, социальные, управленческие и другие аспекты данной проблемы) геоэкологические исследования могут включать в себя инженерный, экономический, социальный и другие виды анализа. На основе полученных данных выявляются процессы, свойства и закономерности, которые выступают как экологические факторы, определяющие разные формы взаимодействия литосферы и биосферы, изучается характер этих взаимодействий, вырабатываются рекомендации по их оптимизации с учетом требований по обеспечению безопасности населения, функционирования социальноэкономической сферы и сохранности окружающей среды. К собственно геологическим относятся методы, направленные на изучение свойств геологической среды, петрологического характера горных пород и геодинамических процессов. К геодинамическим процессам относятся процессы, протекающие как внутри земной коры, так и на ее поверхности. Они проявляются в форме тектонических движений, сейсмических, вулканических и других процессов. Недостаточное знание состояния геологической среды может приводить к тяжелым последствиям, таким, как, например, масштабные разрушения и гибель людей при землетрясениях. [39,70,116].

Существуют несколько классификаций природных процессов с учетом экологических последствий их проявления. Масштабы этих последствий зависят от интенсивности самих процессов, плотности населения в данной местности, уровня развития и сложности инфраструктуры, степени защищенности людей и материальных объектов.

Оценка тяжести экологических последствий геологических процессов по отношению к состоянию человека, микроорганизмов, животных и растений должна производиться дифференцированно. При оценке влияния на состояние растений и животных, главным критерием является сохранность почв и почвообразующих пород, обеспечивающих кормовую базу наземных животных.

При классификациях же антропоцентрического характера. одним из основных признаков выделения неблагоприятных геологических процессов являются человеческие жертвы и комфортность проживания людей, влияние этих процессов на экономику и социальную сферу.

Многие природные (геологические) процессы, кроме прямой опасности для жизни и здоровья людей (например, разрушение зданий и сооружений при землетрясениях и цунами), имеют еще и опосредованные, последствия, т.е. имеет место каскадность процессов (см. рис. 1.1), приводящих к негативным изменениям состояния и свойств окружающей человека среды.

Рисунок 1.1 – Схема развития каскадного взаимодействия природных процессов [31] На суше последствия землетрясений могут быть особенно катастрофичными, если они приводят к активизации экзогенных инженерногеологических процессов, таких как обвалы, оползни, сели и др.

Во время Сарезского землетрясения в 1911 г., например, огромный объем (более 2 млрд. м3) обломочного материала обрушился в р. Бартанг, образовав узкое и глубокое Сарезское озеро. Под завалом и под водой нового озера были погребены два кишлака, появилась масса экологических проблем из-за возможного прорыва вновь образованной перемычки. При Хаитском землетрясении в 1949 г.

(максимальное сотрясение 9-10 баллов), под обвалами, лессовыми оползнями, грязекаменными лавинами оказались 33 поселка, сотрясениями полностью или частично разрушены 150 населенных пунктов. [94] Сильные землетрясения, происходящие в пределах океанов могут вызывать гигантские волны (цунами), также представляющих огромную опасность для прибрежных и прилегающих к ним территорий. Наиболее трагичными событиями такого рода за последнее время являются произошедшее 26 декабря 2004 года у берегов Индонезии мощное землетрясение и последовавшее за ним цунами, жертвами которых стали более 300 тысяч человек, а также произошедшие 11 марта 2011 года вблизи о. Хонсю (Япония) землетрясение и цунами, в результате которых пострадала, в том числе АЭС «Фукусима», что вызвало радиационное заражение суши и моря. В России наиболее тяжелые последствия вызвало цунами, возникшее после землетрясения 4 ноября 1952 года, в результате которого был полностью уничтожен г. Северо-Курильск (о. Парамушир).

Основным поражающим фактором землетрясений в пределах суши являются, механические воздействия колебаний земной поверхности. Однако непосредственной угрозы жизни и здоровью людей они, как правило, не представляют. Причинами травм и жертв среди людей являются факторы, сопровождающие землетрясения - разрушения зданий и сооружений, затопления, осыпание битых стекол, контакты с разорванными электропроводами, взрывы и пожары, вызванные короткими замыканиями в электропроводке и утечкой газа из поврежденных труб, а также действия, вызванные испугом населения и паникой.

В горной местности, поражающими факторами могут стать спровоцированные сильными землетрясениями оползни, обвалы горных пород, снежные лавины.

Известны случаи, когда из-за необратимых (как правило, связанных с подвижками в очаговой зоне сильных землетрясений) перемещений поверхности земли и соответствующего изменения ландшафта происходили осушения или, наоборот затопления территорий, что, в свою очередь, приводило к резкому изменению условий существования соответствующих биосистем и ухудшению состояния окружающей среды в целом.

Экологические последствия землетрясений зависят от интенсивности и продолжительности сейсмических колебаний, их спектрального состава, от конструктивных особенностей зданий и сооружений, свойств грунтов оснований.

Количество человеческих жертв (см. рис. 1.2), зависит от типа жилья и качества строительства. Там, где люди живут в юртах, человеческие жертвы почти полностью отсутствуют даже при землетрясениях максимальной интенсивности, как в случае 11-12-ти балльного (М = 8,5) Гоби-Алтайского землетрясения 1957 года [94].

Рисунок 1.2 – Людские потери при землетрясении в мире в ХХ в.

, тыс. чел.

(по данным А.В. Балахонова, 2005) С другой стороны, проживание людей в пещерах на склонах лессовых холмов привело к очень большим жертвам (до 600 тыс. человек) при 10-балльном землетрясении 27-28 июня 1976 года в г. Хэбей в Китае. [94] Произошедшее 25 мая 1995 года в районе г. Нефтегорска (о. Сахалин) 9-10 балльное землетрясение полностью разрушило построенные в 1960-е годы несейсмостойкие крупноблочные здания, в результате чего погибли 1989 человек.

Построенные же позднее, более сейсмостойкие здания (рассчитанные на 7балльные воздействия) по данным Г.Л. Коффа (1995) хотя и получили повреждения, но избежали обрушения.

Похожая ситуация наблюдалась и при 8-ми и 9-ти балльных Газлийских землетрясениях 8 апреля и 17 мая 1976 года, в значительной мере разрушивших п.

Газли (Узбекистан). Позднее восстановленный и застроенный новыми зданиями, рассчитанными на 8-балльные воздействия он вновь подвергся сильным сотрясениям при 9-10 балльном землетрясении 20 марта 1984г. Новые здания также получили повреждения, но не обрушились [14].

Помимо прямой угрозы жизни и здоровью людей разрушение землетрясениями объектов строительства может вызывать неконтролируемый выброс в водный и воздушный бассейны, а также почву значительного количества строительных и других (в том числе токсичных) материалов. В этом случае вторичным или косвенным поражающим фактором может стать их экологическая небезопасность. Основными критериями оценки экологичности строительных материалов и изделий являются фактические уровни их экологической чистоты и экологической безопасности. учитывающие их токсичность, радиоактивность и микробиологические повреждения. [56].

Сейсмический процесс сопровождается не только механическими колебаниями почвы, но и пиковыми электромагнитными излучениями, а также звуковыми (в том числе и инфразвуковыми) эффектами, влияние которых на биологические объекты и окружающую среду может быть весьма существенным, особенно в случае выхода очаговых разрывов на поверхность.

Помимо сейсмических сотрясений экологические функции мантии и земной коры также проявляется в том, что возникающие из-за химико-плотностной дифференциации перемещения глубинного земного вещества могут достигать верхних горизонтов земной коры вплоть до дегазации по трещинам в воздушную и водную оболочки. Возникновению этих процессов способствуют часто наблюдаемые в таких местах сейсмическая и вулканическая активности, систематическое проявление которых, даже при небольших интенсивностях, могут негативно влиять на здоровье людей [24] Опыт последних десятилетий показал, что при определенных условиях строительная деятельность человека может вызывать развитие не только экзогенных (внешних) процессов (подтопления, оползни, карст и др.), но и эндогенных (внутренних), в частности, землетрясений. Строительство крупных водохранилищ Орвилл (США), Койна (Индия), Синфыцзян (КНР), Чиркейского (Россия) и др., сооружение крупных инженерных объектов типа Камской и Воткинской ГЭС, Добрянской ГРЭС и др. и возникновение в этих районах спровоцированных или наведенных (техногенных) землетрясений магнитудой 4,5-6,5 подтверждает эту связь. Интервал времени от года наполнения водохранилища до года наиболее сильного землетрясения может колебаться от 1 года до 8 лет и более; наиболее часто от 1 до 3 лет. [56] Таким образом, землетрясения либо непосредственно, либо как фактор формирующий комплексные многоступенчатые чрезвычайные ситуации оказывают значительное влияние на состояние окружающей среды. [57] Северный Кавказ и прилегающие районы характеризуются высокой плотностью населения и развитой инфраструктурой, что повышает потенциальную тяжесть последствий от возможных на данной территории сильных землетрясений. В этих условиях становится особенно актуальным совершенствование мер зашиты общества от данного вида стихийных бедствий.

Наиболее распространенным и эффективным способом защиты от землетрясений на данный момент в мире являются сейсмостойкое проектирование и строительство, которые, в свою очередь, базируются на правильном прогнозировании и учете сейсмических нагрузок, возникающих в конструкциях из-за сейсмогенных перемещений грунта под их основаниями.

Инженерные характеристики и вероятности сейсмогенных движений грунта определяются на основе оценок долговременной сейсмической опасности данного места и возможных здесь сейсмических воздействий.

Анализ долговременной сейсмической опасности территории (оценка сейсмического потенциала данной территории без указания времени, когда он будет реализован) включает в себя комплексное изучение как единого целого распределенного в 5-мерном сейсмогенерирующем объеме энергия-пространствовремя самого процесса возникновения очагов землетрясений и вызываемых ими сотрясений поверхности земли. Согласно современных представлений оба этих вида сейсмических движений из-за большого числа влияющих на них и трудно контролируемых факторов объективно имеют случайную природу и, как правило, могут корректно прогнозироваться лишь в вероятностной форме [64,105,147]. По этой причине последние несколько десятилетий в большинстве стран мира для практического использования разрабатываются именно вероятностные карты долговременной сейсмической опасности.

В России такая карта (Карта общего сейсмического районирования территории Российской Федерации ОСР-97) в качестве нормативного документа впервые принята в 2000г. При разработке этой Карты группой А. А. Гусева была реализована модификация вероятностного подхода, описанная в [18,128,149] и являющаяся развитием подходов Ю.В. Ризниченко и С.А. Корнелла [67,124].

Особенность данной разработки – использование функций затухания ускорений, построенных не по эмпирическим данным (как это обычно практикуется в мире), а при помощи теоретического моделирования очага землетрясения и окружающей его геологической среды. Такие функции затухания наряду с достоинствами (учет влияния габаритов очага в ближней зоне и др.) могут иметь ограничения из-за трудности адекватного воспроизведения некоторых важных для инженерных целей особенностей очагового излучения, например, связанных с механизмом подвижки в очаге, с оценкой колебаний по всему спектру и др. [64].

Вероятностная модель сейсмического режима построена на основе методов Монте-Карло, что дает преимущества при картировании прогнозных параметров сейсмической опасности. На практике данная технология применена пока для мелкомасштабных генерализованных вероятностных оценок (ОСР) и только для оценок макросейсмической балльности [29].

За рубежом вероятностные оценки сейсмической опасности часто осуществляются с использованием модели С.А. Корнелла [124], на базе которой разработаны несколько поколений последовательно совершенствующихся вычислительных программ (технологий) под общим названием SEISRISK. Эти технологии были успешно использованы во многих странах мира [64,105], включая крупный международный проект «The global seismic hazard assessment program (GSHAP)» [147].

Основное достоинство данного подхода – возможность учета влияния геометрической формы зон возникновения потенциально опасных очагов землетрясений (зон ВОЗ), что повышает точность расчетов. Технология позволяет также прогнозировать вероятностные характеристики физических параметров (амплитуд, периодов, спектров и др.), что расширяет возможности ее инженерного применения. Данный метод применим не только для мелкомасштабных оценок, генерализованным по большим площадям, но и для уточнения сейсмичности локальных площадок.

К ограничениям данной технологии относятся неучет глубины, геометрических размеров и ориентации в пространстве потенциально опасных очагов, что, как следует из работ [64,105,117], может приводить к значительным ошибкам в оценке прогнозных параметров воздействий (до 50-100%).

Принимая во внимание потребности отечественной инженерной сейсмологии и мировой опыт в середине 80-х годов прошлого века предложен новый метод вероятностного прогнозирования сейсмической опасности [105], в котором получили развитие подходы, заложенные отечественными учеными С.В.

Медведевым, В.И. Кейлис-Бороком, и др.[26,27,40]. Расчетная схема построена на основе формулы полной вероятности, где условная вероятность относится к характеристикам сильных движений грунта, а безусловная – к параметрам очаговой сейсмичности. В расчетной схеме используется два априорных предположения – о логнормальном распределении характеристик сильных движений и пуассоновском распределении сейсмичности [6,105,108]. Метод позволяют получать более точные оценки за счет учета в расчетах различных природных факторов – размеров, ориентации, глубины, механизма и повторяемость каждого из потенциально опасных очагов землетрясений, региональных и локальных функций затухания, влияния местных грунтовогеоморфологических условий и др. При этом может рассчитываться широкий набор динамических (амплитуд, спектров, длительностей и др.) и кинематических (ускорения, скорости, смещения) параметров сильных движений, а также макросейсмическая интенсивность сотрясений. На базе данной технологии разработана новая методика оценки вероятности сейсмогенного разжижения грунта [110].

Различные модификации данной технологи несколько десятилетий успешно применяются во многих сейсмоактивных районах мира (Средняя Азия, Дальний Восток, Кавказ, Тайвань, Север Африки, Юг Европы и др.) для решения различных задач – начиная от генерализованных оценок для ОСР и заканчивая высокоточным прогнозированием вероятных воздействий на отдельные (в том числе и ответственные) объекты [62,63,82,105,106,109,111,121,122,145,146].

В таблице 1.1 сопоставлены результаты оценок вероятных сейсмических воздействий, полученных для одних и тех же территорий различными исследователями при помощи трех наиболее апробированных и перспективных для целей нашего исследовании методов (технологий) – SEISRISK, Ю.К. Чернова и ОСР-97. Анализ этих и других [147] данных, согласно [64] показал, в том числе, что ближе к центру распределения находятся оценки по методу Ю.К. Чернова, оценки по технологии SEISRISK в среднем дают занижение, а оценки по технологии ОСР-97 – завышение. Рассмотрены также некоторые другие расхождения, свидетельствующие об определенных практических преимуществах технологии Ю.К. Чернова (например, ее более широкие возможности при решении именно инженерных задач). Исходя из вышеизложенного, а также принимая во внимание то, что при помощи данной технологии в последние годы на территории Кавказа и Предкавказья выполнен большой объем детальных работ [109-111], можно заключить, что данная технология для целей нашего исследования является оптимальной.

Анализ предыдущих исследований показывает также, что независимо от того, какие именно технологии используются в расчетах, (версия SEISRISK, Ю.К.

Чернова или ОСР-97) из-за наличия субъективных факторов (таких как выбор конкретных моделей, их характеристик и т.д.), получаемые оценки могут флуктуировать, вследствие чего их также можно считать случайными величинами. Для учета этого механизма случайности, как показано в [63,109-111], целесообразно использовать методологию «логического дерева» (logic tree).

Таблица 1.1 – Сопоставление расчетных оценок вероятных сейсмических воздействий, выполненных в разных районах с использованием различных технологий для среднего периода повторяемости t = 500 лет и «средних»

грунтовых условий. I – в баллах MSK; amax – в долях g. (Извлечение из [64])

–  –  –

Помимо «традиционных» оценок сейсмической опасности в виде колебательных воздействий, актуальными являются исследования в области нелинейного поведения грунтов во время землетрясений и, в частности, сейсмогенного разжижения грунта. В настоящее время в международной инженерно-сейсмологической практике применяются две основных группы методов определения опасности разжижения грунтов под воздействием сильных землетрясений, которые, в общем случае, могут быть определены как детерминистские и вероятностные.

Детерминистские методы позволяют определять возможность (или невозможность) возникновения в данном месте сейсмогенного разжижения грунта без количественной оценки меры этой возможности (невозможности) в рассматриваемый (проектный) промежуток времени.

Вероятностные методы дают оценку возможности сейсмогенного разжижения грунта с определением меры этой возможности, т.е. с определением вероятности наступления этого события в проектный промежуток времени.

Для прогнозирования возможности сейсмогенного разжижения грунта в общем случае необходимо знание характеристик сейсмических воздействий, которым подвергнется в будущем данный участок и свойств разреза, «отвечающих» за устойчивость данного грунтового массива к разжижению при данном виде сейсмических воздействий. И те и другие параметры (и сейсмологические и инженерно-геологические) строго говоря, на современном уровне знаний могут определяться лишь с некоторой долей неопределенности.

Поэтому вероятностное описание процесса сейсмогенного разжижения грунта, на сегодняшний день объективно является более адекватным и, следовательно, более предпочтительным.

С вероятностными оценками сейсмической опасности тесно связаны (практически являются их логическим продолжением) оценки сейсмического риска. Долгое время в мировой практике эти два понятия смешивались. Четкое разграничение терминов «сейсмический риск» и «сейсмическая опасность»

произошло в 1979 году на специализированной конференции UNDRO. В общем виде смысл этого разграничения состоит в том, что к области сейсмической опасности относятся различные проявления сейсмических движений грунта и вызванных ими физических реакций расположенных на этих грунтах материальных объектов, а к области сейсмического риска относятся оценки материальных и иных потерь (ущербов), связанных с этими движениями и реакциями.

Одними из первых исследований экономических и иных последствий вредного воздействия землетрясений стали отечественные разработки [26,39]. В дальнейшем это направление развивалось в работах [3,21,23,27,28]. Среди первых зарубежных работ можно отметить [95,132].

Известным исследованием, направленным на систематизацию имеющихся знаний в данной области является [123]. Согласно данной работе, под сейсмическим риском следует понимать совокупность потерь от негативного воздействия землетрясений на современное общество за определенный период времени. Потери могут оцениваться в виде ущерба объектам строительства, ущерба жизни и здоровью населения, нарушения стабильности функционирования экономики и др. При этом факторы, влияющие на сейсмический риск делятся на две группы: 1 – сейсмическая активность (или опасность) территории; 2 – сейсмоуязвимость расположенных на данной территории объектов (под объектами в широком смысле могут пониматься материальные ценности, население, производственные и социальноэкономические процессы). Плотность населения, как, например, в работе [137] может быть выделена самостоятельным фактором.

Факторы, относящиеся ко второй группе [5,80] зависят от следующих условий: проектной (расчетной) сейсмостойкости объекта и фактической сейсмостойкости объекта.

Проектная сейсмостойкость обеспечивается комплексом проектных расчетов с учетом данных о сейсмической опасности. При рассмотрении данного вопроса следует иметь в виду, что в настоящее время на одних и тех же территориях из-за периодического изменения требований нормативов могут находиться объекты различной нормативной проектной сейсмостойкости. Так, например, после введения в практику новой Карты ОСР-97 в результате повышения нормативных требований многие ранее построенные здания и сооружения приобрели значительный дефицит сейсмостойкости. В некоторых случаях, наоборот, возможна избыточная сейсмостойкость.

Оценка фактической сейсмостойкости особо актуальна для объектов строительства, эксплуатирующихся на протяжении 10 и более лет вследствие чего их прочность и способность воспринимать сейсмические нагрузки снижаются [5].

Оценка сейсмического риска может производиться с позиции количественных и качественных оценок. Значительное распространение получили качественные оценки, основывающиеся на таких определениях как оценки степени повреждения объекта (отсутствует, слабая, сильная, полное разрушение), доступность необходимых объектов, к примеру, больниц (доступ не ограничен, частично ограничен, доступ невозможен) и т.п. [130] Существенным недостатком подобного подхода можно считать затруднения, возникающие при переводе таких качественных характеристик в количественные, необходимые в практической инженерной деятельности.

Количественный подход при оценке уязвимости имеет ряд преимуществ, поскольку позволяет оценить необходимые показатели в конкретных, практически применимых единицах (как правило, относительных). Подобные показатели также могут интерпретироваться в виде категорий [123]. Однако, дефицит исходной информации в данной области, а также необходимость обобщений при классификации объектов строительства обуславливает необходимость значительных допущений при использовании данного метода, что отражается на достоверности конечных оценок.

Оценки сейсмического риска могут подразделяться по площади, охватываемой исследованием. Выделяются оценки, выполняемые для значительных территорий (городов, регионов, стран), а также оценки сейсмического риска конкретных объектов строительства. Выбор способа оценки обуславливается целями исследования. Так, анализ крупных территорий необходим для выработки общей концепции освоения и развития региона.

Подобные оценки нашли широкое отражение в работах [16,32,33,60,61,63].

Общим подходом при выполнении подобных работ является оценка сейсмической опасности с использованием карт ОСР, ДСР и СМР в сочетании с классификацией имеющихся объектов строительства и группировка их по определенным признакам с оценкой уязвимости и определение вариации плотности населения на различных участках исследуемой территории. Результатом является районирование (с использованием технологий ГИС) территории по уровню сейсмического риска. Преимуществом данного подхода является возможность комплексного учета различных факторов. К недостаткам можно отнести ограниченный уровень используемой сейсмологической информации. Так Карта ОСР-97, рассчитанная, прежде всего, на инженерное использование, из всех практически значимых для расчетов риска уровней балльности дает оценки интегральной функции распределения вероятностей только для 1-2, максимум 3-х значений интенсивности сотрясений. Второе ограничение – отмеченная ранее невысокая точность самих функций распределения, рассчитанных по сильно генерализованным данным. Для ряда задач, таких как инвестиционное обоснование строительства или реконструкции, оценка стоимости, страхование, данные недостатки могут оказаться критическими. При решении таких задач может применяться способ оценки индивидуального (объектного) сейсмического риска на основе более детального анализа сейсмической опасности конкретной площадки строительства с построением и последующим использованием всей функции распределения сейсмических воздействий, а также инженернотехнических особенностей планируемого или уже существующего объекта строительства.

Анализ сейсмического риска особо ответственных объектов, таких как АЭС, может потребовать более сложного комплексного подхода с комбинациями различных оценок [55].

Оценки сейсмического риска тесно связаны с процессом управления сейсмическим риском, который подразумевает анализ принимаемых решений с точки зрения оптимизации вероятных потерь. Основной задачей при управлении сейсмическим риском является определение некой «точки оптимальности» – с одной стороны обеспечения достаточного уровня безопасности и стабильности функционирования общества при минимизации необходимых для этого затрат.

[42,63]. При этом помимо ущербов от возможного воздействия землетрясений, необходимо учитывать стоимость уменьшающих этих ущербы защитных мероприятий, таких как сейсмоусиление конструкций, включая потери от изъятия данных средств из оборота.

1.2 Исходные материалы и методика исследований

В процессе формирования информационной базы исследований в части оценки сейсмической опасности и сейсмического риска (комплекса исходных сейсмологических, геолого-геофизических, макросейсмических, инженерностроительных и других данных – ссылки на источники в тексте) центрального Предкавказья (с дополнениями из других сейсмоактивных районов мира) выполнено следующее:

– осуществлен сбор и анализ материалов об общем геологическом строении района исследования, включая данные о стратиграфии глубинных отложений, данные об общем тектоническом строении, геоморфологические данные;

– проанализированы сейсмотектонические условия района и разработанные различными организациями и отдельными авторами модели зон возникновения очагов землетрясений;

– проведен сбор и анализ материалов по инженерно-геологическим условиям свыше 110 отдельных участков территории и конкретных строительных площадок, включая литологическое описание разрезов, оценку физикомеханических параметров разных типов грунтов, типизацию грунтовых комплексов по сейсмическим свойствам (скоростям распространения сейсмических волн, сейсмическим жесткостям и др.);

– сделано обобщение результатов инженерных изысканий под строительство, включая описание физико-географических и гидрометеорологические характеристик, экзогенных процессов и строения осадочной толщи по геофизическим данным, особенности локальной тектоники и сейсмичности; сравнительный анализ геологических и других условий различных исследуемых участков территории;

– проведен анализ и обобщение выполненных ранее работ по оценке сейсмической опасности рассматриваемых территорий – исследований по общему и детальному сейсмическому районированию, сейсмическому микрорайонированию, а также уточнению сейсмичности для отдельных объектов;

– проведен сбор, анализ и систематизация литературных и фондовых данных о макросейсмических проявлениях ощутимых и сильных землетрясений в различных тектонических и инженерно-геологических условиях исследуемого района;

– собраны и проанализированы данные о пространственном распространении и повторяемости землетрясений разных магнитуд, а также других параметрах сейсмического режима центрального Предкавказья и прилегающих районов;

– осуществлены сбор, параметризация и спектральный анализ свыше 2 200 инструментальных записей сильных землетрясений, а также параметризация еще более 1 000 записей ощутимых землетрясений (см. Приложение А и [64]);

– собраны и обобщены данные об ущербах, при землетрясениях разной интенсивности в зданиях с разным ресурсом сейсмостойкости.

На рисунке 1.3 показаны единичные параметры колебаний грунта, которые измерялись на акселерограммах (велосиграммах, сейсмограммах): amax – максимальная амплитуда колебаний; Тa – периоды колебаний с максимальной амплитудой; 0,5 – длительность колебаний с амплитудами равными или выше 0,5 amax ; t1 – время нарастания амплитуд от 0,5 amax до максимума; t2 – время спадания амплитуд от максимума до 0,5 amax. Данные параметры колебаний грунта наиболее часто используются при прогнозе сейсмических воздействий [115].

Рисунок 1.3 – Схема параметризации записей сильных движений

Спектральный состав колебаний исследовался по спектрам Фурье и спектрам реакции. Анализировались модули амплитудных спектров Фурье (|S|) и огибающие максимальных отклонений осцилляторов (спектральных ускорений SA). Расчет спектров Фурье и спектров реакции осуществлялся по записям землетрясений при помощи стандартных программ [105,115]. Спектры реакции рассчитывались также через энергетическую спектральную плотность Фурье по методике описанной в [12,86].

Для удобства анализа рассчитанные спектры Фурье и спектры реакции также, как в [105] представлялись в виде набора значений |S| или SA на 18 фиксированных частотах, логарифмически равномерно распределенных в инженерном диапазоне f = 0,28 22 Гц.

При обработке исходных данных использовались методы математической статистики – корреляционный, регрессионный и дисперсионный анализы, а также методы инженерно-геологических аналогий (МИГА).

Вероятностный анализ сейсмической опасности в соответствие с принятой технологией [63,64] состоял из пяти основных элементов:

– построение альтернативных моделей пространственного расположения зон возможных очагов землетрясений (зон ВОЗ), потенциально опасных для изучаемого участка;

– построение альтернативных моделей локальной сейсмичности или повторяемости землетрясений во времени всех потенциально опасных для данного участка очагов землетрясений;

– разработка альтернативных моделей сильных движений грунта при землетрясениях, включая учет магнитуды, удаленности и влияния местных грунтовых условий для каждого из потенциально опасных очагов;

– вероятностный анализ для каждой альтернативной модели;

– анализ различных комбинаций результатов по различным альтернативным моделям и их сочетаниям.

Итоговая оценка представляет собой вероятностную суперпозицию всех потенциально опасных воздействий из всего окружающего расчетную точку сейсмогенерирующего пространства в заданный промежуток времени.

Графическая иллюстрация данного подхода приведена на рисунке 1.4.

При оценках сейсмической опасности вся потенциально опасная для данного объекта территория по поверхности разбивается на относительно однородные элементарные участки (с учетом мощности сейсмогенерирующего слоя – это элементарные объемы).

Каждый элементарный объем характеризуется следующими параметрами [64]:

– значениями магнитуд потенциально опасных землетрясений, очаги (центры тяжести очагов), которые могут возникать под данным участком, от минимальной Мmin до максимальной Мmax;

– размерами, механизмами и ориентацией в пространстве очагов потенциально опасных землетрясений разных магнитуд;

– распределением землетрясений разных магнитуд по глубине очагов;

– повторяемостью, то есть средним числом землетрясений разных магнитуд в единицу времени;

Определение зон возможных очагов землетрясений (зон ВОЗ) и максимальных возможных магнитуд Mmax очагов землетрясений по M, R, H, t Оценка вероятностей распределения

–  –  –

– вероятностными характеристиками колебаний грунта (пиковые амплитуды и уровни спектральной плотности Фурье ускорений на различных фиксированных частотах, периоды, длительности) в ближней зоне при землетрясениях с различными магнитудами от Мmin до Мmax;

– функциями затухания с расстоянием пиковых амплитуд и спектральной плотности Фурье ускорений на различных фиксированных частотах, периодов и длительностей в дальней зоне потенциально опасных землетрясений с различными магнитудами от Мmin до Мmax;

– значениями спектральных характеристик для различных типов локальных грунтовых и геоморфологических условий.

По опыту работ размеры элементарных участков на поверхности земли приняты 5км5км, что обеспечивает достаточную для практических нужд точность расчетов [109].

Вышеприведенные характеристики элементарных объемов определялись для каждого объекта на основе специально разработанных на базе всей сейсмологической, геолого-геофизической и инженерно-геологической информации (см. выше) двух групп моделей: а) моделей сейсмичности для изучаемого района; б) моделей сильных движений грунта, включающих модели, учитывающие влияние местных грунтово-геоморфологических условий (см.

Главу 2). Основные расчетные формулы приведены в Приложениях Б-Г и в При вычислении интегральной (т.е. по совокупности всех [63,64,105].

потенциально опасных землетрясений) длительностей основной фазы и 0,5 периодов колебаний Ta учитывалось, какие магнитуды землетрясений, на каких расстояниях и в каких пропорциях (с учетом их повторяемости во времени) вносят вклад в общую сейсмическую опасность на изучаемом участке. В соответствие с рекомендациями [63,82], принято, что в условиях изучаемых районов г Ставрополя и ст. Кавказская примерно по 30% сейсмической опасности при землетрясениях с повторяемостью 1 раз в 500 лет составляют землетрясения с М = 4,0 4,5 на удалениях до 5 – 10 км, с М = 5,0 на удалениях до 10 – 15 км, с М = 5,5 на удалениях до 15 – 20 км. Остальные 10% – землетрясения с М = 6,0 на более далеких расстояниях 20 – 30 км. Для периодов повторяемости 1 000 и 5 000 лет землетрясения с М = 5,0; 5,5 и 6,0 вносят примерно одинаковый вклад. Для районов городов Краснодар и Пятигорск приняты такие же пропорции, но с увеличением потенциально опасных магнитуд на 0,5. При производстве подсчетов использованы обобщенные зависимости 0,5(М,D) и Ta(М,D) из [63].

Помимо основной расчетной схемы в рамках методологии «логического дерева» проведены расчеты, основанные на рекомендациях нормативных документов, а также на результатах ранее выполненных работ, в том числе по оценке сейсмической опасности рассматриваемых территорий. Так альтернативные оценки макросейсмической интенсивности I сотрясений грунта делались в том числе по рекомендациям Каты ОСР-97 [29] и действующих нормативных документов [75,85].

Балльности сотрясений I, заимствованные из [85] пересчитаны в пиковые ускорения по соотношениям, обобщающим рекомендации нормативных документов, [29,85]:

lgPGA=0,333I 0,222 (1.4)

Используются также соотношения PGA(I), полученные в работе [64]:

0,271I 0,279 при 7,5 I 11 lg PGA 0,384 I 0,568 при 4,5 I 7,5 (1.5) 0,362 I 0,307 при I 4,5 а также полученное в [6] lgPGA=0,40I 0,75 (1.6) В выражениях (1.4)-(1.6) PGA – пиковое ускорение грунта в см/c/c; I – макросейсмическая интенсивность в баллах MSK.

Альтернативные стандартные оценки построены по рекомендациям ОСР-97 территории РФ в сочетании с техническими требованиями к производству работ по сейсмическому микрорайонированию [69], а также с использованием данных, полученных по результатам сейсмического микрорайонирования территории городов Ставрополя, Пятигорска, Невинномысска, Железноводска и др.

[25,68,82,88].

–  –  –

Обработка сейсмограмм проводилась на ПЭМВ по программе КМРV.SEIS, разработанной на основе способа t0.

Определения приращения балльности, изменения спектров и пиковых амплитуд в соответствии с нормативными требованиями [68,69,75,85] проводились методами сейсмических жесткостей (МСЖ), амплитудных и спектральных характеристик, а также инженерно-геологических аналогий.

Использованы также результаты подобных исследований прошлых лет [63,88,105,109-111].

Помимо параметров, характеризующих колебательную составляющую сейсмических движений (амплитуд и спектров ускорений, акселерограмм и др.), рассмотрен также другой вид сейсмической опасности – возможное разжижение (liquefaction failure) водонасыщенных песчаных грунтов под воздействием сильных землетрясений. С использованием разработанной методики [110] количественно оценивались вероятность такого разжижения и мощность разжижаемого слоя грунта.

При оценках сейсмического риска использованы разработки СевероКавказского инженерно-геологического центра Госстроя России, Центрального научно-исследовательского института строительных конструкций Госстроя РФ, Института литосферы РАН, Производственного и научно-исследовательского института по инженерным изысканиям в строительстве Госстроя России, Института физики Земли РАН, Института геоэкологии РАН, данные об ущербах при сильных землетрясениях, полученные в Институте «УзНИИПГрадостроительство», в Институте сейсмологии АН Узбекистана (АН УзССР), а также материалы содержащиеся в публикациях отдельных авторов [3,23,30,32,33,40-42,53,63]. Кроме этого использованы неопубликованные данные по экономическим и другим последствиям сильных землетрясений Т.С. Заточной, В.М. Соколова, а также информация, полученная в рабочем порядке от проектных и производственных организаций, работающих в области строительства.

1.3. Основные выводы

1. Анализ мировых тенденций в развитии мер защиты современного общества от землетрясений показывает, что основным ресурсом здесь является повышение эффективности сейсмостойкого строительства, которое, как геоэкологический фактор, является объектом настоящего исследования.

2. Важной составной частью антисейсмического проектирования и строительства является геоэкологическая оценка сейсмической опасности и риска.

От качества этой оценки в большой мере зависит обеспечение безопасности населения, сохранности материальных объектов и окружающей среды. В связи с этим цель настоящего исследования – повышение детальности, точности и надежности геоэкологической оценки сейсмической опасности и риска (на примере застраиваемых территорий центрального Предкавказья).

3. Для достижения поставленной цели должны решаться следующие задачи:

– адаптация и внедрение к сейсмогеологическим условиям центрального Предкавказья современных вероятностных методов детального прогнозирования сейсмической опасности, включая разработку новых и усовершенствование имеющихся региональных и локальных моделей сейсмичности и сильных движений грунта;

– апробация методики и количественная оценка вероятности сейсмогенного разжижения грунтов оснований объектов строительства для застраиваемых территорий исследования, выходящая за рамки действующих нормативов и способная стать составной частью геоэкологического мониторинга и аудита;

– применительно к условиям района исследований усовершенствовать геоэкологическую оценку сейсмического риска, на основе чего разработать альтернативную принятой оценку сейсмостойкости объектов строительства различной степени ответственности в различных сейсмотектонических, инженерно-геологических, социально-экономических, экологических и иных условиях, которая может быть использована как инструмент управления проектом.

ГЛАВА 2. РЕГИОНАЛЬНЫЕ И ЛОКАЛЬНЫЕ МОДЕЛИ И ОЦЕНКИ

ДОЛГОВРЕМЕННОЙ СЕЙСМИЧЕСКОЙ ОПАСНОСТИ

–  –  –

Расчетная схема (рис.1.4) в соответствие с рекомендациями [63] реализована с использованием моделей сейсмичности, описывающих: а) вероятные места (зоны) возникновения потенциально опасных для изучаемых территорий землетрясений; б) максимальные возможные магнитуды (Mmax) этих землетрясений; в) размеры, механизмы и ориентацию очагов; г) повторяемость землетрясений разных магнитуд во времени; д) распределение очагов землетрясений по глубине.

Модели зон ВОЗ. Один из используемых нами альтернативных вариантов – зоны ВОЗ по версии ОСР-97 [29,96]. Однако генерализация этих карт ограничивает возможность их использования для более детальных оценок в инженерных целях. Так, для целей ОСР обычно выделяются зоны ВОЗ с М 4,0 – 5,0, а распределения небольших очагов заменяются осредненным «фоном», вследствие чего зоны ВОЗ при ОСР характеризуют сравнительно большие районы, нивелируя особенности отдельных участков.

Другой вариант зон ВОЗ – более детальные разработки, выполненные при составлении карты детального сейсмического районирования Ставропольского края [88]. Зоны ВОЗ в версии ДСР-96 определялись «традиционным» или «внутрирегиональным» и «внерегиональным» способами. Первый, основан на анализе геофизических, геолого-геоморфологических, геодезических и тектонофизических данных, полученных непосредственно в данном регионе..

Второй состоит в выделении при помощи формализованных процедур разных «типов земной коры», генерирующих землетрясения разной магнитуды.

Так как неопределенность в определении Mmax достаточно высока [88], в целях снижения риска недооценки сейсмической опасности (учитывая общую сейсмотектоническую обстановку, ограниченность исходных данных и повышенную ответственность ряда рассматриваемых объектов) оригинальный вариант зон ВОЗ [88] нами несколько скорректирован – на юго-западной границе рассматриваемого района выделена зона с Mmax = 7,0, а участкам территории с Mmax = 3,5 приданы значения Mmax = 4,0.

Еще один альтернативный вариант зон ВОЗ – разработка Института геоэкологии РАН (ИГЭ РАН) [51,52].

В графическом виде используемые нами варианты зон ВОЗ по версиям ОСР-97, ДСР-96 и ИГЭ приведены в Приложении Д.

Размеры и расположение расчетных фрагментов зон ВОЗ выбраны так, чтобы учесть все потенциально опасные для рассматриваемого участка очаги землетрясений. Максимальные расстояния, на которых учитываются возможные очаги землетрясений, составляют от ~ 75км в районе г. Ставрополя и ст.

Кавказская, до ~ 150км в районе городов Краснодара и Пятигорска. Более далекие землетрясения даже с предельными для данного места магнитудами с большой вероятностью не могут вызвать на изучаемых участках сильных сотрясений.

Повторяемость землетрясений во времени. Из-за недостатка статистических данных непосредственно в изучаемых районах г.г. Ставрополя, Краснодара, Пятигорска и ст. Кавказская, детальные модели повторяемости (рекуррентные соотношения) для этих территорий разработаны комбинированным способом – при помощи прямых подсчетов количества землетрясений разных магнитуд, в сочетании с методами сейсмогеологических аналогий и экстраполяций. При этом использованы зоны ВОЗ с указанием на них Mmax (Приложение Д), каталоги землетрясений Северного Кавказа и прилегающих территорий, данные о сейсмической активности и графиках повторяемости (таблица 2.1). Базовые оценки статистики землетрясений [101,107] выполнены по разработанной в [88] базе данных. На первом этапе для расчета вероятностей PM=m[N=n] (см. выражение (2) в Приложении В) построена модель повторяемости для сравнительно большой территории (в границах 42,5° – 46,0°N и 38,0° – 44,0°E), которая в то же время достаточно однотипна с точки зрения общих сейсмотектонических условий. Для этого по указанной базе подсчитаны количества землетрясений разных магнитуд (N( M )) – от M 2,0 (М = 1,5 – 2,4) до M 7,0 (М 6,5 – 7,4). Для компенсации пропусков небольших землетрясений в прошлом полученные значения N( M скорректированы с использованием приведенных в [78] процентных соотношений пропусков землетрясений по их макросейсмическим интенсивностям (I0). Переход от оценок пропусков по I0 к пропускам по магнитудам (М), выполнен по приведенным в [63] корреляционным соотношениям M (I0). Итоговые поправочные коэффициенты составили: для M 4 - 1,40 для периода 120 лет и 1,17 - для периода 40 лет. Для магнитуд с M 3 за последние 120 лет принят коэффициент 10,0 (90% пропусков), а для магнитуд M 2 – коэффициент 50,0 (98% пропусков). Результаты подсчетов даны в таблице

2.1. В этой же таблице приведены результаты предыдущих оценок.

Таблица 2.1 – Варианты оценок средних чисел ( N ) землетрясений разных магнитуд ( M ) для района в границах 42,5° – 46,0°N и 38,0° – 44,0°E и для смежных территорий.

Приведено к площади S = 1 000 кв. км и времени t = 1 год

–  –  –

Рисунок 2.1 – Повторяемость потенциально опасных землетрясений разных магнитуд в изучаемых районах центрального Предкавказья.

а – для всей территории в границах 42,5° – 46,0°N и 38,0° – 44,0°E, приведено к площади S = 1 000 кв. км и времени t = 1 год, шаг по магнитуде M = 1,0. Синие кружки – индивидуальные оценки из таблицы 2.1, красная линия – аппроксимирующее выражение;

б – приведение к площади элементарных участков 5 км 5 км и времени t = 1 год, красная линия – аппроксимирующее выражение для всей территории в границах 42,5° – 46,0°N и 38,0° – 44,0°E, шаг по магнитуде M = 0,5. Синие линии – пересчет для отдельных зон ВОЗ с разными Mmax,: 1 – для зон ВОЗ по версии ДСРдля зон ВОЗ по версии ОСР-97 (линеамент, осевая область); 3 – для зон ВОЗ по версии ОСР-97 (линеамент, боковая область); 4 – для зон ВОЗ по версии ОСР-97 (домен); 5 – для зон ВОЗ по версии ИГЭ.

–  –  –

На втором этапе полученные для всего района значения N ( M ), описанным в [63,105] способом, пересчитаны в N ( M ) отдельно для каждой из выделенных по разным версиям (ОСР-97, ДСР-96 и ЕГЭ) зон ВОЗ с разными Mmax.

На заключительном этапе рассчитаны варианты рекуррентных соотношений для каждого из элементарных участков 5км5км, на которые разбивалась исследуемая территория (см. раздел 1.2). Вследствие квазиоднородности сейсмотектонических условий в каждой из зон ВОЗ значение N ( M ) для элементарного участка пропорционально отношению его площади (S = 25 кв. км.) к исходной расчетной площади (S = 1 000 кв. км). Результирующие значения N ( M ) принятые для Mmax=7,0 в графическом виде показаны на рисунке 2.1 б.

Оценки приведенные в таблице 2.1 и на рисунке 2.1 б в значительной мере выполнены на основе анализа сейсмичности южной, более сейсмоактивной части территории. Применение этих оценок для всей территории может привести к некоторому завышению оценок сейсмической активности и, как следствие, к консерватизму оценок сейсмических воздействий, в которые будет заложен определенный «запас прочности», что оправдано в условиях дефицита исходной информации.

Распределение очагов землетрясений по глубине. Потенциально опасные очаги землетрясений на территории центрального Предкавказья возникают в земной коре на глубине 3-35 км [29,63,83]. На основе статистического анализа каталогов землетрясений [43,45,53,83,88] в работе [109] получены оценки относительной частоты (вероятности) возникновения землетрясений разных магнитуд на различных глубинах.

Зависимость глубин очагов от магнитуды H( M ) в рассматриваемом районе для M = 2-7 и H 35 км можно описать как:

(2.3) H = 2,3 M + 5,1 Однако более детальный анализ инструментальных и макросейсмических данных показывает, что в центральной и северной частях рассматриваемого региона крупные очаги могут быть ближе к поверхности, чем в среднем по всему Предкавказью. Поэтому, вытекающие из (2.3) значения H( M ) в дальнейшем уменьшены на 10-25%. Принятые распределения очагов по глубине приведены на рисунке 2.2. Для дробных значений магнитуд глубины оцениваются методом интерполяций. В соответствие с [64], в дальнейшем использован также еще более осторожный вариант, где H( M ) дополнительно уменьшены на 15%.

Рисунок 2.2 – Эмпирические кривые плотностей вероятностей (гистограммы) распределения по глубине очагов потенциально опасных землетрясений разных магнитуд на изучаемой территории центрального Предкавказья: 1 – для M = 3,0; 2 – для M = 4,0; 3 – для M = 5,0; 4 – для M = 6,0;

5 – для M = 7,0.

Механизмы потенциально опасных очагов. Под «механизмом очага»

землетрясения понимается тип подвижки по бортам основного разрыва в очаговой области – взброс, сброс или сдвиг, а также смешанные типы – взбрососдвиги или сбросо-сдвиги. Оценивается также, вероятная ориентация в пространстве основного разрыва, по которому происходят подвижки в очаге.

В изучаемых районах г.г. Ставрополь, Краснодар, Пятигорск и ст.

Кавказская механизмы очагов инструментально определяются для достаточно крупных (и, соответственно, редких) землетрясений (обычно с М 4-5), из-за чего накопленный здесь материал пока недостаточен для прямых статистических построений. Поэтому привлечены дополнительные сейсмотектонические данные из работ [29,83,88]. Собранные данные показывают, что на территории центрального Предкавказья зонах разломов «близширотного» или «кавказского»

простирания более вероятны взбросовые и взбросо-сдвиговые механизмы очагов.

Для очагов, связанных разломами «транскавказского» или близмеридионального»

простирания более вероятны сдвиговые механизмы подвижки. Большинство крупных очагов землетрясений приурочены к «продольным» зонам ВОЗ, в южной части изучаемой территории. При движении в северном направлении в общем балансе сейсмической опасности возрастает роль «поперечных» структур. В чистом виде «сдвиговый» и «взбросовый» механизмы подвижки в Предкавказье встречается относительно редко. Здесь правильнее говорить о преобладании «сдвиговой» или «взбросовой» компоненты в общем перемещении бортов разрыва при землетрясении. Тип подвижки, определяется ориентацией площадки будущего разрыва по отношению к направлению регионального сжатия [88].

Учитывая вышеизложенное принято, что потенциально опасные для изучаемых районов г.г. Ставрополь, Краснодар, Пятигорск и ст. Кавказская очаги землетрясений имеют смешанный взбросо-сдвиговый механизм подвижки без преобладания сдвиговой или взбросовой компонент перемещения.

Геометрические характеристики потенциально опасных очагов. Очаги (основные разрывы в очагах) моделируются площадками в виде эллипса. Размеры и расположение в трехмерном полупространстве большей и меньшей осей эллипса задают длину, ширину и ориентация очага. Из-за недостатка данных натурных измерений их оценки сделаны по зависимостям длины (горизонтального размера), ширины (вертикального размера) и площади главного разрыва в очаге от магнитуды, полученным разными авторами для сходных сейсмотектонических условий (таблица 2.2).

При составлении таблицы 2.2 в случаях, когда исходные зависимости в первоисточнике даны только для сдвигов и для взбросов, за размеры типичных для изучаемого района взбросо-сдвиговых очагов принимались осреднения раздельных определений для сдвигов и взбросов.

Таблица 2.2 – Геометрические параметры (длина и ширина) очагов потенциально опасных землетрясений разных магнитуд ( M ) в изучаемом районе центрального Предкавказья.

–  –  –

В соответствие с [88] принято, что длинные стороны площадок главных разрывов в очагах всех землетрясений горизонтальны. В поперечном направлении площадки наклонены под углом 60°. У землетрясений с М 5,5 произвольная азимутальная ориентация очагов, с М = 6-7 возможно отклонение основного разрыва в очаге от направления соответствующей зоны ВОЗ до 30°.

–  –  –

Модели пиковых амплитуд и длительностей ускорений колебаний грунта.

Скорости затухания с расстоянием (n) и значения PGA в ближней зоне (a0) в выражении (3) Приложения Б для средних грунтов при землетрясениях разных магнитуд приняты равными:

–  –  –

( lg PGA = 0,14 0,30). Из-за слабой изученности местных сильных движений, для уменьшения риска недооценки сейсмической опасности, в дальнейших расчетах используется консервативный вариант оценки lg PGA = 0,30 для всех М и D.

Рисунок 2.3 – Наиболее вероятные значения PGA на разных удалениях от очагов северо-кавказских землетрясений разных магнитуд.

«Средние» грунтовые условия.

Значения 0,5 (М) в ближней зоне взяты из [110] и составляют: 0,89 с, 1,86 с, 3,72 с и 8,13 с для землетрясений с М = 4,0, 5,0, 6,0 и 7,0, соответственно. Для дробных значений магнитуд, величины 0,5 получаются интерполяцией. Скорость возрастания 0,5 с расстоянием в дальней зоне (D = 50 – 250 км) уточнена (по сравнению с предыдущими оценками) – n 0,5 = lg 0.5 / lg D = 0,55. В промежуточных зонах, т.е. на расстояниях от D = r0' до D = r0, коэффициент изменения с расстоянием равен 0,10 n 0,5, на расстояниях от D = r0 до D = 50 км

- 0,75 n 0,5. а при D 250 км. - 0,10 n 0,5. Стандартные отклонения величин lg 0,5 (М,D) для всех М и D приняты одинаковыми и равными 0,30.

Модели спектров Фурье ускорений колебаний грунта. Система северокавказских спектров строилась двумя методами. Первый –основан на данных инструментальной регистрации, второй – новая методика реконструкции спектров сильных землетрясений по их макросейсмическому полю [111].

В первом случае, как и для пиковых ускорений, модели спектров Фурье для северокавказских землетрясений строились методом адаптации к местным условиям обобщенных статистических зависимостей |S| (M, R, f), разработанных на основе совместного анализа 2 200 спектров из Приложения А, с дополнениями функций затухания спектров полученных ранее для районов Дагестана, северной Армении, Рачинского землетрясения 29 апреля 1991 года, а также Узбекистана, запада США, Сахалина, Южной Европы, Тайваня [87,105,106,146].

Функций затухания с расстоянием каждой из 18 спектральных составляющих при возникновении землетрясения с магнитудой М описывается выражением, сходным с выражением (3) Приложения Б. Разница состоит в том, что для спектров внутри дальней зоны выделяется подзона (D = 50-250км) c пониженной скоростью затухания спектра с расстоянием – kn(f). На рисунке 2.5 а приведен вероятный спектр в ближней зоне «северо-кавказского» землетрясения с магнитудой М = 5,0 (величины lg|S|0(f) = a0(f) из выражения (3) Приложения Б).

Данный спектр получен путем трансформации базового «среднестатистического»

спектра, который по преобладающим в данной базе механизмам (взбросам, сдвигам и взбросо-сдвигам) отнесен к смешанному типу – «взбросо-сдвигам»

[110]. При трансформации базового спектра, также как в случае пиковых ускорений, для учета высокочастотного характера северо-кавказских землетрясений на частотах f = 2,8-6,0 Гц вероятные значения |S|(f) повышены в среднем на 25% по сравнению со «стандартными». Здесь же приведены более ранний [95] и модернизированный (с учетом выражений (2.8) и (2.9)) варианты «инструментального» спектра, восстановлкнного по спектрам афтершоков Дагестанского землетрясения 14 мая 1970 года.

На рисунке 2.4 а приведен также вероятный «макросейсмический» спектр, т. е. спектр, восстановленный на основе анализа карт изосейст 25 сильных землетрясений изучаемого региона с M = 3,5-7,0 и I0 = 6-9 баллов MSК, включая Ахалкалакское землетрясение 31 декабря 1899 года, Дагестанское землетрясение 14 мая 1970 года, Спитакское землетрясение 7 декабря 1988 года, Рачинское землетрясение 29 апреля 1991 года, Сальское землетрясение 22 мая 2001 года, Нижнекубанское землетрясение 9 ноября 2002 года. Использован также каталог 189 ощутимых и сильных землетрясений Ставропольского края [43].

Итоговый спектр для землетрясений с M = 5,0 (рисунок 2.4 а) рассчитан как средневзвешенные значения lg |S| (f) для каждой частоты f c весами равными 2 для скорректированного «стандартного» и макросейсмического спектров и равными 1 для остальных.

а б Рисунок 2.4 – Наиболее вероятные уровни спектральной плотности Фурье ускорений lg |S| на разных частотах f в ближней зоне северокавказских землетрясений. «Средние» грунтовые условия.

а – спектры для землетрясений с M = 5,0: 1 – скорректированный «стандартный») спектр для взбросо-сдвиговых землетрясений; 2 – спектр, восстановленный по макросейсмическим полям сильных землетрясений; 3 – спектр построенный по записям афтершоков Дагестанского землетрясения 14 мая 1970 года; 4 – спектр из работы [111]; красная линия – итоговая аппроксимация (принятая модель);

б – принятая модель (система) спектров для потенциально опасных землетрясений разных магнитуд (М).

Так как потенциально опасные очаги северокавказских землетрясений имеют взбросо-сдвиговый механизм подвижки (см.

раздел 2.1) принято, что скорость изменения спектра с магнитудой землетрясения в ближней зоне имеет промежуточные значения между сдвиговыми и взбросовыми землетрясениями:

M =–0,383 lgf + 0,588 (2.8) Здесь f – частота в герцах; M – среднее значение М =lg|S|/M по всему диапазону М=3,0-7,0. Внутри этого диапазона предполагается уменьшение М при росте М в виде М = M k.

Масштабирующий коэффициент k зависит от магнитуды как k = a1M + a0, где :

a1 =0,132 lgf – 0,176; a0=-0,724 lgf + 1,966 при f 1,67 Гц a1 = const = –0,146; a0= const = 1,895 при 1,67 f 3,6 Гц (2.9) a1 =0,132 lgf – 0,176; a0=–1,194 lgf + 2,469 при f 3,6 Гц

–  –  –

где n = lg|S|/D. На частотах f fс затухание n(f) = const и равно затуханию на частоте fс.

Рисунок 2.5 – Примеры сопоставления расчетных и реальных функций затухания уровней спектральной плотности Фурье ускорений колебаний грунта (|S|) с расстоянием до очага (D) для разных спектральных составляющих (f) при землетрясениях с М7,0.

«Средние» грунтовые условия. 1 – наиболее вероятные значения, рассчитанные по модели |S|(М,D,f) настоящего исследования. 2 – зарегистрированные при реальных землетрясениях (Приложение А)

–  –  –

(3) Приложения Б определены: для М = 7,0 равными 0,662 и 1,300,; для М = 6,0 – 0,535 и 1,141; М = 5,0 – 0,382 и 0,925; М = 4,0 – 0,153 и 0,640; М = 3,0 – 0,15 и 0,300. Для дробных значений М величины r0' и r0 получаются интерполяцией.

Стандартные отклонения в величинах |S| для всех M, D и f приняты lg|S| 0,30.

Выполненные оценки |S|(М,D,f) относятся к «средним» грунтовым условиям. На рисунке 2.5 приведены примеры сопоставления значений |S|(D), рассчитанных по моделям для землетрясений с М = 7,0 с массивами параметризованных спектров реальных землетрясений мира с М = 6,7-7,3 (880 спектров), свидетельствующий о достаточной надежности проведенных построений. В окончательном виде базовые оценки n(f) выражения (2.10) также как и для PGA уменьшены в высокочастотной области в среднем на 10%. [101] Модели макросейсмической интенсивности (балльности) сотрясений.

Разработаны региональные модели двух видов – традиционные функции затухания балльности I(M,R) и спектральная модель [111].

Традиционные функции затухания построены в два этапа. Сначала на основе обобщения 22 наиболее известных в международной практике зависимостей I (M,D), приведенных в [64], дополненных макросейсмическими описаниями 28 сильных землетрясений Кавказа и данными из макросейсмических каталогов [20,43,45,46,88], в численном виде определены «стандартные» или «среднемировые» наиболее вероятные значения и дисперсии балльности I при разных сочетаниях М и D при взбросо-сдвиговых землетрясениях.

На втором этапе также, как в вышеописанных моделях пиковых ускорений и спектров Фурье, в «стандартные» функции затухания балльности введены поправки учитывающие особенности местных землетрясений, а именно – увеличение в ближней зоне уровня I на 20% и уменьшения затухания балльности с расстоянием в дальней зоне на 10%. Примеры полученных региональных функции затухания традиционного типа в виде сглаженных кривых приведены на рисунке 2.6 а.

Отличительной особенностью разработанных зависимостей I (M,D) традиционного типа от линейных уравнений макросейсмического поля является уменьшающееся нарастание силы сотрясения при увеличении М и меняющийся при изменении М и D коэффициент затухания, что лучше соответствует современным представлениям о физике сильных движений грунта при землетрясениях.

а б Рисунок 2.6 – Наиболее вероятные значения макросейсмической балльности I землетрясений центрального Предкавказья на различных расстояниях: а) традиционная модель; М – магнитуда землетрясений, D – расстояние до очага; б) спектральная модель для землетрясения M = 7,0; R – эпицентральное расстояние, h – глубина; сплошные линии – вдоль простирания очага, пунктирные линии – вкрест простирания очага; эллипсом показано положение очага «Спектральная» модель основана на описанной в [105,108] тесной связи макросейсмической интенсивности сотрясений с спектром колебаний грунта.

Аналогичные построения по новой многократно расширенной базе данных (Приложение А) показывают, что значения «ответственных» частот (частот с минимальными дисперсиями величин |S| (I), а также вероятных уровней спектров на этих частотах, без расчленения землетрясений по М и D, по новой и старой версии близки. В таблице 2.3 приведены итоговые параметры модели, принятые в настоящем исследовании.

Таблица 2.3 – Характеристики спектров колебаний грунта (lg|S|) на «ответственных» частотах (fотв) при землетрясениях различной интенсивности (I).

(|S| – в см/с; I - в баллах МSК; fотв – в Гц)

–  –  –

Сходные результаты получены и по массивам значений |S| (I), дополнительно расчлененным по М. Разница состоит в том, что на частотах больших и меньших, чем «ответственные», дисперсии не дифференцированных по М оценок |S| (I) резко возрастаю, а при дифференциации по М тоже возрастают, но медленнее (пример на рисунке 2.7).

Рисунок 2.7 – Примеры наиболее вероятных значений уровней спектральной плотности Фурье ускорений колебаний грунта (|S|), рассчитанных для разных спектральных составляющих (f) при землетрясениях с разными макросейсмическими интенсивностями (I) и магнитудами (М).

–  –  –

где aj’ и j’ – средние значения и стандарт величины x=lg|S|, заданного спектра на частоте f; aj – среднее значение величины lg S, приписанное балльности I=j на частоте fj. На рисунке 2.6 б приведен пример такого расчета Вариант спектральной модели с дифференциацией по М используется для решения «обратной» задачи – восстановления спектра по макросейсмическому полю [111].

Моделирование акселерограмм колебаний грунта. Вероятные акселерограммы строились методом случайных колебаний (синтезированные акселерограммы) и методом подбора (акселерограммы реальных землетрясений, масштабированные в спектрально-временной области). Исходными данными для расчета акселерограмм являются интегральные вероятностные оценки спектров реакции, пиковых ускорений, а также длительностей и периодов ускорений колебаний грунта. Подробное описание этих методик дано в [64].

2.3. Опыт геоэкологических оценок сейсмической опасности

Оценки в условиях г. Ставрополя. Базовые северо-кавказские региональные модели сильных движений, описанные в разделе 2.2, разработаны для «средних»

грунтов. Поэтому они (в совокупности с региональными моделями сейсмичности из раздела 2.1 в рамках основной расчетной схемы из Приложений Б-Г) использованы непосредственно для оценки функций распределения вероятностей различных параметров сейсмических воздействий в «средних» сейсмогрунтовых условиях г. Ставрополя. На рисунке 2.8 приведены результаты таких оценок для макросейсмических интенсивностей (балльностей) и пиковых ускорений колебаний грунта. Аналогичные построения сделаны и для остальных параметров сейсмических воздействий – спектров Фурье (|S|(f)) и спектров реакции (SA(Т)), длительностей ( 0,5) и периодов максимальных ускорений (Ta). Все оценки выполнены как многовариантные расчеты по методологии «логического дерева».

а б Рисунок 2.8 – Функции распределения вероятностей макросейсмической интенсивности сотрясений (а) и пиковых ускорений (б) колебаний грунта в г.

Ставрополе. Время ожидания 50 лет. Синие кружки и сплошные красные линии

– разные варианты расчетов для «средних» грунтов (Приложение Е) и осреднение по ним, соответственно. Красные пунктирные линии с цифрами 1 и 2 – осреднения по разным вариантам расчетов для «улучшенных» (Приложение

З) и «ухудшенных» (Приложение Ж) грунтов, соответственно Оценки балльности сделаны по восьми альтернативным вариантам. Из них четыре варианта (соответствующие «традиционной» и «спектральной» моделям балльности) получены для модели зон ВОЗ по версии ДСР-96 с соответствующими моделями повторяемости и двумя вариантами распределений очагов по глубине и еще четыре варианта – аналогичные оценки для модели зон ВОЗ по версии ОСР-97 со своими моделями повторяемости. Функции распределения PGA (а также SA(Т)) рассчитаны в четырех альтернативных вариантах – по два соответствующих двум версиям зон ВОЗ (ДСР-96 и ОСР-97) для каждого варианта распределения очагов по глубине.

По полученным функциям распределения сделаны оценки вероятных параметров воздействий для объектов массового строительства, которые, согласно [76] следует рассчитывать на воздействия со средним периодом повторяемости t = 500 лет, для объектов повышенной ответственности (t = 1 000 лет) и особо ответственных объектов (t = 5 000 лет). Результаты расчетов представлены в таблице 2.4 и на рисунке 2.9 а.

Таблица 2.4 – Вероятные значения макросейсмических интенсивностей (I), пиковых ускорений (PGA), длительностей ( 0,5) и периодов максимальных (Ta), для разных периодов повторяемости (t) на площадках с различными грунтовыми условиями в г.

Ставрополе. I – в баллах MSK, PGA – в см/с2, 0,5 и Ta – в с

–  –  –

В качестве менее благоприятных (по сравнению со «средними») грунтовых условий выбрана площадка строительства 22-этажного жилого дома в северозападной части города. В качестве более благоприятных – площадка строительства 10-этажного жилого дома в юго-западной части города части города. Для учета влияния «реальных» грунтовых условий данных площадок в базовые модели сильных движений (раздел 2.2) введены поправочные коэффициенты (приращения балльности, спектральные характеристики, переходные коэффициенты для амплитуд ускорений и длительностей основной фазы колебаний).

Для расчета грунтовых поправок построены расчетные модели «средних» и двух типов «реальных» («ухудшенных» и «улучшенных») грунтов (см.

Приложения Е-И). «Среднегрунтовая» модель сходна с моделью из [63] с нашими уточнениями в нижней части разреза, учитывающими рекомендации новых СНиП [76] и опыт предыдущих исследований [68,69]. Для верхней 10 метровой толщи

Е) средневзвешенные значения скоростей продольных и (Приложение поперечных волн составляют: VP= 560 м/с и VS = 300 м/с, = 1,75 г/см3, что совпадает с рекомендациями предыдущих технических норм. [68]. Для 30-ти метровой толщи разреза средневзвешенные значения VP= 679 м/с, VS=356 м/с и = 1,82 г/см3, сейсмическая жесткость (VS) – 647т/м2с против VS=250-700 м/с и (VS)=655 т/м2с (350-1500 т/м2с) по [76].

«Реальные» разрезы (в отличие от обобщенных и в этом смысле несколько абстрактных грунтов) построены по данным инженерно-геологических изысканий непосредственно на площадках.

Рисунок 2.9 – Вероятные спектры реакции ускорений колебаний грунта для землетрясений с разными периодами повторяемости (t) в г.

Ставрополе: а – «средние» грунтовые условия (грунты II категории СНиП по сейсмическим свойствам); б и в – площадки с «ухудшенными» и «улучшенными» (грунтами III и I категории СНиП) грунтовыми условиями, соответственно. Сплошные линии – оценки по основной расчетной схеме (затухание 0,05), пунктир – стандартные оценки по процедурам СНиП.

В Приложении И приведены расчеты приращений балльности по МСЖ для рассматриваемых двух площадок. Приращения балльности, определенные по МИГА составляют I = +1,0 и I = -1,0 балла MSK для площадок с «ухудшенными» и «улучшенными» грунтами, соответственно [85].

Для учета изменения спектров Фурье при переходе от «средних» к «реальным» грунтам рассчитаны спектральные характеристики (()) или частотно-зависимые отношения между спектрами для «реальных» грунтов и спектрами для «средних» грунтов. Расчеты выполнены разными способами.

Поверхностный и погребенный рельеф исследуемых участков спокойный, поэтому применен метод моделирования для тонкослоистых сред (МТС) с поглощением [65]. Искомые значения () рассчитаны как отношение двух спектральных характеристик, из которых одна описывает изменение колебаний при переходе от «скального» основания к «реальным» грунтам, а другая – при переходе от «скального» основания к «средним» грунтам. Спектральные характеристики для каждого из рассматриваемых вариантов разрезов рассчитаны как огибающие по множеству всех значений (), полученных для разных углов подхода волн и для горизонтальных и вертикальных составляющих.

Водонасыщение грунтов дополнительно (помимо описанного выше учета скоростных и других характеристик) учитывается введением повышающих коэффициентов снижающихся от ~2,5 (для = 0,28 Гц) до ~0,85 (для = 22 Гц) [62,86,105,119]. Результаты расчетов МТС приведены в Приложении К как Вариант 1. Здесь же показаны и другие варианты выполненных оценок. Вариант 2

– наши расчеты с использованием соотношения стандартных кривых динамичности (выражения (1.5)-(1.7)) в сочетании со средним (между рекомендуемым действующими СНиП [85] значением (lgPGA) / I = 0,30 и рекомендуемым новой редакцией СНиП [44] значением (lgPGA) / I = 0,146)) значением (lgPGA) / I = 0,22, где величина I определена по МИГА. Вариант 3

– оценки, основанные на соотношениях между |S|(f) и I из [110], дополненных пересчетами соотношений SA(T) и I из [117]. I определена по МИГА. Вариант 4

– наши оценки по соотношениям, рекомендуемым в работе [142] для землетрясений Запада США.

Расчет переходных коэффициентов ( PGA) также выполнен несколькими способами с последующим осреднением. (Приложение Л). Вариант 1 – оценки сделаны исходя из предположения, что величины PGA в среднем изменяются пропорционально уровню спектральной характеристики соответствующего сейсмогрунтового разреза (Приложения Ж-З) на частотах, соответствующих Та (М). Вариант 2 – оценки выполнены с использованием величин I определенных МСЖ (Приложение И) и соотношения lg PGA / I =0,22 (см. Вариант 2 для определения ()). Вариант 3 – оценки, сходные с Вариантом 2, но с использованием I, определенных МИГА. Вариант 4 – определения, сделанные на основе рекомендаций из [119].

Длительности 0,5 для «ухудшенных» грунтов в соответствие с [6,105] по сравнению со «средними» увеличены ~ в 1,4 раза, для «улучшенных» уменьшены ~ в 1,2 раза. Значения Тa с учетом () (см. Приложение К), соответственно, увеличены и уменьшены по сравнению со «средними» грунтами ~ на 10%.

а

–  –  –

Рисунок 2.10 – Вероятные сейсмические воздействия на площадке с «ухудшенными» грунтовыми условиями в г.

Ставрополе при землетрясениях с периодом повторяемости t = 1 000 лет.

а – спектры реакции ускорений (горизонтальные компоненты записи, затухание 0,05): 1 – прогнозный спектр; 2 – спектры отдельных реализаций (акселерограмм) ансамбля; 3 – средний спектр по ансамблю; б – горизонтальная компонента одной из акселерограмм ансамбля (масштабированная в амплитудно-частотной области запись реального землетрясения Italy, M = 5,8, VII – VIII MSK) Дисперсии всех рассматриваемых параметров сейсмических воздействий для «реальных» грунтов приняты такими же как и для «средних».

Окончательные функции распределения, рассчитанные с учетом влияния грунтовых условий приведены в таблице 2.4 и на рисунках 2.8 и 2.9.

На рисунке 2.9 для сравнения показаны также спектры реакции рассчитанные для рассмотренных площадок по стандартным процедурам СНиП (см. выражения (1.7)-(1.9)). Выявленные региональные и локальные особенности спектрального состава учтены при задании акселерограмм, на которые, согласно СНиП следует рассчитывать проектируемое 22-этажное здание (площадка с «ухудшенными» грунтовыми условиями). В соответствие с рекомендациями [109], разработан ансамбль из 10 трехкомпонентных акселерограмм (из которых 5 реальных и 5 синтезированных), который по важным для данного здания периодам колебаний «настроен», прежде всего, на прогнозируемые для землетрясений с t = 1 000 лет значения SA (T). Кроме этого акселерограммы подобраны так, чтобы средние по ансамблю значения PGA (равные 185 см/с2), 0,5 (равные 3,43 с) и Ta (равные 0,25 с), были близки к их прогнозным значениям (таблица 2.4). Примеры этих построений показаны на рисунке 2.10.

Оценки в условиях г. Краснодара Исследования на территории г. Краснодара выполнены по той же методологической схеме, что и в г. Ставрополе. Характеристики геосейсмической модели «средних» грунтов приняты такими же, как и для района г. Ставрополя (см. Приложение Е). Расчетные параметры геосейсмической модели «реальных»

грунтов определены по материалам изысканий на площадке строительства многоэтажного жилого дома в восточной части г. Краснодара и приведены в Приложении М. «Реальные» грунты обладают «ухудшенными» (по сравнению с «средними» грунтами) сейсмическими свойствами - III категория СНиП. Оценки поправочных коэффициентов «за грунты» к региональным моделям сильных движений ( I, () и PGA) приведены в Приложениях Н-П. Все оценки в Приложениях Н-П выполнены с использованием тех же альтернативных вариантов расчетов, что и для г. Ставрополя (см. раздел 2.1). Приращение балльности по МИГА составляет +1,0 балла MSK.

Дисперсии всех рассматриваемых параметров сейсмических воздействий для «реальных» грунтов приняты такими же как и для «средних» (см. раздел 2.2).

Графики итоговых интегральных функций распределения макросейсмических интенсивностей (I) и пиковых ускорений (PGA) разных типов грунтов приведены на рисунке 2.11.

а б Рисунок 2.11 – Функции распределения вероятностей I (а) и PGA (б) в г.

Краснодаре. Время ожидания 50 лет. Синие кружки и сплошные красные линии

– разные варианты расчетов для «средних» грунтов (Приложение Е) и осреднение по ним, соответственно. Красные пунктирные линии – осреднения по разным вариантам расчетов для «реальных» (Приложение М) грунтов.

Значения I и PGA, определенные по этим функциям распределения для нормативных периодов повторяемости приведены в таблице 2.5. Здесь же приведены соответствующие оценки других единичных параметров колебаний.

Таблица 2.5 – Вероятные значенияI, PGA, 0,5 и Ta для разных t на площадках с различными грунтовыми условиями в г.

Краснодаре. I – в баллах MSK, PGA – в см/с2, 0,5 и Ta – в с

–  –  –

На рисунке 2.12 показаны вероятные спектры реакции, построенные нами по основной расчетной схеме для некоторых типов грунтовых условий г.

Краснодара. Здесь же для сравнения приведены оценки SA(T), вытекающие для этих условий из стандартных процедур СНиП (см. раздел 1.2).

Рисунок 2.12 – Вероятные спектры реакции ускорений колебаний грунта для землетрясений с разными периодами повторяемости (t) в г.

Краснодаре: а – «средние» грунты (II категория СНиП по сейсмическим свойствам); б – «реальные» грунты (III категории СНиП). Сплошные линии – оценки по основной расчетной схеме (затухание 0,05), пунктир – стандартные оценки по процедурам СНиП.

Оценки в условиях г. Пятигорска Подробный анализ и обобщение инженерно-сейсмогеологических условий изучаемого региона выполнены трестом «СтавропольТИСИЗ» при СМР территорий городов Кавминводской группы Параметры [25,53].

«среднегрунтового» разреза (Приложение Е) нами выбраны на основе этих материалов и результатов инженерно-сейсмогеологических обследований отдельных площадок на территориях городов Пятигорска, Кисловодска, проведенных ранее [53,63]. Модели «реальных» грунтов в обобщенном виде описывающие инженерно-сейсмогеологические условия в зонах, в которых согласно карте СМР г. Пятигорска приращения балльности составляют I = +1,0 балл MSK и I = -1,0 балл MSK, приведены в Приложениях С и Т, соответственно.

Оценки приращения балльности для этих двух типов «реальных» грунтов по МСЖ приведены в Приложении У. Оценки по МИГА для «ухудшенных» (III категория СНиП по сейсмическим свойствам) и «улучшенных» (I категория СНиП) грунтовых условий приняты равными +1,0 и 1,0 баллов MSK, соответственно. Альтернативные и принятые итоговые оценки спектральных характеристик и переходных амплитудных коэффициентов для этих двух типов грунтов приведены в Приложениях Ф и Х. Все альтернативные варианты расчетов соответствуют аналогичным оценкам, сделанным для г. Ставрополя.

а б Рисунок 2.13 – Функции распределения вероятностей I (а) и PGA (б) в г.

Пятигорске. Время ожидания 50 лет. Синие кружки и сплошные красные линии

– разные варианты расчетов для «средних» грунтов (Приложение Р) и осреднение по ним, соответственно. Красные пунктирные линии с цифрами 1 и 2 – осреднения по разным вариантам расчетов для «улучшенных» (Приложение

Т) и «ухудшенных» (Приложение С) грунтов, соответственно Таблица 2.6 – Вероятные значения I,PGA), 0,5 и Ta, для разных t на площадках с различными грунтовыми условиями в г. Пятигорске. I – в баллах MSK, PGA – в см/с2, 0,5 и Ta – в с

–  –  –

Результаты интегральных вероятностных оценок I и PGA, выполненные по основной расчетной схеме с учетом поправок «за грунты» показаны на рисунке

2.13. В таблице 2.6. приведены значения I и PGA, рассчитанные по этим функциям распределения для «нормативных» периодов повторяемости. а также аналогичные оценки для о 0,5 и Ta.

Аналогичные (многовариантные с последующим осреднением) построения выполнены для вероятностной оценки спектров реакции ускорений колебаний рассматриваемых типов грунтов г. Пятигорска. На рисунке 2.14 показаны итоговые значения спектральных ускорений, рассчитанные для разных средних периодов повторяемости, а также для сравнения «стандартные» спектры реакции, полученные для данных сейсмогеологических условий по процедурам СНиП.

Рисунок 2.14 – Вероятные спектры реакции ускорений колебаний грунта для землетрясений с разными периодами повторяемости (t) в г.

Пятигорске: а – «средние» грунты (II категория СНиП по сейсмическим свойствам); б и в – площадки с «ухудшенными» и «улучшенными» грунтами (III и I категории СНиП), соответственно. Сплошные линии – оценки по основной расчетной схеме (затухание 0,05), пунктир – стандартные оценки по процедурам СНиП.

Оценки в районе ст. Кавказская

Исследования проведены в рамках разработки схемы СМР участка проектируемого НПЗ, расположенного северо-восточнее станицы Кавказская Краснодарского края [82]. Так как на участке проектируются объекты трех типов

– массового строительства, повышенной ответственности и особо ответственные, оценки сделаны для сейсмических воздействий с периодами повторяемости t = 500, 1 000 и 5 000 лет. Кроме того в соответствие с нормативными требованиями все оценки даны в двух видах – по текущему состоянию (естественно-природные условия) и с учетом прогнозируемых изменений инженерно-геологической среды в течение 20 лет [68,85].

Расчетная модель «средних» сейсмогрунтовых условий (Приложение Е) принята на основе анализа материалов инженерных изысканий, «Карты инженерно-геологических условий Краснодарского края» и результатов изучения инженерно-сейсмологических условий свыше 60 площадок, расположенных на примыкающих к изучаемому району с востока территориях и находящихся в сходных геологических условиях [82].

Проведенные на участке изыскания показывают, что геоморфология и литологический состав грунтовых слоев на изучаемой площади (~200 Га) меняются слабо. Основные параметры расчетной модели (скорости сейсмических волн, мощности слоев, УПВ и др.) определялись в 33 расчетных точках.

Результаты (см. рисунок 2.15) свидетельствуют, что эти параметры также мало меняются от места к месту. Поэтому «реальные» грунтовые условия для всего рассматриваемого участка рассмотрены в рамках единой модели с осредненными по всем 33 расчетным точкам параметрами (Приложение Х). Расчетное изменение инженерно-геологических условий – повышение УПВ с 4,7 м (текущее состояние) до 0,7 м (прогнозное состояние).

Рисунок 2.15 – Изменение по латерали основных характеристик грунтовых разрезов на участке проектируемого НПЗ в районе ст.

Кавказская. Цифры около кривых – номера слоев в модели из Приложения Х; цифры по осям абцис – номера профилей [82]; а и б – мощности слоев и УПВ, синие линии в направлении север-юг, красные линии – в направлении восток-запад; в – скорости продольных (красные линии) и поперечных (синие линии) сейсмических волн.

–  –  –

Рисунок 2.16 – Функции распределения вероятностей макросейсмической интенсивности сотрясений (а) и пиковых ускорений (б) колебаний грунта на участке проектируемого НПЗ в районе ст.

Кавказская. Время ожидания 50 лет.

Синие кружки и сплошные красные линии – разные варианты расчетов для «средних» грунтов (Приложение Е) и осреднение по ним, соответственно.

Красные пунктирные линии с цифрами 1 и 2 – осреднения по разным вариантам расчетов для «реальных» грунтов (Приложение Ф) по текущему и прогнозному состоянию, соответственно.

Итоговые интегральные функции распределения вероятностей I и PGA, полученные для различных грунтовых условий на участке проектируемого НПЗ (альтернативные оценки и осреднения по ним) приведены на рисунке 2.15.

Величины I и PGA, рассчитанные по этим функциям даны в таблице 2.7. В этой же таблице даны оценки параметров колебаний 0,5 и Ta.

На рисунке 2.16 показаны вероятные спектры реакции ускорений колебаний «реальных» грунтов, рассчитанные по основной расчетной схеме для землетрясений с разными периодами повторяемости. На этом же рисунке для сравнения даны оценки спектров реакции, выполненные по стандартным процедурам СНиП (см. выражения (1.7)-(1.9)).

Таблица 2.7 – Вероятные значения I, PGA, 0,5 и Ta, для разных t.

Участок проектируемого НПЗ в районе ст. Кавказская. I – в баллах MSK, PGA – в см/с2, 0,5 и Ta – в с

–  –  –

Рисунок 2.16 – Вероятные спектры реакции ускорений колебаний грунта для землетрясений с разными t.

Участок проектируемого НПЗ в районе ст.

Кавказская: а – «средние» грунты; б и в – «реальные» грунты (текущее состояние и прогноз, соответственно). Сплошные линии – оценки по основной расчетной схеме (затухание 0,05), пунктир – стандартные оценки по процедурам СНиП.

Для проектируемых на исследуемом участке ответственных объектов на основе полученных оценок SA(T), а также PGA и 0,5 (таблица 2.7) разработаны четыре ансамбля (по 10 реализаций каждый) трехкомпонентных акселерограмм для моделирования сейсмических воздействий с t = 1 000 лет и t = 5 000 лет в текущих и прогнозируемых инженерно-сейсмогеологических условиях. Также как в рассмотренном выше случае г. Ставрополя ансамбли акселерограмм построены таким образом, чтобы средние по каждому ансамблю величины SA (T), а также PGA, 0,5 и Ta были близки их прогнозным значениям (таблица 2.7 и рисунок

–  –  –

Рисунок 2.17 – Примеры рекомендуемых синтезированных трехкомпонентных акселерограмм землетрясений с t = 5 000 лет.

Участок проектируемого НПЗ в районе ст. Кавказская. «Реальные» грунтовые условия. а – для текущего состояния; б – для прогнозного состояния.

–  –  –

Разработанный комплекс новых и усовершенствованных 1.

(адаптированных к условиям центрального Предкавказья) моделей сейсмичности и сильных движений грунта (учитывающих региональные и локальные особенностей пространственно-временного распределения очагов землетрясений, их механизмов, размеров и ориентации, характера очагового излучения и его изменения при распространении на глубине и в грунтовых слоях, а также расширяющих перечень прогнозируемых параметров сейсмических воздействий макросейсмических интенсивностей, амплитуд, периодов, длительностей, спектров и временных функций колебаний грунта) позволяет повысить точность и детальность количественных вероятностных оценок сейсмической опасности для инженерных и других целей.

2. В условиях дефицита инструментальных данных по регистрации сильных движений особое значения для проводимых детальных исследований имеет региональная модель спектров землетрясений центрального Предкавказья, впервые разработанная с использованием альтернативного источника фактических данных (макросейсмических описаний сильных землетрясений данного региона) при помощи нового метода восстановления спектров землетрясений по их макросейсмическим полям.

3. На основе комплекса разработанных моделей сейсмичности и сильных движений получены новые и уточнены имеющиеся оценки вероятных сейсмических воздействий в условиях конкретных площадок строительства.

Дополнительное повышение качества вероятностных оценок сейсмической опасности применительно к условиям настоящего исследования достигается путем прямого включения в вероятностный анализ альтернативных моделей сейсмичности и сильных движений, альтернативных оценок их параметров, а также результатов других исследований.

ГЛАВА 3. ОЦЕНКИ ОПАСНОСТИ СЕЙСМОГЕННОГО РАЗЖИЖЕНИЯ

ГРУНТА

Инженерно-геологические исследования, проведенные на территории центрального Предкавказья (см. главы 1, 2) во многих случаях выявили в грунтовых разрезах изучаемых площадок наличие водонасыщенных песчаных и супесчаных грунтов, обладающих «склонностью» к разжижению (liquefaction) при интенсивных сейсмических воздействиях. При сильных землетрясениях в этих грунтах могут происходить процессы, сопровождающиеся потерей их несущей способности и связанными с этим различными деформациями фундаментов что, в свою очередь, может вызвать дополнительные нагрузки в различных элементах проектируемых зданий и сооружений или даже привести к их опрокидыванию.

Геоэкологическая опасность этих «вторичных» воздействий землетрясений может быть сопоставима или даже превосходить опасность «первичных»

(колебательных) сейсмических движений. Поэтому оценка вероятности возникновения этих явлений, а также определение мощности потенциально разжижаемой толщи в данных условиях представляется необходимым элементом общей геоэкологической оценки сейсмической опасности [102,110,115].

3.1. Общие положения и методология исследований

Согласно общим положениям механики грунтов [38,97], грунт представляет собой двух- или трехфазную субстанцию, в общем случае состоящую из отдельных твердых частиц, пустоты между которыми заполнены воздухом и (или) водой. Напряженное состояние этой субстанции может быть полностью описано, если заданы напряжения, соответствующие каждой фазе.

Механические свойства грунта, определяющие его способность к разжижению под воздействием динамических (в частности, сейсмических) нагрузок, зависят от начального состояния, т.е. от общих инженерно-геологических условий и физикомеханических свойств грунта (коэффициента пористости, степени влажности, структуры, напряженного состояния) в той же мере, как и от характера прилагаемого напряжения, т.е. от особенностей самих сейсмических воздействий (траектории напряжения, скорости нагружения, условий дренажа). Большое разнообразие и многочисленность различных комбинаций характеристик сейсмических возмущений, грунтовых условий, рельефа поверхности и типа сооружений обусловливают сложность количественного прогнозирования явлений сейсмогенного разжижения грунта с учетом всех перечисленных природных факторов.

Если рассматривать только водонасыщенные грунты, то при анализе общего или тотального напряжения необходимо учитывать отдельно напряженное состояние скелета грунта (эффективное напряжение) и воды (поровое давление);

так как только в грубозернистых несвязных сухих грунтах общее напряжение равно эффективному напряжению.

Учет всего множества факторов, от которых зависит процесс разжижения, с достаточным для практических нужд приближением может быть обеспечен при использовании только трех независимых параметров: скорости деформации, траектории напряжения и величины эффективного напряжения, причем последний параметр является ведущим [97]. На этом основан так называемый принцип эффективного напряжения. В соответствии с этим принципом всякое свойство грунта может быть определено и выражено через эффективное напряжение. На этом положении, в частности, базируется лежащая в основе современных подходов к определению опасности разжижения грунтов концепция «критических состояний», согласно которой разжижение грунта наступает после превышения напряжением некоторого (присущего данному грунту) критического или порогового уровня. Практическая реализация этой концепции зависит от возможности прогнозирования порового давления в реальных природных условиях [97].

Таким образом сейсмогенное разжижение водонасыщенных грунтов происходит из-за увеличения в них (выше некоторых критических значений)

–  –  –

В начальной же стадии, при прохождении собственно серии динамических импульсов, а именно поперечных сейсмических волн, в грунте появляются тангенциальные напряжения сдвига при одновременном росте порового давления, которое в принципе становится тем больше, чем более продолжительным становится цикл колебаний.

В зависимости от пористости, коэффициента фильтрации, мощности песчаного слоя и длительности воздействия возможны два основных варианта поведения грунта:

1. В плотном песчаном грунте с большим коэффициентом фильтрации сразу после окончания действия серии колебаний поровое давление начинает падать и активного развития процесса переупаковки частиц грунта не происходит. Какихлибо значительных объемных деформаций не возникает. В работе [144] предлагается в подобном случае использовать термин «разжижение с ограниченной деформацией».

2. В рыхлом песчаном грунте после серии колебаний начнется процесс переупаковки частиц грунта при замедленной скорости падения порового давления, с развитием динамических напоров, что описано выше.

Теория и практика изучения данной проблемы указывают на то, что в условиях интенсивных сейсмических воздействий наиболее опасными являются водонасыщенные мелкие пески современных отложений (не обладающих цементацией), с маленьким коэффициентами фильтрации и залегающие в толщах большой мощности [38,144].

Вместе с тем следует учитывать, что с уменьшением размера песчаных частиц и увеличением процента глинистой фракции в грунтах появляется сцепление, препятствующее развитию разжижения. Это свойство отчетливо проявляется, в частности, у так называемых, «алевритистых песков» (пылеватые пески и супеси по ГОСТ 25199-95, на что указывают ряд авторов [141,144].

Обобщая вышеизложенное можно сказать, что возникновение такого природного явления как сейсмогенное разжижение водонасыщенных песчаных грунтов определяется совместным действием двух факторов: а) физикомеханическими и инженерно-геологическими свойствами самих грунтовых массивов (и условиями их залегания), обуславливающими пониженную сопротивляемость или «склонность» этих грунтов к разжижению при интенсивных сейсмических воздействиях и б) наличием в данном месте таких сейсмических воздействий, которые способны инициировать процессы разжижения в грунтах данного типа с заданным потенциалом разжижения.

Первый фактор определяет критический уровень циклических сейсмических нагрузок, характеризующий способность грунтов сопротивляться разжижению.

Второй фактор определяется сейсмической активностью данной территории т. е.

силой происходящих здесь землетрясений и частотой их возникновения.

Анализ критических состояний грунтов с учетом совместного действия этих двух природных факторов как правило и составляет основное содержание таких исследований.

Опыт проведения подобных работ (в том числе и наших исследований территорий центрального Предкавказья) показывает, что вклад или удельный вес каждого из вышеуказанных двух факторов в каждом конкретном месте может быть различным и определяется региональными и локальными сейсмогеологическими условиями данной площадки. Так, например, даже очень слабые грунты с весьма низкой степенью сопротивления разжижению, но находящиеся в относительно спокойном в сейсмическом отношении месте могут не иметь большой вероятности разжижения в проектный промежуток времени. И, наоборот, грунты с относительно высокими прочностными характеристиками, которые в меньшей степени «склонны» к разжижению, но находятся в местах с высокой сейсмической активностью, могут иметь достаточно высокую вероятность разжижения, что должно учитываться при планировании, проектировании и других видах деятельности.

Таким образом, задачу прогнозирования и оценки опасности разжижения грунтов в результате воздействия сильных землетрясений можно рассматривать как задачу изучения и определения двух основных видов характеристик рассматриваемых площадок:

1. Определение физико-механических и иных параметров грунтового массива и оценка на этой основе степени устойчивости данных грунтов к разжижению в условиях сейсмических воздействий.

2. Определение параметров сейсмических воздействий, которые можно ожидать в данном месте в заданный промежуток времени.

В международной инженерно-сейсмологической практике [134,136,139,141,143] применяются две основных группы методов определения опасности разжижения грунтов под воздействием сильных землетрясений, которые можно определить как детерминистские и вероятностные.

Детерминистские методы позволяют определять возможность (или невозможность) возникновения в данном месте сейсмогенного разжижения грунта без количественной оценки меры этой возможности (невозможности) в рассматриваемый (проектный) промежуток времени.

Вероятностные методы дают оценку возможности сейсмогенного разжижения грунта с определением меры этой возможности, т.е. с определением вероятности наступления этого события в проектный промежуток времени.

Для прогнозирования возможности сейсмогенного разжижения грунта в общем случае необходимо знание характеристик сейсмических воздействий, которым подвергнется в будущем данный участок и свойств разреза, «отвечающих» за устойчивость данного грунтового массива к разжижению при данном виде сейсмических воздействий. И те и другие параметры (и сейсмологические и геотехнические) строго говоря, на современном уровне знаний могут определяться лишь с некоторой долей неопределенности. Поэтому вероятностное описание процесса сейсмогенного разжижения грунта, на сегодняшний день объективно является более адекватным и, следовательно, более предпочтительным.

Исторически же первыми появились и стали совершенствоваться детерминистские методы оценки опасности сейсмогенного разжижения, что в значительной степени определялось существовавшими тогда детерминистскими способами оценки сейсмической опасности. К настоящему времени детерминистские методы исследования разжижаемости грунтов имеют более развитую научно-методическую базу, главным образом, за счет детальной проработки и дифференцированного учета таких инженерно-геологических факторов, как показатели напряженного состояния, литология отложений, гранулометрический состав, глубина залегания и др. Это позволяет более надежно определять реальное геотехническое состояние грунтового массива и в этом смысле повышает точность прогнозов (подробнее см. [136]). Указанные преимущества, определяют более широкое распространение детерминистских методов на современном этапе.

Вероятностные же методы в силу своей относительной молодости пока находятся в стадии становления. Зачастую они представлены смешанными или переходными формами, адаптирующими вероятностные оценки возможных сейсмических воздействий к детерминистским по сути определениям такого, например, важного критерия разжижения, как критическое ускорение acr (см.

[134,136]). К разряду таких адаптаций относятся, например, дезинтеграция кумулятивных оценок вероятных сейсмических воздействий (определение воздействий при «медианных» землетрясениях и др.), которые, в значительной мере снижают эффективность самого вероятностного подхода.

Так как вероятностные оценки «идеологически» более верные, они являются основными в нашем исследовании. Модели, разработанные для производства этих оценок описаны ниже. В качестве дополнительных выполнены также и детерминистские оценки.

3.2.Детерминистские и вероятностные модели сейсмогенного разжижения грунта Детерминистские модели. Исходя из имеющихся на сегодняшний день геотехнических и инженерно-сейсмологических данных для детерминистских оценок опасности сейсмогенного разжижения грунтов в условиях изучаемого района применена методика, основанная на полевых испытаниях грунтов методом

–  –  –

где: amax - максимальное ускорение на поверхности грунта (в м/сек2); cy – циклическое сдвиговое напряжение; - общее (тотальное) напряжение в рассматриваемом слое песка; - первоначальное эффективное напряжение в рассматриваемом слое песка; g - ускорение свободного падения (9,8 м/сек2).

Для приведения стохастической формы реальных сейсмических колебаний к упорядоченному виду цуга колебаний с приблизительно одинаковой амплитудой и частотой, моделирующего циклический характер передающихся грунту напряжений, в выражение (3.6) вводится эмпирически определенный коэффициент равный 0,65. Физический смысл введения этого коэффициента состоит в приведении реального пикового горизонтального ускорения (PHA) к некоторому абстрактному максимальному ускорению, равномерно распределенному на цуге колебаний с количеством однородных циклов нагружения при той или иной амплитуде, требующихся для генерировании порового давления, превышающего эффективное напряжение, т.е для возникновения в водонасыщенном песке процесса разжижения.

–  –  –

В выражении (3.7) условные обозначения такие же, как и в выражении (3.6).

Так как сопротивление разжижению увеличивается с уменьшением размера частиц ниже среднего размера (D50), составляющего около 0,25мм (см.[141]), то при определении величины CSR, учитывалась поправка «за величину зерен» или «за гранулометрический состав»:

CSR= / = -0,146 lg (D50/0,35) (3.8) Выражение (3.8) справедливо для D500,25мм.

Таким образом, согласно применяемой в настоящем исследовании модели, для определения уровня критических сейсмических воздействий (критических «эффективных» ускорений), необходимых для инициирования процесса разжижения, нужно оценить пороговые или критические значения коэффициента циклического напряжения CSRcr (или по более поздней терминологии CRR - cyclic resistance ratio), характеризующие данный вид грунтового массива.

Оценки CSRcr, (или CRR) произведены с помощью результатов полевых измерений лобового сопротивления проникновению конуса (результатов статического зондирования или СРТ).

–  –  –

где YS – плотность грунта (г/см3) и:

= + (H H) (3.17) На суше член (H H) в выражениях (3.10) и (3.12) не учитывается.

Расчет величины CSRcr или CRR для землетрясений с магнитудами М 7,5 произведен в двух вариантах.

Первый вариант – оценки по критериям Х.Б. Сида (предельным):

СRR (или CSRcr )7,5 = N1(60)/96,75 (3.18)

Второй вариант – по критериям В.Д.Финна (усредненным):

СRR (или CSRcr )7,5 = N1(60)/(12,9М – 15,7) (3.19) Для пересчета СRR (или CSRcr )7,5 для других потенциально опасных магнитуд землетрясений использованы коэффициенты МSF, рекомендованные в [121]: для М=5,5 - МSF=2,50; для М=6,0 - МSF=2,00; для М=6,5 - МSF=1,60; для М=7,0 - МSF=1,25; для М=7,5 - МSF=1,00.

Приращение СRR или СSRcr в зависимости от D50 (учет влияния сцепления в супесчаных грунтах) рассчитано по формуле (3.8).

Оценки критических ускорений колебаний грунта (acr или, что то же самое, РНАcr) выполнены с использованием выражения (3.7).

Согласно принятой модели разжижение грунта наступает во всех случаях, когда наиболее вероятные значения пиковых горизонтальных ускорений (РНА) при «модальных» землетрясениях (см. [136] с заданными магнитудами и расстояниями до очага, в пределах исследуемой площадки и на заданной глубине превышают величины acr или РНАcr, определенные для данной площадки и глубины.

Вероятностные модели. Общий подход к построению итоговой оценки и производство вычислений осуществлено по той же вероятностной схеме, что и прогнозирование колебательных характеристик, т.е. с использованием выражений (1)-(2) из Приложения Б и выражений (1)-(6) из Приложения В. Условная вероятность здесь определяется функцией распределения параметра сейсмического воздействия, количественно характеризующего способность данного грунта к разжижению при возникновении очага сильного землетрясения с заданными характеристиками М, D, Н и др. Безусловная вероятность определяется функцией распределения вероятностей возникновения такого очага в заданный промежуток времени. Итоговая оценка есть суперпозиция вероятных сейсмических воздействий от всех потенциально опасных для данного места очагов землетрясений с учетом их повторяемости во времени.

Для расчетов использованы модели региональной сейсмичности (зон ВОЗ, повторяемости землетрясений во времени и др.), описанные выше.

В качестве «традиционной» модели для описания параметров сильных движений, количественно характеризующих уровни воздействий, способные вызвать в грунтах сейсмогенное разжижение, использовано предложенное японскими исследователями произведение максимального [115,131] горизонтального ускорения (PHA) и длительности основной фазы ( 0,5)

–  –  –

при соответствующих М и D. С учетом рекомендованных в [63,64] соотношений между PHA и PGA принято, что SPL (М,D) = 0,85PHA (М,D) 0,5 (М,D) = PGA (М,D) 0,5 (М,D) при одинаковых М и D. Функции затухания PGA (М,D) и 0,5 (М,D) использованы такие же, как и для «средних» грунтов, но с поправкой на «реальные» грунтовые условия изучаемых площадок. На рисунке 3.1 приведены примеры разработанных функций затухания сейсмического потенциала разжижения Стандартные отклонения случайной величины SPL (М,D).

lgSPL (М,D) во всех случаях приняты равными 0,25.

–  –  –

Рисунок 3.1 – Наиболее вероятные значения сейсмического потенциала разжижения lgSPL (1), спектральной плотности ускорений Фурье lg|S| (2) и разности между ними lg(SPL / |S|) (3) в г.

Ставрополе при землетрясениях разных магнитуд (М) и удаленностей от очага (D).

Помимо «традиционной» модели использован также еще один вариант модели SPL. На рисунке 3.1 сопоставлены рассчитанные в одних и тех же точках величины SPL (М,D) и уровни спектральной плотности Фурье на частотах, соответствующих периодам максимальных ускорений (|S|) (М,D,Тa) (см. Главу 2).

Изменение величины Тa с расстоянием в данном случае не учитывается, так как ее изменение (возрастание) с расстоянием происходит относительно медленно - ~ в 4 раза медленнее, чем, например, возрастание 0,5. Неучет изменения с расстоянием Тa может приводить к некоторому занижению расчетных значений |S|(M,D).

Однако это занижение незначительно (~ 5%) и в данном случае им можно пренебречь. Как видно из рисунка 3.1 сопоставляемые графики по форме почти повторяют друг друга со сдвигом на некоторую, мало меняющуюся при изменении магнитуды землетрясения и расстояния величину. Среднее (наиболее вероятное) значение этого сдвига или величины lg(SPL / |S|) по всем М и D и расстояниям равно 1,44, стандартное отклонение этой величины равно 0,05. Эти данные показывают, что для определения SPL могут быть использованы также и уровни спектральной плотности Фурье ускорений колебаний грунта, рассчитанные в соответствии с моделями, разработанными для этих участков.

Погрешность оценок при этом (по отношению к определениям SPL через величину PGA 0,5) не превышает 3 – 5%. Описанная модель спектров ускорений Фурье с учетом поправочного коэффициента lg|S| = 1,44 в отличие «традиционной» модели называются «спектральной» моделью SPL.

С глубиной за счет уменьшения частотно-зависимого коэффициента конверсии (Ккон) величина SPL снижается. Этот эффект учитывается также как в [109] – с ростом глубины до 25 м величина SPL (за счет уменьшения Ккон) экспоненциально снижается до 0,5 от поверхностных значений.

Эффективность разработанных моделей зависит от правильности выбора критерия разжижаемости – порогового или критического уровня SPLcr. В работах [114,115] для оценки SPLcr (или Q в обозначениях авторов) рекомендуется значение Qcr = PHA 0,5 = 1 300 см/c. Тогда, с учетом того, что PGA 0,85PHA в качестве одной из оценок можно принять SPLcr 1 100 см/c.

Рисунок 3.2 – Сопоставление предельных расстояний (R), на которых может происходить сейсмогенное разжижение водонасыщенных рыхлых грунтов при землетрясениях разных магнитуд (M): 1 – Запад США, Центральная Америка [148]; 2 – Япония [133]; 3 – модель SPLcr (М,D) настоящего исследования.

Рисунок 3.2 иллюстрирует удовлетворительное соответствие расстояний, на которых, в соответствии с нашими моделями SPL (М,D) (рисунок 3.

1), величина SPL SPLcr 1 100 см/c и максимальных расстояний, на которых наблюдалось реальное разжижение при землетрясениях в других сейсмоактивных районах мира.

В таблице 3.1 приведены результаты еще одного вида сопоставлений реальных данных о сейсмогенных разжижениях грунта и расчетов по нашим моделям. В этой таблице приведены значения SPL (М,D), рассчитанные по нашим моделям для расстояний, определяемых по кривым 1 и 2 на рисунке 3.2. Среднее значение SPLcr по данным таблицы 3.1 составляет 1 122 см/c, что практически совпадает с полученной выше оценкой SPLcr 1 100 см/c. Сходные результаты получены ранее по аналогичным моделям, разработанным для районов пролива Невельского, г. Сочи и г. Новороссийска [110].

В условиях неполноты исходных данных в целях снижения риска недооценки опасности сейсмогенного разжижения принято, что SPLcr 1 100 см/c

– либеральная (оптимистичная) оценка, характеризующаяся относительно высоким значением порогового уровня SPLcr (или Qcr). Эта оценка не учитывает также воздействие вертикальных составляющих сильных движений, которое может снизить пороговый уровень SPLcr [115]. Поэтому, в качестве более осторожной (консервативной) оценки в соответствие с рекомендациями [110] принято значение SPLcr = 1 300 см/c 0,65 850 см/c. Коэффициент 0,65 принят в предположении, что снижение порогового ускорения разжижения может быть пропорционально соотношению величины эффективного ускорения (aeff), которое составляет в среднем aeff 0,75PGA и, соответственно aeff 0,64PHA (см. [63,64]).

Полученный таким образом коэффициент понижения критического ускорения (или перехода от оценок PHA к оценкам aeff) примерно равный 0,64, очень близок к коэффициенту (равному 0,65), используемому в детерминистских методиках (см.выше) при «гармонизации», т.е. при приведении в регулярный или «детерминированный» вид реальных «стохастических» акселерограмм колебаний грунта для расчета коэффициента циклического напряжения (CSR.) Такое совпадение может быть связано с тем, что процедуры «гармонизации» реальных»

акселерограмм и перехода от пиковых к эффективным ускорениям имеют одинаковый физический смысл – усреднение величин колебательных ускорений и, соответственно, циклических напряжений на временном отрезке, на котором выделяется основная часть сейсмической энергии.

Таблица 3.1 – Наиболее вероятные значения SPL, рассчитанные для грунтов в г.

Ставрополе на расстояниях (R), вытекающих из зависимостей 1 и 2 на рисунке 3.1.

–  –  –

Описанные выше оценки SPLcr = 1100 см/c (либеральная) и SPLcr = 850 см/c (консервативная) характеризуют в среднем весь класс грунтов, обладающих пониженной сопротивляемостью разжижению без дифференциации внутри этого класса по степени их «склонности» к такому разжижению. В то же время внутри этого класса грунты не одинаковы по степени сопротивляемости сейсмогенному разжижению.

Поэтому для более точных прогнозов весь класс потенциально разжижаемых грунтов разделен (по степени сопротивляемости разжижению) на три группы:

-«средние», имеющие значения N1(60)=10-20, для которых в качестве консервативной и либеральной оценок принимаются предложенные ранее значения SPLcr=850см/c и SPLcr=1100см/c, соответственно; «менее благоприятные», имеющие значения N1(60)10, для которых в качестве консервативной и либеральной оценок принимаются значения SPLcr=660см/c и SPLcr=850см/c, соответственно и «более благоприятные», имеющие значения N1(60)20, для которых консервативная и либеральная оценки составляют SPLcr=1100см/c и SPLcr=1430см/c, соответственно.

Таблица 3.2 – Расчет поправок «за глубину» и «за размер зерен» грунта и уровней SPLcr на различных глубинах от дневной поверхности.

Консервативная (без скобок) и либеральная оценка (в скобках). SPLcr – в см/с (для «средних» по степени разжижаемости грунтов.

–  –  –

С глубиной сопротивление грунтов сейсмогенному разжижению возрастает, что учитывается введением в вышеописанные оценки SPLcr коэффициента «редукции упругости» (Rd) [136]. Кроме этого по соотношениям из [141] учитывается изменение гранулометрического состава (D50). Значения D50 взяты по результатам инженерно-геологических изысканий. В таблицах 3.2 и 3.3 приведены эти поправки и итоговые консервативная и либеральная оценки SPLcr принятые в дальнейших расчетах. [102] Таблица 3.3 – Расчет уровней SPLcr с учетом поправок «за глубину» и «за размер зерен» грунта для грунтов с разной степенью разжижаемости.

Консервативные и либеральные оценки. SPLcr – в см/с

–  –  –

3.3. Опыт геоэкологических оценок сейсмогенного разжижения грунта Оценки в условиях г. Ставрополя На территории г. Ставрополя рассмотрены два объекта, находящиеся в северо-западной его части - участок строительства комплекса многоэтажных жилых домов и площадка проектируемого 22-этажного жилого дома. В верхней части изучаемых разрезов (~20м) грунты представлены преимущественно водонасыщенными песками (см. Приложение Ж). По результатам статического зондирования (СРТ) лобовое сопротивление qc составляет здесь 40 – 100 кг/см2., что свидетельствует о способности этих грунтов к разжижению [110].

В таблицах 3.4 и 3.5 приведены оценки CSRcr, рассчитанные для участка строительства комплекса жилых домов по данным инженерно-геологических изысканий и оценки acr, полученные по данным таблицы. 6.5 с использованием выражения (3.7). В таблице 3.5 приведены также оценки PHA для «модальных»

землетрясений: с М=4,5 (ближняя зона), с М=5,0 (D3км), с М=5,5 (D6-7км), с М=6,0 (D13-15км), вносящих наибольший вклад в данный вид сейсмической опасности. При этом в соответствие с [136] принято, что разжижение возможно только при N1(60) 30

–  –  –

Проведенный детерминистский анализ (табл. 3.5) показывает, что на глубинах менее 3 м сейсмогенное разжижение водонасыщенных песков в принципе возможно, но не дают ответ какова вероятность такого события.

В связи с этим выполнено 8 вариантов оценки вероятности такого разжижения – по четыре варианта (соответствующих «традиционной» и «спектральной» моделям SPL) для зон ВОЗ и повторяемостей по версиям ДСР-96 и ОСР-97 с двумя вариантами распределений очагов по глубине.

Аппроксимирующая кривая рассчитана как среднее по индивидуальным определениям. Результаты показаны на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 – Функция распределения вероятностей сейсмического потенциала разжижения (SPL) на поверхности водонасыщенных песков.

Комплекс многоэтажных жилых домов г. Ставрополе. Зеленые и синие кружки – альтернативные варианты расчета с использованием моделей зон ВОЗ по версиям ДСР-96 и ОСР-97, соответственно; красная линия – аппроксимирующая кривая для поверхности водонасыщенной толщи.

По степени способности к разжижению данные грунты относятся к «более благоприятным». В соответствие с значениями SPLcr (таблица 3.3) для данного участка получаем, что вероятность сейсмогенного разжижения за время ожидания 50 лет составляет от 0,971 (консервативный вариант) до 0,989 (либеральный вариант), что соответствует средним периодам повторяемости таких событий t 1700 лет и t 3300 лет, соответственно.

–  –  –

Для проверки реалистичности полученных данных проведено их перекрестное сопоставление. В табл. 3.6 приведены оценки средних периодов повторяемости tSPL, полученные непосредственно по вероятностной технологии и tcr, полученных пересчетом детерминистских оценок через acr. Пересчет выполнен следующим образом. Для потенциально опасных, с точки зрения возможности вызывать сейсмогеннное разжижение землетрясений (М=4,5; М=5,0; М=5,5 и М=6,0) при помощи пересчитанных из PGA(М,D) функций затухания PHA(М,D) с учетом габаритов очагов землетрясений и их глубины определены критические расстояния Rcr(M), начиная с которых наиболее вероятные значения PHA(М,D) становятся больше, чем соответствующие значения acr(M.). Через эти расстояния с учетом зон ВОЗ (Приложение Д) и глубин очагов (рисунок 2.2) определены размеры территорий Scr(М), на которых могут возникать землетрясения, сопровождающиеся разжижениями грунта. По площадям Scr(М) при помощи рекуррентных соотношений (рисунок 2.1) подсчитаны средние повторяемости таких потенциально опасных землетрясений cr(М). Средний период повторяемости tcr(M)=1/ cr(М). Следует отметить, что описанный пересчет имеет приближенный характер и точность полученных оценок ниже, чем при полноценном вероятностном расчете. Тем не менее, наблюдаемое хорошее совпадение независимых «детерминистских» и вероятностных оценок свидетельствуют о том, что принципиальная схема расчетов выбрана верно, полученные результаты обладают необходимой реалистичностью и надежностью.

Исходя из этих данных на изучаемой территории на глубинах 3м и более сейсмогенное разжижение водонасыщенных песков невозможно даже при самых сильных из ожидаемых здесь землетрясениях. В слое водонасыщенных песков, залегающих на глубине до 3,0м сейсмогенное разжижение возможно при сильных землетрясениях, возникающих с повторяемостью в среднем 1 раз в 2000-3000 лет, что в 4-6 раз превосходит средний период повторяемости расчетных сейсмических воздействий (t=500 лет) для зданий и сооружений массовой застройки, к которым относится рассматриваемый комплекс жилых домов.

Вероятность сейсмогенного разжижения здесь пренебрежимо мала и в данном случае ее можно не учитывать при проектировании и строительстве.

Несколько иные результаты получены для площадки строительства 22этажного дома с подземным паркингом в г. Ставрополе. Здесь выполнено 4 варианта оценки вероятности такого разжижения – по два варианта (соответствующие «традиционной» и «спектральной» моделям SPL) для зон ВОЗ и повторяемостей по версиям ДСР-96 и ОСР-97.

По степени способности к разжижению данные грунты относятся к «средним». В соответствие с значениями SPLcr (таблица 3.3) для данной площадки получено, что вероятность сейсмогенного разжижения за время ожидания 50 лет составляет от 0,931 (консервативный вариант) до 0,973 (либеральный вариант), что соответствует средним периодам повторяемости таких событий t 700 лет и t 1 350 лет, соответственно.

Рисунок 3.4 – Функция распределения вероятностей сейсмического потенциала разжижения (SPL) на поверхности водонасыщенных песков.

Площадка строительства 22-этажного дома в г. Ставрополе. Синие кружки – альтернативные варианты расчета; красная, сплошная линия – аппроксимирующая кривая на поверхности, а синяя и зеленые линии – аппроксимирующие кривые в средней части и на подошве водонасыщенной толщи, соответственно.

С глубиной за счет уменьшения SPL и увеличения SPLcr период t постепенно возрастает, достигая при h = 15 м значений t 3 800 лет и t 6 600 лет, соответственно. На глубине h = 7 – 8 м консервативная оценка составляет t 1 650 лет, а либеральная – t 4 100 лет. Таким образом, на исследуемой площадке при проектировании 22-этажного дома с подземным паркингом (период расчетных воздействий t = 1 000 лет) возможность сейсмогенного разжижения грунтов основания с учетом погрешности измерений следует учитывать до глубины 5-7м.

Оценки в условиях г. Краснодара Статическое зондирование (СРТ) залегающих на глубине 4-13 м обводненных песков показало среднее значение лобового сопротивления qc 10 МПа (~100 кг/см2) что по данным [110] является средним показателем для грунтов способных к сейсмогенному разжижению.

В связи с этим для рассматриваемого типа «реальных» грунтов (водонасыщенных песков) г. Краснодара рассчитаны интегральные функции распределения вероятностей сейсмического потенциала разжижения (SPL).

Результаты приведены на рисунке 3.5.

Рисунок 3.5 – Функция распределения вероятностей сейсмического потенциала разжижения (SPL) водонасыщенных песков в г.

Краснодаре. Синие кружки – альтернативные варианты расчета; красная, сплошная линия – аппроксимирующая кривая на поверхности, а синяя и зеленые линии – аппроксимирующие кривые в средней части и на подошве водонасыщенной толщи, соответственно.

По степени способности к разжижению данные грунты относятся к «более благоприятным». В соответствие с кривыми на рисунке 3.5 и значениями SPLcr (таблица 3.3) для данного участка получаем, что на поверхности вероятность сейсмогенного разжижения за время ожидания 50 лет составляет от 0,88 (консервативный вариант) до 0,91 (либеральный вариант). Это означает, что на поверхности водонасыщенных песков сейсмические события, сопровождающиеся разжижением в условиях г. Краснодара могут происходить в среднем от примерно одного раза в 400 лет (консервативная оценка) до одного раза в 600 лет (либеральная оценка). На глубине 9 м сейсмогенные разжижения могут происходить с повторяемостью от ~1 раз в 800 лет (консервативная оценка) до ~1 раз в 1150 лет (либеральная оценка), а на глубине 13 м – с повторяемостью от ~1 раз в 2 050 лет (консервативная оценка) до ~1 раз в 2 800 лет (либеральная оценка).

Как видно из приведенных расчетов вероятность сейсмогенного разжижения слабых водонасыщенных грунтов в условиях г. Краснодара достаточно высока до глубин порядка 10 м и должна учитываться при проектировании не только ответственных, но и обычных зданий и сооружений.

На глубинах более 13-17 м (даже в тех местах, где слабые водонасыщенные грунты достигают такой мощности) вероятность сейсмогенного разжижения становится пренебрежимо малой и ее можно не учитывать при проектировании сейсмостойких объектов.

Учитывая новизну и практическую значимость поученных результатов по вероятностной оценке сейсмогенного разжижения водонасыщенных песчаных грунтов на территориях городов Ставрополя и Краснодара желательна их проверка на достоверность и надежность. Применение прямого сравнительного анализа для этих целей затруднительно из-за отсутствия подобных исследований для данных территорий и, вообще, для территории центрального Предкавказья. В качестве косвенного подтверждения правильности наших оценок можно отметить, что рассчитанные нами периоды повторяемости землетрясений, сопровождающихся сейсмогенным разжижением грунта на обеих рассматриваемых площадках близки к рассчитанным для этих площадок прогнозным значениям t землетрясений с интенсивностью I 7,5-7,6 балла MSK.

В тоже время макросейсмические интенсивности I = 7,0-7,5 балла MSK являются той границей, после которой, согласно мировым данным [115], начинают реализовываться процессы сейсмогенного разжижения. Это совпадение результатов двух видов независимых расчетов свидетельствует об эффективности разработанных моделей сильных движений и сейсмогенного разжижения грунта, а также об адекватности полученных на их основе результатов. Кроме того, само совпадение вероятных уровней балльности, соответствующих независимым определениям порогов одного и того же процесса (сейсмогенного разжижения), независимо полученных для двух разных территорий, также говорит в пользу реалистичности наших оценок.

Полученные для территорий центрального Предкавказья вероятностные оценки сейсмогенного разжижения грунта согласуются также с выполненными ранее аналогичным оценкам для других регионов – пролива Невельского и г.г.

Сочи и Новороссийска Сравнение показывает закономерное и [110].

пропорциональное увеличение периода землетрясений, сопровождающихся сейсмогенным разжижением по мере понижения общего уровня сейсмической опасности рассматриваемых территорий.

–  –  –

1. Впервые разработанные для исследуемого района два вида моделей позволяют на основе полученных новых вероятностных характеристик (амплитуд, длительностей и спектров ускорений колебаний грунта) сейсмических воздействий определять не только возможность разжижения водонасыщенных грунтов под воздействием сильных землетрясений, но и количественно оценивать степень этой возможности (т.е. вероятность) и глубину этого разжижения.

2. Практическое применение этих моделей для изучения площадок строительства нескольких объектов с разной степенью ответственности и находящихся в различных инженерно-геологических условиях, позволило получить новую, выходящую за рамки действующих нормативов и важную информацию о сейсмоустойчивости их оснований, необходимую для эффективного антисейсмического проектирования и обеспечения геоэкологической безопасности.

3. Положительный опыт, полученный в процессе практических апробаций данных моделей позволяет рекомендовать их к использованию для оценки вероятности сейсмогенного разжижении слабых водонасыщенных грунтов в общем комплексе исследований (мониторинга и аудита) по прогнозированию геоэкологической опасности территорий центрального Предкавказья.

ГЛАВА 4. ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА СЕЙСМИЧЕСКОГО РИСКА

При прогнозировании геоэкологических последствий от реализации проекта важно оценить где, каким образом и в какой степени данный проект может оказывать воздействия на окружающую среду, а также как, когда и с какой вероятностью эти воздействия могут возникнуть, и могут ли возникнуть вообще.

Кроме того воздействия могут взаимодействовать между собой, вызывая другие воздействия, которые, в свою очередь, могут быть более значимы, чем первоначальные. Характерным примером такого взаимодействия, (которое может быть названо «поступательно-возвратным») может являться цепочка, начинающаяся с первичных (инициирующих) сейсмических воздействий на объекты строительства, продолжающаяся через реакцию подвергшихся этим воздействиям строительных объектов (зависящую от выбранных антисейсмических решений, определяющих способность этих объектов противостоять данным сейсмическим воздействиям) и завершающаяся вторичным воздействием на людей и окружающую среду самих строительных объектов теперь уже тем или иным образом реагирующих на первичные сейсмические воздействия.

В принципе геоэкологическая безопасность проекта может обеспечиваться по двум направлениям: а) за счет предотвращения или снижения уровня самих сейсмических воздействий и б) за счет предотвращения или снижения негативных последствий для общества при возникновении этих воздействий. Влиять на процесс возникновения и проявления сильных землетрясений пока невозможно.

На данный момент с достаточной для практических нужд точностью можно оценивать лишь долговременную сейсмическую опасность конкретных территорий (см. главы 1 и 2). В части реализации пункта б) – то снижение негативного воздействия землетрясений, например, за счет оперативного прогноза и соответствующего реагирования на сейсмическую угрозу тоже пока трудноосуществимо из-за низкой его точности. Поэтому защитные меры пока сосредотачиваются в области сейсмостойкого строительства, страхования и планирования.



Pages:   || 2 |
Похожие работы:

«Остроумов С.А. Концепции экологии экосистема, биогеоценоз, границы экосистем: поиск новых определений // Вестник МГУ. Серия 16. Биология. 2003. № 3. С.43-50. Табл. Рез. на англ. яз. Библиогр. 44 назв. [Нов. трактовка, нов. варианты определений. Перечисляются и...»

«РАЗРАБОТАНА УТВЕРЖДЕНА Кафедрой физиологии и морфолоУченым советом гии человека и животных Биологического факультета 06.03.2014, протокол № 87 13.03.2014, протокол № 5 ПРОГРАММА ВСТУПИТЕЛЬНОГО ИСПЫТАНИЯ для поступающих на обучение по программам подготовки научнопе...»

«Программа дисциплины "ГИДРОХИМИЯ" Автор: доц. М.Б.Заславская Цель освоения дисциплины: Формирование представлений о закономерностях изменения химического состава природных вод в пространстве и во времени, методах исслед...»

«"ПЕДАГОГИКО-ПСИХОЛОГИЧЕСКИЕ И МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ФИЗИЧЕСКОЙ КУЛЬТУРЫ И СПОРТА" Электронный журнал Камского государственного института физической культуры Рег.№ Эл №ФС77-27659 от 26 марта 2007г №6 (1/2008) Организация питания в скоростно-силовых и силовых видах спорта Заместитель генерального ди...»

«Прайс-лист от 03.08.2016г Адрес: 121351, г. Москва, ул. Молодогвардейская, 57. Телефон: +7 (495) 642-93-62, +7 (495) 642-93-63. www.paliart.ru Цена Наименование товаров (включая НДС и НП) 2Д.Круги вулк. по мет. ИС Круг вулкан. по металлу 125*0.6*32 (ИСМА) 92,20...»

«формой устанавливали путем сравнения профилей амплифицированных ПЦРпродуктов. Синтезированные в процессе исследования Semi-RAPD праймеры могут быть рекомендованы для генотипирования выделенных и идентифицированных клонов. УДК 619:616.9-636....»

«ТЮНИНА ОЛЬГА ИВАНОВНА ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ ДЕЙСТВИЯ МОНООКСИДА УГЛЕРОДА И УФ-СВЕТА НА СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ ЛИМФОЦИТОВ И ЭРИТРОЦИТОВ КРОВИ ЧЕЛОВЕКА 03.01.02. Биофизика ДИССЕРТАЦИЯ На соискание ученой степени кандидата биологических наук Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор Артюхов В.Г. Воронеж...»

«Моросанова Мария Александровна Механизмы повреждения клеток эпителия почечных канальцев при моделировании пиелонефрита in vitro 03.03.04 клеточная биология, цитология, гистология АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук МОСКВА Работа выполнена на факультете биоинженерии...»

«Рабочая программа по биологии 7 КЛАСС Пояснительная записка Рабочая программа составлена на основе Федерального Государственного образовательного стандарта, примерной программы основного общего образования по биологии для 7 класса, авторской программы В.Б. Захарова,...»

«РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК БИОРАЗНООБРАЗИЕ И ЭКОЛОГИЯ ПАРАЗИТОВ НАЗЕМНЫХ И ВОДНЫХ ЦЕНОЗОВ Москва 2008 РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ЭКОЛОГИИ И ЭВОЛЮЦИИ им. А.Н. СЕВЕРЦОВА РАН, ЦЕНТР ПАРАЗИТОЛОГИИ НАУЧНЫЙ С...»

«КУЯНЦЕВА Надежда Борисовна РАСТИТЕЛЬНОСТЬ ПРИБРЕЖНО-ВОДНЫХ МЕСТООБИТ АНИЙ НА ЮЖНОМУРАЛЕ 03.00.05ботаника Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук Екатеринбург Работа выполнена в Институте экологии растений и животных Уральского отделения РАН Научный акаде...»

«535 УДК 543:541 Современные подходы к конструированию структуры полимерных сорбентов для препаративной хроматографии биологически активных веществ (обзор) Писарев O.А., Ежова Н.М. Институт Высокомолекулярных Соединений РАН, Санкт-Петербург Аннотация Обзор посвящен рассмотрению новейших тенденций в дизайне синте...»

«Казарьян Константин Александрович Биохимические и иммунологические свойства белков семейства Rpf – факторов роста Micrococcus luteus и Mycobacterium tuberculosis 03.00.04 – Биохимия Автореферат диссертации на соискание ученой степен...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ "САРАТОВСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ Н.Г.ЧЕРНЫШЕВСКОГО" Кафедра нелинейной физики Разработка...»

«КАРЕВ Вадим Евгеньевич КЛИНИЧЕСКИЕ И ИММУНО-МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПАТОГЕНЕЗА ХРОНИЧЕСКОЙ HBVИ HCV-ИНФЕКЦИИ 14.01.09 – инфекционные болезни 14.03.02 – патологическая анатомия Диссертация на соискание ученой сте...»

«общества. На это, как правило, социологи обращают внимание. Однако в не меньшей степени проблема социальной перспективы должна быть связана с биологической составляющей, т.к. социальная (рациональная) составляющая человека интенционально, как потенциал отдаленного будущего, пределов не имеет. Но реальность такова, что и пределы актуа...»

«ГАЗОВАЯ ОТРАСЛЬ ОРЕНБУРГСКОЙ ОБЛАСТИ, ЕЁ ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ Горягина А.С. Данилова А.В. Оренбургский государственный университет, г. Оренбург Газовая отрасль в Оренбургской области возникла не давно и за короткий срок...»








 
2017 www.net.knigi-x.ru - «Бесплатная электронная библиотека - электронные матриалы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.