Способ сейсмического микрорайонирования с использованием коэффициента уязвимости
METHOD FOR SEISMIC MICRODISTRICTING USING THE VULNERABILITY COEFFICIENT

Область применения
Предлагаемое изобретение относится к области сейсмических исследований и может быть использовано в инженерной сейсмологии для оценки интенсивности сейсмических колебаний с учетом свойств грунтов, слагающих территории городов и строительных площадок.
Технический результат предполагаемого изобретения - повышение стабильности и точности определения приращений сейсмической интенсивности.
Известно, что сейсмическое микрорайонирование (СМР) производится с целью выделения в пределах изучаемой территории участков с различной сейсмической интенсивностью (интенсивностью сотрясений), которая может отличаться от интенсивности, определяемой картой общего сейсмического районирования территории Российской Федерации (ОСР-2015). Различия определяются рядом причин. Во-первых, различием физико-механических свойств грунтов и особенностями их строения; во-вторых, расположением участков исследования по отношению к сейсмотектоническим зонам; наконец, особенностями характеристик очагов воздействия.
Известен способ выполнения сейсмического микрорайонирования инженерно-геологическим методом с использованием модели сейсмогрунтовых условий и локальной классификации грунтов по сейсмическим свойствам [1].
Однако в данном способе отсутствует инструментальная оценка приращений сейсмической интенсивности в условиях реальных сильных землетрясений, что снижает точность определения приращений бальности.
Известен также способ сейсмического микрорайонирования, включающий возбуждение сейсмических колебаний маломощным импульсным источником, регистрацию этих колебаний сейсмоприемниками, расположенными на участках с различными инженерно-геологическими условиями, определение значения скоростей продольных или поперечных волн, плотностей соответствующих грунтов и оценку на основе этих характеристик приращения балльности [2].
К недостатком этого способа можно отнести низкие производительность, надежность и стабильность получаемых результатов.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является способ сейсмического микрорайонирования с использованием микросейсмических колебаний [3], при котором для определения изменения интенсивности сильного землетрясения по максимальной амплитуде микроколебаний применяется формула:
max
i
max
о
где (A), (A) - максимальные амплитуды микросейсмических колебаний для исследуемого и эталонного грунтов соответственно.
max
Недостатками способа являются низкая стабильность и точность снятия отсчетов A непосредственно с сейсмограммы, что ведет к снижению производительности работ и корректности учета нелинейно-упругих свойств грунтов при вычислении приращения интенсивности сейсмических колебаний.
у
Технический результат предполагаемого изобретения - повышение производительности и точности определения балльности (интенсивности) - достигается за счет использования при реализации способа так называемого коэффициента уязвимости. Остановимся на этом понятии более подробно.. Понятие коэффициент (индекс) уязвимости (К) было введено известным японским исследователем И. Накамурой в 1997 г. [6]. В 1989 г. им была предложена методика, в основе которой лежат представления о том, что влияние «тонкого слоя», расположенного непосредственно под сейсмическим датчиком на изучаемом объекте, в большей степени способствует усилению поперечной волны (S) и практически не изменяет продольную волну (Р) [5]. Исходя из этого положения, отношение спектральных характеристик горизонтальных компонент X и Y к спектру вертикальной компоненты Z будет характеризовать так называемую передаточную функцию, зависящую от «тонкого слоя» изучаемого объекта. Горизонтальная компонента Н при этом определяется любым из следующих соотношений:
среднее арифметическое
среднее геометрическое
векторная сумма
среднее квадратическое
поскольку в работе [4] эти соотношения были подвергнуты статистическому анализу, в результате которого выяснилось, что вычисление результирующего значения горизонтальной составляющей спектра практически не зависит от выбора варианта расчета.
Возвращаясь к понятию коэффициента уязвимости, заметим, что этот параметр успешно описывает динамические характеристики верхней части исследуемых грунтов, при этом отмечает самые слабые участки, которые в наибольшей степени подвержены воздействию упругих колебаний. Используя методику Накамуры, можно получить спектральные графики передаточной функции H/V, т.е. графики усиления сотрясений на доминирующих частотах, что позволяет вычислить значения коэффициентов уязвимости для каждой точки измерения по формуле:
где А - максимальное значение коэффициента усиления в соответствии со спектральной характеристикой H/V, f - соответствующая этому значению частота.
у
В качестве примера рассмотрим обработку одной сейсмограммы с записью микросейсмических колебаний по описанной методике. На фиг. 1 приведен фрагмент сейсмограммы длительностью 8 секунд. Для компонент X, Y и Z был произведен расчет спектров (фиг. 2а) и далее вычислена передаточная функция H/V (фиг. 2б). Из рисунка на фиг. 2б видно, несмотря на то, что спектры всех компонент имеют максимум в высокочастотной области (19,2 Гц), коэффициент усиления H/V достигает максимального значения 8 у.е. на частоте 1,8 Гц. Таким образом, в данной точке наблюдения коэффициент уязвимости исследуемых грунтов будет равен 35,6 у.е. Используя данную методику, рассчитываются К для всех точек наблюдения на исследуемых и эталонных грунтах, а полученный банк данных позволяет рассчитать приращение сейсмической интенсивности в каждой точке наблюдения по формуле:
где  - максимальное значение коэффициента уязвимости в точках измерения на исследуемых грунтах;
- максимальное значение коэффициента уязвимости в точках измерения на эталонных грунтах;
А - максимальное значение амплитуды передаточной функции H/V;
f - частота, соответствующая максимуму H/V.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - Фрагмент сейсмограммы записи микроколебаний, длительность записи 8 секунд.
Фиг. 2а - Амплитудно-частотные спектры сейсмограммы в компонентах X, Y, Z.
Фиг. 2б - Спектральное отношение H/V (передаточная функция) для фрагмента сейсмограммы, приведенного на фиг. 1.
Источники информации
1. Никитин С.Н., Погребченко В.В., Никитина И.А. Способ сейсмического микрорайонирования инженерно-геологическим методом. Инженерные изыскания. 2017; (6-7): С. 118-132.
2. Рекомендации по сейсмическому микрорайонированию. М: Наука, 1985. с. 72.
3. Сейсмическое микрорайонирование. // Под редакцией д.т.н. С.В. Медведева // М: Наука, 1977. С. 67-74. - ПРОТОТИП.
4. Lunedei Е, Malishewsky Р., 2015. A Review and some new issues on the theory of the H/V technique for ambient vibrations. In: (Eds Ansal A.) Perspectives on European Earthquake Engineering and Seismology, Geotechnical and Earthquake Engineering, vol. 39. Springer, Cham. P. 371-394.
5. Nakamura Y. A method for dynamic characteristic estimation of subsurface using microtremor on the ground surface // Quarterly report of Railway Technical Research Institute. 1989. V. 30. №1. P. 23-33.
6. Nakamura Y. Seismic Vulnerability indices for ground and structures using microtremor. In World Congress on Railway Research. Florence, 1997. P. p. 1-7.