БАРЬЕР ДЛЯ ЗАЩИТЫ ЗАСТРОЕННЫХ ТЕРРИТОРИЙ ОТ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛН
BARRIER TO PROTECT DEVELOPED AREAS AGAINST SURFACE SEISMIC WAVES

Изобретение относится к строительству и может быть использовано для защиты территорий с расположенными зданиями и сооружениями, находящихся в сейсмически опасных районах, а также для их защиты от виброколебаний, источником которых может быть любое технологическое оборудование или оружие.
Известен экран для защиты фундаментов зданий и сооружений от воздействия колебаний (Авторское свидетельство СССР №817150, кл. Е02D 27/34, 1979). Экран включает размещенную вокруг контура фундамента траншею, заполненную материалом, поглощающим колебания. Траншея выполнена в грунте из соединенных своими концевыми участками криволинейных секций, причем криволинейные секции могут быть обращены навстречу колебаниям как выпуклостью, так и вогнутостью. Недостатком известного экрана является низкая эффективность защиты за счет нарушения целостности системы грунт-фундамент при исчерпании демпфирующих свойств засыпки траншеи.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является экран для защиты объектов от сейсмических волн (Патент РФ №2006553, кл. Е02D 27/34, 1994). Экран представляет собой расположенную вокруг сооружения, погруженную в грунт оболочку, выполненную из соединенных своими концевыми участками и обращенных выпуклостями навстречу колебаниям железобетонных секций Л-образной формы. При этом масса грунта, заключенная внутри оболочки, равна массе сооружения, а оболочка в плане представляет собой многовершинную звезду. Недостатком такого экрана является разрушение структуры прилегающего с внутренней стороны звезды грунта, что снижает эффективность работы, а также расслоение грунтового массива в виде трещин или осыпи в области выступающих вершин.
Целью настоящего изобретения является повышение эффективности защиты за счет создание барьера, препятствующего распространению поверхностных сейсмических волн (волн Рэлея).
Указанная цель достигается за счет того, что барьер для защиты застроенных территорий от поверхностных сейсмических волн окружает защищаемую территорию, а его верхний край находится на уровне с поверхностью грунта. Барьер в плане выполнен выпуклым, глубина барьера выполняется не меньше 0,2 длины волны, а ширина стенки барьера - не меньше одной длины волны. Длина волны принимается соответствующей самой низкой частоте из наиболее опасных частот колебаний для данного района, определяемых по спектрам акселерограмм землетрясений. Расстояние между границами сооружений и внутренней границей барьера составляет не менее 0,35 ширины барьера, а материал барьера выполняется с плотностью как минимум вдвое большей, чем плотность окружающего грунта. Верхний край барьера устанавливается на одном уровне с поверхностью грунта.
Повышение эффективности защиты достигается за счет модификации физических свойств поверхностного слоя, что приводит к снижению энергии волн Рэлея, которые не могут распространяться, если поверхностность полупространства защемлена. Волнами Рэлея называются поверхностные волны, которые могут распространяться вдоль плоской свободной границы изотропного упругого полупространства и амплитуда которых быстро спадает с глубиной [Strutt J.W. (Lord Rayleigh), On wave propagating along the plane surface of an elastic solid // Proc. London Math. Soc., 1885]. Рэлеевские волны являются одними из существенных факторов, связанных с переносом энергии при землетрясениях, поскольку энергия рэлеевских волн локализована в весьма тонком слое вблизи от границы полупространства. Рэлеевские волны, наряду с волнами Лява, распространяясь по поверхности, затухают с расстоянием медленнее объемных волн. Для восприятия поверхностных волн и создания препятствия для их распространения предлагается заменить участок поверхностного слоя среды на барьер из материала с плотностью как минимум вдвое большей, чем плотность окружающего грунта, тем самым пригрузив поверхностный слой.
Ширина стенки барьера должна быть не меньше длины волны, при этом длина волны принимается соответствующей самой низкой частоте из наиболее опасных частот колебаний, определяемых по спектрам акселерограмм землетрясений. Если длина волны оказывается больше ширины барьера, часть волновой энергии проходит через барьер, и эффективность барьера резко уменьшается. При выполнении ширины барьера свыше длины волны, эффективность барьера возрастает, но после превышения ширины барьера 1,6 длины волны, эффективность защиты растет незначительно.
Глубина барьера выполняется не меньше 0,2 длины волны. Если глубина барьера оказывается меньше 0,2 длины волны, часть волновой энергии проходит через барьер, и эффективность барьера резко уменьшается. При выполнении глубины барьера свыше 0,2 длины волны, эффективность барьера возрастает, но после превышения глубины барьера 0,4 длины волны, эффективность защиты растет незначительно.
Безопасное расстояние между границами сооружений и внутренней границей барьера составляет не менее 0,35 ширины барьера, так как на расстоянии ближе указанного грунт и сам барьер испытывают значительные деформации, вызванные сейсмическими волнами. Барьер испытывает деформации из-за того, что он воспринимает на себя основную энергию поверхностных волн. Близлежащий грунт испытывает деформации из-за того, что: а) часть волновой энергии проходит под барьером и б) передаются деформации от барьера.
Эффективность барьера увеличивается пропорционально увеличению плотности материала, из которого он изготовлен. Существенное увеличение эффективности барьера достигается, когда его материал имеет плотность как минимум вдвое больше, чем плотность окружающего грунта.
Верхний край барьера для наиболее эффективного взаимодействия с поверхностными волнами устанавливается на одном уровне с поверхностью грунта.
На фиг.1 представлен вид на барьер сверху (в плане). Барьер (1) представляет собой выпуклую геометрическую фигуру, огибающую защищаемую территорию (2) на расстоянии "а" между границами защищаемых сооружений и внутренней границей барьера. На фиг.2 изображен разрез (А-А) - барьер (1) глубиной "h" и шириной "s" погружен в поверхностный слой грунта (3).
3
3
3
R
R
Пример подбора параметров барьера для далеких землетрясений в области Вранча (Румыния), спектрограмма которых содержит явно выраженные пики в диапазоне от 1,5 до 2 Гц (9-12,56 рад/сек) [Demetriu S. and Trandafir R., Time-frequency representations of earthquake motion records. An. St. Univ. Ovidius Constant, 2003, vol. 11(2), pp.57-68.]: скорость распространения продольных волн в грунтах из галечника с водонасыщенным песком (плотность 1500 кг/м) составляет приблизительно 120 м/сек, поперечных - 70 м/сек, рэлеевских волн - 65 м/сек. Тогда ширина барьера (при длине волны, равной L=C/min(f)=65/1,5=43,3 м, где C - скорость распространения рэлеевских волн, f - наиболее низкая частота колебаний в диапазоне 1,5-2 Гц) должна быть не менее 43,3 м; глубина - не менее 8,66 м, а плотность - не менее 3000 кг/м. Надо отметить, что при близких землетрясениях частотный диапазон, отвечающий пикам амплитуд, обычно выше и лежит в диапазоне от 3 до 8 Гц. Таким образом, в этом случае ширина сейсмического барьера становится существенно меньше: для водонасыщенного галечника (плотность 1500 кг/м) при пиковой частоте 3 Гц (наиболее низкая частота волны в диапазона 3-8 Гц), длина волны будет примерно 21,7 метров, соответственно необходимая ширина барьера будет также не менее 21,7 метров, глубина барьера - не менее 4,34 м, а плотность - не менее 3000 кг/м.
3
3
Рассмотрим принцип работы защитного барьера для сооружений, стоящих на песчаном грунте плотностью 1800 кг/м. Барьер для этого грунта выполнен из бетона с плотностью 4000 кг/м. Для поверхностных волн с частой колебаний, лежащих в диапазоне от 3 до 8 Гц, и длиной от 11 до 25 метров наиболее эффективные геометрические параметры барьера составляют: ширина стенки s=25 метров, глубина h=5 метра, верхний край барьера расположен непосредственно на уровне поверхности грунта. При взаимодействии волн с барьером происходит затухание амплитуды сейсмических волн и на защищаемой территории (после барьера) амплитуда волн уменьшается в два раза. Барьер вызывает дифракцию сейсмических волн: он отсекает основную часть волновой энергии и направляет ее вниз, и лишь незначительная часть волновой энергии проникает в защищаемую территорию за счет прохождения волн по нижней границе барьера. При этом в барьере возникают зоны больших деформаций, основная часть которых локализована в передней части барьера. Отраженные от барьера волны направляются в обратном направлении, либо вглубь земли.
Необходимо отметить, что кинетическая энергия волнового поля является квадратичной функцией амплитуды. Проведенные исследования показывают, что с помощью горизонтального барьера можно получить уменьшение магнитуды перемещений за барьером в 1,5-2 раза (в зависимости от физических свойств грунта и барьера) по сравнению с незащищенной зоной перед барьером. Это означает уменьшение кинетической энергии сейсмических волн в защищаемой территории в 2,25-4 раза соответственно.
После взаимодействия волн с барьером возможно частичное и даже полное разрушение структуры барьера, поэтому после завершения периода сейсмической активности необходимо проводить мероприятия по восстановлению барьера.