МЕТОДЫ УЧЕТА ВЛИЯНИЯ МЕСТНЫХ ГРУНТОВЫХ УСЛОВИЙ НА СЕЙСМИЧЕСКУЮ ОПАСНОСТЬ СТРОИТЕЛЬНОЙ ПЛОЩАДКИ

An analysis of the comparative scheme of tecton-ites of the Hercynian, Larami, and Attic structural floors indicates that a dynamically conjugated lattice of thrusts and shear-upthrusts together with echelons of tectonic covers and wings of anticlinal folded zones form the structural-tectonic framework of the regional system of post-rift deformations of the WDG sedimentary cover. It stands out as a part of the West-Donetsk tectonic folded integument, which covers the territory of the transition zone between the DDB and the chipboard.

The main structural element of the region is the tectonic wedging segment, formed as a result of the invasion of repeatedly deployed sedimentary geomasses from the particleboard side into the WDG. West Donetsk Region consists of two tectonic regions that differ in the style and intensity of deformation of the sedimentary cover of the WDG. In the southwestern part, the Kalmius-Toretsky region of scaly tectonic covers is distinguished, which from the south is limited to the South Donbass melange zone. The north-eastern half of the segment is occupied by the Lugansk-Kamyshe-vakhsky region of the rocker-joint linear folding, which is limited from the north by the undiluted Mesozoic-Cenozoic platform cover.

Conclusions. The above data lead us to the conclusion that the riftogenic structure in the southeast of the DDV is destroyed by integumentary folded deformations at the stages of platform activation. At the initial stage of tectonic inversion, in the Late Hercynian era, on the thrust tectonic framework of the southeastern vergence, the Hercynian system of transverse thrust of geomasses was formed. At the main stage of inversion, according to the system of alpine tectonites, an intensively deployed Mesozoic-Cenozoic allochthonous comrade was pushed over the Hercynian neoautoch-thon and an Alpine geomass longitudinal thrust system

was formed. Thus, colossal deformations led to the formation of the West Donetsk tectonic folded cover region, which covers both thrust systems, which we first identified in the transition zone between the DDV and the folded Donbass.

References

1. Kopp M., Kolesnichenko A., Vasiliev N., 2017. Reconstruction of Cenozoic stress and deformations in the eastern east european platform with its regional and practical application. Geodynamics, 2 (23), Lviv, 4666.

2. Orlyuk M., Ishchenko M., 2019. Comparative analysis of modern deformation and the latest movements of the earth's surface on the territory of Ukraine. Geophysical Journal, 4 (41), Kyiv,161-181.

3. Korchemagin V., Ryaboshtan Yu., 1987. Tectonics and stress fields of Donbass. Fields of stress and strain in the Earth's crust. Moscow: Science, 164170.

4. Kopp M., Korchemagin V., 2010. Cenozoic stress / strain fields of the Donbass and their probable sources. Geodynamics, 1(9), Lviv, 17-48.

5.Bartashchuk O., 2019. Evolution of the stress-deformed field of the Earth crust of Dnieper-Donetsk paleorift at Phanerozoic. Reports of National Academy of Sciences of Ukraine, 3, 62-71

6. Goryainov S., Aksenov S., Altukhov S., 2009. Metamorphic and metasomatic complexes of Priazovye and South Donbass. Kharkov: Ecograph, 304.

7. Goryaynov S, 2004. About the Laramide complication of geological structures of Ukraine. Reports of The National Academy of Sciences of Ukraine, 12, 114 - 121.

8. Goryaynov S., 1999. About Alpine complication of geological structure in various re-gions of Ukraine. Reports of The NASciences of Ukraine, 8, 106 - 111.

МЕТОДЫ УЧЕТА ВЛИЯНИЯ МЕСТНЫХ ГРУНТОВЫХ УСЛОВИЙ НА СЕЙСМИЧЕСКУЮ ОПАСНОСТЬ СТРОИТЕЛЬНОЙ ПЛОЩАДКИ

Семенова Ю.В.

канд. физ. - мат. наук, ст. науч. сотр., Институт геофизики им. С.И. Субботина НАН Украины,

г. Киев, Украина

METHODS FOR TAKING INTO ACCOUNT THE INFLUENCE OF LOCAL GROUND CONDITIONS ON THE SEISMIC HAZARD OF A CONSTRUCTION SITE

Semenova Yu.

PhD, senior researcher,

Subbotin Institute of Geophysics of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv

АННОТАЦИЯ

В статье рассматриваются подходы учета влияния местных грунтовых условий на усиления сейсмических колебаний при землетрясении. Анализируются преимущества и недостатки методов моделирования реакции отклика грунта на сейсмические воздействия, учитывающих и нет нелинейные эффекты. Приводится сравнительный анализ частотной характеристики грунтового основания строительной площадки на территории Украины, рассчитанной разными методами. Сформулированы рекомендации относительно

выбора метода моделирования отклика грунта на сейсмические воздействия при сейсмическом микрорайонировании строительных площадок в сейсмических районах Украины.

ABSTRACT

The article discusses approaches to taking into account the influence of local ground conditions on the amplification of seismic oscillations during an earthquake. The advantages and disadvantages of methods for the ground response modeling to seismic impacts, with and without taking into account non-linear effects, are analyzed. A comparative analysis of the frequency response of the soil foundation of a construction site on the territory of Ukraine, calculated by different methods, is given. Recommendations are formulated regarding the choice of a method for modeling the response of soil to seismic influences during seismic microzoning of construction sites in seismic regions of Ukraine.

Ключевые слова: сейсмическая опасность, сейсмическое микрорайонирования, нелинейные эффекты, коэффициент усиления, локальные эффекты площадки.

Keywords: seismic hazard, seismic microzoning, non-linear effects, amplification factor, local site effects.

Главной задачей сейсмического микрорайонирования является оценка влияния локальных инженерно-геологических условий строительной площадки на интенсивность, форму записи и спектр колебаний верхней части грунтового разреза при возможных землетрясениях. Эти параметры определяют характер разрушений зданий и сооружений на конкретных грунтовых условиях.

Следует заметить, что даже при благоприятных (с точки зрения сейсмической жесткости) условиях площадки, не гарантируется сейсмическая безопасность построенных на нем зданий или сооружений, так как в ряде случаев в грунтах могут возникать резонансные эффекты (существенное усиление колебаний на конкретных частотах).

Для сейсмостойкого проектирования необходимо знать не только величину интенсивности колебаний и значения максимальных пиковых ускорений, а также информацию о том, как сейсмические воздействия распределяются по частоте. Известно, что грунтовая толща под строительной площадкой является некоторым фильтром: на некоторых частотах грунтовая толща передает колебания почти без изменений, а на других - или усиливает их, или поглощает. При проектировании сейсмостойких зданий и сооружений важно не допускать чтобы максимумы частотной характеристики грунтовой толщи совпадали с собственными частотами зданий и сооружений.

Приблизительные значения

Частоты, которым соответствуют резонансные усиления, можно определить с амплитудно-частотной характеристики грунтовой толщи. При этом желательно рассматривать широкий диапазон частот от 0,05 до 20 Гц. Этот диапазон представляет наибольший интерес при сейсмическом микрорайонировании, поскольку в нем находятся частоты колебаний основных типов зданий, сооружений и их ответственных конструкций (смотрите таблицу 1), а также максимумы спектров колебаний при сильных землетрясениях [11].

Амплитудно-частотную характеристику грунтовой толщи под строительной площадкой можно получить инструментально с помощью записей колебаний землетрясений или микросейсм. Регистрация колебаний землетрясений не всегда возможна в районах с низкой сейсмичностью и дает не очень точные результаты, через промышленные шумы. Учитывая это, сейсмические наблюдения на строительной площадке обычно сводятся к регистрации микросейсм. В формировании поля микросейсмических колебаний, как правило, участвуют многочисленные природные и антропогенные источники, вклад которых плохо поддается учету. Из-за значительных погрешности, метод регистрации высокочастотных микросейсм дает лишь приблизительные значения частотной характеристики грунтовой толщи. Как правило, этот метод применяется только для оценки прироста сейсмической интенсивности в баллах макросейсмической шкалы.

Таблица 1.

собственных частот домов [3].

Тип сооружения Преобладающая частота

Одноэтажные здания 10

3-4 этажные здания 2

Высокие здания (10 ^ 20 этажей) 0,5 - 1,0

Высотные здания 0,17

Альтернативой инструментальным методам являются расчетные.

Следует отметить, что расчетные методы обеспечивают достаточно точные результаты только при наличии надежных инженерно-геологических и сейсмологических данных о строении грунтовой толщи строительной площадки, а также о литологии геологических слоев и их физико-механических свойствах. На основе указанных данных строятся сейсмогеологические модели грунтовой толщи

исследуемой строительной площадки (с произвольными границами раздела или горизонтально слоистые вертикально-неоднородные модели), которые являются входными данными при использовании расчетных методов определения частотных характеристик грунтовой основы.

Получение данных для построения горизонтально - слоистых сейсмогеологических моделей грунтовой толщи значительно проще и реальнее. Рассчитанные в таких моделях поля устойчивы к погрешностям в исходных данных. В связи с этим,

использование именно таких моделей предполагается ГСН В.1.1. -12: 2014 [9] и Ешс^е 8. Для расчетов частотных характеристик горизонтально-слоистых моделей геологической среды используется матричный метод Томпсона-Хаскела [1].

При моделировании реакции грунтовой толщи на сейсмические воздействия можно использовать линейный или нелинейный подход. Линейный описывается линейно-упругой моделью поведения грунта при нагружении. При интенсивных сейсмических воздействиях в грунтах возникают явления, которые не могут быть описаны линейной теорией упругости. При интенсивном землетрясении нарушается пропорциональность между напряжениями и деформациями, наступает явление насыщения, когда напряжение растут медленнее, чем при меньших значениях деформаций. Значение напряжений, при которых исчезает пропорциональность зависимости между напряжениями и деформациями, является порогом упругости. Порог упругости для различных категорий грунтов различен [3] и определяется, в первую очередь, поглощением грунтами сейсмической энергии [8]. Поэтому, для анализа реакции грунта на сейсмические воздействия в последнее время значительное внимание уделяется нелинейным подходам [3, 6, 7, 10-11].

Механизмы линейных преобразований сейсмических волн в приповерхностной грунтовой толще, которые приводят к усилению колебаний и резонансным явлениям, изучены достаточно хорошо. В отличие от нелинейных механизмов, они в полной мере учитываются в практике сейсмического микрорайонирования. Поскольку сейсмическое микрорайонирования обычно проводится для территорий, которые могут подвергаться воздействиям сильных землетрясений, адекватный учет нелинейного отклика грунта необходим [12]. Отклик грунта можно считать линейным при слабых сейсмических воздействиях. При воздействиях высокой интенсивности, вклад нелинейности будет зависеть от величины сейсмических деформаций [12, 13].

Нелинейность отклика приповерхностной грунтовой толщи приводит как к изменению спектрального состава сейсмических колебаний, иногда очень существенной, так и к изменению усиления сейсмических колебаний [12]. При достаточно высокой интенсивности колебаний начинают действовать нелинейные механизмы поглощения, которые

приводят к ослаблению колебаний на высоких частотах, но не ослабляют при этом низкочастотные колебания. Изменения спектрального состава колебаний на поверхности, связанные с нелинейностью отклика грунтовой толщи, проявляются в смещении резонансных частот в низкочастотную область. Усиление сейсмических колебаний на поверхности уменьшаются вследствие нелинейности отклика грунта по сравнению с линейным откликом в сухих грунтах (при залегании грунтовых вод на глубине 10 м и более). В водонасыщенных грунтах (когда уровень грунтовых вод находится на глубине менее 10 м) такое усиление менее заметно. Указанные выводы сделаны как на основе анализа реальных записей сильных землетрясений, так и по результатам численного моделирования [12].

В практике сейсмостойкого строительства США широко используется эквивалентное линейное моделирование отклика грунта на сейсмические воздействия [3]. Грунт рассматривается как линейный вязкоупругий материал, а его нелинейные свойства учитываются путем введения зависимостей модуля сдвига и коэффициента поглощения от амплитуды сдвиговой деформации. Такие зависимости подбираются для каждого слоя модели грунтовой толщи отдельно за данными полученными в результате лабораторных или полевых исследований. Например, по данным работ [2, 5].

Эквивалентное линейное моделирование используется в программах SHAKE, PROSHAKE, QUD-4, FEDAM, LUSH, FLUSH, EERA, FDEL и т.д. Алгоритмы программ изложены в публикациях [3,

4].

На рис.1 представлена амплитудно-частотная характеристика грунтовой толщи под строительной площадкой стадиона Центрального спортивного клуба Вооруженных Сил Украины в г. Киеве рассчитанная методом: а) линейного моделирования; в) эквивалентного линейного моделирования с использованием программного комплекса ProShake. С рис.1 видно, что частотная характеристика получена методом линейного моделирования (декремент поглощения принимается постоянной величиной для каждого слоя) отличается от частотной характеристики, полученной с помощью эквивалентного линейного моделирования (в котором учитывается, что коэффициент поглощения и модуль сдвига зависят от уровня деформации).

16

14

ф

12

I ф

^ 10

и »

ф 8

0 X

1 6 ф

о

X

I-

О 2

0

—Линейное моделирование — Эквивалентное линейное моделирование

А

УМ Ал

-

0,01

0,1

1

100

10

Частота, Гц

Рис. 1. Амплитудно-частотная характеристика грунтовой толщи под строительной площадкой стадиона Центрального спортивного клуба Вооруженных Сил Украины в г. Киеве рассчитанная методом: а) линейного моделирования; в) эквивалентного линейного моделирования

При линейном моделировании отклика грунта на сейсмические воздействия происходит только амплитудная трансформация частотных составляющих выходного спектра, а при эквивалентном линейном моделировании, как видно из рис. 1, абсолютные максимумы смещаются в область более низких частот. Опыт показал, что использование линейного моделирования может привести к появлению ложных резонансных максимумов на амплитудных частотных характеристиках грунтовой толщи. Сходство результатов эквивалентного линейного и нелинейного моделирования зависит от степени нелинейности геологической среды. Оба метода дают хорошие результаты реальной оценки отклика грунта при небольших деформациях, а при очень больших деформациях, нелинейное моделирование дает результаты ближе к установленным эмпирически.

Таким образом, выбрав неправильный подход к моделированию отклика грунта на сейсмические воздействия от землетрясений, можно получить ложные значения резонансных частот грунтовой толщи, что во время землетрясения может привести к разрушению здания вследствие не учитываемых при проектировании резонансных эффектов.

Для условий Украины следует проверить на практике важные выводы А.С. Алешина [3], согласно которым при моделировании отклика грунта на сейсмические воздействия, при расчетной сейсмической интенсивности до 9 баллов включительно, для грунтов I категории согласно классификации ГСН В.1.1.-12: 2014 [9] можно использовать линейную зависимость между напряжениями и деформациями. Для грунтов II категории - можно предполагать линейную зависимость от интенсивности 8 баллов. А для грунтов III и IV категории -нелинейность должна учитываться, начиная с 6-7 баллов. Таким образом, с учетом карты общего сейсмического районирования территории Украины,

линейное моделирование при сейсмическом микрорайонировании строительных площадок на территории Украины рекомендуем проводить только для грунтов I и II категории. А для грунтов III и IV категории следует учитывать их возможное нелинейное поведение. Следует учесть также, что накопление сейсмической энергии (резонансные эффекты) существенно зависит от длительности сейсмических колебаний, то есть при местных землетрясениях резонансные эффекты на территории Украины менее опасные, чем при сильных подкоровых землетрясениях из сейсмоактивной зоны Вранча.

Выводы: Современная парадигма сейсмической защиты зданий и сооружений в сейсмических районах предусматривает переход от интенсивного применения все более крепких зданий и сооружений (проектируемых с большим количеством стали и бетона) к использованию данных о частотных характеристиках грунтовой толщи в основе этих зданий, для избегания совпадения собственных периодов сейсмических колебаний, усиленными локальными грунтовыми условиями с собственными периодами колебаний зданий и сооружений. Такой подход гарантирует не только их высокую сейсмостойкость, но и минимизирует затраты на мероприятия сейсмической защиты. Учитывая то, что при слабых сейсмических воздействиях результаты линейного и эквивалентного линейного моделирования близки, а при увеличении интенсивности прогнозируемых сейсмических воздействий на картах общего сейсмического районирования, эквивалентное линейное моделирование дает более точные результаты, таким образом именно его целесообразно использовать в практике сейсмостойкого проектирования и строительства в сейсмических условиях платформенной части территории Украины.

Литература

1. Haskell N.A. Asymptotic Approximation for the Normal Modes in Sound Channel Wave Propagation. - J. Appl. Phys., V.22. 1951.- P.157-168.

2. Ishibashi I. and Zhang X. Unified dynamic shear moduli and damping ratios of sand and clay. -Soils and Foundations, V.33, No.1, 1993. - P.182-191.

3. Kramer S.L. Geotechnical Earthquake Engineering. - N.J., Prentice Hall, Upper Saddle River, 1996.- 672 p.

4. Schnabel P.B., Lysmer J., and Seed H.B. SHAKE: A computer program for earthquake response analysis of horizontally layered sites. // Report No. EERC 72-12. - Berkeley, California: Earthquake Engineering Research Center, University of California, 1972. - 102 p.

5. Seed H.B., Idriss I.M. Simplified procedure for evaluating soil liquefaction potential. - Journal of the Soil Mechanics and Foundation Division, ASCE. V.97, № SM9, 1971. - Р. 1249-1273.

6. Semenova Yu., Kendzera А (2019). Calculated accelerograms for the direct dynamic method of determining seismic loads // Conference Proceedings, 18th International Conference on 5. Geoinformatics -Theoretical and Applied Aspects, May 2019, Volume 2019, p.1 - 5 https://doi.org/ 10.3997/22144609.201902111

7. Алешин А.С. Сейсмическое микрорайонирование особо ответственных объектов - М.: ООО "Светоч Плюс", 2010. - 293 с.

8. Вознесенский Е.А., Кушнарева Е.С., Фуни-кова В.В. Природа и закономерности затухания волн напряжений в грунтах. - М.: Издательство ФЛИНТА, 2014. - 104 с.

9. ДБН В.1.1-12:2014. Будiвництво в сей-смiчних районах Украши. Кшв: Мшрегюбуд Украши, Укрархбудшформ, 2014. 110 с.

10. Заалишвили В.Б. Сейсмическое микрорайонирование территорий городов, населённых пунктов и больших строительных площадок. - М.: Наука, 2009. - 350 с.

11. Оценка влияния грунтовых условий на сейсмическую опасность. Методическое руководство по сейсмическому микрорайонированию. / ред. О.В. Павлов - М.: Наука, 1988. - 223 с.

12. Павленко О.В. Сейсмические волны в грунтовых слоях: нелинейное поведение грунта при сильных землетрясениях последних лет. М.: Научный мир, 2009. - 260 с.

13. Семенова Ю. В., 2015. Моделирование реакции грунта при сейсмическом микрорайонировании строительных участков. Геофизический журнал № 6, Т. 37, 2015. С.137-153.