Инженерная сейсмология на службе предотвращения чрезвычайных ситуаций

ИНЖЕНЕРНАЯ СЕЙСМОЛОГИЯ НА СЛУЖБЕ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ

Сотрудниками геофизической обсерватории выполнены геолого-геофизические исследования по определению сейсмической опасности г. Сыктывкара и его окрестностей. На конкретном примере рассчитаны предельно допустимые нагрузки на грунты под высотными сооружениями, превышение которых может привести к их разрушению.

В новом комплекте карт ОСР-97 (А, В, С) по сравнению с картой ОСР-78 внесены существенные изменения относительно повышения оценки сейсмической опасности. Согласно этой карте, южная часть Республики Коми, включая г. Сыктывкар, попадает в семибалльную зону ВОЗ с однопроцентной вероятностью превышения расчетной интенсивности в течение 50 лет и периода 5000 лет. Что касается наблюдений Института геологии Коми НЦ УрО РАН за сейсмичностью региона, то существенные подвижки в этом научно-практическом направлении произошли с пуском сейсмических станций, позволяющих отслеживать местную сейсмичность. Начиная с 1997 г. были зарегистрированы около двух десятков местных и близких землетрясений, что позволило внести коррекционные поправки в представления о сейсмической обстановке нашего региона. Выяснилось, что наиболее вероятная опасность для населения Республики Коми существует в ее южной части, а именно в зоне сочленения Сысольс-кого свода с Кировско-Кажимским авлакогеном (рассеянная сейсмичность менее опасна), где сводовая часть является источником накопления упруго-дефформационных сил, а авлакоген является зоной ее разрядки. В связи с опасной близостью г. Сыктывкара к Кировско-Кажимской сей-смогенной зоне было проведено сейсмическое микрорайонирование города и его окрестностей. За исходную сейсмичность была принята величина максимальной интенсивности сотрясения почвы в этой ближайшей сейсмогенной зоне, проходящей фактически в меридиональном направлении в 30 км от города. Эта зона особенно ярко проявила себя Сысольс-ким землетрясением в 1939 г., когда в эпицентре, охватывавшем ряд населенных пунктов, макросейсмические данные соответствовали признакам семибалльной интенсивности сотрясения почвы. Кроме того, это землетрясение было зафиксировано удаленными сейсмическими станциями

с магнитудой от 4.2 до 5.0 единиц. С помощью этих данных нами была определена величина исходной балльности г. Сыктывкара по известной формуле:

І0=1.5-Мта*3.5-І£(Н2+К2)1/2+3 (1), где І0 — величина исходной балльности (в баллах МБК), Мтах — максимально возможная магнитуда землетрясения в ближайшей сейсмогенной зоне, Я — эпицентральное расстояние, Н — глубина очага землетрясения.

По этой формуле мы вычислили величину исходной балльности: І0=1.5х5.0х3.5& (102+302)1/2+3 »

» 7.5—2.25 = 5.25 баллов.

Основные результаты сейсмического микрорайонирования были представлены двумя картами-схемами: приращенной балльности 1:25000, ослабленных зон (зоны ослабления структурных связей в грунтах) 1:25000.

Б, см 0,1 п

Они показали, что необходимо обратить особое внимание на несущие сейсмические свойства подстилающих грунтов города. Для этой цели были проведены лабораторные исследования, связанные с использовани-

ем вибросейсмической нагрузки для наиболее характерных грунтов города. Амплитуда ускорений частиц грунта при испытаниях увеличивалась от 0.1 до 13.0 м/с2, что соответствовало по максимальной величине магнитуде землетрясения до восьми единиц. Испытаниям были подвержены основные, наиболее распространенные в пределах города виды грунтов — суглинки, глины, пески различной крупности и водонасыщенности, супеси. В итоге было определено эффективное ускорение несущих способностей грунтов, построены номограммы кривых зависимости уплотнения, дила-тансии и перехода в плывунное состояние от величины относительных ускорений с последующим переводом этих величин в единицы магнитуд. В дальнейшем эти данные были использованы в корректировке границ выделенных ослабленных зон в пределах г. Сыктывкара и его окрестностей, а (*/&> г 1.2

это в свою очередь позволило внести дополнительные исправления по приращению суммарной балльности. Максимальное приращение балльности по городу, определенное на основе рекомендаций РСН 65-87, в сред-

Номограммыуплотнения грунтов от интенсивности вибраций

1 — относительное ускорение, 2 —• суглинок,

3 — глина, 4 — крупный песок, 5 — мелкий песок

нем составило 1.3—1.5 баллов. При учете данных вибросейсмических испытаний грунтов приращение балльности местами может достичь больших значений. Таким образом, суммарная величина балльности в г. Сыктывкаре по сравнению с исходной может превысить семь баллов.

Практическая проверка полученных экспериментальных номограмм была осуществлена в 2008 г., после обращения администрации предприятия «Монди СЛПК» в Институт геологии по поводу осуществления вибросейсмических наблюдений в момент забивки свай на строительных площадках ТЭЦ КТЦ-2 по программе «Стэп». Основной задачей этого мониторинга явилось обеспечение прогнозной оценки безопасности от сотрясений, вызываемых свае-боечными установками, инженерных объектов, находящихся вблизи источника вибрации. По инженерногеологическим свойствам грунты в основании будущего сооружения условно были отнесены к грунтам второго типа. Значит, по принятым нормам ВСН-490-87 предельно допустимые величины значений амплитуд ускорений от вибраций должны быть не более 0.6 м/с2 для здания с каркасным фундаментом и 1.0 м/с2 для высотного сооружения (дымового коллектора).

В результате наблюдений за вибрационной обстановкой на каркасном фундаменте ТЭЦ КТЦ-2 на расстоянии 12 м от него были получены значения амплитуд ускорений 0.38 м/с2, близкие к предельным для такого класса зданий, стоящих на грунтах второго типа (см. выше). Учитывая длительность срока эксплуатации здания и нелинейное увеличение амплитуд сотрясений от расстояния, мы на-

стояли на прекращении последующей забивки свай ближе 12 м и на переходе к другому способу установки фундамента (правда, более дорогому и трудоемкому) — к бурению с закачкой цемента в скважину.

Одновременно с этим проводились наблюдения за поведением фундамента дымового коллектора. В итоге под фундаментом были зафиксированы две стадии уплотнения грунтов, первая стадия уплотнения произошла на расстоянии 25 м, вторая — на расстоянии 21 м. Оба момента просадок фундамента были замечены на дисплее экрана визуализации колебательных процессов продольных и поперечных волн, исходящих от ударов сваебоечной машины, — высокочастотные колебания наложились на неожиданно появившиеся низкочастотные волны. В первом случае время вынужденных колебаний составило около 3 мин, амплитуда волны по горизонтальной компоненте составила 6.9 мкм; во втором — время колебательных движений возросло до 15 мин, а амплитуда волны — до 70 мкм. После обработки сейсмограмм и вычисления спектров этих колебательных движений оказалось, что в первом случае, при частоте колебаний 0.86 Гц, ускорение составляло 0.8х10-4 м/с2, во втором, при 0.8 Гц, — 5.2х10-4 м/с2. В 2000 г. сейсмическими исследованиями вблизи строительной площадки ТЭЦ КТЦ-2 были определены коэффициенты поглощения сейсмических волн (0.014— 0.02 м-1), созданных техногенными источниками вибраций. На основании этих данных и вновь полученных функциональных изменений амплитуд ускорения от расстояния, было принято решение о снижении предельно допустимых величин ускоре-

ния в грунтах под высотными сооружениями с 1.0 м/с2 до 0.575 м/с2 (соответствует моменту забивки свай). В противном случае энергия амплитуды вынужденных колебательных движений могла бы превзойти силу сцепления связей в пылеватых песках 0.59 м/с2 (они присутствуют в разрезе), что перевело бы их в плывунное состояние. Поэтому, если строго придерживаться только строительных норм ВСН-490-87, не учитывая местных грунтовых условий, можно спровоцировать чрезвычайные ситуации на этих объектах. Таким образом, сопоставив все особенности результатов исследований, мы определили предельно допустимые расстояния и уровни вибраций на объектах наблюдений.

В заключение отметим, что исследования по прогнозу степени природной и природно-техногенной сейсмической опасности необходимо проводить в несколько этапов, которые увязаны между собой масштабностью исследований: от общего районирования региона до микрорайонирования конкретных объектов и участков, отведенных под строительство.

Литература

Лютоев В. А. Сейсмогенные зоны Республики Коми и микросейсморайонирование города Сыктывкара. Сыктывкар: Геопринт, 2001. 32 с.

Лютоев В. А., Лютоева Н. В. Сейсмоустойчивость грунтов северной части Волго-Уральской антеклизы // Геология и минеральные ресурсы европейского северо-востока России: Материалы XIV Геологического съезда Республики Коми. Сыктывкар, 2004. Т. 2. С. 29—31.

К. г.-м. н. В. А. Лютоев