Содержание к диссертации
Введение
1 Геолого-географическое положение района исследования 9
2 Обзор методик обследования городских территорий -основания сооружений и сейсмическое микрорайонирование 17
2.1. Сейсмическое микрорайонирование в асейсмичных районах 17
2.2. Строительные нормативы для параметров оснований и динамики сооружении
2.2.1 Воздействие ветра на здания и сооружения 25
2.2.1.1 Нормативное значение средней составляющей ветровой нагрузки 26
2.2.1.2 Нормативное значение пульсационной составляющей ветровой нагрузки 29
2.2.1.3 Расчет пульсационной составляющей ветрового давления наздание 33
2.2.2 Допустимые ускорения колебаний здания 35
2.2.3 Собственные колебания зданий и сооружений 36
2.2.4 Основные требования к основаниям сооружений 38
2.3 Современные представления о техногенных сейсмических колебаниях,
41
присутствующих на территориях городов
2.4 Основные требования к современной методике, пригодной для исследования
53 строения геологической среды и конструктивной целостности сооружении .
3 Аппаратура для сейсмических исследований строения геологической среды и конструктивной целостности сооружений 56
3.1 Требования к аппаратуре для обследования инженерных сооружений и территории
3.2 Выбор типов регистрирующих датчиков 58
3.3 Полевая цифровая портативная баро-сейсмическая станция 59
3.3.1 Параметры интерфейсного блока в последней модели станции 60
3.3.2 Блок микробарографа 62
4 Методика наблюдений и обработка материалов 63
4.1 Способы выделения слабых гармонических сигналов из микросейсм 63
4.2 Об использовании амплитудно-модулированных сейсмических сигналов для просвечивания среды
4.3 Методика выбора пространственно-временной схемы наблюдений для зданий и территории
4.3.1 Подбор интервала времени регистрации 75
4.3.2 Настройка сейсмической регистрации 77
4.4 Схема обработки экспериментального материала 80
4.4.1 Методика обработки сейсмограмм 80
4.4.2 Схема обработки 82
4.4.3 Увязка результатов наблюдений в разных точках (калибровочная кривая) 83
5 Результаты исследований на территории г. архангельска и я7 архангельской области
5.1 Выбор мест посадки сейсмических станций 89
5.2 Обследование гражданских и промышленных сооружений различных типов 95
5.3 Обследование аварийных зданий 106
5.3.1 Исследование разрушенного здания 106
5.3.2 Архитектурный памятник Соловецкого монастыря 110
5.4 О взаимодействии зданий друг с другом 120
5.5 Использование ветровых колебаний сооружения для определения физических
свойств грунтов
5.5.1 Мониторинг колебания здания 124
5.5.2 Обследование зданий, находящихся на одинаковых грунтах 125
5.5.3 Обследование зданий, находящихся в разных грунтовых условиях 127
5.6 Ветровые колебания сооружений в задачах геодинамических исследований . 129
5.6.1 Картирование разрывного нарушения 129
5.6.2 Обследование площадки для возведения комплекса высотных зданий 141
5.6.3 Построение карты сейсмического микрорайонирования территории города... 143
Заключение 147
Литература
- Строительные нормативы для параметров оснований и динамики сооружении
- Требования к аппаратуре для обследования инженерных сооружений и территории
- Методика выбора пространственно-временной схемы наблюдений для зданий и территории
- Архитектурный памятник Соловецкого монастыря
Введение к работе
Актуальность темы. Земная кора и особенно ее континентальная часть в последние полвека в связи с бурным развитием цивилизации, ростом населения и крупных мегаполисов находится под воздействием слабых, но постоянно присутствующих механических вибраций, производимых при работе разнообразных промышленных агрегатов, средств транспорта и прочих устройств, созданных человеком. Одним из широко распространенных источников техногенных колебаний являются здания и инженерные сооружения, возбуждаемые воздействием ветровых пульсаций и передающие сейсмические сигналы в грунт. Это создает предпосылки для включения сигналов данного типа в круг невзрывных источников сейсмических колебаний для исследования геологической среды. Учитывая, что такой способ получения сигналов является бесплатным, использовать его заманчиво. При этом необходима постановка детальных исследований свойств этих сигналов для разработки экспериментальных методик. Эта актуальная задача отражает практическую сторону проблемы.
Не менее актуально изучение техногенных сейсмических сигналов с фундаментальной точки зрения - как ее факторов, постоянно воздействующих на породы земной коры в связи с неуклонным ростом урбанизации и технического оснащения производств. К настоящему времени накоплен достаточно убедительный набор данных о процессах в геологической среде и в конструкциях сооружений, провоцируемых техногенным воздействием, в том числе вибрационным. Первым шагом является изучение параметров вибраций. Не менее интересна возможность отслеживать с их помощью процессы в геологической среде. Постановка таких исследований важна для решения экологических проблем и обеспечения безопасности функционирования промышленных объектов, городов, транспортных путей и пр.
Ключевым полигоном для изучения техногенных вибраций, в особенности ветровой динамики инженерных сооружений, выбрана территория г. Архангельска по следующим соображениям. Во-первых, городская среда Архангельска представляет собой достаточно сложную (но не перенасыщенную, как в Москве) динамическую систему, элементами которой являются все основные объекты антропогенных вибраций. Одновременно присутствует полный набор внешних воздействий: атмосферных, гидросферных и климатических.
Во-вторых, в г. Архангельске значительные площади занимают так называемые слабые грунты, в первую очередь торфяники. Присутствие их в разрезе является объектом особого внимания как геофизиков, так и строителей. Слабые грунты увеличивают сейсмическое воздействие на здания (расчетную балльность). Кроме того, они характеризуются значительным перераспределением напряжений и достаточно быстрым изменением их свойств во времени, что влияет на состояние инженерных объектов - приводит к непрогнозируемым осадкам зданий и сооружений, их кренам и, в конечном итоге, к авариям.
Инструментальный мониторинг состояния зданий выполняется в основном с помощью методик, которые можно разделить на три группы, различающиеся способами получения волновых полей и применяемыми схемами обработки.
Искусственное возбуждение колебаний зданий ударами разной силы по зданию или вне его {Шахраманъян и др., 1999). Основные недостатки связаны с необходимостью создания идентичного воздействующего сигнала для накопления отклика; доступны лишь отдельные части здания.
Воздействие на здание микросейсм и их регистрация на коротких профилях в здании с последующей корреляционной обработкой. Такая методика активно разрабатывается в Сибири {Селезнев и др., 1999). Работы ориентированы на здания и лишь косвенно затрагивают свойства грунтов основания.
Использование в качестве источника собственных колебаний зданий, возбуждаемого постоянно присутствующими пульсациями атмосферного давления. Регистрируются одновременно пульсации давления и ветровые колебания здания. Наблюдения могут вестись в одной точке, в том числе вне здания, это позволяет судить о состоянии здания в целом и изменениях в грунтах основания; детальное обследование здания проводятся в нескольких ключевых точках (Юдахин и др., 2004, Острецов и др., 2004).
Идея таких наблюдений разрабатывалась нами и результаты представлены в диссертационной работе. Основной упор делался на исследование инженерно-сейсмических параметров оснований зданий и городских территорий. Проводились сопоставление прочностных свойств и сейсмическое микрорайонирование с определением приращений балльности и ускорений в долях g. Это очень важно при решении проблем размещения объектов особой важности таких, как атомная теплоэлектростанция (АТЭС), гидроэлектростанция (ГЭС), протяженные газопроводы и др., сопровождаемых задачами выявления разрывных нарушений в верхах земной коры.
Объект исследования: сейсмические поля, создаваемые собственными колебаниями инженерных объектов, здания и инженерные сооружения, грунты основания фундаментов, верхняя часть земной коры, вплоть до подошвы осадочного чехла, разрывные нарушения.
Цель - создание геофизического мобильного, технологичного и экономичного способа для изучения инженерно-сейсмических параметров грунтов на городских территориях и площадках строительства, для обследования конструктивной целостности зданий с применением неразрушающих технологий.
Для достижения поставленной цели было необходимо решить ряд задач:
исследовать параметры ветровых колебаний зданий, используемых для просвечивания среды;
разработать техническое задание на создание специально ориентированной аппаратуры регистрации;
предложить пространственно-временные схемы наблюдений;
разработать способы обработки данных;
провести опробование на тестовых натурных объектах.
Практическая ценность и реализация работы - данная работа имеет, в первую очередь, практическую направленность в области инженерной сейсмологии, экологии и строительства. Представлен технологичный и экономичный способ, применение которого в разных модификациях позволяет оперативно обследовать состояния зданий и картировать грунты городских территорий на любых площадках практически без ограничения применимости и без остановки производства или жизнедеятельности. Существенно, что применение способа позволяет вести рекогносцировку для более детальных работ (например, сейсморазведки) при выявлении разрывных нарушений в осадочном чехле. Работа представляет интерес для наук о Земле, т. к. проводится исследование взаимодействия геосфер планеты - атмосферы и верхней части земной коры. Предлагаемый способ может быть эффективен при проведении оперативного мониторинга состояния грунтов оснований существующих зданий и застроенных городских территорий.
Работа выполнялась в соответствии с планом ФНПР Института экологических проблем Севера УрО РАН (ИЭПС УрО РАН) по теме «Изучение полей напряжений и взаимодействия геосфер по геофизическим и сейсмологическим данным на Европейском Севере», №01.2001.15370.
Научная новизна работы
Предложен новый способ и разработан набор современных технологий для изучения инженерно-сейсмических параметров и конструктивной целостности зданий; способ экономичен и позволяет оперативно получать результаты.
В каждой из составных частей способа предложены новые подходы и оригинальные пути решения:
- использованы ветровые колебания зданий для обследования их целостности и для
просвечивания геологической среды района размещения строительных объектов (изучение
свойств грунтов оснований, сейсмическое микрорайонирование городских территорий и
выявление разрывных нарушений в верхней части земной коры),
предложена схема проведения точечных малоканальных сейсмометрических наблюдений и подбор аппаратурных средств,
проведена обработка и интерпретация данных, в том числе с применением технологий картирования дефектов зданий и особенностей строения геологической среды на основании
динамических характеристик волновых полей, создаваемых колебаниями зданий под действием ветра.
Обоснованность результатов - определяется использованием калиброванной аппаратуры, подтверждается статистическим анализом и повторяемостью результатов и их согласованностью с данными других методик.
Защищаемые положения:
1. Собственные колебания зданий и сооружений, возбуждаемые ветровым воздействием,
доступны для сейсмометрических наблюдений и составляют основу нового инструментального
способа оценки и мониторинга инженерно-сейсмических параметров грунтов и конструктивной
целостности объектов, пригодного для широкого класса объектов, не нарушающего городской
среды и деятельности производственных и жилых объектов.
2. Реализация способа обеспечивается новым типом полевой аппаратуры,
осуществляющей одновременную запись вариаций атмосферного давления микробарографом и
трехкомпонентную регистрацию микросейсм в точке наблюдений. Разработан и опробован
аппаратурно-программный комплекс, включающий цифровую портативную
высокочувствительную баро-сейсмическую станцию и алгоритмы оперативной обработки
данных, основанные на анализе динамических характеристик волновых полей ветровых
колебаний.
3. Способ, использующий ветровые колебания, включает ряд технологий проведения
натурных наблюдений, ориентированных на обследования зданий и на получение инженерно-
сейсмических параметров территорий. Отличительной особенностью схем наблюдения являются
точечные измерения, производимые в течение нескольких часов с последовательным
перемещением по объекту. Разработаны и опробованы технологии:
оценки состояния жилых и общественных сооружений, архитектурных памятников и аварийных зданий,
сейсмического микрорайонирования на примере центральной части г. Архангельска,
выявления разрывного нарушения в верхней части земной коры Беломорско-Двинского сейсмоактивного района Архангельской обл.,
- проведения инженерно-сейсмической рекогносцировки для размещения
сейсмологических станций Архангельской сети.
Апробация. Представленная работа, в основном, экспериментальная, материалы получены автором лично и в соавторстве. Ее новизна закреплена патентом «Способ оценки и выбора участков территории для возведения сооружений различного назначения», RU 2242033 С1, приоритет 12.02.2004. Результаты работы были опубликованы в 35 статьях и лично доложены на конференциях: Молодежная международная конференция «Экология 2003», г. Архангельск, 2003 г.; Международная конференция «Опыт строительства и реконструкции зданий и сооружений на слабых грунтах», г. Архангельск, 2003 г.; Международная конференция «Строение, живая тектоника и дислокации платформ и их горно-складчатых обрамлений», г. Москва, 2003 г.; V Уральская молодежная научная школа по геофизике, г. Екатеринбург, 2004 г.; VII Сергеевские чтения, Москва, 2004 г.; VII Геофизические чтения имени В.В. Федынского, Москва, 2005 г.; VI Уральская молодежная научная школа по геофизике, Пермь, 2005 г.; XI Международная конференция «Строение, геодинамика и минерагенетические процессы в литосфере», г. Сыктывкар, 2005 г.; VII Уральская молодежная научная школа по геофизике, Екатеринбург, 2006 г.
Структура работы: введение, 5 глав, 96 рисунков, 15 таблиц, заключение, 3 приложения. Объем работы 170 страниц, библиография включает 173 наименования.
Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю члену-корреспонденту РАН, доктору геолого-минералогических наук, профессору Феликсу Николаевичу Юдахину. Особую признательность автор адресует доктору физико-математических наук Наталии Константиновне Капустян за научные консультации. За творческое общение и дискуссии по отдельным вопросам автор признателен академику РАН В.В. Адушкину, д.г.-м.н. В.И. Макарову, д.г.-м.н. Ю.К. Щукину, д.г.-м.н. И.В. Ананьину, сотрудникам ЦНИИЭП жилых и общественных зданий, сотрудникам Института экологических проблем Севера УрО РАН
Е.В. Шаховой, Б.Г. Басакину и И.Л. Ивановой, сотрудникам Соловецкого музея Л.А. Петровской и А.Н. Соболеву. Автор благодарен директору Института д.г-м.н. Ю.Г. Кутинову за критические замечания, способствующие усилению аргументации сделанных выводов. За совместную работу и всестороннюю помощь автор благодарит к.т.н. А.И. Мошкунова, Ф.Ш. Исламнурова и К.А. Мошкунова.
Строительные нормативы для параметров оснований и динамики сооружении
Сейсмическое микрорайонирование (СМР) - методика, нацеленная на определение интенсивности сотрясений (ускорений) для реальных грунтовых и локальных условий площадки строительства, выделение зон усиления, либо ослабления интенсивности сотрясений, установленных для грунтов II категории [126]. В основу сейсмического микрорайонирования положен принцип комплексирования инженерно-геологических, инструментальных и расчетных методов. Конечным результатом сейсмического микрорайонирования является разработка крупномасштабных карт (схем) масштаба 1:10000 - 1:2000 [117], позволяющих оценивать инженерно-сейсмические условия территории и обеспечивать повышение безопасности проектирования и строительства [103]. Состав и объем отдельных видов работ, необходимых для построения итоговых карт (схем), определяются величиной исходной (фоновой) сейсмичности района, сложностью инженерно-геологических и сейсмотектонических условий территории.
К середине 70-х гг. XX в. существующие способы сейсмического микрорайонирования условно подразделили на три основные группы [48]: - метод теоретических сейсмограмм, - метод сейсмических жесткостей, - метод амплитудно-частотных характеристик.
Разрушительный эффект землетрясения и соответствующий спектр реакции зависит от физико-механических свойств грунтов, мощности отдельных слоев и их конфигурации. В методе теоретических сейсмограмм использование акселерограмм реальных землетрясений позволяет получать теоретические акселерограммы для любой точки среды [82], используя данные о кинематических и динамических характеристиках грунтовой толщи. Существенным недостатком метода является ограниченность банка записей данных сильных землетрясений.
Способ акустических жесткостей нашел большое распространение из-за простоты применения. Измерения проводились вначале на продольных волнах, а в дальнейшем - на поперечных [42]. В способе не учитывается так называемая «частотная избирательность» грунтов [140, 170]. В связи с этим было предложено соотношение, в котором учитывались преобладающие частоты колебаний [78]. Измерения амплитудно-частотных характеристик колебаний грунтов, возбуждаемых землетрясениями, взрывами и микросейсмами позволяют непосредственно учитывать возможное изменение амплитуд в соответствующей области частот спектра. Несмотря на большой объем работ, проведенных с использованием микросейсм, их применение все еще носит вспомогательный характер [27, 109]. Анализ сейсмограмм слабых землетрясений и взрывов, записанных на участках с различными грунтовыми условиями, позволяет более четко выделять преобладающие периоды, уверенно определять отношение амплитуд на рыхлых и скальных грунтах [9, 28, 140, 141]. В настоящее время при проведении сейсмического микрорайонирования широко используется метод регистрации слабых землетрясений в различных инженерно-геологических условиях. При этом принимается гипотеза о том, что закономерности, полученные при слабых воздействиях, можно экстраполировать на более сильные. Однако в мировой сейсмологической практике недостаточно проработан вопрос о методах перехода от слабых колебаний к сильным землетрясениям.
Отмеченные способы, особенно в районах со слабой сейсмичностью или асейсмичных районах, требуют большого времени на получение представительного материала. В связи с этим в асейсмичных районах развиваются косвенные приемы сейсмического микрорайонирования: сейсмических жесткостей, высокочастотных микросейсм, сейсмогеологических аналогий и т. п. [70]. В таких случаях в качестве источников сейсмических волн широко используются специальные геофизические или промышленные взрывы, как, например, в работе [29].
Для возбуждения колебаний, распространяющихся в грунтовой толще, применяются искусственные источники двух основных видов: взрывные и невзрывные.
Взрывные источники. Несмотря на большое распространение в научных и прикладных исследованиях взрывных источников [7, 8, 18, 98, 99, 107, 131], необходимо отметить, что энергия, затрачиваемая на формирование упругих сейсмических волн, составляет всего лишь 3-5% от общей энергии взрыва [75]. В то же время производство взрывов предполагает необходимость бурения скважин, специальных мер по безопасности, природоохранных мероприятий и т. д. Но самое главное, проведение даже относительно слабых взрывов на территории городов и населенных пунктов сталкивается со значительными трудностями, а производство сильных в окрестности городов - практически невозможно. В связи с этим при решении различного рода задач инженерной сейсмологии широко распространено применение невзрывных источников колебаний.
Невзрывные источники сейсмических колебаний подразделяются по типу сигналов, излучаемых в среду, на две основные группы: импульсные и вибрационные. Импульсные осуществляют кратковременные воздействия (5-20 мс), вибрационные реализуют продолжительную нагрузку на грунтовую толщу с силой, изменяющейся по гармоническому закону, с постоянной или плавно меняющейся частотой.
Ранее во многих работах в качестве невзрывных источников использовали установку типа «падающий груз» [46, 47, 75, 87, 93], удары кувалды [87], копер вертикального и горизонтального действия [111], для возбуждения поперечных сейсмических волн применялась «пушка», как горизонтального, так и вертикального действия [168, 169]. В настоящее время промышленностью освоен выпуск следующих типов невзрывных источников: механические, электродинамические, газодинамические, вибрационные, виброимпульсные сточники, которые использовались в многочисленных работах [3, 30, 74, 76,138].
Требования к аппаратуре для обследования инженерных сооружений и территории
Ветровые колебания зданий и сооружений на собственных частотах обладают следующими свойствами: - значения собственных частот зданий или сооружений определяются материалом, объемно-пространственным решением надземной части, типом фундаментов, свойствами грунтов основания [134]. Для зданий достаточно простой формы существует оценка частоты f = k/n, Гц, где п - количество этажей, к - коэффициент; к принимает значения от 10 до 18 в зависимости от количества этажей (для высотных железобетонных зданий к = 18), для малоэтажной застройки оценка непригодна. - каждое из значений частот характеризуется высокой стабильностью (вариации частоты менее 1%). Это определяется конструктивным решением здания и может меняться только при значительных изменениях - например, в процессе строительства, - фактическая дальность регистрации собственных колебаний сооружений достигла 15 км без применения специальных мер (фильтрации, группирования и пр.) [97,152], - гармонический сигнал на собственных частотах колебаний сооружений характеризуется амплитудой, существенно меняющейся во времени. Это связано с действиями порывов ветра. Амплитудная модуляция гармонических сейсмических сигналов, излучаемых при собственных колебаниях сооружений вследствие ветра, в сейсмических исследованиях может использоваться двояко. Во-первых, устанавливая контрольную точку регистрации вблизи излучателя, можно проводить сверку этого сигнала с записями в разных точках площадки, т. е. получать аналог сейсмического просвечивания с вибраторами. Во-вторых, можно пойти более простым путем - вести наблюдения одновременно (или почти одновременно) в двух точках в течение нескольких часов и затем строить распределения амплитуд сигналов. Как правило получаются очень «добротные» нормальные распределения, что связано с фундаментальными свойствами ветровых пульсаций (см. спектр Ван дер Ховена в [113]). По распределениям строят оценки медианных значений, которые можно использовать как характеристики амплитуд сейсмических сигналов в точках (детально рассмотрено в главе 5).
Временные изменения в среде, и особенно в верхней части разреза, «облучаемой» техногенными источниками, могут проявляться во временных изменениях нелинейных характеристик сейсмических волновых полей. Это отражается в появлении «мерцающих» по времени зон нелинейности - одних из наиболее тензочувствительных параметров среды [91]. При наблюдении нелинейных свойств среды одним из наиболее четких признаков, в том числе позволяющих дать количественную оценку, является появление кратных и разностных гармоник основного сигнала. Для таких исследований наиболее подходят монохроматические или свип-сигналы [138]. Набор гармонических сигналов присутствует не только на промышленных площадках, но и в их окрестности, причем источники действуют достаточно долговременно, и на одной площадке может быть несколько разнесенных по площади источников с разными частотами. Именно такая ситуация искусственно создавалась в экспериментах по изучению нелинейности среды [24, 123 и др.]. В работе [67] показано преимущество в чувствительности к изменениям свойств среды монохроматических источников.
Приведенный обзор техногенных сигналов, излучаемых в среду, показывает их разнообразие как по механизмам действия, так и по частотному составу. Кроме того, использование техногенных источников существенно упрощает и удешевляет работы, т. к. их излучение не требует затрат и длится непрерывно. При постановке наблюдений с техногенными источниками необходимо детальное изучение характеристик посылаемого в среду сигнала.
Свойства сейсмических техногенных шумов следующие: - абсолютный уровень и временные вариации микросейсм площадок промышленных объектов определяются в первую очередь характером деятельности; - в спектре присутствуют максимумы, связанные с работой конкретных устройств, техногенные источники могут давать широкополосный сигнал, монохроматический или набор тонких линий; - источники сигналов, в том числе с тонкими линиями, могут быть разнесены по площади; - на конкретной площадке в спектре микросейсм можно выделить полосы частот с относительно низким уровнем помех, в этих «окнах» предпочтительно наблюдение внешнего зондирующего источника при работах по сейсмическому просвечиванию среды; - на промышленной площадке, «работающей» в стационарном режиме, и в ее окрестности всегда можно найти «собственный» источник для мониторинга, причем его стабильность во времени обеспечивает возможность следить за слабыми изменениями напряженно-деформированного состояния, в частности приливами.
Подводя итоги приведенным выше натурным примерам воздействия техногенных механических источников, обратим внимание на следующее. Земная кора постоянно находится под воздействием слабых механических вибраций, которые различаются по длительности производимого воздействия и в которых имеют место «разрастание» [57]. При длительных, но цикличных воздействиях возможна обратимость процессов, к примеру, изменение сейсмичности всегда наблюдалось при сбросе воды Нурекской ГЭС [61, 62]; при постоянных воздействиях имеет место необратимый эффект - среда полностью перестраивается. Как отмечено в работе [20], на виброполигоне «Узнож» уверенно различались участки по физическим полям, где вибратор работал длительно, эпизодически и не работал вовсе. Отмечается также следующее явление: то, что при малых временах является необратимым, на больших интервалах времени обнаруживает восстанавливающие свойства, что проявляется в «залечивании» дефектов среды [121].
Таким образом, техногенные колебания различной природы вносят существенный вклад в микросейсмический фон городов. Стабильность динамических характеристик техногенных источников, позволяет использовать их в качестве генераторов сейсмических колебаний и решать различные инженерно-сейсмометрические задачи.
Методика выбора пространственно-временной схемы наблюдений для зданий и территории
Рассмотрим пример настройки сейсмической регистрации в одном из пунктов наблюдения при рекогносцировочных исследованиях геологической среды на предмет нарушений в ней (рисунок 4.11) путем просвечивания сейсмического сигнала создаваемым инженерным сооружением. В данном случае системой портальных кранов. Видно, что компоненты подобны (розовая кривая - компонента N-S, желтая кривая - E-W и зеленая - Z, синяя - барограф), микросейсмы имеют широкополосный вид. На спектрах мощности пик на частоте 5,4 Гц (собственная частота системы портальных кранов) выделен не ярко, поэтому для достаточно точного его выявления необходимо увеличить время регистрации. Запись может быть «испорчена» разнообразными техногенными помехами: работа транспорта, шаги людей и т. д., поэтому, с учетом всего вышесказанного, время регистрации принято 60 мин. Но главной задачей оператора является подбор усилений и проведение регистрации при минимальных техногенных помехах.
На рисунке 4.12 показана характерная выборка при исследовании зданий (последний этаж или крыша), где синяя кривая - это запись барографа. Видно, что колебания в горизонтальной плоскости (кривые розового (вкрест зданию) и желтого (вдоль здания) цветов) существенно больше по амплитуде, чем в вертикальном (зеленая кривая) направлении, причем горизонтальные кривые также неодинаковы по амплитуде. В данном случае, это говорит о большем воздействии ветра в направлении вкрест зданию. На записи проявляются «трески», причиной которого является человеческий фактор - хлопанье дверьми, шаги, работа лифта и т.д., но таких «помех» немного. Спектр мощности для данной выборки показывает устойчивое присутствие определенного набора пиков. Пик в области низких частот - это собственная частота обследуемого объекта, которая находится почти на границе АЧХ маятника, поэтому для получения хорошего разрешения по частоте, необходимо увеличить длительность регистрации. В данном случае регистрация длиться 30 мин, что является достаточным для получения полной информации об объекте в данной точке. При сильных техногенных помехах время регистрации увеличивается. 4.4 Схема обработки экспериментального материала 4.4.1 Методика обработки сейсмограмм
В соответствии с полученным нами патентом [155], при обработке сейсмограмм в качестве одного из компонентов микросейсм выделяют собственные колебания выступающих в рельефе объектов (природных или техногенных), создаваемые вследствие атмосферных пульсаций. Для этого производят расчеты спектров записей микросейсм и выделяют резонансные частоты колебаний. Расчеты спектров ведут, применяя быстрое преобразование Фурье во временном окне г, подбирая длительность временного окна таким образом, чтобы резонансный максимум превышал подставку спектра в несколько раз (см. пункт 4.1). Выделение резонансных максимумов может показать, что в микросейсмическом сигнале присутствует несколько максимумов. Для дальнейшей обработки оставляют лишь те, для которых частота / отличается от значений f = FJN, где N - целое число, a F3 среднее значение частоты электрической сети, в России F3 =50 Л/ [14, 158]. Это требование исключает из рассмотрения механические колебания, создаваемые электрическими машинами, т.к. они создают сейсмические сигналы с плавающей по времени частотой, определяемой флуктуациями частоты электрической сети. Пространственное распределение амплитуд для сигналов с плавающей частотой будет давать смазанную картину, в которой могут быть пропущены искомые участки пониженной прочности исследуемой среды. Собственные ветровые колебания объектов характеризуются постоянным значением частоты.
Для каждого из резонансных максимумов, принятых к обработке, выполняется описанная ниже процедура. Для резонансного максимума и соответствующего окна т проводится цифровая фильтрация сейсмограмм для каждой из компонент X, Y, Z узкополосным фильтром с центральной частотой, равной найденной резонансной частоте максимума, и шириной фильтра А/: А/ = 1 / г
Для полученных в результате фильтрации записей по компонентам X, Y, Z проводится поляризационный анализ, в результате чего определяется тип сейсмических регистрируемых собственных колебаний: продольных, поперечных или поверхностных. В зависимости от типа волн для наиболее представительной компоненты (как правило, Z в задачах обследования территорий или горизонтальных для зданий) определяют среднее значение амплитуды для каждой точки измерения путем расчета стандартного отклонения отфильтрованной записи. Полученное значение принимают за значение амплитуды для данной точки измерения в пространственной сетке. Совокупность значений может быть представлена в виде таблицы.
Обследование инженерных сооружений
1. По полученной таблице значений амплитуд в каждой точке для выбранной частоты строят карту распределения значений амплитуд в теле сооружения [161].
2. Производя выделение пиков в спектре микросейсм можно определить амплитуды колебаний на собственных частотах исследуемого объекта. Интересным представляется определение амплитуд колебаний по трем координатным осям в точке наблюдений (N-S, E-W, Z) - это позволяет восстановить характер движения точки здания. Сравнение движений в разных точках позволяет судить о напряженно-деформированном состоянии сооружения, причем резкая смена характера движения может указывать на нарушения в материале, в том числе трещины [11, 13] (см. раздел 5.3). Сопоставление картин, полученных для разных значений собственных частот - основного тона и более высокочастотных гармоник первого и высших тонов, показывает подразделение сооружения на блоки разного размера, что важно для определения размеров трещин и их проникновения вглубь сооружения.
Обследование геологической среды
Используя таблицу с результатами сейсмометрической регистрации в соседних точках, производят объединение данных в единую систему, рассчитывая отношение амплитуд при двух замерах к амплитуде в общей для них точке. По совокупности средних значений амплитуд колебаний на резонансной частоте проводят анализ полученного пространственного распределения амплитуд. При этом в соответствии с типом волн, определенным ранее, из полученного пространственного распределения вычитают составляющую, характерную для закона изменения амплитуды с расстоянием для волн данного типа. Для объемных волн (продольных или поперечных) распределение амплитуд для модели однородного слоя будет иметь тренд ослабления амплитуд, пропорциональный
MR, для поверхностных - \I-JR , где R - расстояние от источника или от границы площадки, R изменяется от 0 до L, где L - наибольший из размеров участка обследуемой территории [155].
Архитектурный памятник Соловецкого монастыря
Для каждого направления сравниваются пары: СМ-3 и КМВ. Также приведено сопоставление спектров записей СМ-3 в сходных условиях, но в разных точках - в Святительском корпусе и в Белой башне. Можно отметить следующее [50]: частотные характеристики сейсмометров СМ-3 и КМВ различаются достаточно сильно, что требует для их сопоставления пересчета спектров с учетом амплитудно-частотных характеристик соответствующих сейсмометров, на спектрах микросейсм присутствуют узкополосные пики. Эти пики не являются аппаратурными помехами: для СМ-3 пики на одних и тех же частотах наблюдаются в разных точках монастыря, их уровень зависит от местоположения точки. Для КМВ с иной чувствительностью, чем СМ-3, пиков в Святительском корпусе не видно или они не намного выделяются над общим фоном.
В соответствии с предложенной методикой проведения обследования (пункт 4.4.1) в 2004 г. был выявлен ряд нарушений (трещин) в теле Белой башни [13, 151]. В процессе обработки полевого материала возник ряд вопросов, связанных с причиной возникновения трещин и динамикой их развития. В связи с этим в 2005 г. были проведены повторные измерения с расширенной частотной полосой регистрации и дополнительные наблюдения, составившие основу мониторинга выбранного объекта.
На рисунке 5.24 приведены спектры мощности микросейсм для верхнего яруса, сравниваются данные 2004-2005 гг. Видно, что пики, соответствующие основному тону собственных колебаний башни и более высоким гармоникам, не совпадают.
В 2004 г. были получены следующие значения собственных частот: 8,9; 17,6; 26,7 Гц, а в 2005 г. - 9,4; 18,8; 28,2 Гц, т. е. при мониторинге наблюдается значительный сдвиг собственных частот. Рассмотрим ситуацию подробнее. Существенно, что в 2005 г. в спектрах присутствует еще один яркий пик на частоте 6,27 Гц, который в 2004 г. не входил в полосу регистрации. Данный пик наблюдается при исследовании других архитектурных объектов, таких как Колокольня и Никольская церковь и даже за стенами монастыря, т. е. он не является гармоникой собственных колебаний Белой башни [14].
Следует отметить, что в сейсмике в низкочастотной области наблюдается серия пиков fN в интервале частот от 1 до 6,5 Гц: 2,08; 2,78; 3,13; 3,33 Гц [4, 101, 163, 164]. Важным признаком, указывающим на природу пиков является соотношение / N =50/ N, Гц (N -целое число), т. е. это вибрации при работе электрическиaх машин. На более высоких частотах пики в спектрах микросеисм соответствуют кратным гармоникам основного тона сигнала или связаны с электрическими машинами местного радиуса действия [101; 163,164]. Значение 6,27 Гц 50 Гц 18 и кратно 18,8 Гц (6,27 Гц х 3 = 1 %,% Гц). В нашем случае вблизи монастыря расположена местная электростанция, т.е. отмеченные частоты могут быть как от независимого источника, так и кратным гармоникам более высокого порядка.
Сопоставив значения частот, отмечаем, что вторая гармоника собственных колебаний башни 18,8 Гц в 2005 г. совпадает со значением для вибрации, наведенной от внешнего источника (электростанция) (рисунок 5.25). Отметим, что сдвиги собственных частот за время мониторинга 2004-05 гг. составляют: для первой гармоники 0,5 Гц, для второй - в два раза больший, т.е. 1 Гц.
Таким образом, данный сдвиг не связан с аппаратурой регистрации, а определяется динамикой состояния сооружения. Сравним траектории движения башни в разных точках и на разных значениях собственных частот за 2004 и 2005 годы. На рисунке 5.26 построены для каждой точки и каждой частоты диаграммы-ромбы (аналог траекторий движения), в которых по горизонтали отложены амплитуды собственных колебаний в направлении север-юг (N-S), по вертикали -в направлении восток-запад (E-W). Отчетливо видны следующие особенности [14]: - смена направлений колебаний, отмеченных в 2004 г. совпала с таковыми в 2005 г., - на низкой частоте (основного тона) в 2004 г. башня вела себя как единое целое, спустя год в разных точках можно выделить резкую смену преимущественного направления колебаний, что указывает на потерю целостности. - характер смены типов траекторий следующий: в т. а колебания имеют сильный размах, затем в т. Ъ происходит резкая смена направления и уменьшение размаха колебаний. В т. с направления колебаний подобны т. а, но с меньшим размахом, колебания приобретают линейный вид преимущественно субмеридионального направления. От т. с к т. d снова происходит смена направления колебаний, причем в т. d они значительно усилены, затем от т. d к т. а снова происходит смена направления колебаний. Можно сделать вывод, что башня в целом испытывает сжатие в субмеридиональном направлении. для второго тона так же, как и для основного тона, наблюдается резкая смена направления колебаний (от т. с к i.d и от i.d к т.о), но они имеют небольшой размах, за исключением т. с. При сравнении с результатами 2004 г. заметна резкая смена направлений колебаний в точках а, Ъ и с. для третьего тона картина аналогична основной гармонике, но колебания в т. а и d значительно уменьшились, в т. Ъ приобрели линейный вид и сильный размах в субширотном направлении. При сравнении с данными за 2004 г. резкая смена направлений колебаний произошла в т. с.
Результаты 2004 г. показали, что конструктивная целостность башни не нарушена (по основному тону колебаний), трещины соответствуют разрушениям в отдельных частях, наиболее ослабленное место (по второй и третьей гармонике) - вблизи т. Ъ (рисунок 5.26). В 2005 г. наличие нарушений проявляется уже на основной частоте. Совокупность фактов дает возможность предположить, что трещины имеют тенденцию к развитию, причем вблизи т. Ъ находятся самые значительные повреждения Белой башни.
На рисунке 5.27 показаны план-схема башни с нанесенным возможным местоположением трещин по результатам сейсмометрического обследования и фотографии этих мест, на которых трещины просматриваются достаточно уверенно. Таким образом, выявленные особенности колебаний получают независимое подтверждение.
