Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ исходных геолого-геофизических и сейсмологических материалов 10
1.1. Сейсмичность и сейсмотектоническая ситуация исследуемого региона 10
1.2. Инженерно-геологические и мерзлотные условия 18
Глава 2. Выбор методов и обоснование методики изучения инженерно-сейсмологических характеристик грунтов основания линейного сооружения 27
2.1. Особенности разрушения линейных сооружений при сильных землетрясениях 28
2.2. Обоснование методов районирования сейсмической опасности для грунтов основания линейного сооружения 34
Глава 3. Разработка методики районирования сейсмической опасности протяженных трасс линейных сооружений по сейсмо-грунтовым моделям для их естественного состояния 50
3.1. Обоснование необходимых этапов исследований для районирования сейсмической опасности линейных сооружений по сейсмо-грунтовым моделям 52
3.1.1. Сейсмогеологические, инженерно-геологические и мерзлотные данные района строительства нефтепровода 52
3.1.2. Сейсмические свойства основных типов грунтов исследуемой территории 58
3.1.3. Расчет набора параметров сейсмических воздействий на случай сильных землетрясений для построенных моделей 65
3.2. Районирование сейсмической опасности строительства нефтепровода на севере оз. Байкал по сейсмо-грунтовым моделям, для их естественного состояния 84
3.3. Изучение зон тектонических нарушений при помощи геофизических методов 100
Глава. 4. Прогноз сейсмических воздействий оснований линейных сооружений с учетом деградации мерзлоты (на примере района Южной Якутии) 105
4.1. Сейсмогеологические и мерзлотные данные участка линейного сооружения 106
4.2. Синтез исходного сигнала при использовании местных землетрясений 110
4.3. Основы и примеры прогноза сейсмических воздействий линейных сооружений при деградации мерзлоты 119
4.3.1. Основы методики прогноза сейсмических воздействий линейных сооружений при деградации мерзлоты 119
4.3.2. Примеры прогноза сейсмических воздействий линейных сооружений при деградации мерзлоты 132
Заключение 148
Литература 154
- Инженерно-геологические и мерзлотные условия
- Сейсмогеологические, инженерно-геологические и мерзлотные данные района строительства нефтепровода
- Районирование сейсмической опасности строительства нефтепровода на севере оз. Байкал по сейсмо-грунтовым моделям, для их естественного состояния
- Примеры прогноза сейсмических воздействий линейных сооружений при деградации мерзлоты
Инженерно-геологические и мерзлотные условия
Исследуемая территория характеризуется широким распространением многолетней мерзлоты и разными по сложности грунтовыми условиями и включает практически все геолого-генетические комплексы Сибири и Дальнего Востока, которые необходимо учитывать при районировании сейсмической опасности планируемых и строящихся линейных сооружений.
Наличие многолетнемерзлых грунтов и высокого уровня сейсмической активности предопределило необходимость учитывать особенности распространения мерзлоты.
Основные пространственные параметры криолитозоны - развитие в плане, температурный режим и мощность - были получены при проведении самых разнообразных геолого-геофизических работ на исследуемой территории, включая специализированные геокриологические исследования, что позволило выявить основные закономерности распространения многолетнемерзлых пород [Геокриологические условия ..., 1966; Комплект..., 1982].
Наличие многолетней мерзлоты определяется высокой климатической зональностью, пространственным взаиморасположением горных хребтов, впадин и крутизной их склонов. Согласно данным геокриологических исследований на исследуемой территории в большей степени распространены зоны сплошного, прерывистого и массивно-островного распространения многолетнемерзлых пород (ММП).
Среднегодовая температура мерзлых грунтов колеблется в пределах от -11 до-3 С. (Рис. 1.4).
Наибольшее распространение сплошного типа развития мерзлоты отмечается в пределах горных сооружений (хр. Удокан, Кодар). Мощность многолетнемерзлых образований колеблется в пределах 550 - 900 м, а их подошва залегает в пределах абсолютных отметок 1100 - 1350 м. Высокая плотность скальных пород предопределяет их незначительную льдистость и только в зонах повышенной трещиноватости и тектонической раздробленности она повышается до появления ледяных жил и брекчий с ледяным цементом.
Залегание подошвы многолетнемерзлых пород в высокогорной части хребтов на абсолютных отметках до 1350 м приводит к тому, что наиболее глубоко врезанные долины вскрывают ее, и развитая сеть таликовых зон придает мерзлой зоне блоковый характер, когда крупные массивы многолетней мерзлоты отделены друг от друга узкими «желобами» и «щелями» таликов. Сквозные таликовые зоны документируются в долинах рек большинства горных сооружений исследуемой территории (Чара, Сакукан, Наминга, Кемен, Талакан Читканда и др.).
Подобная картина наблюдается только для высокогорной альпинотипной части хребтов. В пределах гольцового высокогорья подошва многолетнемерзлых пород плавно повторяет характер поверхности, поднимаясь под массивами и опускаясь под долинами, а таликовые зоны под руслами водотоков зачастую являются несквозными.
Распространение криолитозоны в структурах межгорных впадин и крупных грабен-долинах характеризуется широким диапазоном мощностей ММП, температурного режима и типа развития мерзлоты. Наибольшая мощность ММП отмечена в пределах Верхнеангарской и Чарской впадин. Здесь, при температуре от -3 до -5С, мощность мерзлых грунтов достигает 500м и более.
Крупные таликовые зоны сквозного типа приурочены к бассейнам крупных рек, заполненных рыхлым обломочным материалом с высокими фильтрационными характеристиками. Коэффициенты фильтрации здесь достигают первых сотен м/сут. и этот факт обеспечивает талое состояние отложений. Таликовые зоны заходят по долинам рек в пределы горных сооружений.
Широкое площадное распространение в пределах исследуемой территории имеет островной тип развития криолитозоны. Температурный режим в пределах от -2 до -0,5С и размывание границ сезонного протаивания и промерзания - это основные характеристики мерзлотных условий плоскогорных участков с низкими абсолютными отметками.
Современные физико-геологические процессы и явления рассматриваемого региона представлены в широком диапазоне гравитационных комплексов (обвалы, осыпи, лавины, курумы) и структур, связанных с многолетнемерзлыми породами: термокарст, бугры пучения, заболоченность, наледеобразование.
На горных участках развиты гравитационные процессы с накоплением у подножья крутых склонов крупнообломочного материала в виде коллювиальных и делювиальных разностей.
Наибольшее распространение по трассе имеют осыпи, образующиеся в верхних частях крутых склонов (30 - 60). Размеры конусов осыпей в пределах линейных сооружений достигают нескольких сотен метров. Обвалы, образующиеся на скальных склонах с крутизной более 40, отличаются более крупным составом материала.
По составу материала преобладают глыбовые, крупнообломочные осыпи, с размером обломков от нескольких сантиметров до 1,5м, обвальные массы включают фрагменты скальных грунтов более крупных размеров. Петрографический состав обломочного материала представлен преимущественно породами интрузивного и метаморфического комплексов. Осыпи в большинстве своем относительно неподвижные, с ограниченным поступлением нового материала. Единовременное развитие гравитационных процессов происходит при сейсмических событиях на склонах более 10 и при сходе лавин и активизации процессов, связанных с избытком влаги в структуре отложений (атмосферные осадки, оттаивание мерзлых грунтов).
Особую сложность при строительстве линейных сооружений представляют образования в виде каменных «морей» и «рек», распространенных на значительном протяжении вдоль исследуемой трассы. Они представлены скоплением крупнообломочного материала, по склонам крутизной до 40. На более крутых склонах курумы переходят в осыпи и обвалы. Глыбы, в основном, представлены размером до 1.0 м, но достигают и 2.0 м в поперечнике.
В состав материала входят преимущественно породы интрузивного комплекса и метаморфические породы с наиболее высокими прочностными характеристиками.
Крупные обломки самой разнообразной формы неплотно прилегают друг к другу и между ними образуются пустоты - поры, достигающие значительных размеров не только на поверхности, но и проникающие на значительную глубину вглубь курумов. Отдельные глыбы перемещаются под действием силы тяжести, о чем свидетельствуют следы довольно свежих сколов на обломочном материале. На значительном пространстве курумы залесены и в большинстве своем стабильны.
Наряду с постоянными водотоками (реки и ручьи) на исследуемой территории отмечены кратковременные горные потоки (сели), состоящие из смеси воды и твердого материала и возникающие во время дождей при интенсивном таянии снега и льда. Сели относятся к водно-каменному типу. По руслам переносится обломочный материал размером до 1.5 м и более. Зона затухания или разгрузки, представляет собой конусы выноса селевого материала, подножье которых, в большинстве случаев, выходит в речную сеть и пониженные формы рельефа. Размер обломочного материала в конусах выноса варьируется от 1,5-2.Ом до 0.2 м, мощность отложений конусов изменяется до 10 м.
Сейсмогеологические, инженерно-геологические и мерзлотные данные района строительства нефтепровода
Участок строительства трубопровода протяженностью более 500 км. расположен между р. Сюльбан и р. Усть-Нюкжей (северо-восток Байкальской Рифтовой Зоны). Для этой территории на основе анализа исходных геолого-геофизических и сейсмологических материалов, выделены и обоснованы зоны вероятных очагов землетрясений (ВОЗ), сейсмические воздействия из которых могут существенно повлиять на оценку и границы общего (фонового) уровня сейсмичности.
Главная роль в формировании общего уровня сейсмичности в пределах исследуемой трассы и региона в целом отводится Становой зоне ВОЗ. Зона охватывает обширную территорию и включает в себя серию эмбриональных впадин, межгорных перемычек и систему разломов в областях сочленения впадин и горных сооружений [Геология..., 1984,1985]. Высокий сейсмический потенциал зоны подтверждается наличием нескольких тысяч землетрясений, ежегодное число которых составляет 2000-2500. На карте (рис.3.1) показаны землетрясения начиная с 10 энергетического класса (около 5 баллов в эпицентре), инструментально зарегистрированные за период с 1964 по 1999 г. На ней также нанесены эпицентры наиболее сильных землетрясений, произошедших в более ранний период.
Максимальные из них: землетрясение 1725 года, расчетные данные: магнитуда - 8, возможные сейсмические сотрясения - до 11 баллов, площадь ощутимых колебаний около 4 млн. км2; Муйское - 1957г. (М=7,9, 10-11 баллов, площадь сотрясений - 2 млн. км ; Олекминское землетрясение 14.09.1958 г., М=6,5, эпицентр расположен на крайнем востоке Олекмо-Витимской горной страны в бассейне среднего течения р. Олекмы, площадь ощутимого сотрясения оценивается в 450-500 тыс. км ; Тас-Юряхское [Сейсмическое..., 1977] 18.01.1967 г. (9-Ю баллов, М=7, ощущалось на площади 1,3 млн. кв. км и на расстоянии более 1100 км от эпицентра); Южно-Якутское [Землетрясения..., 1993] - 20.04.1989 (8 баллов, М=6,6), ощущалось на площади 1,2 млн. кв. км и на расстоянии более 800 км от эпицентра (Рис. 3.1).
Макросейсмические последствия наиболее сильных сейсмических событий второй половины XX века в пределах зоны проектируемого трубопровода сводятся к следующему: камнепады, сход лавин, трещины в стенах жилых и промышленных объектов, испуг и паника среди населения. В период землетрясений жертв не отмечено - это слабо заселенная местность. Таким образом, имеющиеся сейсмогеологические материалы и данные о последних землетрясениях указывают на современную высокую сейсмическую активность исследуемой территории в настоящее время. Согласно нормативным документам [Комплект карт..., 1999], участок проектируемого трубопровода для трех степеней сейсмической опасности оценивается в 9; 9; и 10 баллов - карты А, В и С. Сам нефтепровод, может быть отнесен к особо ответственным сооружениям. В этом случае для него исходная сейсмичность принимается по карте «С» (10-баллов). Для площадок сопутствующих или вспомогательных сооружений, в том числе и жилых поселков, исходная сейсмичность может быть принята по карте «А» или «В» (9- баллов с различной вероятностью сейсмической интенсивности). Учитывая вышеизложенное, реализация выбранного подхода и анализ данных теоретических расчетов проведены для исходной сейсмичности равной 9 баллам, а ожидаемые максимальные сейсмические воздействия на основание нефтепровода оцениваются в том числе и для исходной сейсмичности равной 10 баллам (с учетом отнесения его к особо ответственным сооружениям).
Параметры вероятных сильных землетрясений соответствующих исходной сейсмичности, определяются нами в следующих интервалах: эпицентральное расстояние может меняться от 0-1 до 40-70 км, магнитуда от 7,5 до 8,0, глубина очага от 10 до 20 км, механизм очага - преимущественно сбросо-сдвиг.
На расстоянии 70 и более км от трассы воздействия, соответствующие девяти- десятибалльным сотрясениям, обоснованы для землетрясений с магнитудой 7,8-8 и более. Последнее обстоятельство объясняется спаданием балльности с расстоянием и соответствующим увеличением магнитуд, обоснованных ранее [Геология и сейсмичность..., 1985].
Для оценки сейсмической опасности грунтов в основании нефтепровода необходимы данные о составе грунтов, их состоянии и о распределении геофизических параметров с глубиной в верхней зоне разреза по его трассе, а также данные об их составе, температуре, влажности (льдистости), объемном весе и пористости [Оценка влияния..., 1988]. Сама территория трассы проектируемого нефтепровода характеризуется сложными инженерно-геологическими и мерзлотными условиями. Они, в общем виде, рассматриваются на основе литературных и фондовых материалов и данных, полученных нами в объеме необходимом для решения поставленных задач.
Инженерно-геологический комплекс, представлен различными литологическими образованиями современного и четвертичного времени формирования.
Отложения пойм и низких надпойменных террас представлены обычно галечниками с песчаным заполнителем, реже - гравелистыми песками. Аллювий пойм сложен пылеватыми песками, супесями и суглинками. В разрезе встречаются значительные по мощности прослои и линзы ископаемого льда.
Комплекс высоких надпойменных террас и древних долин представлен аллювиальными образованиями песка, суглинков, супесей, галечниками и глыбами. Особенностью отложений данного комплекса является наличие разнообразных криогенных текстур и льда в виде цемента и линз.
Комплекс образований делювиальных склонов объединяет современные и верхнечетвертичные отложения в виде глыбовых и щебнистых грунтов, в качестве заполнителя отмечаются супеси и щебень. Мощность отложений изменяется в зависимости от крутизны и протяженности склонов.
Моренный комплекс представлен суглинками, супесью с галькой, валунами и песками. В толще многолетнемерзлых моренных отложений под валунами при супесчаном заполнителе наблюдаются небольшие линзовидные включения льда. В отложениях днища заболоченных ложбин встречаются повторно-жильные льды и остатки древних ледников.
В комплекс конусов выноса входят современные пролювиальные отложения с широким разнообразием гранулометрического состава обломочного материала. Скальные грунты, как правило, представлены гранитоидами с различной степенью трещиноватости. В мерзлом состоянии -высокопрочный монолит. Согласно опубликованным данным и фондовым материалами по отдельным участкам трассы трубопровода, проектируемого в районах сплошного распространения вечномерзлых грунтов, мерзлая толща имеет различную мощность и температуру.
По левому борту трогово-тектонической долины р. Сюльбан и на перевале через хребет Кодар мощность мерзлых грунтов изменяется от 50 до 300 м, при температуре от -1С до -4 С. Для Верхнее-Чарской впадины также характерны значительная мощность мерзлой толщи (100-300 м и более) и низкая температура, достигающая - 2С и менее. В Чарской впадине вечномерзлые фунты имеют мощность 5-10 м на участках таликовых зон и 100-200 м в области сочленения с хребтом Удокан. Температура грунтов меняется в широких пределах от 0С до -4С. На перевале через хребет Удокан мерзлые породы имеют мощность более 600 м и температуру менее -4С. По долинам рек Хани, Олекмы и Нюкжи мощность мерзлой толщи изменяется от 10-50 до 100 и более метров, температура грунтов колеблется от 0 до -2,5С. Сквозные талики в этих районах приурочены к руслам больших рек и к зонам тектонических нарушений, по которым фильтруются подземные воды.
Криогенная текстура многолетнемерзлых грунтов преимущественно массивная, в галечно-гравийных грунтах корковая, в песчаных и супесчаных грунтах распространена слоистая и линзовидная. Часто встречаются погребенные подземные льды большей мощности с включениями песка и супесей (до 12 м и более). Широкое распространение имеют клиновидные жильные льды. Трасса нефтепровода во многих местах пересекает участки с большим насыщением подземных льдов различного генезиса.
Глубина сезонного протаивания на заболоченных пространствах под мхом - 0,2-0,6 м, а на сравнительно сухих участках, сложенных песками, галечниками, валунами - 2-4 м. Относительная осадка мерзлых грунтов, исключая включения линз льда, меняется с поверхности (торф) от 0,75 до 0,04 (галечниковый грунт с валунами), а для преобладающих в верхнем 10-ти метровом слое песчаных грунтов, диапазон ее изменения от 0,03 до 0,33. Величина относительной осадки грунтов характеризует степень их льдистости и учитывается при расчетах сейсмической опасности.
Плотность и коэффициент пористости грунтов распределяются следующим образом: песчаные грунты 1,54-1,84 г/см и 0,97-1,58, гравийно-галечные 1,94-2,03 г/см и 0,52-0,82, соответственно. Модуль деформации первых находится в пределах 20-30 МПа и вторых 30-40 МПа.
Районирование сейсмической опасности строительства нефтепровода на севере оз. Байкал по сейсмо-грунтовым моделям, для их естественного состояния
На основе разработанных выше подходов представляются результаты комплексных геолого-геофизических, сейсмотектонических и инженерно-сейсмологических исследований на участке одного из вариантов предполагаемой трассы нефтепровода на севере оз. Байкал (км900-км1096). Учитывая, что для обоснования исходных сигналов (акселерограмм) и построения набора сейсмогрунтовых моделей необходимы детальные сведения по тектонике, сейсмичности, инженерно-геологических и мерзлотных данных, такие сведения, в соответствии с изложенным выше подходом, кратко представляются для выбранного участка. В то же время отмечается, что степень их использования связана напрямую с уровнем современного развития теоретических и инструментальных методов сейсмического микрорайонирования.
С запада трасса пересекает зону, сочленяющую Сибирскую платформу и Байкальскую рифтовую зону. Центральный и восточные участки расположены в пределах Байкальской рифтовой зоны (Рис.3.10). Исследуемая территория характеризуется сложными грунтовыми условиями, которые необходимо учитывать при районировании сейсмической опасности. Для оценки сейсмических свойств грунтов использовались данные геофизических измерений. При сейсморазведочных измерениях основным показателем является скорость распространения сейсмических волн, при электроразведочных - удельное электрическое сопротивление [Методическое руководство ..., 1988]. Для мерзлых, талых и водонасыщенных пород, чем больше скорость и удельное электрическое сопротивление, тем больше прочность пород и они более устойчивы к деформированию при динамических воздействиях.
Методические основы оценки инженерно-сейсмологических условий строительства линейных сооружений разрабатывались с начала строительства БАМ. В настоящее время они сводятся к выполнению следующих этапов: уточнение исходной сейсмичности трассы линейного сооружения, обобщение сейсмических свойств основных типов грунтов с учетом их состояния, формирование исходных сигналов для выбранной модели эталона, выделение преобладающих типов грунтовых условий по сейсмической опасности, расчет сейсмических воздействий для наиболее вероятных типичных грунтовых моделей и районирование сейсмической опасности по сейсмо-грунтовым условиям. Методика комплексных исследований сейсмо-грунтовых условий при строительстве линейных сооружений представлена на материалах исследований по участку магистрального нефтепровода на севере оз. Байкал (Рис. 3.10).
При уточнении исходной сейсмичности на первый план выходит изучение современной тектонической ситуации. Разрывные нарушения на данной территории имеют сложный мозаичный рисунок, обуславливая блоковую структуру земной коры. Главная роль в создании структурного плана территории отводится разломам Байкальской складчатой области. Основными тектоническими структурами являются региональные разломы, протяженностью более 100 км. К региональным разломам первого порядка Байкальской складчатой области на исследуемой территории относятся Кичерский и Верхнеангарский (Рис.3.10).
Кичерский разлом прослеживается от низовьев р. Холодной в верховья р. Кичера-Маскит и далее в долину р. Левая Мама на 120 км, в верхнечетвертичный период - 90 км. Падение разлома субвертикальное с небольшим наклоном плоскости на северо-запад. Время формирования оценивается как верхнепалеозойское. Геологическими методами установлены вертикальные перемещения видимой амплитуды около 600 м. Максимальная мощность зоны разлома прослеживается в местах вскрытия им палеозойских гранитоидов и достигает 150 м. К признакам сейсмогенного объявления разлома относится наличие палеосейсмодислокации «Кичерская» с М=7,5,
Верхнеангарский разлом представляет собой систему разрывных нарушений, имеющих северо-восточное простирание и прослеживающихся от верховья р. Огней в бассейн р. Уклонь и далее на водораздел Чуро Джялокан. Общая протяженность его 120 км, при ширине 3-4 км. Внутреннее строение сложное, здесь по пересекающимися разрывам приведены в соприкосновение блоки, сложенные разновозрастными образованиями. По кинематике частные разрывы соответствуют взбросам, надвигам, сдвигам, реже сбросам. Юго-восточная линия ограничения системы разломов представляет собой сброс с юго-восточным падением сместителя. На местности он картируется по зоне катаклазитов мощностью до 300 м. Заложение системы разломов произошло в среднепалеозойский этап активизации, а в кайнозое произошло его оживление в связи с формированием Верхнеангарской впадины, так как юго-западный отрезок разлома ограничивает северный борт впадины. Активность разлома подтверждается землетрясениями произошедшими в современный период (Землетрясение 1902г., М=6.5)
Северо-Муйский разлом находится на северо-востоке за пределами исследуемого участка, однако транзитные землетрясения из этой зоны ВОЗ могут достигать уровня исходной сейсмичности. На значительном своем протяжении этот разлом отделяет юго-восточный борт Верхнеангарской впадины от Северо-Муйского хребта. Протяженность разлома составляет 170 км, мощность зоны разлома достигает 2 км. Заложение разлома, вероятнее всего, произошло в среднем палеозое, а активизация - в кайнозое. Приуроченность термальных источников, хорошая выраженность, невыработанный профиль ручьев, пересекающих разлом, свидетельствуют об его активности в наши дни [Салоп, 1967]. Он соответствует сбросу с левосторонней сдвиговой составляющей [Солоненко и др., 1975]. Время возникновения Северо-Муйского нарушения соответствует среднему палеозою. В кайнозое он испытал активизацию. Мощность его зоны достигает 200-300 м. Чаще всего - это серия, сближенных, переплетающихся между собой разрывов с мощностью тектонитов до 50-60 м. Падение разлома - субвертикальное. За основу определения сейсмической опасности для района проектируемого нефтепровода использовалась карта сейсмического районирования территории Российской федерации (ОСР-97). Указанная на картах сейсмическая интенсивность относится к участкам со средними, по сейсмическим свойствам грунтам II — категории. Участок проектируемого нефтепровода с 900 по 1100 км (карта В) по степени сейсмической опасности оценивается в 9 баллов. Главная роль в формировании уровня сейсмичности территории отводится зонам ВОЗ (вероятных очагов землетрясений). Зоны охватывают и систему отмеченных активных разломов в областях сочленения впадин и горных сооружений. Высокий сейсмический потенциал зоны подтверждается наличием нескольких сильных землетрясений и большим количеством сейсмических событий более низкого ранга (Рис.3.11).
Сейсмогенные структуры, наблюдаемые на исследуемой территории, приурочены, как правило, к региональным разломам, активизированным в кайнозойское время. В зоне влияния трассы нефтепровода на данном отрезке находятся несколько сейсмодислокаций [Джурик и др., 2005] с возможным возникновением землетрясений с магнитудой 7,4-7,5 .
Для оценки сейсмических свойств грунтов использовались данные геофизических методов (см. гл 2). Учитывая протяженность трассы (200 км), измерения проведены в 170 пунктах зондирований. Это позволило дать оценку наиболее распространенным разновидностям грунтов по скоростям сейсмических волн с учетом их состава и состояния. Предварительно с позиций инженерно-сейсмологической оценки грунтовых условий трассы они были проанализированы в отношении преобладающих типов грунтов изучаемого участка, с целью дальнейшей оценки их сейсмической опасности. Наибольшим развитием в районе работ пользуются отложения четвертичного возраста. Они объединены в несколько геолого-генетических комплексов:
1. Озерно-болотный комплекс распространен на равнинных участках и представлен торфом с прослоями песка и суглинков мощностью (по данным бурения) до 5 метров.
2. Отложения аллювиального комплекса приурочены к долинам рек и слагают террасовый комплекс и поймы. Аллювий представлен широким спектром различных сочетаний крупнообломочного, песчаного и глинистого материала. Доминирующее положение того или иного материала обусловлено геоморфологическими особенностями на участках проектируемого нефтепровода. Крупнообломочные грунты (валунники и галечники с песчано-гравийным заполнителем) расположены на более высоких участках рельефа. На пониженных участках происходит смена гранулометрического состава в сторону его уменьшения, увеличивается доля песка и гравия. Песчано-гравийный грунт перекрывает более древние крупнообломочные аллювиальные отложения или доминирует на пологих участках на глубину до 20 м (данные бурения и геофизических исследований). Максимальная мощность документируется в пределах крупных межгорных впадинах (Верхнеангарская).
3. Элювиально-делювиальные образования перекрывают метамофический и гранитный комплексы и являются продуктами их разрушения. В инженерно-геологическом плане они относятся к крупнообломочным грунтам и являются основными образованиями, перекрывающими Байкальские горные сооружения.
Примеры прогноза сейсмических воздействий линейных сооружений при деградации мерзлоты
В подходе к прогнозу сейсмических воздействий с учетом данных теоретических расчетов, первостепенное значение имеют данные районирования трассы по степени сейсмической опасности в баллах для естественного состояния грунтов. Сейсмическое микрорайонирование проведено с учетом современных требований [МДС 22-1. 2004] и нам представляется наиболее обоснованным. В результате, вся трасса с исходной сейсмичностью 9 баллов, была разделена на участки с сейсмической опасностью в 8, 9 и 10 баллов, а с исходной сейсмичностью 8 баллов -разбита на участки 7, 8 и 9 баллов. Согласно грунтовым условиям, наименьшим значениям балльности характеризуются, в основном, участки с преобладанием коренных и твердомерзлых грунтов (Т -2С), средним -пластично-мерзлые (Т -2С) и переходные зоны от мерзлых грунтов к талым, наибольшие значения балльности соответствуют водонасыщенным рыхлым отложениям (талики русел рек).
Используя отмеченные возможности выбранного комплекса методов (см. гл. 2) и достаточно представительный статистический набор измерений скоростей сейсмических волн и АЧХ (по методу микросейсм), дается комплексная оценка сейсмической опасности на примере двух ответственных участков: железной дороги в пределах расположения планируемой станции (Рис. 4.14) и мостового перехода через р. Кунг-Юрях (Рис.4.15). Участки расположены в районе с исходной сейсмичностью, равной 9 баллам. Их представительность не вызывает сомнений в отношении сложности оценки сейсмической опасности. Участки являются наиболее ответственными для линейного сооружения, поскольку в большинстве случаев - это переходные зоны от коренных и мерзлых пород к талым и водонасыщенным грунтам, и от твердомерзлых к пластично-мерзлым грунтам.
Статистику измерений по всей трассе мы использовали для формирования наиболее вероятных сейсмических моделей для естественного и прогнозируемого состояния грунтов, расчетов для них необходимых сейсмических воздействий и далее для районирования по ним трассы линейного сооружения [Джурик В.И. ,2008]. Для выбранных двух участков были сформированы восемь вероятностных сейсмических моделей (Табл. 4.3) для естественного и прогнозируемого состояния грунтов. Прогноз скоростей сейсмических волн проведен по ранее разработанной методике [Оценка влияния..., 1988] по прямым измерениям в таких же по составу грунтах, но находящимся в талом или в водонасыщенном состоянии. Прогнозируется одно из возможных состояний грунтов после нарушения их естественного состояния в результате строительства, что показывает степень увеличения сейсмической опасности для конкретно выбранного варианта оттаивания в параметрах сейсмических воздействий.
Результаты расчетов представлены в таблице 4.3 и на рисунке 4.13. Согласно проведенным расчетам, в соответствии с изложенной выше методикой, выбранные участки разделяется на 8, 9 и 10 баллов.
Мерзлотные и инженерно-геологические условия участков с элементами прогноза достаточно детально представлены на инженерно-геологических разрезах.
Для участка железнодорожной станции (Рис.4.14) характерны делювиальные отложения, которые представлены, в основном, супесями с щебнем. Пески, супеси, галечники с включениями льда являются основой водно-ледникового комплекса. Грунты многолетнемерзлые, с поверхности талые. В естественном состоянии представлены чередованием талых неводонасыщенных рыхлых грунтов (до 6-14 м) и твердомерзлых, которые залегают с поверхности ниже слоя сезонного оттаивания. В прогнозируемом состоянии разрез сверху представляется талыми неводонасыщенными рыхлыми грунтами (от 2 до 12 м), ниже идут водонасыщенные грунты мощностью до 15-20 м, подстилаются они мерзлыми грунтами с постепенным переходом от слоя с температурой от 0 до -1 С и далее до -2С. В восточной части разреза эти слои на незначительных расстояниях по разрезу залегают практически с поверхности, коренные породы со значениями акустических жесткостей, близких к эталонным, залегают с глубины 20-40 м. В общем, весь разрез для естественного состояния грунтов представляется моделями 2-4, а для прогнозируемого - моделями 6-8 (Табл 4. 3). В первом случае пиковые, или максимальные для горизонтальной компоненты ускорения меняются от 230 до 480 см/с , во втором - от 248 до 820 см/с2. Резонансные частоты имеют максимальные значения для модели 4 (15,7Гц) и минимальные для модели 3 (5,8Гц), а для моделей 6, 7 и 8 частоты закономерно снижаются от 14 до 6 Гц.
Основой инженерно-геологического разреза участка мостового перехода (Рис.4.15) являются речные отложения в состав которых входят пески, суглинки и галечниковыи грунт. Грунты руслового участка насыщенны водой. Делювиальные отложения представлены глыбовым материалом. Пески, супеси и галечниковыи грунт с включением песка и валунов формируют образования водно-ледникового комплекса. На береговых участках коренные породы залегают практически с поверхности. Грунты многолетнемерзлые, на русловом участке талик. Для этого участка прогнозируется частичное оттаивание грунтов в результате строительства, которое приводит к увеличению мощности водонасыщенных рыхлых грунтов (до 20 м) и простирания их по оси мостового перехода. При этом смещаются по глубине и по створу линейного сооружения граница мерзлоты с различной отрицательной температурой.
Разрез по оси мостового перехода для естественного состояния грунтов представляется моделями 1, 3, 4, 5 и 7 а для прогнозируемого - моделями 1, 3, 7 и 8 (Табл. 4.3). Максимальные для горизонтальной компоненты ускорения меняются для обоих состояний в одинаковых пределах от 208 до 860 см/с . Максимальные значения ускорений и минимальные резонансные частоты имеют русловые участки. При расчетах акселерограмм для естественного состояния грунтов использовались АЧХ, непосредственно зарегистрированные в пунктах измерений (они отмечены треугольниками на рисунках 4.14 и 4.15). Для прогнозируемых состояний использовался метод тонкослоистых сред [Ратникова Л.И., 1973] и экспериментальные частотные характеристики для аналогичных разрезов.
Установлено, что на амплитудный, частотный и спектральный состав колебаний существенное влияние оказывают мощность рыхлых слоев различного состояния. С целью возможности учета этого параметра при реализации прогноза сейсмических воздействий ниже представлены полученные расчетным путем зависимости для мерзлого, воздушно-сухого и водонасыщенного состояния рыхлых грунтов, при изменении их мощности от 0-10 до 320 м. Для этого были использованы модели № 4 (а), № 6 (б), № 8 (в) (Табл. 4.3) с последующем увеличением мощности рыхлых отложений до 320 м. При установлении необходимых взаимосвязей (Рис. 4.16) использовались и непосредственно полученные данные. Такие зависимости необходимы для районирования трассы основания железной дороги по основным параметрам сейсмических воздействий.
Максимальные ускорения для трех состояний (Рис. 4.16-1) с увеличением мощности от 10 до 40-80 м практически не меняются (или незначительно возрастают) как для горизонтальной, так и для вертикальной составляющих. Дальнейшее увеличение мощности рыхлых отложений приводит к снижению интенсивности максимальных ускорений и это снижение может быть значимым. Некоторое исключение из сказанного приходится на Z компоненту для водонасыщенных отложений.
Резонансные частоты для мерзлого, воздушно-сухого и водонасыщенного состояния грунтов (Рис. 4.16-2) снижаются с увеличением их мощности для всех указанных состояний, но относительно резкие снижения по величине для равных мощностей наблюдаются при переходе от мерзлых к талым. Например, для мощности рыхлых отложений, равной 40 м, резонансная частота при переходе от мерзлого к талому воздушно-сухому состоянию снижается от 8 до 2 Гц, а к водонасыщенному состоянию - до 2,7 Гц. Незначительное изменение резонансных частот для двух последних состояний частично можно объяснить сравнимыми величинами значений скоростей поперечных волн.
Зависимость максимальных значений спектра для горизонтальной (Рис. 4.16-3) и вертикальной (Рис.4.16-4) компонент представлены для фиксированных частот от мощности рыхлых отложений. В общем, они согласуются с отмеченным характером изменения максимальных амплитуд, но в то же время несут дополнительную информацию о величинах распределения энергии колебаний на определенных частотах, связанных со слоистостью разреза и значениями декрементов затухания в каждом слое.
