Содержание к диссертации
Введение
Раздел 1. Уточнение исходной сейсмичности 18
Глава 1. Сейсмические шкалы 18
Глава 2. Карты общего сейсмического районирования 36
2.1. Применение коротких рядов инженерно-сейсмологических и инструментальных наблюдений
2.2. Применение длинных рядов сейсмологических данных 42
23. Применение принципа допустимого сейсмического риска 43
2.4. Выбор карты ОСР для строительства транспортных объектов 45
Глава 3. Уточнение исходной сейсмичности пункта строительства 49
Раздел 2. Сейсмическое микрорайонирование 60
Глава 4. Учёт местных инженерно-геологических условий площадки строительства 60
4.1. Методы сейсмического микрорайонирования 60
4.2. Микрорайонирование методом сейсмических жесткостей 63
4.3. Сейсмическое микрорайонирование на основании записей слабых землетрясений 71
Глава 5. Специальные инженерно-сейсмологические работы на участках строительства транспортных сооружений 74
Выводы 90
Литература 91
- Применение коротких рядов инженерно-сейсмологических и инструментальных наблюдений
- Выбор карты ОСР для строительства транспортных объектов
- Микрорайонирование методом сейсмических жесткостей
- Специальные инженерно-сейсмологические работы на участках строительства транспортных сооружений
Введение к работе
Актуальность темы. Землетрясения относятся к числу наиболее опасных стихийных бедствий, угрожающих человечеству. В прошлом столетии от землетрясений и вызываемых ими пожаров, лавин, цунами и оползней погибло более 2 млн. человек, из них в странах бывшего СССР — 155 тысяч человек (рис.1). Прямые экономические потери всех стран к концу прошлого века составляли в среднем 7 млрд. долл/год. Несмотря на принимаемые во многих странах меры по защите от землетрясений, до сих пор радикально уменьшить сейсмическую опасность не удалось. Увеличение плотности населения на наиболее опасных в сейсмическом отношении территориях приводит к росту социально-экономических потерь от землетрясений. Так число жертв землетрясений, поразивших в текущем столетии территории Таиланда, Индонезии, Пакистана, Индии, Ирана, Афганистана и других стран, составляет около 400 тысяч человек.
Го»і
Рис. 1. Диаграмма людских потерь от землетрясений (в тыс. человек для всех стран
мира)
Россия принадлежит к числу государств, подверженных разрушительным землетрясениям. На Камчатке, Сахалине, в Прибайкалье, Южной Сибири, на Кавказе катастрофические землетрясения в прошлом происходили неоднократно и могут повториться вновь в недалёком будущем.
В нашей стране особую актуальность вопросу обеспечения сейсмостойкости транспортных сооружений как объектов, необходимых для организации спасательных работ после стихийных бедствий, придает тот факт, что большинство промышленных и гражданских сооружений в сейсмически опасных территориях России были построены в несейсмостойком исполнении или с недостаточными антисейсмическими мерами.
В районе стихийного бедствия в срочной помощи нуждаются тысячи людей. В этих условиях надёжность путей сообщения, обеспечивающих спасательные и восстановительные работы, приобретает исключительное значение. К сожалению, во многих случаях разрушение путей сообщения приводит к невозможности оказания срочной помощи пострадавшим от землетрясения и, соответственно, резкому увеличению жертв. По статистике всех крупных сейсмических катастроф основные потери человеческих жизней при землетрясениях происходят не непосредственно в момент события, а в последующие дни, из-за неоказания помощи получившим травмы, невозможности быстро извлечь людей из завалов, нехватки продовольствия и медикаментов.
Таким образом, железные, автомобильные и городские дороги, а также дороги промышленных предприятий, выполняющие важнейшие социальные, экономические и природоохранные функции, обеспечивающие транспортную доступность населённых пунктов, радиационно опасных энергетических сооружений, плотин, аэропортов и других особо ответственных объектов должны проектироваться так, чтобы обеспечить в районе стихийного бедствия безпрепятствен-ное движение транспорта, проведение спасательных работ, эвакуацию населения.
Значительная уязвимость мостов при землетрясениях, большая тяжесть последствий их разрушений и возможность возникновения в ряде регионов России сейсмических воздействий разрушительной силы позволяют отнести обеспечение сейсмостойкости мостов к числу актуальных научно-технических задач.
При проектировании транспортных сооружений с учётом возможных землетрясений наиболее слабым местом является правильное определение сейсмического воздействия. Если ошибки при определении усилий в элементах сооружений различными расчетными методами не превышают 5-10%, то неточность определения параметров сейсмического воздействия в отдельных случаях может составлять до 100-200%. Такое положение дел ведет к значительному перерасходу средств на антисейсмическую защиту или к строительству объектов с необеспеченной сейсмостойкостью.
Целью работы является разработка методики сейсмического микрорайонирования применительно к участкам строительства мостовых сооружений, позволяющая существенно уменьшить погрешности определения параметров расчётного сейсмического воздействия.
Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи:
проведен анализ отечественных и зарубежных нормативных документов, научных и технических публикаций в области инженерной сейсмологии и сейсмостойкого строительства;
разработаны предложения по уточнению и дополнению сейсмической шкалы MSK-64 и комплекта карт общего сейсмического районирования ОСР-97, учитывающие особенности транспортного, в частности, мостового строительства;
предложена методика определения границ расчётной толщи грунта при сейсмическом микрорайонировании участков строительства мостов и критерий классификации расчётных толщ в основаниях опор мостов по сейсмическим свойствам;
определен критерий для отнесения грунта к эталонному (среднему) по сейсмическим свойствам;
в развитие метода "сейсмических жесткостей" предложена формула для определения приращения балльности в створе мостовых переходов по отношению к эталонному (среднему) по сейсмическим свойствам грунту;
предложена система поправочных коэффициентов для корректировки параметров сейсмического воздействия за счёт особенностей сейсмического режима в пункте строительства, местных инженерно-геологических и геоморфологических условий, характерных для строительства мостовых сооружений.
Следующие результаты диссертации имеют научную новизну:
обобщение материалов обследований последствий землетрясений с оценкой глобального социального и экономического риска; в том числе в сфере транспортной инфраструктуры. Сведение типичных повреждений мостов в несейсмостойком исполнении при землетрясениях силой 7, 8,9 и 10 баллов в единую таблицу;
обобщённое понятие сейсмического балла шкалы MSK-64, предложения по использованию этого понятия при СМР участков строительства мостов;
предложение по использованию в качестве допустимой вероятности непревышения расчётного сейсмического воздействия 2.5% за 50 лет при проектировании внеклассных мостов;
критерии нахождения границ расчётной толщи грунта и её классификации по сейсмическим свойствам;
понятие эталонного (среднего по сейсмическим свойствам) грунта, как грунта, имеющего сейсмическую (акустическую) жёсткость pVs=655 т/м2с;
система поправочных коэффициентов для корректировки скоростей и амплитуд колебаний грунта в створах мостовых переходов.
Практическая значимость заключается в том, что при использовании разработанных в диссертации решений обеспечивается равная надёжность сооружений одного уровня ответственности.
Апробация. Результаты исследований и основные научные положения диссертационной работы доложены:
- на научно-технической конференции "Строительство и эксплуатация транс
портных сооружений в районах развития опасных геологических процессов" 7-9
октября 2003 г, Москва, МИИТ
- на международной научно-практической конференция "Актуальные про
блемы проектирования и устройства оснований и фундаментов зданий и сооруже
ний", г.Пенза, 16-17 сентября 2004 г;
на семинаре Росавтодора "Совершенствование конструктивно-технологических решений при строительстве мостовых сооружений", г.Павловск, 20-23 декабря 2005 г;
- на семинаре Росавтодора "Повышение уровня содержания искусственных
сооружений на федеральных автомобильных дорогах. Применение новых конст
рукций, материалов, технологий, современных машин и оборудования", г.Сочи,
11-16 сентября 2006 г
Вопросы, выносимые на защиту: на защиту выносится совокупность предложений вошедших в методику сейсмического микрорайонирования. В том числе:
- модифицированная формула для определения приращения балльности по
методу сейсмических жесткостей;
формулы для определения поправочных коэффициентов на грунтовые условия и сейсмический режим;
определение понятия дробного сейсмического балла с разработкой предложения по использованию этого понятия при СМР участков строительства мостов;
- уточнение понятия эталонного (среднего по сейсмическим свойствам)
грунта, как грунта, имеющего сейсмическую (акустическую) жёсткость pVs=655
т/д^с;
предложение по использованию в качестве допустимой вероятности непре-вьтшения расчётного сейсмического воздействия 2.5% за 50 лет при проектировании внеклассных мостов;
дополнения к макросейсмической части шкалы MSK-64.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, содержит 10V страниц, 36 иллюстраций, 17 таблиц и 2. приложения.
Реализация результатов работы. Полностью или частично результаты работы использовались при работах по проектированию капитального ремонта или строительства на следующих основных объектах:
Виадук через долину р.Чемитоквадже на а/д Новороссийск-Тбилиси-Баку;
Лавинозащиная галерея из ГМК на Рокском перевале;
Эстакада на пересечении а/д Краснодар-Джубга с подъездами к г.Горячий Ключ;
Виадук через долину р.Мацеста;
Виадук на ГГК36 обхода г.Сочи;
Мост через р.Бзута на обходе г.Сочи
Мост через р.Ангара в г.Иркутске;
Лавинозащитная галерея на ж/д Чара-Чина.
Публикации. Результаты диссертационной работы отражены в ряде отчётов по НИОКР, в 6 журнальных публикациях и 1 нормативном документе.
Применение коротких рядов инженерно-сейсмологических и инструментальных наблюдений
Разрушение при землетрясениях путей сообщения создаёт не только косвенную, но также прямую угрозу жизни людей, вызывая аварии поездов и автомобилей.
Обычно число жертв дорожно-транспортных происшествий при сейсмических толчках невелико по сравнению с общим количеством пострадавших в районе стихийного бедствия. Однако, в отдельных случаях число погибших на дорогах составляло 100 и более человек. Сведения об авариях на железных, автомобильных и городских дорогах во время землетрясений приводятся в табл.3, из которой видно, что дорожно-транспортные происшествия происходили как с поездами (товарными и пассажирскими), так и с автомобилями. Следует отметить, что крушение товар-пых поездов, перевозящих сырую нефть и нефтепродукты, взрывчатые и радиоактивные вещества, опасно не только для поездных бригад, но также чревато опасностью пожаров, взрывов и загрязнения окружающей среды.
Значительная уязвимость мостов при землетрясениях, большая тяжесть последствий их разрушений и возможность возникновения в ряде регионов России сейсмических воздействий разрушительной силы позволяют отнести обеспечение сейсмостойкости мостов к числу актуальных социально-экономических и научно-технических задач.
В вопросах расчетов транспортных сооружений на сейсмостойкость наиболее слабым местом является правильное определение сейсмического воздействия. Если ошибки при определении усилий в элементах сооружений различными расчетными методами не превышают 5-10%, то неточность оп ределения параметров сейсмического воздействия, заложенная в действующих нормативных документах, в отдельных случаях может составлять до 2 раз (200%). Такое положение дел ведет или к значительному перерасходу средств на антисейсмическую защиту и в ряде случаев делает невозможным запроектировать сооружение или к строительству объектов с необеспеченным уровнем надежности. Целью работы является разработка методики сейсмического микрорайонирования применительно к участкам строительства мостовых сооружений. Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи: - проведен аналитический обзор отечественных и зарубежных нормативных деку ментов, научных и технических публикаций в области инженерной сейсмологии и сейсмостойкого строительства; - на основании анализа результатов полевых обследований мостовых сооружений после землетрясений составлена таблица характерных повреждений мостов при землетрясениях, которая дополняет макросейсмическую части сейсмической шкалы MSK-64; - дано определение дробного балла шкалы MSK-64, получены формулы для определения параметров колебаний грунта, составлены таблицы параметров колебаний грунта при сейсмическом воздействии в диапазоне 7-Ю баллов с шагом 0.1 балла; - предложено в комплект карт ОСР добавить карту повторяемости сейсмических событий один раз в 2000 лет, что соответствует вероятности непревышения расчётного сейсмического воздействия 2.5% за 50 лет; - разработана методика уточнения исходной сейсмичности за счёт учета сейсмического режима, при разработке методики собраны и обработаны сведения о сейсмическом режиме в 21 пунктах на территории России. Разработанная методика даёт возможность рассчитывать сооружения одного класса ответственности с одинаковой обеспеченностью по отношению к сейсмическому воздействию; - предложено использовать для уточнения сейсмичности стройплощадки "среднего грунта", для которого приведены значения балльности карты ОСР-97. Определено понятие "среднего грунта" по сейсмическим свойствам и его параметры. - предложено изменение в формулу для определения изменения балльности стройплощадки за счет местных грунтовых условий; Научная новизна: - обобщение материалов обследований последствий землетрясений с оценкой глобального социального и экономического риска; в том числе в сфере транспортной инфраструктуры. Выявление типичных повреждений мостов в несейсмостойком исполнении при землетрясениях силой 7, 8, 9 и 10 баллов; - обоснование предложения по использованию вероятности непревышения расчётного сейсмического воздействия 2.5% за 50 лет при проектировании внеклассных мостов; - уточнение понятия эталонного (среднего по сейсмическим свойствам) грунта, как грунта, имеющего сейсмическую (акустическую) жёсткость pVs; - определение понятия дробного сейсмического балла с разработкой предложения по использованию этого понятия при СМР участков строительства мостов; - корректировка значений ускорения с помощью поправочного коэффициента на грунтовые условия, определяемого по предложенной формуле. Практическая значимость заключается в том, что при использовании разработанных в диссертации решений обеспечивается равная надёжность сооружений одного уровня ответственности. Апробация, Результаты исследований и основные научные положения диссертационной работы доложены: - на научно-технической конференции "Строительство и эксплуатация транспортных сооружений в районах развития опасных геологических про цессов" 7-9 октября 2003 г, Москва, МИИТ - на международной научно-практической конференция "Актуальные проблемы проектирования и устройства оснований и фундаментов зданий и сооружений", г.Пенза, 16-17 сентября 2004 г; - на семинаре Росавтодора "Совершенствование конструктивно технологических решений при строительстве мостовых сооружений", г.Павловск, 20-23 декабря 2005 г; - на семинаре Росавтодора "Повышение уровня содержания искусствен ных сооружений на федеральных автомобильных дорогах. Применение но вых конструкций, материалов, технологий, современных машин и оборудо вания", г.Сочи, 11-16 сентября 2006 г. Вопросы, выносимые на защиту: на защиту выносится совокупность предложений вошедших в методику сейсмического микрорайонирования. В том числе: - модифицированная формула для определения балльности по методу сейсмической жесткости; - формула для определения поправочного коэффициента на грунтовые условия; - определение понятия дробного сейсмического балла с разработкой предложения по использованию этого понятия при СМР участков строительства мостов; - уточнение понятия эталонного (среднего по сейсмическим свойствам) грунта, как грунта, имеющего сейсмическую (акустическую) жёсткость pVs; - обоснование предложения по использованию вероятности непревышения расчётного сейсмического воздействия 2.5% за 50 лет при проектировании внеклассных мостов; - дополнения к макросейсмической части шкалы MSK-64.
Выбор карты ОСР для строительства транспортных объектов
Исторически первыми возникли шкалы интенсивности, основанные на сведениях о повреждениях построек и поведении людей во время землетрясений. Катастрофические последствия стихийных бедствий оказывают неизгладимое впечатление на очевидцев. В первых обобщающих работах о последствиях землетрясений с классификацией их по тяжести повреждений зданий и реакции людей использовались описания эндогенных катастроф, которые можно найти в произведениях античных и средневековых авторов (Библия, письма Плиния Младшего, древнеарабских и персидских летописях и др.), книгах классиков естествознания и художественной литературы (Ч.Дарвин, У.Шекспир и др.).
Таким образом, макросейсмическая (описательная) часть шкал интенсивности базировалась на наблюдениях за происходившими землетрясениями за период примерно в 3 тысячи лет.
После разрушительного землетрясения 1857 г в южной Италии английский ученый Р.Маллет выполнил полевое обследование эффектов этого землетрясения. Он систематизировал сведения об ощущениях людей, разрушениях зданий и нарушениях земной поверхности, принятые им в качестве критериев силы (интенсивности) землетрясения. Маллет ввёл в сейсмологию понятие изосейсты как линии на карте, соединяющей пункты с одинаковой силой землетрясения. Картирование изосейст позволило Маллету определить эпицентр землетрясения 1857 г.
Первая шкала интенсивности разработана итальянцем де Росси и швейцарцем Ф.Форелем в 1883 г. По разрушительному эффекту землетрясения в шкале Росси-Фореля подразделялись на десять классов, каждому из которых приписывался свой балл от I до X по мере увеличения тяжести повреждений. В 1902 г итальянский сейсмолог Меркалли предложил 12-балльную шкалу. Применительно к условиям Японии первый вариант семибалльной шкалы был опубликован Р.Омори в 1900 г. Позже эти шкалы были дополнены количественными данными, характеризующими колебания грунта при землетрясениях разной интенсивности.
В последующие годы на основе упомянутых шкал был разработан ряд национальных и международных стандартов. В США применяются модифицированные шкалы Меркалли (ММ), составленные У.Вудом и Ф.Ныоманом (1931 г) и Ч.Рихтером (1956 г). В Японии с 1950 г действует шкала Японского метеорологического общества (JMA). В России, странах СНГ и ряде европейских стран сила землетрясения определяется в баллах шкалы MSK-64, разработанной С.В.Медведевым, В.ШпонхоЙером и В.Карником.
Шкала MSK-64 состоит из инструментальной и описательной (макро-сейсмической) частей. В описательной части приводятся характеристики землетрясений, разделенные на 12 баллов. По инструментальной части устанавливают балльность землетрясений силой от 5 до 10 баллов. При этом используют показания сейсмометров, установленных на грунте. Однако количество населенных пунктов где установлены сейсмометрами невелико, поэтому описательные части сейсмических шкал сохраняют свое значение и постоянно совершенствуются.
Описательная (макросейсмическая) часть шкалы MSK.-64 включает характеристику степени повреждений зданий, возведенных без антисейсмических мероприятий и подразделяемых на группы: А - здания из рваного камня, сельские постройки, дома из кирпича-сырца; Б - обычные кирпичные дома, здания крупноблочного и панельного типов; В - каркасные железобетонные здания, деревянные дома хорошей постройки. Выделяют следующие степени повреждений зданий: легкие - тонкие трещины в штукатурке, умеренные -небольщие трещины в стенах, откалывание кусков штукатурки, падение кровельной черепицы, трещины в дымовых трубах и падение их частей; тяжелые повреждения - большие и глубокие трещины в стенах, падение дымовых труб, сквозные разрушения между отдельными частями зданий, обрушение внутренних стен и стен заполнения каркаса, полное разрушение зданий. Количественные характеристики повреждений: отдельные - около 5%, многие - около 50%, большинство - около 75%.
В макросейсмический части шкалы также приводятся сведения об ощущениях людей, поведении домашних животных, воздействие на предметы домашнего обихода, остаточных деформациях грунтов, об изменении состояния водоемов и характеристики повреждений некоторых транспортных сооружений (в основном полотна автодорог и рельсов железных дорог). Описание последствий землетрясений дифференцировано по трем разделам: 1) ощущения людьми и прочие признаки; 2) повреждения зданий и сооружений; 3) остаточные явления в грунтах и изменение режима фунтовых и наземных вод. Полное описание шкалы имеется в работе [1].
Шкала MSK-64 выгодно отличается от шкал ММ и JMA большей детальностью классификаций конструкций зданий и степенью их повреждений, а также учетом количественной характеристики поврежденных объектов (процента поврежденных зданий).
Несмотря на отмеченные преимущества описательная часть шкалы MSK-64 имеет существенные недостатки, в основном относящиеся к описаниям повреждений дорожных и других специальных сооружений, а также нарушений земной поверхности. Согласно шкалы MSK-64 дорожные сооружения могут повреждаться при толчках силой 7 и более баллов, а именно: 7 баллов. В отдельных случаях оползни проезжих частей дорог на крутых склонах и трещины на дорогах. 8 баллов. Небольшие оползни на крутых откосах выемок и насыпей дорог. 9 баллов. В отдельных случаях искривление железнодорожных рельсов и повреждение проезжих частей дорог. 10 баллов. Серьёзные повреждения мостов. Легкие искривления железнодорожных рельсов. Дорожные покрытия и асфальт образуют волнообразную поверхность. 11 баллов. Серьёзные повреждения мостов и железнодорожных путей, шоссейные дороги приходят в негодность. 12 баллов. Сильное повреждение или разрушение практически всех наземных и подземных сооружений. В приведенном описании отсутствуют многие разновидности дорожных сооружений (подпорные стены, галереи, опоры контактной сети, платформы, водопропускные трубы, трансформаторы тяговых подстанций и т.п.). В описаниях повреждений транспортных сооружений отсутствует необходимая детализация - не приводятся такие важные характеристики мостов как их система (балочная, арочная и др.), материал (камень, дерево, бетон, железобетон, сталь), назначение (мост через водоток, виадук, эстакада и др). Описания повреждений дорожных сооружений носят сугубо качественный характер. В связи с отмеченными недостатками шкалы MSK-64 в 70ё и 80е годы прошлого столетия в работах Т.Рашидова [2], В.П.Солоненко [3], Г.С.Шестоперова, Ф.И.Целикова, Т.Н. Кол около вой [4], А.С.Гехмана [5] и ряда других исследователей предложены детализированные макросейсмические критерии балльности, характеризующие воздействие землетрясений размой силы на дорожные сооружения, трубопроводы и земную поверхность.
Применительно к мостам характерные повреждения приведены в табл. 1.1, составленной автором на основании сведений о последствиях землетрясений в разных странах, опубликованных в работах [22-26].
Микрорайонирование методом сейсмических жесткостей
В 1965-1973 гг Сахалинский регион дважды подвергался 8-балльным землетрясениям (Ногликское, 1964 г и Монеронское, 1971 г). Однако, на карте ОСР-78, как и ранее, были выделены только зоны 6-го и 7-го баллов. Уменьшение нормативной сейсмичности по сравнению с интенсивностью наблюдавшихся толчков объяснялось большими интервалами времени (по расчету более 2000 лет) между 8-балльными событиями в отдельных населенных пунктах острова [28].
В мае 1995 г в северной части Сахалина произошло разрушительное землетрясение, тектонический разрыв возник на глубине 15-20 км и вышел на земную поверхность в 20-30 км от посёлка городского типа Нефтегорск, где сила землетрясения оценена в 8-9 баллов [38]. Начало строительства жилых домов в Нефтегорске относится к середине 1960-х годов, когда эта часть Сахалина относилась к 6-балльной зоне, в которой строительство осуществлялось без антисейсмических мероприятий. Из-за разрушения 17 пятиэтажных зданий в посёлке погибло 1989 человек, более 400 жителей удалось спасти в результате проведения поисково-спасательных работ. Приведенные примеры показывают, что прогнозирование сейсмической опасности с использованием коротких рядов (50-60 лет) инженерно-сейсмологических и инструментальных данных, а также применения нечетких принципов сейсмического районирования, в частности, по учету повторяемости землетрясений, приводит к исключительно тяжёлым социально-экономическим потерям. Использование длинных рядов (за интервал времени около 5 тысяч лет) сейсмогеологических данных при общем сейсмическом районировании относится к середине прошлого столетия. В это время в Институте земной коры СО АН СССР был создан метод выявления плейстосейстовых зон (т.е. мест наиболее сильных сотрясений) досейсмостатистических землетрясений, определения их магнитуды и других характеристик. Для сейсмического районирования палсосейсмологический метод впервые был применен при составлении схемы ОСР Восточной Сибири в 1956 г [39]. Формулы палеосейсмологического метода получены статистической обработкой фактических размеров разрывных деформаций земной поверхности (сейсмодислокаций) и инструментальных данных о магнитудах катастрофических землетрясений Монголии, Восточной Сибири и Средней Азии. Результаты изучения сейсмодислокаций приводятся в работах В.П.Солоиенко, В.С.Хромовских, А.А.Никонова и других геологов [40-42]. Реконструкция сейсмических событий далёкого прошлого по параметрам сохранившихся в рельефе тектонических разрывов (палеосейсмодисло-каций) позволяет картировать зоны возможных очагов землетрясений (зоны ВОЗ) с магнитудами 7.1 и более. При таких землетрясениях на земной поверхности возникают тектонические разрывы с амплитудой от одного до нескольких метров, обвалы, оползни, сели, колебания грунта самой высокой интенсивности. Сейсмогеологические исследования выявили районы ВОЗ в Сибири, Средней Азии, на Дальнем Востоке и на Кавказе. На официальной карте сейсмического районирования районы с возможными землетрясениями силой более 9 баллов появились в 1969 г. К таким районам была отнесена территория на севере Бурятии и Читинской области, а также юго-восточные окончания полустровов Шипунского и Кроноцкого на Камчатке. Площадь районов наибольшей сейсмичности составила около 20 тыс км2 или 0.1% всей территории СССР. На следующей по времени опубликования карте ОСР-78 зона ВОЗ сильно увеличилась, охватив дополнительно ряд районов на Камчатке, в Сибири и в Средней Азии. В зоне ВОЗ оказались некоторые столицы среднеазиатских республик (Ашхабад, Алма-Ата) и областные центры (Пржевальск, Ош). Для обеспечения безотказной работы транспортных сооружений в районах сейсмичностью 9 и более баллов требуются громадные ресурсы. Например, антисейсмическое усиление висячего моста через пролив Золотые ворота в Калифорнии (США) обошлось в 175 млн. долл [35]. При этом надо иметь в виду, что разрушительный потенциал землетрясений силой более 9 баллов таков, что они способны разрушить любое сооружение в том числе здания хорошей постройки, мосты, тоннели, земляное полотно железных и автомобильных дорог, подпорные стены, лавинозащит-ные галереи, подземные трубопроводы и другие транспортные сооружения. Поэтому наиболее перспективным для проектирования транспортных сооружений в сейсмических районах представляется принцип приемлемого (допустимого) риска, учитывающий совместно социальные, экономические, экологические и инженерные аспекты сейсмостойкого строительства.
Использование принципа приемлемого риска требует детального изучения сейсмического режима исследуемой территории и анализа возможного социально-экономического и экологического ущерба при отказе сооружений, Специальные исследования сейсмического режима и частоты сейсмических событий (сотрясаемости) были начаты Ю.В.Ризниченко в 1958 г. Спустя 20 лет им совместно с большим коллективом соавторов была опубликована монография [36], в которой обобщён опыт исследований сейсмического режима во всех сейсмически активных районах СССР, определены максимально возможные землетрясения, найдены средние периоды повторения толчков интенсивностью 7,8 и 9 баллов в этих районах.
На нормативной карте ОСР данные о повторяемости землетрясений впервые появились в 1978 г. По интервалам времени между толчками нормативной силы населённые пункты были поделены на три группы: с повторяемостью сотрясений 100 лет, 1000 лет и 10 000 лет. Кроме того, на карте ОСР-78 были показаны зоны вероятного возникновения очагов землетрясений, в пределах которых возможные сотрясения силой 10 баллов, а также не исключен выход на земную поверхность тектонических разрывов и ожидаются сейсмогравитационные явления (оползни, обвалы, сели, лавины).
Карта ОСР-78 наглядно показала неоднородность сейсмически опасной территории по повторяемости землетрясений. Однако, в строительной части норм это обстоятельство не было адекватно учтено. В результате объекты одинаковой ответственности, сооружаемые в пунктах с частыми и с редкими землетрясениями, фактически имели разную надёжность (вероятность непревышения расчетного воздействия на срок службы сооружения).
В процессе обсуждения проекта карты ОСР-78 было высказано предложение построить вместо одной три карты сейсмического районирования, отнесенные к определенным периодам времени по повторяемости землетрясений. Комплект из трех карт ОСР-97 (А, В и С) для территории России был создан в ОИФЗ РАН (ответственый редактор В.И.Уломов) при участии многих организаций-соисполнителей [44]. Масштаб карт 1:8 000 000. Карты предназначены для оценки сейсмической опасности в баллах шкалы MSK-64 для объектов массового строительства (карта А), повышенной ответственности (карта В) и особой ответственности (карта С). Интервалы времени между толчками нормативной интенсивности для площадок строительства, сложенных средними по сейсмическим свойствам грунтами, приняты: 500 лет (карта А), 1000 лет (карта В) и 5000 лет (карта С).
Специальные инженерно-сейсмологические работы на участках строительства транспортных сооружений
При выполнении инструментальных работ по сейсмическому микрорайонированию участков строительства сооружений различного назначения в части учета местных инженерно-геологических условий наиболее широко применяется метод сейсмических (акустических) жесткостей, принципиальные положения которого были разработаны С.В.Медведевым [60, 61].
Предложение С.В.Медведева было обосновано эмпирическими данными, указывающими на связь сейсмической жёсткости грунтов и интенсивности их колебаний (степень повреждения зданий) при землетрясениях. В частности, анализ повреждений однородных зданий, возведенных на наиболее прочных невыветрелых скальных породах и на самых слабых грунтах при низком уровне грунтовых вод, показал на приращение силы землетрясения на слабых грунтах на 3 балла по шкале MSK-64.
Из материалов по повреждениям зданий, приращение балльности на исследуемой площадке, сложенной грунтом естественной влажности, по отношению к наиболее прочному скальному (эталонному) грунту определяется по формуле: где 51 - приращение силы сейсмического воздействия, измеряемое в баллах шкалы MSK-64, на исследуемой площадке по отношению к наиболее безопасному в сейсмическом отношении участку за счёт различия сейсмической жёсткости грунтов; V7r и V„g - скорости продольных сейсмических волн, км/с, в наиболее прочных скальных породах, например, в граните и в исследуемом грунте; РУГ и рис - плотности гранита и исследуемого грунта, т/м3. Многими новыми исследованиями [63, 64] установлено увеличение скорости распространения продольных волн в песках и крупнообломочных фунтах с песчано-глинистым заполнителем при их водонасыщении. При этом в галечниках скорость продольных волн возрастает в среднем в 2.9 раза, а в песках в 3.5 раза. По формуле 4.1 увеличение скорости продольных волн в грунте стройплощадки (исследуемом фунте) означает уменьшение приращения балльности, т.е. понижение сейсмической опасности при водонасыщении грунта, что явно противоречит наблюдаемым при землетрясениях повреждениям сооружений. В связи с этим С.В.Медведев предложил при СМР водонасыщенных участков приводить скорости продольных волн в грунтах к их значениям в не-обводненном состоянии, что значительно осложняет использование метода сейсмических жесткостей, соответствующих скоростям продольных волн. В дальнейшем методика СМР по способу сейсмических жесткостей была существенно поправлена и дополнена на основании данных ряда теоретических и экспериментальных исследований. В частности, Н.Д.Красников [65] предложил для оценки сейсмичности строительных площадок дополнительно использовать скорости поперечных сейсмических волн по формуле Практически приращение балльности для грунтов естественной влажности, определяемой по формулам С.В.Медведева и Н.Д.Красникова очень близки, но формула (4.2) гораздо больше соответствует экспериментальным (натурным) данным для водонасыщенных оснований. Для учета влияния уровня воды в фунте h на интенсивность колебаний песчаных, супесчаных, суглинистых и крупнообломочных отложений С.В.Медведев предложил поправку к основной формуле (4.1), согласно которой при h 10 м изменением сейсмичности площадки можно пренебречь, при h=4 м сейсмичность площадки повышается на 0.5 балла, при h=l м увеличение сейсмичности приближается к одному баллу. Последняя поправка сильно осложняет строительство сооружений на участках с высоким горизонтом воды в грунте. В особенности это относится к водопропускным сооружениям в районах сейсмичностью 9 баллов, для которых площадки строительства даже для средних по сейсмическим свойствам фунтов должны оцениваться по данным общих инженер но-геологических изысканий как десятибалльные. В связи с этим приведём данные ряда исследователей, позволяющие отказаться от увеличения сейсмичности площадок за счёт эффекта высокого уровня фунтовой воды и, вообще, за счёт водонасыщенных слоев грунта в пределах глубины инженерно-геологического разреза. Исследованиями влияния воды в грунте на интенсивность сейсмических колебаний занимались многие специалисты. Еще в 1896 г И.К.Ивановский в докладе [34] о повреждениях на бывшей Закаспийской железной дороге, причинённых Красноводским землетрясениям, обращал внимание на повышенную опасность низин староречья Аму-Дарьи. Им же высказывалась совершенно правильная мысль о том, что причина повреждений железнодорожного пути на низменных участках заключалась в слабости водонасыщенных грунтов, а не в увеличении здесь интенсивности колебаний грунта. Ш.Г.Напетваридзе [66], используя метод многократно отражённых волн, рассмотрел горизонтальные колебания грунтовой толщи, состоящей из слоя галечника мощностью от 5 до 20 м. Расчётное сейсмическое воздействие было принято в виде акселерограммы землетрясения в Эль-Центро. В результате анализа полученных расчётом данных выяснилось, что вода в грунте практически не влияет на интенсивность сейсмического воздействия (на ускорения колебаний поверхности грунта), за исключением случая песчаных и глинистых слоев малой мощности, когда возможно приращение интенсивности, выражаемое в долях балла.
Вместе с тем Ш.Г.Напетваридзе отметил увеличение преобладающего периода сейсмических колебаний (примерно вдвое для суглинка и на 20% для песка), а также амплитуд сейсмических перемещений частиц грунта. Это явление он объяснил увеличением массы слоя и уменьшением его сдвиговой жёсткости при насыщении фунта водой. В итоге Ш.Г.Напетваридзе пришел к выводу о необходимости исключения из норм требования о повышении сейсмичности площадок при высоком уровне воды в фунте. Предлагалось также внести исправления в фафик нормативной кривой коэффициента динамичности.
Д.Д.Баркан, Ю.Г.Трофименков и М.Н.Голубцова [67] экспериментально оценили влияние уровня воды в фунте на величину амплитуды колебаний на его поверхности. Волны в фунте возбуждались вибратором, совершавшим вертикальные колебания. Искусственное изменение уровня воды производилось на площадке, имевшей в плане размеры 50x30 м. Колебания измерялись при изменении уровня воды с 0.9 до 3.5 м через каждые 0.5-0.7 м. Опыт не выявил изменения амплитуды колебаний на поверхности фунта.
После землетрясения Сан-Фернандо 1971 г в США, вызвавшего значительные разрушения автодорожных мостов, американские инженеры провели специальные работы с целью уточнения нормативных требований к проектированию мостов. Влияние инженерно-геологических условий, типичных для строительства в Калифорнии, на интенсивность сейсмических воздействий исследовалось по профамме расчёта колебаний многослойной фунтовой толщи. В результате расчета многих вариантов, отличавшихся мощностью и составом фунтовой толщи (рассматривались плотные и средней плотности пески различного гранулометрического состава), было установлено, что в основном интенсивность сейсмического воздействия определяется полной мощностью покровных отложений и величиной максимального ускорения скального основа ния. Влиянием уровня воды в грунте на интенсивность колебаний его поверхности можно пренебречь.
