Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Сейсмическое микрорайонирование на основе изучения нелинейных свойств грунтов искусственными источниками

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Сейсмическое микрорайонирование на основе изучения нелинейных свойств грунтов искусственными источниками"

московский государственный университет

имени М.В.ЛОМОНОСОВА

р Б О Л физический факультет

- 1 Ш? ^

На правах рукописи удк 550.34

ЗААЛИШВИЛИ Владислав Борисович

СЕЙСМИЧЕСКОЕ МИКРОРАЙОНИРОВАНИЕ НА ОСНОВЕ ИЗУЧЕНИЯ НЕЛИНЕЙНЫХ СВОЙСТВ ГРУНТОВ ИСКУССТВЕННЫМИ ИСТОЧНИКАМИ

(04.00.22 - "Физика твердой Земли")

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва - 1996 1

Работа выполнена в Объединенном Институте Физики Земли им.О.Ю.Шмидта РАН

научный консультант член-корреспондент РАН А.В.Николаев Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук А.С.Алешин Доктор физико-математических наук, И.В.Ананьин член-корреспондент РАЕН

Доктор физико-математических наук, В.М.Фремд профессор

Ведущая организация: Производственный и научно-исследовательский институт по инженерным изысканиям в строительстве (ПНИИИС) Минстроя России

Защита диссертации состоится "04 • 199G г. в " " часов на заседании Специализированного совета Д.053.05.81 по геофизике в Московском Государственном Университете им. М.В.Ломоносова по адресу: 119899, Москва, Воробьевы горы, МГУ физический факультет, ауд. S\~\9

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ.

Автореферат разослан >05,1996 г.

Ученый секретарь Специализированного Совета кандидат физико-математических:------

В.Б.Смирнов

Общая характеристика работы

Проблема сейсмического микрорайонирования является одной из главных в прикладной сейсмологии. С годами ее значение постоянно растет. Это связано с урбанизацией, расширением строительства огромных промышленных сооружений, повреждение и разрушение которых грозит экологической катастрофой: высотных плотин, атомных электростанций, химических заводов, могильников для захоронения высокоактивных отходов и др. Растет количество, сложность и уязвимость коммуникаций - про-дуктопроводов, линий электропередач, железных дорог. Результатом техногенных воздействий является повышение сейсмической опасности от инициированных землетрясений. Изменяются инженерно-геологические характеристики грунтов на урбанизированных территориях.

Общим следствием этих процессов является постоянный рост сейсмической опасности и уязвимости городских территорий для землетрясений.

Применяемые методы сейсмического микрорайоннрования основываются на опыте изучения макросейсмических проявлений при сильных землетрясениях и на исследовании искажений сейсмических волновых полей от слабых местных и удаченных землетрясений в их зависимости от грунтовых условий, рельефа, строения самой верхней части земной коры.

Таким образом, сильные сейсмические движения, в их зависимости от характеристик грунта изучаются на основе грубых количественных неинструментальных показателей, а инструментальные способы используются для оценки особенностей слабых движении грунта и прогнозирования с их помощью эффекта сильных землетрясений.

Ясно, что при сильных сейсмических движениях значительную роль играют нелинейные явления, которые особенно сильно проявляются в рыхлых осадочных грунтах - супесях, суглинках, во-донасыщенных глинах. Это явление имеет решающее значение

з

при сейсмическом районировании, требует детального исследования, создания методов расчета и корректировки определений приращения балльности. Вместе с тем, до настоящего времени проблеме исследования и учета нелинейных явлений практически не уделялось внимание. Имеющиеся теоретические и экспериментальные результаты исследования нелинейных эффектов в грунтах (А.В.Николаев, А.А.Гвоздев, В.В.Кузнецов, В.В.Гущин, Г.М.Шалаш В.С.Соловьев, И.А.Береснев и др.) позволяет не только оценить возможный масштаб проявления нелинейных эффектов, но определить пути их исследования и учета.

Диссертация посвящена исследованию возможности и разработке метода оценки степени нелинейности грунтов различного литоло-гического состава и физических свойств для целей сейсмического микрорайонировання.

Актуальность проблемы

Газвитпе метода сейсмического микрораионирования, основанное на учете нелинейно-упругих свойств грунта и прогнозировании их влияния на развитие нелинейных эффектов при сильных сейсмических воздействиях, дает возможность повысить надежность и точность определения приращения балльности. Использование вибрационных и импульсных сейсмических излучателей позволит аттестовать грунт сильными сейсмическими деформациями, эквивалентными G-7 балльному сотрясению, создать простую и эффективную методику сейсмического микрорайонировання. Это позволит также значительно более обоснованно планировать застройку новых территорий и сократить убытки от возможных сильных землетрясений.

Необходимость разработки способа СМР, основанного на изучении нелинейных свойств грунтов современными невзрывными источниками большой мощности определяет актуальность диссертационной работы.

Цели работы

1. Изучить характер нелинейных эффектов по существующим записям сильных и разрушительных землетрясении и по макро-сейсмическим данным: установить простые и эффективные показатели нелинейности грунтов, разработать методы их использования для оценки приращения балльностн.

2. Разработать основы метода сейсмического микрорайониро-ванпя, нспользущего невзрывные импульсные и вибрационные источники для прогноза нелинейных эффектов при сильных землетрясениях.

Для достижения поставленных целей решены следующие задачи

1. Найдена простая количественная характеристика нелинейной трансформации волнового поля на основе использования невзрывных импульсных и вибрационных источников.

2. Разработана практическая методика определения показателей нелинейности по экспериментальным данным.

3. Установлены корреляционные связи между интенсивностью макр о сейсмического эффекта и нелинейностью грунтов.

4. Практическим опробованием показана эффективность разработанной методики оценки приращения балльности на типичных участках и грунтах районируемой территории.

Научная новизна

- Разработаны и апробированы новые инструментальные способы сейсмического микрораионпрования, позволяющие оценивать и учитывать в расчетах балльностн степень нелинейности и неупругости грунтов;

- введены новые показатели поглощения и нелинейности грунтов, основанные на использовании связей спектральных характеристик волнового поля искусственных источников с особенностями грунтовых условий территории, установлена универсальность характера введенных показателей, обуславливающая возможность их использования в практических целях;

- выведены новые эмпирические формулы для расчета приращ ння балльности при сильных землетрясениях с учетом нелинейны трансформаций волнового поля вблизи дневной поверхности, и< пользующие показатели нелинейности, упругие и неупругие cboi ства среды;

Практическая значимость и реализация работы

- Разработанный способ обладает большей точностью опред< ления приращений балльности, чем традиционно применяемые м< тоды, особенно на дисперсных, рыхлых грунтах, где при сильны сотрясениях нелинейные эффекты проявляются особенно ярко;

- способ мобилен, универсален, может быть использован практши ски в любых условиях, в городах, вблизи ответственных объекто

- способ экономически целесообразен.

Эти особенности способа открывают перспектив}' его нспол зования для сейсмического мпкрорайоннрованпя.

Способ реализован на основе современных невзрывных cciicmi чсских источников и использован в практике работ по CMP Teppi торий целого ряда городов Грузин и России: г .Тбилиси, Рустав! Горн, Ткибули, Кутаиси и отдельных участков Большого С041 Результаты применения способа показывают высокую эффекта ность и практическую целесообразность применения современны невзрывных источников при СМР.

На защиту выносятся

1. Совокупность результатов исследований, основанных на ан-лизе записей сильных и разрушительных землетрясений, а такл экспериментальных данных, полученных с применением искусств ных сейсмических источников.

2. Критерии и методика оценки степени нелинейного поведет-дисперсных и скальных грунтов на основе предложенных моделе свойств среды и сейсмического воздействия.

б

3. ¡Методика количественной оценки относительной сейсмической опасности грунтов типичных участков районируемых территорий.

Апробация работы

Результаты работы докладывались на международном симпозиуме по методам сейсмического микрорайонпрования (Ялта, 1983 г.), на Всесоюзном совещании по сейсмическому районированию территории СССР и изучению сильных землетрясений (Кишинев, 1984 г.), на республиканской конференции молодых ученых Грузии (Тбилиси, 1984 г.), на Объединенной сессии НИИ Закавказских республик по строительству (Тбилиси, 198G г.), на Всесоюзном научно-координационном совещании по СМР при MCCCC (Алма-Ата, 1987 г.), на Всесоюзном совещании по оценке сейсмической опасности (Черноголовка, 1988 г.), на Всесоюзной конференции по гидротехническом}' строительству в сейсмических районах (Нарва, 1988 г.), на заседании рабочей группы по СМР при МСССС (Кишинев, 1989 г.), на IX Европейской конференции по сейсмостойкому строительству (Москва, 1990 г.), на Всесоюзной конференции по надежности строительных материалов и конструкций в строительстве (Батуми, 1990 г.), на международном семинаре по Рачннскому землетрясению и сейсмичности Кавказа (Тбилиси, 1992 г.), на международной конференции по зонированию землетрясений и уменьшению сейсмической опасности (Ереван, 1993 г.), на научных семинарах: в ИГ АН Грузии (1985 г.), в отделе сейсмического микрорайонирования ИГГ АН Молдавии (Кишинев, 1985г.), в ИСМиС им.К.С.Завриева АН Грузии (Тбилиси, 1981- -1991 г.), в ПНИИИС Минстроя России (Москва, 1995), в отделе экспериментальной геофизики ИФЗ им.О.Ю.Шмидта РАН (Москва, 1983 - -1995 г.), на кафедре физики твердой Земли физического факультета МГУ им.М.В.Ломоносова (Москва, 1996).

Личный вклад автора

Основные результаты диссертации изложены в 29 опубликован ных работах, среди которых '2 изобретения защищены патентами Автор активно участвовал в постановке задачи, теоретическое и экспериментальном обосновании основных положений работь совместно с научным консультантом чл.-корр. РАН А.В.Николаев Основные материалы, положенные в основу работы получень автором лично. Автор руководил и непосредственно участвовав в выполнении научных исследований и работ по СМР террнто рий гг. Тбилиси, Кутаиси, Гагра, Поти, Батуми, Рустави, Гали Гори, Ткварчели, Боржоми, Ахалцихе, участков трассы Кавказ ской Перевальной железной дороги, отдельных участков террнто рпн г.Б.С'очи, крупных строительных площадок под особо ответ ственные объекты (гг.Гали и Цптелнцкаро, с.Ульяновка и т.д.) < использованием инструментального метода. Кроме того, в основ« фактического материала лежат данные, полученные автором процессе решения различных неотложных практических задач (вл янне взрывов на сохранность монастырского комплекса Давид Га реджи, деформации трубопровода и.т.д.), а также - специальны, полевых и лабораторных исследований по теме диссертации. Bci указанные экспериментальные материалы были получены, обрабо таны и интерпретированы лично автором и под его руководством В работе проведен анализ данных Рачинского землетрясения (Гру зия, 1991 г.), Спитакского землетрясения (Армения, 1988), Группь SMART - 1 (о.Тайвань, 1981-1987 гг.), землетрясения в Черного рин (б.Югославия, 1979г.), землетрясения в Сан Фернандо (США 1971 г.) и т.д.

Обработка инструментальных данных при анализе записей Ра чинского землетрясения от 29 апреля 1991 г. проводилась со вместно с к.т.н. Ш.М.Марджанишвили. Расчетный анализ ко лебаний грунтов под воздействием импульсного и вибрационног источников производился совместно с к.т.н. И.Э.Тимченко. В всех случаях автору принадлежит идея и постановка задачи, уча

стие в обработке и интерпретации данных.

Объем и структура работы

Диссертация состоит из введения , пяти глав , заключения и списка цитированной литературы из ЗН( наименований. Работа содержит 222/страниц машинописного текста, 18 таблиц, 72 иллюстраций.

Автор хранит благодарную память о своем научном руководителе чл.-корр. АН Грузни Ш.Г.Напетваридзе, чей вклад в постановку исследований и помощь автору трудно переоценить.

Авто]) выражает глубокую благодарность своему научному консультанту чл.-корр. РАН А.-В.Николаеву за поддержку, доброжелательное, теплое отношение и помощь в проведении исследований.

Автор искренне признателен д.ф.-м.н., проф. В.В.Штейнбсргу, д.ф.-м.н., чл.-корр. РАЕН И.В.Ананьину, д.ф.-м.н. А.С.Алешину, к.ф.-м.н. Ф.Ф.Аптпкасву, к.т.н. Б.Н.Самкову и другим коллегам за обсуждение ряда вопросов по теме диссертации.

Автор выражает благодарность к.т.н. Ш.М.Марджанишвили и к.т.н. Н.Э.Тимченко за помощь в обработке результатов исследований.

Автор благодарит сотрудников треста Грузнефтегеофнзика за неоценимую помощь в организации и проведении экспериментальных исследований с помощью невзрывных источников большой мощности.

Содержание работы

Во введении диссертации показана актуальность проблемы, сформулированы цели работы, ее научная новизна, приводится информация о практической реализации результатов исследований.

Глав а 1. "Методологические аспекты сейсмиче ского микрорайонирования. Состояние проблемы i выбор направления исследований" начинается с аналнтп ческого литературных данных, целью которого являлось обосно ванне выбранных направлении исследовании.

На основе критического анализа литературных данных авто] проследил общие тенденции развития методов СМР и обоснова необходимость совершенствования инструментального метода н; основе применения невзрывных сейсмических источников и изу ченпя нелинейных свойств грунтов. Первые доказательные со общения о влиянии вида грунтов на проявление силы сотрясена) можно встретать в трздах российских а зарубежаых ученых уж» с середины XIX столетня. Рассмотрение карт разрушений лю бого землетрясения отчетливо указывает на несомненное4 влняшк грунтовых условий на сейсмический эффект. Уже в начале век А.Зпбергом были введены понятия зон силового поля, обусловлен ного землетрясением. Зона нормального силового поля совпадает < глубинным кристаллическим фундаментом, где изосейсты имею': правильный вид. На это нормальное иоле1 накладывается возмущенное поле, к котором}- относятся вариации эффекта, связанны с различием свойств грунтов у поверхности Земли. В кристалла ческах породах наблюдается истинная сила землетрясения, a Hi поверхности - видимая. Таким образом, уже А.Зиберг определил задачи сейсмического мнкрорапонирования, ориентированны» на решение проблем антисейсмического (сейсмостойкого) строи тельства. При этом для количественного учета влияния грунтот на интенсивность, им были введены так-называемые почвенньк коэффициенты, характеризующие отношение амплитуды колеба ннй на поверхности к амплитуде "неопасной" кристаллической породы. Так, при переходе от аллювия к заиленным грунтам значения коэффициентов менялись в пределах 3-16 соответственно, чт< по шкале интенсивности Меркаллн соответствовало приращеннк балльности 1-4 балла. Им же была показана возможность макси-

мума сотрясения при минимальной толщнне поверхностного слоя и - наступление резонанса в рыхлых грунтах и т.д.

Другими словами, ко времени зарождения инструментального метода СМР многие основные задачи были уже поставлены и так или иначе решены. В то же время, представления о характеристике грунтов были во многом расплывчаты - грунты с резко различающимися сейсмическими свойствами попадали в одну градацию и т.д.

В последующем были введены параметры, более объективно характеризующие фнзпко-механнчеекпе свойства грунтов. Для количественной оценки влияния грунтов на сейсмический эффект землетрясения, были проведены специальные исследования (В.В.Попов, С.В.Медведев п др.), которые вновь привели к почвенным коэффициентам.

Следует отметить, что наибольший коэффициент усиления - более 50 наблюдался при Мексиканском землетрясении (1985 г.). На принципе учета колебательного усиления сигналов были основаны почти все существующие способы СМР, в частности, наиболее распространенный (на территории СНГ) способ сейсмических жест-костей С.В.Медведева. Как показали данные инженерного макро-сейсмпчсского обследования территорий, подвергающимся сильным и разрушительным землетрясениям, наряду с правильной оценкой влияния грунтов на сейсмический эффект с помощью указанного способа, отмечаются ошибки, иногда значительные. Это объясняется сложностью проблемы, недостатками широко применяемых линейных моделей, не учитывающих нелинейный характер сильных сейсмических движений грунтов.

Колебательное усиление, являясь важнейшей характеристикой грунтового движения, зачастую необъективно характеризует сейсмический эффект, т.к. при максимальном (инструментальном) усилении сигнала [повреждения зданий и сооружений иногда минимальны. Более того, именно в ближней зоне землетрясения, усиление много меньше (часто даже неотделимо от движения noil

верхностных скальных грунтов), чем в дальней зоне. При интенсивных воздействиях в рыхлых грунтах наблюдаются различные нелинейные явления, выраженные, как правило, в увеличении сейсмического эффекта. Дальнейшее приближение модели к реальным условиям и совершенствование метода СМР должно предполагать учет влияния нелинейности грунтов на интенсивность сильных движений.

Действительно, упрощенные классические модели сейсмологии плохо отражают явления, наблюдающиеся в ближней зоне землетрясения, где наиболее развиты сильные движения грунта. Законы, основанные на теории малых деформаций, не выполняются. При интенсивных воздействиях изменяются модули упругости гру тов, падает несущая способность рыхлых грунтов, характеризуемая их остаточными деформациями, возникают неравномерные осадки зданий и сооружений и т.д. Сейсмическое мнкрорайони-рование, использующее существующие косвенные методы, связано с неточностями, а иногда и с существенными ошибками.

Сейсмическое мпкрорайонирование не. может оставаться на "линейных" позициях, хотя эмпирические способы СМР, в той или иной степени предполагают учет нелинейных эффектов, проявляющихся вблизи поверхности при сильных землетрясениях.

Для устранения недостатков существующих способов СМР ранее были специально проведены исследования, которые установили высокую эффективность и перспективность использования при СМР невзрывных импульсных (А.В.Николаев, В.Б.Заалишвнли 1983 г.) и вибрационных источников достаточно большой мощности (В.Б.Заалишвнли, 1985 г.). В частности, при использовании вибрационного источника в качестве показателя нелинейной трансформации движения грунта использовалась площадь спектра сейсмического сигнала, возбуждаемого в грунтовой толще. С помощью специально разработанной методики сейсмический вибратор успешно использовался при СМР территорий целого ряда городов Грузин и России. В то же время, при этом не проводи-

ласъ оценка нелинейных свойств грунтов, что очевидно, снижало общую ценность получаемых результатов.

Выводы

1. Существующие инструментальные методы сейсмического мнкрорайонированпя, основанные на использовании линейных сейсмических характеристик грунтов или характеристик записей слабых сейсмических полей от удаленных и местных землетрясений, дают оценку приращения балльности, не зависящую от интенсивности колебаний грунта.

2. Несмотря на то, что нелинейные свойства грунтов в неявном виде учитываются в эмпирических формулах через такие характеристики, как скорости сейсмических волн и коэффициенты поглощения, которые статистически связаны с нелинейными характеристиками, применение этих формул для определения приращения балльности часто дают неточные результаты, а иногда и существенные ошибки.

3. Естественный путь развития метода - прямой учет нелинейных характеристик грунта либо непосредственно, либо опосредованно через нелинейные искажения волнового поля от стандартных источников, импульсных или вибрационных. Целесообразно изучать нелинейные свойства грунтов невзрывными источниками, позволяющими аттестовать сейсмические свойства грунтов, проявляющиеся при сильных сотрясениях.

Хотя в такой постановке задача практически не исследована, ее решение подготовлено проведенными ранее исследованиями грунтов с применением невзрывных источников.

Г л а в а 2. "Нелинейные свойства грунтов". Задачи инженерной сейсмологии решаются, как правило, с помощью эмпирических приближений в отсутствие достаточно разработанной количественной теории. Первой работой, посвященной вопросу количественной оценки нелинейности грунтов с целью сейсмнчс-

ского мнкрорайоннрованпя, явилось исследование A.B.Николас (1967г.), в котором уже тогда указывалась необходимость и вс можность учета нелинейных свойств грунтов при сильных сс смнческих движениях. Отмечено, что в формировании вол но в i полей определяющую роль играет физическая нелинейность, > растеризующаяся нелинейностью связи напряжение-деформаци

Для изучения реакции грунтовой толщи на определенное дин мпческое воздействие рассматриваются различные модели физит: ских систем. Наиболее широкое применение приобрела гипоте; о вязком демпфировании грунтов. Ее популярность связана с д статочно ясной физической идеей и удобством матсматнчесю преобразовании, особенно в случае неустановившихся дннампч ских перемещений. Гистерезнсная модель демпфирования.позв ляет хорошо* описать механизм поглощения упругой энергии Л экспериментальных исследований известно, что поглощение зав! сит от интенсивности колебаний и при росте деформаций снача* падает, а затем растет. Этот рост связан с появлением микротр щпн, началом разрушения.

Благодаря большому разнообразию типов грунтов, характер! стик их структуры и текстуры, развитие нелинейных явлений прс исходит в них по-разному. Поэтому общие закономерности должн быть выражены в виде простых соотношений между интеграи нымп характеристиками, определенными на основе эксперимен тальных исследований.

Анализ записей Рачинского землетрясения в Грузии (29.04.9 г.), полученных с помощью системы SMACH позволил выявить i обосновать целесообразность использования параметра-площад! нормализованного спектра колебаний:

I

где Ai - амплитуды отдельных составляющих спектра, взяты: с шагом по частоте А/г- ; Aq - пиковое значение спектра.

Величина £„ имеет размерность частоты п. по сути, представляет собой ширин}' полосы частот сейсмических колебаний. Благодаря частотно-избирательному характеру поглощения и сложному частотнозависимому характеру нелинейных искажений сейсмических колебаний, величина вн характеризует развитие обоих процессов.

В то же время, ширина полосы частот дает недостаточное представление о преобладающих частотах записи и их динамике, связанной с эволюцией формы волны при ее распространении в реальной среде. В связи с этим использован еще один параметр (/св) - "средневзвешенная частота" колебаний:

, £ AjfjlS.fi /св Е AjA.fi

По существу, три параметра спектра А0, 5„ и $со являются его главными характеристиками. Эволюция даже этих сильно осрсд-нснных параметров в верхней части осадочной толщи, в грунтах, происходит достаточно сложным образом, п испытывает влияние неоднородности поглощения и нелинейности среды.

В задачах сейсмического мпкрорайонирования рассматриваются изменения сейсмических волновых полей на сравнительно небольших дистанциях пробега, порядка долей длин волн. Поэтому влиянием изменения интенсивности вследствие геометрического расхождения можно пренебречь.

Влияние крупных п средних неоднородностей, имеющих размер порядка длины волны и больше, учитывается дифференциальными оценками интенсивности колебаний на грунтах различных типов. Влияние мелких неоднородностей, имеющих размер порядка долей длины волны, обычно не принимается во внимание.

Особенности изменений спектров сейсмических волн, связанных с их поглощением и нелинейным искажением, в основном, формируются в самом верхнем, изменяющемся от нескольких до десятков метров, тонком слое грунта. Даже при очень сильном

линейном поглощении на таких расстояниях происходят сравни-

15

тельно небольшие потерн энергии на поглощение. При этом высс кие частоты испытывают значительно более сильное поглощение чем низкие, происходит обеднение спектра высокими частотами результате чего уменьшается ширина полосы SH и средневзвешег ная частота fCG , уменьшается амплитуда Aq.

Влияние нелинейности на изменение характеристик спектра cei смическпх колебаний существенно иное.

В идеале, при слабой нелинейности грунтов, в распространяв: щейся гармонической волне возникает искажение формы, которо может быть охарактеризовано ростом амплитуды второй гармс нпкн А-2 по отношению к амплитуде основного тона А\\

A-¿/Ai = м'Кг,

где М' = fcuA\/Vs - число Маха; г - расстояние; К ~ коэффищ: ент нелинейности; Vs - скорость поперечной волны.

Коэффициент нелинейности определяется по следующей форму./

К = pVp{AVpf АР)

где р - плотность; Vp - ско]юс.ть продольной волны; AVp - измене нне скорости сейсмической волны, вызванное изменением давлени. АР.

Таким образом, нелинейная трансформация формы волны прс исходит с расстоянием достаточно плавно, и даже при болыии: значениях к и М эти изменения будут относительно невелики При этом, за счет возникновения кратных гармоник происходи' расширение спектра в область высоких частот; во многих случая; нелинейные искажения проявляются и в виде возникновения суб гармоник - низкочастотных гармонических колебаний, этот про цесс сопровождается расширением спектра в область низких ча стот.

Таким образом, при прохождении через упруго-нелинейную сре происходит расширение спектра сейсмической волны, увеличена значений S„ и /С(3 , уменьшение Aq.

Для учета поглощения сейсмической энергии в верхней части грунтовой толщи использована теория искаженного демпфирования, из которой следует, что коэффициент потерь r¡ (величина, обратная добротности), равен отношению ширины спектра к резонансной частоте; резонансная частота во многих практических случаях близка к средневзвешенной частоте, а ширина спектра -нормализованному спектру. С учетом этого , получим:

T¡ ~ Su/fea-

Коэффициент потерь растет с увеличением деформации, поэтому поглощение сейсмической энергии - также нелинейный процесс.

На малых дистанциях распространения интенсивной сейсмической волны роль поглощения в изменении волнового поля меньше, чем нелинейности, которая у поверхности рыхлой среды проявляется очень резко.

Вблизи дневной поверхности наблюдаются наиболее контрастные нелинейные искажения, в этом случае среда ведет себя существенно различным образом по отношению к деформациям сжатия и растяжения, т.е. обладает различными упругими модулями по отношению к таким деформациям. Такая модель нелинейно-упругой, рыхлой среды была предложена А.В.Николаевым, и в дальнейшем развита в экспериментальных работах А.А.Гвоздева и В.В.Кузнецова, Ю.И.Васильева, О.Б.Хаврошкнна и др. и в теоретических работах В.П.Маслова и П.П.Мосолова, В.Н.Ляховского и др.

При падении интенсивной продольной волны снизу на дневную поверхность верхний слой небольшой толщины испытывает попеременно деформации сжатия и абсолютного (а не относительного, как обычно) растяжения. Следствием различия модулей является характерное искажение формы волны: резкое увеличение амплитуды деформации растяжения по отношению к деформации сжатия и, как результат этого, возникновение постоянной компоненты деформации растяжения. Эта деформация названа

"сейсмораднацнонной", а вызвавшая се сила - "сейсморадпащ онноп" силой (термин заимствован из акустики).

Смена знака деформаций при прохождении волны через бимс дульную среду должна сопровождаться характерными эффектам! при этом п продольная волна, и поперечная, испытывают резко изменение скорости смещений и ускорения, т.к. энергия упруго деформации должна быть адаптирована к новым модулям в тс ченпе коротких интервалов времени по сравнению с характерны? периодом колебаний. В колебательном процессе это будет выра жено в виде резкого расширения ширины спектра в обе сторон! высокочастотную и низкочастотную, а также в появлении посто яннои составляющей. Интенсивные высокочастотные пмпульсь возникнут в продольных и поперечных колебаниях грунта, резк< возрастают параметры и /С().

При решении задачи сейсмического мнкрорайонирования оце нпвается относительное изменение интенсивности, выраженное баллах одной площадки по отношению к другой, эталонной. Ка ждая индивидуальная оценка интенсивности зависит от эпнцен трального расстояния, строения земной коры на трассе очаг-пункг наблюдения особенностей сейсмических волн, изученных очагом Наиболее состоятельные относительные оценки различий интен спвностп соответствуют тем случаям, когда сопоставляемые пунк наблюдении находятся на сравнительно небольшом расстоянии од1 от другого, так что фактор геометрического расхождения и не кажения волнового поля крупными неоднородностями среды, ле жащнмп на пути от источника к поверхности, дают одинаковых вклад в оценку сейсмического эффекта. Этот факт был принят в< внимание при организации обследования последствий Рачинскоп и других землетрясений.

Ширина полосы спектра связана с сейсмическими параметрами грунта - скоростью поперечной волны (У3), коэффициентом по глощения (а) и декрементом поглощения (77) простыми соотно шеннямн. На дистанции распространения г уменьшение энергш

оценивается экспонентой exp(—r]fcar/Vs) н тогда:

Vfcbr/Vs = г}г/А = от.

В диапазоне частот 0,5 - 30 Гц для осадочных грунтов .можно полагать, что а пропорциональна /со. При малых показателях экспоненты поглощенная энергия пропорциональна от. Принимая во внимание гнстерсзисный характер затухания, приходим к таким соотношениям:

Sn = flr/Vs,

SJ fee = fcBr/Va = or.

Для некоторого выбранного расстояния (г = const), можно записать:

Su/fco~OL. (1)

Таким образом, величина отношения нормализованного спектра к частоте прямо пропорциональная поглощению энергии данной толщей.

С другой стороны, при нелинейном поведении грунтов, характерно расширение спектра в ВЧ и частично в НЧ области спектра. Таким образом, расширение спектра должно в некоторой мере быть пропорционально нелинейности грунтов. В то же время, расширение в НЧ области спектра в рыхлых грунтах, обусловленное явлением поглощения превышает расширение, связанное с нелинейностью грунта, и, таким образом, поглощение "маскирует" нелинейность. В скальных грунтах, где величина поглощения значительно меньше, нелинейность среды проявляется более отчетливо. В то же время, оценка нелинейности с точки зрения СМР, интересна именно для рыхлых грунтов. Кроме того, при использовании площади нормализованного спектра, отсутствует возможность изучения формы спектра. В связи с вышеизложенным, для оценки степени нелинейности грунтов необходимо ¡введение другого показателя.

В связи с этим, введено понятие площади "реального" спектра

колебаний. Это - впбросиектр или амплитудный спектр Фур: рассчитываемый по сейсмограмме1. Площадь реального спект Sp согласно определению равен:

Sp = S„Ag. (

Аналш показывает, что величина Sp тесно связана со степень нелинейности грунтов. При достижении ускорений а ~ 0.1 д з впспмость Sp от ускорения резко меняется, обретая нелннейнь характер ('"мягкая нелинейность"). Для жестких грунтов хара терна "жесткая" нелинейная зависимость. Выражение (2) с-уч том (1), примет вид:

Sp ~ aA0fCb.

Таким образом, площадь реального спектра является интеграл: ной характеристикой явлений поглощения и нелинейности, возш кающих в грунтовой толще. Это подтверждает наблюдающеес при экспериментах подобие влияния на форму спектра явлений п< глощенпй и нелинейности. Отношение площади реального спектр к поглощению, даст, очевидно, т.н. "чистую" нелинейность:

^ - AoU (3

а

или т.к. а ~ }(Ъ , то выражение (3) примет вид:

~ A0fce. (4

Jca

Отсюда, характеристика нелинейности грунта Sp может быть не посредственно оценена с помощью выражений (3) или (4). Такт образом, произведение амплитуды спектра на средневзвешеннун частоту, являясь простейшей и легко измеряемой величиной, ха растеризует новое качество - нелинейность.

В пятом разделе главы проведена оценка проявления нелинейных явлений на основе результатов инженерного макросейсмпче ского обследования территорий, подвергшихся разрушительном}

землетрясению. Это - многочисленные, неравномерные осадочныс

20

деформации грунтов, трещины в них, оползни, откольные явления и т.д.

Исследованы взаимосвязи нелинейных свойств грунтов и оценка сейсмической опасности территории. Указано, что иногда значительно большее влияние оказывают грунтовые условия, чем собственно магнптуда землетрясения. Анализ литературных данных показал, что со значений ускорений 0. lg происходит заметное проявление нелинейных явлений, т.к. при этом резко падает прочность рыхлых грунтов, их структурные связи ослабевают, а скорости поперечных волн уменьшаются. Провести резкую границу между понятием плотный и рыхлый грунт затруднительно. Сделан вывод, что создание рациональной методики СМР требует рассмотрения новых критериев оценки сейсмической опасности. К таким критериям относится введенная А.В.Николаевым мера рыхлости грунтов, приобретающая новый смысл при ее инструментальном изучении.

Выводы

1. Анализ изменений характера волнового поля сильных землетрясений показал, что наиболее характерное проявление нелинейных сейсмических эффектов выражено в расширении спектра сейсмических колебаний, главным образом, в высокочастотную области. Поэтом)', в качестве характеристики нелинейных свойств грунта целесообразно взять три главных параметра частотного спектра: его максимальную амплитуду Aq , ширин)- полосы частот (площадь нормализованного спектра) SH и средневзвешенную частоту fco. Эти характеристики отображают также и дпеенпа-тпвные свойства грунта.

2. Изменения спектров, вызванные нелинейными эффектами и поглощением, выражены по-разному. Поведение грунтовой толщи при воздействии искусственного источника достаточно хорошо описывается гистерезисной моделью демпфирования, что отражено прежде всего в обеднении спектра высокими частотами. Ха-

рактерноп чертой нелинейных искажении является их зависимое ! от интенсивности воздействия, на чем должно быть основано ра витпе методики сейсмического микрорайонирования.

3. Анализом макросейсмическнх инструментальных данных Р; чинского землетрясения иодтве])ждена эффективность использ вания спектральных характеристик записей землетрясении и т куественных источников для сейсмического микрораионнрованн;

4. Развитие нелинейных эффектов на, поверхности "рыхль: грунт упругая среда" достаточно полно объясняется разлш ньшп модулями сжатия п растяжения в грунтах. Эта модель пре; сказывает не только резкие изменения характера сильных движ< нпй в приповерхностном слое грунта, но и расширение спектра высокочастотную и низкочастотную области, возникновения ш стояшюй составляющей в поле1 упругих деформаций.

Г л а в а 3. "Инструментальное исследование нели нейных эффектов в грунтах и сооружениях при силь пых землетрясениях и искусственных сейсмически воздействиях". Количественные характеристики сильных двп женпй, получены по данным регистрации сейсмической систем! БМАСН, установленной ОИФЗ РАН и швейцарскими коллегами Грузни сразу после Рачинского землетрясения, и Группы ЗМАГГГ 1, установленной на о.Тайвань для изучения сильных зсмлетрясе нпн в непосредственной близости от их очагов. Данные ннстру ментальных исследований дополнены результатами анализа ма кросейсмнческнх данных нескольких сильнейших землетрясений.

Анализ макросейсмическнх данных и причин повышения про гнознруемого ускорения проведен на основе обследования несколь ких сильнейших землетрясений, происшедших за последние 30 лет Отмечена слабая корреляция величины ускорения с показателям! разрушительного эффекта землетрясения. На основании этог сделан вывод о некорректности исключительного использоваии ускорения, как основной характеристики интенсивности двпже

нии

грунта. - Показана необходимость использования энергетических характеристик полей для количественного описания воздействия в качестве важного показателя реакции системы " грунт сооружение" - ее способности поглощать упругую энергию.

Па основе анализа данных системы SMACH, регистрировавшей лфтершоки Рачпнского землетрясения в его эшщентральноп зоне, установлены изменения показателен поглощения и нелинейности грунтов на участках с различными лптологнческтш характеристиками грунтов и их состоянием, что позволило установить качественную связь между линейными и нелинейными свойствами для различных типов грунтов. Сделан вывод о правомочности использования в качестве характеристики динамического поведения системы специальных параметров - ширины спектра сейсмических колебаний или площади нормализованного спектра п площади реального спектра, ранее введенного В.Б.Злалпшвплп (1985 г.) в практику СМР и достаточно широко апробированного.

Рассмотрены особенности вновь введенных показателей поглощения и нелинейности, полученных с помощью Группы SMART-1, материалы которой были любезно предоставлены проф. Б.Болтом. Группа представляет первую большую систем}' сейсмографов сильных движении и расположена на о.Танвань, вблизи г..Лоутинг. Она состояла из 37 трехкомпонентных акселерометров, расположенных на небольшом участке с поперечником около 2-х км. Вблизи Группы в период 1981-1987 гг. произошло 48 ощутимых землетрясений, очаги которых находились на расстоянии до 130 км от приборов, причем 9 из них имели магнитуду М = 5.9 -7.2. Максимальные ускорения для вертикальных и горизонтальных колебаний на дневной поверхности достигали 0.35 g. Эти данные предварительно были обработаны И.А.Бересневым, построены спектры записей, которые были использованы для изучения связи сейсмических характеристик грунта с особенностями колебаний при сильных землетрясениях. Аналогичная работа была выполнена по

данным наблюдений в р-не Рачннского землетрясения группой сен емнчоских станций SMACH, работу которой осуществляли рос сийскне и швейцарские ученые. Этими станциями записан ряг сильных афтершоков основного землетрясения. Эти первичны данные дополнены сведениями о трех землетрясениях в Эль Цен тро (1G. 12.1955 г.) с М = .3.9 - 5.4, землетрясением в Вакаса Бей Япония ('27.03. 19G3 г.) с М = G.9, землетрясением в Сан Фернандо США (9.04.1971 г.) с М = 6.4 и Черногорским землетрясением б.Югославия (15.04.1979 г.) с. М = 7.0 - 7.2.

Эти макросепсмичеекне и инструментальные данные о сейсмп ческом эффекте землетрясении на различных грунтах явились осн вой для проверки предположении о характере нелинейных нскаже ннй сейсмического волнового поля при сильных землетрясениях определения эмпирических соотношений, связывающих истинны« значения приращения баллов со спектральными характеристикам! сейсмических записей. Установлено, что в ближней зоне землетря сення (до 11 км от эпицентра) сейсмический спектр по мере рост; магннтуды обогащается высокими частотами, при этом пропехо дпт эффективное уменьшение поглощения. Медленно растут пока затели упругой нелинейности грунтов Sp п Sp/fC6. Далее, вплот! до 35 км частота почти постоянна , уменьшение поглощения за медляется, растут показатели нелинейности. В зоне 50-120 км от эпицентра спектр сейсмической волны по мере увеличения магни туды обедняется высокочастотными составляющими, явно выра жено увеличение эффективного поглощения. Падают показател] нелинейности .

Наиболее ярко отмеченные закономерности выражены на групп SMART-1, менее четко на группе SMACH. Это вполне объяснимо т.к. пункты наблюдения последней установлены сравнительно да леко один от другого, в различных геоморфологических условиях Это вносит неучитываемый ¡эазброс в параметры сейсмически, колебании. Аналогичные данные наблюдались при анализе залп сей землетрясения в Сан Фернандо (США, 1971 г.). Следует от

2-1

мстить, что анализ колебании на соорз'жениях при интенсивных искусственных воздействиях (взрывы, вибрационное воздействие) показали такие же результаты.Таким образом, площадь реального спектра или, точнее, динамика ее изменения может служить показателем не только нелинейности, но и упругости грунтов.

Анализ данных записей трех землетрясений в Эль-Центро (США) происшедших за последние 40 лет с одинаковым зпицентральным расстоянием и глубиной очага (г = 27 км, Ь = 30 км) показал, "что изменение магнптуды М = 3.9; 4.3; и 5.4 приводит к изменению пиков ускорений спектров и соответствующих площадей спектров пропорционально 3:9: 27. Другими словами, оба параметра одинаково реагируют на изменение! интенсивности землетрясения.

Рассмотрены спектры колебаний на различных грунтах, возбужденных землетрясением в Вакаса Бей (Япония) с М = 0.9, характеризуемые нарушением рассмотренного соответствия, что можно рассматривать как проявление нелинейности.

Данные о характере спектров колебаний грунтов при искусственных воздействиях указывают на универсальность характера изменения значений площадей нормализованного и реального спектров колебаний на изменяющуюся интенсивность или энергию воздействия. Универсальность проявляется, в частности, в сходных изменениях их величины, независимо от объекта исследования (грз'нты, здания, сооружения) и вида источника (взрывные и невзрывные, искусственные воздействия, землетрясения). Установлено, что определение введенных показателей поглощения и нелинейности отличается одновременно простотой и достаточной точностью, что позволит использовать данные существующих литературных источников и применять статистически апробированные результаты для практических целей.

Выводы

1. В результате совместного анализа записей сильных землетрясений и искусственных вибрационных и импульсных источников,

установлены характерные общие тенденции: перекачка энергии I высокочастотную область спектра, при росте интенсивности колебании, тенденция к уменьшению площади реального спектра. Этг особенности связаны с различием проявлении изменения спектра связанных с нелпненно-упрупши и нелннепно-неупрупшн явлениями.

2. Полученные эмпирические формулы для определения приращения балльности просты п обладают большой общностью. ГЬ дальнейшее уточнение потребует раздельной обработки данны> по различным типам грунтов и выявлением специфических закономерностей и, соответственно, различных числовых констант.

Глава 4." Оценка влияния нелинейных характеристик на сейсмический эффект сильного землетрясения" .

В главе представлены результаты непосредственной оценки показателей нелинейности на основе изучения тснзочувствнтсльно-стн грунтов на участках с известной интенсивностью разрушительного Карталннского землетрясения 20.02.1920 г., М=6.2.

Тснзочувствительность определялась по величине изменения скс ростей продольных волн вблизи поверхности при нагрузке грунтг плитой вибратора. Установлено, что отношение коэффициенте тензочувствптельностн участков, сложенных грунтами различног вида аналогично отношению соответствующих показателей нелинейности тех же грунтов, выраженных в виде произведения амплитуды пикового значения спектра на средневзвешенную частоту Это, несомненно, повышает корректность использования обои, способов для оценки степени нелинейности грунтов, что може1 быть использовано в практических целях. Получено выраженн для расчета приращения балльности:

л г 01 ^Ог/сог /с

АI = 31д ■ (5

^ОО/сеО

Даже исследовалась возможность оценки приращения балльност]

26

грунта по результатам изучения постоянной составляющей поля смещений или сепсморадиацпонного эффекта при воздействии на грунт вибрационного источника. Прпподнятие поверхности грунта измерялось с помощью пузырьковых наклономеров. В зависимости от вида и физического состояния грунта величина наклона грунта изменялась в широких пределах, что, учитывая высокую стабильность эффекта, создает условия по его использованию при С'МР.

Анализ данных SMACH показал , что при увеличении амплитуды воздействия в 10 раз показатель поглощения (Su/frb) уменьшается почти в 7 раз, а нелинейность (Sp/fce) увеличивается в 5.5 раза (отношение параметров рыхлых грунтов к - скальным). Оценка .меры рыхлости для различных показателей грунтового движения показала, что для рыхлых грунтов она везде превышает нулевой уровень (TV = 1), но более отчетливо это проявляется для параметра Sp/fc0.

В главе приведены результаты использования численных методов для расчета напряженно-деформированного состояния толщи при воздействии на ее поверхность импульсного и вибрационного источников. Сопоставление расчетного анализа в линейной постановке и экспериментального материма позволяет оценить вклад нелинейных особенностей в результирующее грунтовое движение.

Исследовано типовое поведение грунта для различных моделей упругой и неупругой нелинейности на основе исследования особенностей спектров возбуждаемых колебании.

а) Линейно-упругая модель: повышение интенсивности воздействия характеризуется расширением спектра в ее НЧ область с одновременным увеличением площади реального спектра за счет поглощения в пределах упругости.

б) Нелинейно-упругая модель: перекачка энергии в ВЧ часть спектра (сдвиг спектра), сопровождается увеличением площади реального спектра. j

в) Нелинейно-неупругая модель: перекачка энергии в ВЧ часть спектра, сопровождается уменьшением площади реального спек-

тра.

г) Лпнейно-неупругая модель: при увеличении воздействия происходит расширение спектра в НЧ область спектра, сопровождается уменьшением площади реального спектра.

Полученные модели позволяют оценивать физические свойстве грунта при изменяющемся сейсмическом воздействии.

С помощью регрессионного анализа данных ЭМАСН получень: выражения для расчета площадей нормализованного спектра колебаний для рыхлых (дисперсных) грунтов:

5„ = 0.82 Л (6)

где /св - средневзвешенная частота в Гц; I - длительность колебаний в Гц; М - магнитуда. Формула справедлива только в ближней зоне землетрясения.

Показатель поглощения энергии грунтовой толщей с учетом выражений (1) и (6) составит для рыхлых грунтов:

а ог> /се^

а ~ —- = 0.82-

f се

'у/М'

Получено корреляционное соотношение для пиковых значений спек тра колебаний рыхлых грунтов:

Л0 = 0.1 M2'5V^, (7)

где а - ускорение, к = 0.88

И, наконец, на основании выражений (2), (6), (7) были получены выражения для расчета площадей реальных спектров рыхлых грунтов:

(Sp) = 0.07 M2fcet л/а.

Отношение Sp/ fce , являясь показателем нелинейности, позволяет получить формулу для расчета приращения балльности Д/ рыхлых грунтов: }

fcaiMjti

Д/ = klg

fcaoM$to\

28

а0'

Полагая, что для вибрационного источника М-1 та Мо и на близких расстояниях ~ ¿о, а также, что по данным анализа а к Лд, получим выражение для непосредственного расчета приращения балльности с учетом степени нелинейности:

Л 1 = ыд^

Аоо/сао

где, очевидно, к = 3. Значение коэффициента получено на основе сопоставления макросейсмическнх и экспериментальных данных ( см. (5) ).

Таким образом, формула (14) может быть получена непосредственно из взаимосвязи параметров воздействия с параметрами колебаний грунтовой толщи. При малых различиях частот колебаний сопоставляемых грунтов, полученная формула переходит в известную формулу С.В.Медведева, где сравниваются величины амплитуд возбуждаемых колебаний.

Выводы

Нелинейные сейсмические свойства грунтов могут быть оценены на основе определения их тензочувствнтельностп, внброчув-ствнтельности и сейсмораднационного постоянного смещения, которое возникает при интенсивных сейсмических колебаниях рыхлого грунта. Эти прямые способы дополнены косвенным, основанном на определении спектров сейсмических сигналов. Сопоставление нелинейных параметров с макросейсмнческнмн эффектами сильных землетрясений показало, что между ними имеется тесная корреляционная связь, свидетельствующая о существенном влиянии нелинейных характеристик на интенсивность сейсмических движений.

В частности:

1. Сопоставлением тензочувствнтельностп грунта, определенной с помощью прозвучпвания верхней части грунта под нагруженной и ненагруженнон плитой вибратора с косвенной характеристикой нелинейности - произведением пикового значения сен-

29

смического спектра на средневзвешенную частоту колебании, вь явлена их корреляция и определено эмпирическое соотношение мс: указанными параметрами. Это обосновывает возможность npi мененпя косвенных оценок нелинейных свойств грунта и их и< пользования для определения приращения балльности.

2. Сопоставлением наблюденного сейсмического эффекта сил ных землетрясении со спектральными характеристиками сейсм! чеекпх движений поверхности грунта получены эмпирические фо мулы для сейсмического микрорайоннровання. Их применение независимым данным (гл.5), дало положительный результат.

3. Доказана возможность и целесообразность использованп спектральных характеристик грунтов в функции интенсивное! воздействия для оценки характера нелинейности среды (упруга; неупругая).

4. Получены формулы для определения приращения балльност] основанные на различных способах оценки нелинейных свойст грунтов.

Глава 5." Типовые примеры сейсмического микро районирования"

В первом параграфе приведены результаты СМР территорп г.Гори (1983 г.) с помощью импульсного газодинамического ис точнпка СИ-32 на основе введения величины средневзвешенног периода колебаний и усовершенствования формулы А.Б.Макснмог Расчеты произведены по следующей формуле:

py-Jl

VoVo/ceo'

При использовании традиционного способа С.В.Медведева на дв) весьма важных по преобладанию участках , было получено прирг щенпе балльности Д/ = —0.44 и AI = —0.42 (балла), тогда как и макросейсмическим данным величина приращения должна быт никак не менее 1 балла. Использование газодинамического источника и формулы (8) дало АI = —0.79 и Д/ = —0.82 (балла) и пр

30

этом значения балльности грунтов других участков остались неизменными, а дифференциация грунтов по их сейсмическим свойствам даже повысилась.

Во втором разделе приводятся результаты по СМР территории г.Ткнбулп (1985 г.) с помощью вибратора СВ-10/100 и способа впброспектров. Оценка прпращення балльности производилась по площадям реальных спектров:

А / = 2(9)

ЬрО

Значение коэффициента получено по макр о сейсмическим и экспериментальным данным ( H.A. Ершов, В.Б.Заалишвнлп). Приращение балльности на весьма слабых (водонасыщенных) грунтах по результатам применения способа С.В.Медведева составило ДI = 0.48 балла, а согласно формуле (9), А/ = 0.9'2 балла. Повысилась надежность дифференциации грунтов по их сейсмическим свойствам и на других участках. Данные работы показали весьма высокую эффективность и перспективность использования вибрационного источника при СМР.

В третьем разделе приведена сводка результатов сейсмического мнкрорайонпрования территории г.Кутаиси, выполненного с помощью вибратора СВ-10/100.

По данным инженерно-геологических исследования в городе были выделены 10 типичных участков, наиболее полно характеризующих особенности грунтовых условий территории. Для выделенных типовых грунтов имеются данные определения приращения балльности на основе изучения макросейсмического эффекта сильного землетрясения. В качестве эталонного грунта взят галечник с песчаным заполнителем, участок 6. Все данные сведены в таблицу 1, которая содержит результаты расчета приращения балльности на 10 площадках г. Кутаиси. Расчет осуществлен по пяти формулам, соответствующим представлениям об упругом и неупругом деформировании и различным преобладающим факторам, оказывающим влияние на уровень и форму сейсмических

31

виброспсктров.

Как видно из таблицы, грунты г.Кутаиси естественным обр зом разделены на 3 категории. Сильное землетрясение проявило приращением + 1 балл (участки 1, 3, 7, 8, главным образом гл нистые грунты), - 1 балл (известняки и туфогенные песчаник и 0 баллов (галечники с песчаным заполнителем, гравий, тверд глина на гатсчннковом основании).

Таблица 1

Расчет приращения балльности грунтов территории г .Кутаиси

к» Краткая Приращение балльности Д/, балл

уч- характеристика упругие неупругие

грунтов деформации деформации

А/о Д/1 А/2 Д/з Д/4 д/5

1. а) Глина п/тв. коне. (Ь=2-Зм) б) Галечники с песч. заполн. до 30 % 01=5-6м),кур[)=6.5м 1 0.3 (0.2) 0.7 0.7 1.0 0.7

2. а) Насыпь (гравии), (ЫО.Зм) б) Галечники с песч.заполн. до 30 % (1: > 20м), Ьугв= 2.5м 0 0.3 (-0.1) 0.3 0.3 0.4 0.1

3. а) Насыпь (Глина рыхлая (Ь= 2м)) б) Глина мяг-копластич- ная (/г > 20м) "верховодка" 1 0.4 0.1 -0.2 1.1 0.7

4. а)Известняки сильно выветре-лые (Ь=1.8 м) б) Известняки выветрелые -0.5 -1.0 -0.5 0.0 -0.5 -0.2 -1.0

5. Туфогенные песчаники слабо выветрелые -1.0 -1.0 -0.4 -0.8 0.1 -0.8

б. Галечники с песч. заполн. до 30 % (Ь=8-10м) курц ^ эталонные грунты

7. Глина мягкопласт. (Ь=10м) кугв = Зля 1 1.0 (0.3) о.с 0.6 0.6 0.6

8. а) Глина п/тв.конс.(Ь=4м) б) Галечники с песч.заполн. до 30 % (Ь=5-бм) ^УГД = 1 0.9 (0.1) 0.7 1.0 1.2 0.7

9. Галечники с песч. заполн. до 30 % (11=15 м) курд = З.Л1 0 0.1 (-0.2) 0.1 -0.1 -0.0 0.3

10. а) Глина ТВ.КОНС.(11=1-2м) б) Галечники с песч.заполн. до 30 % (Ь=5-6м) курв = 4.5 м 0 0.1 (-0.1) 0.1 0.3 -0.2 0.0

А/о (данные макросеймики и метода ИГА)

Л/1 = 1.671д - Ч- ке 0 0'"г2 [поглощение и линейность) РоУо 5 .

Д/2 = 21д-р- (поглощение и нелинейность) *->р0

Д/з = 3(нелинейность) Ао/свО

Л Т 1 Щ (Spi)u(Spo)q , „ ,

А!.] = 1 .¿lg- ——— [поглощение и нелинейность)

Wpi)3[bp о)^

л г о о; (^¡/сси)б{Аоо/сьо)д . „ .

= o.olg- — —— (нелинейность) {Aofcei)g[Aofceo)6

Анализ данных показывает, что основную роль в формировании приращения балльности при использовании формулы С.В.Медведева для глинистых грунтов играет приращение за счет высоты стояния грунтовых вод. Приращение балльности, обусловленное собственно литологическпм составом грунтов и прочностными показателями, значительно меньше (соответствующие приращения приведены в скобках). ,

С другой стороны,в расчетах в качестве основных исходных данных использовались значения скоростей поперечных волн и плотности соответствующих грунтов. Такой подход достаточно давно используется в практике работ по СМР, т.к. применение скоростей продольных волн в " аналогичных', необводненных грунтах сомнительна. Обводненные и необводненные, например, глинистые грунты одного лптологнческого состава, значительно различаются по своим физико-механическим, прочностным и сейсмическим свойствам. На погрешность конечных результатов, несомненно, влияет неясность вопроса о мощности верхней толщи, подлежащей исследованию. Согласно инструкции, необходимо исследовать верхние 10 м грунта. Как правило, рассматривается рыхлая часть толщи мощностью до 15-20 м, непосредственно ответственной за формирование сейсмического эффекта на поверхности Земли. При этом нельзя игнорировать также и влияние 2-3 метровой грунтовой толщи, т.к. при землетрясении именно наличие такого слоя может существенно повысить приращение балльности. Следует отметить, что влияние обводненности грунтов на сейсмический эффект обусловлено, в первую очередь, ослаблением структурных связей грунта', приводящее к уменьшению его прочности и несущей способности. В рассматриваемой формуле, влияние воды ограничено, практически, особенностями линейного по-

35

глощения распространяющейся сейсмической волны. На участг Л'53 , сложенном глинистыми грунтами мягкопластпчной kohci стенции ожидаемого значения приращения балла получено не был< хотя влияние здесь физико-механических и прочностных свойсл грунтов заметно выше. В частности, это объясняется наличие приповерхностного рыхлого слоя. Отсутствует приращение и к участке №1. Следует отметить, что достаточно хорошее соо: ветствие с результатами макросейсмпческих данных объясняете рядом обстоятельств. Во-первых, за эталонные грунты принят необводненные галечники и, во-вторых, глинистые грунты, п< чти все, характеризуются на данной территории высоким уровне стояния грунтовых вод. И наконец, инженерно-грунтовые услови здесь достаточно просты. В сложных условиях ситуация нссколы< иная.

Использование в расчетах формулы (В.Б.Заалишвнлп), где в к; честве исходных данных используются площади реальных cnei тров колебаний, сопоставляемых грунтов, традиционно дающе надежный результат (г.г. Ткпбулн, Тбилиси, Б.Сочи) в случ весьма рыхлого, глинистого грунта (уч. №3), ожидаемого прир щенпя не показало. Подобная аномалия , обусловленная малым зн; ченпем площади реального спектра колебаний, объясняется сил ными неупрупши явлениями в толще, характеризующимися ап риоднчеекпмп колебаниями.

Результаты расчета приращения балльности на основе нспол зовання показателя упругой нелинейности, показали хорошее с ответствие данным макросейсмического обследования террит рии, но приращение на уч. №3 достигнуто также не было. Э1 объясняется, как уже отмечалось, неупругими деформациями толщи.

Таким образом, при упругих деформациях большей надежн стью характеризуются!способ виброспектров и способ, основа ный на учете нелинейно-упругого поведения грунтов, которые п зволяют без наличия данных инженерно-геологической разведк

исключительно по реакции грунтовой толщи на стандартное воздействие оценить приращение балльности грунтов районируемой территории. В то же время, при неупругих явлениях, которые наблюдаются при сильных землетрясениях на слабых грунтах, для оценки приращения балльности, необходимо использовать специальный подход. Следует отметить, что неупругие явления можно, при необходимости, моделировать вблизи источника.

Использование схемы, применяемой при оценке меры рыхлости грунтов (А.В.Николаев, 1967 г.) позволило получить следующее выражение:

АI = 1.2(Ю)

где (¿"рг)^), (¿уз)<),(;) - площади реальных спектров сопоставляемых грунтов в ближней и дальней зонах.

На основе выражения (2) было также получено, что:

Д/ — 3 г1д(А0Лсег)б{А00/св0)д ^^

( А о; /св,- )д (Д)0 /свО ) б

где (Лог-/свг')%, (Ао{/свг)б,д - показатели нелинейности сопоставляемых грунтов в ближней и дальней зонах источника.

Расчеты показали, что для рыхлых грунтов, где развиваются нелинейные и неупругие явления, формула (10) дает весьма обоснованные приращения, но для скальных грунтов она дает неверные результаты. Выражение (11) позволяет рассчитывать приращения для любого вида грунтов скальных и дисперсных, оценивая и обоснованно учитывая линейно-нелинейные и упруго-неупругие характеристики грунтов.

Таким образом, получены выражения для расчета приращения балльности грунтов на основе учета их нелинейных и неупругих свойств.

I

Выводы

Результаты исследования сейсмического эффекта на различных участках г.Кутаиси показали, что:

1. Наилучшее совпадение с макросейсмикой все расчетные фо мулы обнаруживают для грунта, близкого по своим свойствам эталонному, где по определению принимается нулевое приращен! балльности.

В каждом столбце наблюдаются относительно близкие к эталон значения и более или менее сильные отклонения. Отсюда следу« важный общий вывод о том, что нет формул универсальных, конкретных типовых условиях могут быть рекомендованы свс расчетные формулы и методы определения приращения балльн сти. В частности, значения ДI , полученные в предположении существенном влиянии нелинейных характеристик грунтов оказ лпсь к наиболее близкими к макросейсмичсским определениям I 1-5 и 10 участках. Особенно выразительна оценка для 4 участк для которого остальные расчетные формулы дали относителы большие отклонения от эталона.

2. Таблицу 1 следует рассматривать с одной стороны - кг представительную иллюстрацию эффективности различных сп собов сейсмического мнкрорайонирования, а с другой стороны как результат , на основании которого может быть указан пуг дальнейшего совершенствования методики сейсмического мпкр районирования, а именно: типизация грунтовых условий, оптим зацпя методов и уточнение формул расчета сейсмической инте сивности применительно к индивидуальным грунтовым условия: Базой для создания такого индивидуального подхода станут и с ществуюгцнс линейные подходы, и развитые в настоящей рабо' нелинейные подходы к решению задачи СМР.

Заключение

Исследование необходимости и возможности учета и использ вання нелинейных характеристик грунтов для сейсмического м крорайонирования, определение путей совершенствования мето,л показало, что нелинейные явления играют важную роль в форм ровании сейсмического эффекта сильных землетрясений; характ

этих явлений может быть оценен различными способами и учтен при сейсмическом микрорайонировании; совершенствование метода требует дальнейшего развития методики учета и расчета нелинейных, эффектов.

Эти общие результаты базируются на решении нескольких основных задач:

1. В диссертации показано, что для целей СМР могут использоваться прямые измерения тензо- и внброчувствнтельности скоростей днссппативных параметров грунта, а также косвенные, основанные на изучении спектра отклика грунта на искусственные воздействия (вибраторы, ударные устройства), и естественные воздействия - землетрясения.

2. Определены интегральные параметры сейсмических спектров, характеризующие степень нелинейности грунта и доказана возможность использования этих параметров для определения приращения балльности.

3. Проведено сопоставление макросейсмического эффекта с инструментальными характеристиками физических свойств грунта и получены простые эмпирические формулы для сейсмического микрорайоннрования.

4. Применение этих формул для микрорайоннрования 10 площадок на территории г.Кутаиси, показало, что различные формулы имеют свои оптимальные условия применения. Отсюда сделан вывод о необходимости типизации грунтов по их сейсмическим свойствам и адаптации методов и расчета интенсивности колебаний этим типовым условиям.

Естественно, учет нелинейных явлений при сильных землетрясениях для целей СМР не завершен, а только начат настоящим исследованием. Но перспектива развития видна, и сейчас есть для этого все необходимое: понимание проблемы, мощные сейсмические источники и регистрирующая техника, теоретический и экспериментальный задел.

Основное содержание диссертации представлено следующих работах.

1. Поперечные сейсмические волны в грунте, возбуждаемые п< верхностным газодинамическим импульсным источником. С< общения АН ГССР т.102, №3, май.Тб.,1981, с.373-376.

2. Исследование сейсмических объемных волн, создаваемых мои

ным газодинамическим источником // Тез.докл.юбилейной кс ференцпи молодых ученых г.Тбилнси. Тб.,1981,с.448.

3. Акселерограмма Дманпсского землетрясения от 2 января 197

г., записанная в г.Тбилнси на грунте и соответствующие cnei тры Фурье и реакции // Дманпсское землетрясения 2 январ 1978 г., Наука, М., 1982, с.127-131, соавторы: Самков Б.Н Джаба}'рп Г.Г., Датунашвили A.C.

4. Применение мощного газодинамического источника для нссл<

довання колебаний грунтовой толщн // Сообщения АН ГСС т.109, №2, февр.,Тб.,1983, с.345-348.

5. Исследование сейсмических свойств грунтов невзрывными ш

точниками // Тез.докл. Всесоюзной конференции "Сейсм! ческое районирование территории СССР и изучение сильны землетрясений" Штиинца, Кишинев, 1984, с. 181-193.

6. Установление инженерно-геологического строения местност по данным колебаний грунтовой толщн, возбуждаемых удар ным способом // Сб., "Сейсмическое строительство" cep.lz вып.5. М., 1984, с.22-26.

7. Усовершенствование численного метода сейсмического микре

районирования // Тез.докл. Республиканской конференции "I ука - практике" Тб., 1984, с.301-302.

8. Сейсмические колебания водоносной толщи грунта, исследовав

ные ударным способом возбуждения // Сообщения АН ГССР т.120, №1, окт., Тб., 1985, с.125-128.

9. Определение приращения балльности для грунтов с использовг

нием спектров ударных колебаний // Сб." Сейсмостойкое стрс ительство". сер.14, вып.б, М., 1985, с.25-27.

10. Использование мощных невзрывных источников при сейсмическом микрорайонированпн // Тез.докл. Республиканской конференции " Качество и надежность строительных материалов и конструкций в сейсмостойком строительстве". Тб., Мецниереба,1986, с.48-49. i

11. Использование искусственных источников возбуждения колебаний при сейсмическом микрорайонированпн // Сейсмологические исследования. Использование геолого-геофизических данных при изучении сейсмичности и микрорайонировання. Результаты исслед. по межд. геофпзнч. проектам, №9. М.,

1986, с.130-133.

12. Использование мощного вибрационного источника при сейсмическом мпкрорайонировании // "Строительство и архитектура" №2. Тб., ГрузНИИНТИ, 1987, с.15-20, соавтор А.В.Одишария.

13. Использование корреляционных зависимостей для целей сейсмического микрорайонпрования // Сб. " Сейсмостойкое строительство", сер. 14, вып.5, AL, 1986, с.22-28.

14. Средневзвешенный период колебаний грунтов, возбуждаемых

различного рода искусственными источниками // Тез.докл. Объединенной сессии НИИ Закавказских республик по строительству. Тб. Мецниереба, 1987, с.70-71.

15. Опыт применения инструментального метода сейсмического микрорайонировання // Сейсмическое мпкрорайоннрование территорий городов и крупных строек. То., Мецниереба,

1987, с.65-85.

16. Вероятностные элементы при расчете относительной сейсмич-

ности // Сейсмическое мпкрорайонирование территорий городов и крупных строек. Тб., Мецниереба, 1987, с.86-87.

17. Сейсмическое мпкрорайоннрование территории г.Горн. // Сейсмическое мпкрорайоннрование территорий городов и крупных строек. Тб., Мецниереба, 1987, с.54-57, соавторы Д.Г.Кипиан С. С. К алмахелид з е.

18. Исследование колебаний стенок трубопровода КПТ Лило-2 п

движении контейнерного состава // Деп.БУ.М., ВИНИТ №2, 1988, с.205, соавтор З.О.Анджапаридзе.

19. Сейсмическое микрорайонированпе территории г.Гори // Бв

летень по инженерной сейсмологии. Ереван, 1988, №12, c.i 35, соавторы Д.Г.Кипиани, С.С.Калмахелидзе.

20. Зависимость поглощения волнового поля от вида грунтос частоты воздействия //Тез. докл. конференции "Качеств( надежность строительных материалов и конструкций в ст[ ительстве". Батуми, 2-6 мая 1990, с.38-39, соавтор С.А.Гули

21. Способ сейсмического микрорайоннрования // Патент Pc сийской Федерации №1787276 от 8 сентября 1992 г., соавт А.В.Николаев.

22. Инженерный анализ последствий Рачпнского землетрясен в Грузни 29 апреля 1991 г. // Сб. "Сейсмостойкое стрс тельство", вып.1, М., 1995, с.55-64, соавторы Г.Г.Абашид: Г.К.Габрпчидзе, Т.И.Гогелия, С.А.Гогмачадзе и др.

23. Особенности динамического поведения грунтов при eeiiCMir

скнх воздействиях // Деп. СИФ, Тб., Техинформ, №1030-! 20.08.95.

24. Расчетный анализ колебаний грунтовой толщи при импул] ных и вибрационных воздействиях // Деп. СИФ, Тб., Texi форм, №1032-95, 31.08.95, соавтор И.Э.Тимченко.

25. Динамические параметры грунтов оснований по данным Г чинского землетрясения 29 апреля 1991 г. //Деп. СИФ, Т Техинформ. №1033-95, 31.08.95, соавтор И.Э.Тимченко.

26. Способ сейсмического микрорайоннрования // Патент Pc сийской Федерации по заявке №5018124/25(065239),приорит 30.07.1991, выдан 30.10.1995.

27. The influence of engineering and geologic features of soil lawer

the formation of wave field by impulse and | vibration sources Jn Proceedings of the 9-th European Conference of Earthquc Engineering. Mose., 1990, V61.4A, pp. 169-175.

28. Seismic microzoning of the town territory // Jn Proceedings The

Second Russian-Chines Regional Seminar on Earthquake Engineering, May 1992, Mose., Russia, pp.58-64.

29. Engineering analysis of the earthquake consequences that occurred

in Georgia on April 29, 1991 // In Proceedings International Conference on Continental Collision Zone Earthquake Hazard Reduction, YER., ARMENIA, October 1-6, 1993, Abstr. (Coautors: G.G.Abashidze, T.N.Chachava, G.K.Gabrichidze and etc.).