Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология, 2020, № 2, стр. 16-27

ВВЕДЕНИЕ

Значительные сейсмические воздействия представляют собой серьезную угрозу для зданий и сооружений, жизни и здоровья населения. Важной составляющей воздействий землетрясений являются сейсмогенные оползни и другие сейсмоиндуцированные склоновые процессы, широко развитые во многих странах мира, в том числе в ряде регионов России. Нормативные документы большинства стран требуют количественной оценки устойчивости склоновых массивов для всех значимых инженерных объектов.

При расчете устойчивости склонов и откосов и определении оползневого давления учет сейсмического воздействия осуществляется, как правило, добавлением к расчетным усилиям сейсмических сил, которые принимаются объемными. Учет сейсмического воздействия в настоящее время выполняется двумя группами методов: псевдостатическими и динамическими.

В первом случае эффект от землетрясения моделируется путем введения дополнительных инерционных сил, задаваемых коэффициентами сейсмичности в горизонтальном и вертикальном (либо только в горизонтальном) направлениях. Сейсмическая сила раскладывается на параллельную и перпендикулярную по отношению к поверхности скольжения составляющие и геометрически складывается с соответствующими силами иной природы. В частности, этот метод рекомендуется при расчетах сейсмического воздействия (давления) грунта на подпорные стены при применении квазистатических расчетных схем, согласно п. 5.17 СП 14.13330.2018¹¹. Чаще рассматривается только наиболее неблагоприятное направление сейсмической силы – горизонтальное и в сторону склона, в некоторых случаях рекомендуют принимать его параллельным поверхности смещения [2]. Сами расчеты устойчивости выполняются одним из методов предельного равновесия. Необходимо отметить, что коэффициенты сейсмичности, установленные нормативными документами России, Китая и европейских стран для одной и той же интенсивности воздействия различаются в 2–4 раза [3, 15].

В другом, ныне редко используемом, способе “фиктивного откоса” используется виртуальный поворот склона на угол, равный отклонению от вертикали равнодействующей гравитационной и сейсмической сил.

“Квазивероятностная” оценка воздействий проектного и максимального расчетного землетрясения (ПЗ и МРЗ) при расчетах мероприятий инженерной защиты (противооползневых и противообвальных сооружений) производится на основе коэффициентов сочетания нагрузок, приведенных в п. 5.2.2 СП 116.13330.2012 ²².

При динамическом способе учета сейсмического воздействия на устойчивость используются данные акселерограмм колебаний, что теоретически позволяет учитывать фактическую продолжительность и частотно-амплитудные характеристики землетрясений. Решение, как правило, выполняется методом конечных элементов с учетом жесткости и затухания колебаний [4]. При кажущейся гораздо более высокой достоверности этого метода он имеет специфические трудности, обусловленные необходимостью использования акселерограмм-аналогов, которые, как правило, требуется искусственно масштабировать до требуемого расчетного ускорения, либо использовать искусственные акселерограммы. К тому же степень “аналогичности”, как правило, не может быть высокой вследствие неизбежных различий между “аналогом” и объектом во взаимном положении сейсмического очага и оползнеопасного склона, геологического строения, рельефа и т.д., которые весьма сильно влияют на фактические параметры колебаний.

Как псевдостатические, так и динамические способы не учитывают влияние рельефа, различие влияния продольных и поперечных сейсмических волн, углы их прихода к склоновому массиву и взаимное плановое положение сейсмических очагов и оползнеопасных склонов.

ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИСХОДНЫЕ ПАРАМЕТРЫ

Характерная особенность кавказских берегов Черного моря – наличие большого количества палеосейсмодислокаций, представленных крупными блоковыми оползнями и обвалами [7, 8, 10, 13], что даже отмечено в специализированных нормативных документах³³.^.Активизация смещений этих массивов, как и их новообразования при возможных землетрясениях, представляет большую угрозу для активно осваиваемой прибрежной зоны, где возводятся объекты курортного назначения, автодороги, терминалы крупных трубопроводов, объекты контроля воздушного и морского пространства и т.д.

Одним из участков с активным развитием очень крупных и гигантских (до 2 км) смещенных блоковых массивов является полуостров Абрау (рис. 1).

В качестве типового участка выбран массив, на котором выявлен скальный оползень сдвига длиной (по падению) 160 м, шириной около 700 м. Мощность его изменяется от 20 до 60 м, уменьшаясь вниз по склону. Язык оползня срезан активным клифом, высота которого достигает 30 м. Разрез представлен мергелями серыми сильно выветрелыми, сильно трещиноватыми, малопрочными, с прослоями трещиноватого песчаника; характерные скорости поперечных волн составляют в слабонарушенной части 1.6–1.8 км/с, снижаясь в оползневых отложениях до 0.4–0.9 км/с.

Массив, а особенно его смещенная в ходе предыдущих оползаний часть, характеризуются интенсивной трещиноватостью и частичной перемятостью, что дает возможность использовать для расчетов программные комплексы, используемые для оценки устойчивости массивов, сложенных дисперсными и дисперсно-крупнообломочными грунтами [5]. Использовались созданные при непосредственном участии автора программы PSK-98M5A и PSK-2018, осуществляющие автоматизированный поиск реальной или потенциальной поверхности смещения любой формы с минимальным коэффициентом устойчивости в двухмерной постановке.

Была выполнена оценка возможных прочностных характеристик данных грунтов в массиве на основе зарубежных критериев прочности. Использовались широко распространенные в мире параметры методики Хоека–Брауна. При характерных для данных грунтов m_i = 10 и индексах GSI для нарушенных оползанием грунтов 25 ед. и ненарушенных 35 ед., по номограммам Хоека [17] определены значения: φ = 24.5° и 27.5° соответственно и С = 25/21 (выше/ниже уровня подземных вод (УПВ)) КПа и 32/28 КПа соответственно.

Для проверки данных характеристик грунтов выполнены обратные расчеты для существующего и надежно фиксируемого визуально голоценового оползневого тела. Выполнена реконструкция рельефа склона на момент, предшествующий оползанию, и принята предпосылка о том, что разрушение склонового массива происходило под воздействием сильного землетрясения (9.5 баллов) в геолого-морфологических условиях данного участка. Это воздействие могло вызвать оползание при следующих средних прочностных характеристиках грунтов в массиве: φ = 28°–29°, С – около 50 Кпа. При меньшем сейсмическом воздействии критические прочностные характеристики грунтов, естественно, оказываются ниже.

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

Многочисленные отечественные и зарубежные исследования показали значительное усиление сейсмического воздействия на участках, примыкающих к бровкам и уступам, вершинам возвышенностей и на выпуклых формах рельефа [1, 6].

Теоретические и численные модели предсказывают усиление колебаний на вершинах, т.е. на “выпуклых” участках, и снижение интенсивности колебаний на “вогнутых” участках, таких как долины и подножья холмов, причем величина эффекта зависит от характеристик падающих сейсмических волн: их типов, углов и азимутов падения (рис. 2, 3). На склонах холмов прогнозируется сложное распределение участков усиления и ослабления сейсмических сигналов.

Данные записей сильных землетрясений также свидетельствуют о том, что топография поверхности существенно влияет на амплитуду и частотный состав сейсмических колебаний. После землетрясений, вызывающих разрушения в горных областях, часто сообщалось, что постройки на вершинах холмов претерпевали гораздо большие разрушения, чем строения, расположенные в низинах. Примеры таких сообщений можно найти: для землетрясения 1909 г. в Ламбеске, Франция; для землетрясения 1976 г. во Фриули, Италия; для землетрясения 1980 г. в Ирпинии; для Чилийского землетрясения 1985 г. и других. Недавнее землетрясение 1995 г. в Козани (северная Греция) дало новые свидетельства сильных разрушений в населенных пунктах, расположенных на вершинах холмов. Наблюдения необычных поверхностных разломов (поваленных деревьев) и сдвинутых с мест больших валунов, свидетельствовавших о вертикальных ускорениях >1 g, могут быть объяснены эффектами топографии и критическими углами выхода SV-волн [9].

Топографические эффекты землетрясений обусловлены 3 основными физическими механизмами:

− зависимостью интенсивности колебаний на поверхности (и в приповерхностных слоях – М.К.) от угла падения волны (особенно заметной для вертикально поляризованных поперечных волн при близких к критическим углах падения), выражающееся в значительных вариациях интенсивности колебаний при изменении наклонов поверхности (см. рис. 2). Указывается, что этот эффект, возможно, объясняет сложную картину разрушений при землетрясении 1987 г. в Калифорнии;

− фокусировкой и дефокусировкой сейсмических волн, отраженных от поверхности со сложной топографией. Теоретические исследования этого эффекта для среды, ограниченной двумя пересекающимися плоскостями (учитывая отсутствие сдвига фаз между падающими и отраженными волнами), показали, что амплитуда колебаний на вершине при многократном отражении волн в несколько раз превышает амплитуду падающей волны (см. рис. 3);

– дифракцией объемных и поверхностных волн, отраженных от элементов рельефа, и их интерференцией с падающими волнами.

Наблюдаемые при сильных землетрясениях проявления “топографических эффектов” качественно согласуются с теорией в том, что касается усиления колебаний на вершинах холмов и ослабления в низинах. Усиление это больше проявляется на горизонтальных компонентах, чем на вертикальных, при этом из двух горизонтальных компонент в наибольшей степени усиливаются колебания в направлении, перпендикулярном оси гребня. Чем больше средняя крутизна склона, тем выше усиление на вершине. Усиление и ослабление колебаний в максимальной степени наблюдается при длинах волн, сравнимых с горизонтальными размерами крупных неровностей рельефа. Степень усиления параметров сейсмических колебаний весьма различна и имеет значительные вариации даже в пределах одного склона [16].

Одно из наиболее ярких проявлений влияния рельефа местности зафиксировано инструментально на крутом склоне в Южных Альпах, где интенсивность колебаний изменялась в 10 раз в полосе частот 5–10 Гц. Другой пример – при землетрясении 1994 г. в Нортридже (США) наблюдалось пятикратное усиление колебаний на частотах около 3 Гц, зарегистрированное станцией Тарзана [9].

Рассчитанные для района г. Новороссийска приращения сейсмической интенсивности достигают 1–1.2 балла в районе вершин возвышенностей даже с меньшей относительной высотой и крутизной склонов, чем на рассматриваемом участке; к подножью склонов приращения бальности уменьшаются⁴⁴. Исходя из данных, полученных в ходе исследования на физической модели влияния сейсмичности (г. Сухуми) [1], можно определить, что при коэффициентах рельефности рассматриваемого склона сейсмические ускорения увеличиваются примерно в 2.5 раза по сравнению с ускорениями на горизонтальных площадках. Согласно методике В.Б. Заалишвили, влияние геоморфологических условий на приращение балльности выражается формулой [9]:

где ΔJ_з – приращение сейсмической интенсивности в зависимости от геоморфологических условий, балл; αH – коэффициент рельефности: α – угол наклона рельефа, град, Н – относительная высота, м; К – коэффициент, который определяет поправку на тип грунта.

Для выбранного типового участка в привершинной зоне приращение интенсивности ΔJ_з = = –0.71 + 0.53lg(27 ⋅ 155) =1.22 балла.

Исходная сейсмичность данного участка для повторяемости один раз в 1000 лет согласно ОСР 2015 (В) 8.6–8.7 балла для “средних” грунтовых условий [12]. Грунты, нарушенные предыдущими стадиями оползания, хотя и являются преимущественно полускальными, по сейсмической жесткости следует отнести тоже к “средним”. Таким образом, расчетное сейсмическое воздействие для привершинной части данного склона следует принять равным 9.7–10.0 балла, для нижней половины склона – около 9 баллов.

Так как вышеописанные эффекты влияния рельефа по-разному воздействуют на разные части потенциального оползневого тела, сделана попытка это учесть в расчетах устойчивости. Для уточнения распределения в массиве расчетных пиковых сейсмических ускорений PGA был использован расчет в среде Matlab, реализующей алгоритм NERA. Полученные значения расчетных ускорений в изолиниях были обработаны с расчетом средневзвешенного значения PGA в пределах каждого расчетного блока (шаг блоков по горизонтали 10 м) геомеханической модели (рис. 4).

Далее уточнение коэффициента устойчивости выполнялось на основе сопоставления результатов, полученных при едином коэффициенте сейсмичности для склонового массива в целом и при раздельном учете коэффициента сейсмичности по блокам с использованием принципа “прислоненного откоса” по следующим формулам:

где P_i – вес блока, α_i – угол наклона поверхности смещения блока, G – горизонтальная составляющая сдвигающей силы в блоке, $F_{H}^{{div}}$ – горизонтальная сейсмическая сила для блока при раздельном учете коэффициента сейсмичности по блокам, $F_{H}^{{gen}}$ – горизонтальная сейсмическая сила для блока при едином коэффициенте сейсмичности для склонового массива в целом, $K_{{st}}^{{gen}}$ – коэффициент устойчивости при едином коэффициенте сейсмичности для склонового массива в целом.

Рассчитанное соотношение K₁ = 1.077.

При минимальном коэффициенте устойчивости 1.08, полученном с использованием единого К_с, истинный коэффициент устойчивости составит: К_st = 1.080 : 1.077 = 1.003.

Таким образом, вычисление полей сейсмических ускорений с помощью специализированных программ в сочетании с расчетами устойчивости при дифференцированном учете сейсмических ускорений позволяет уточнить степень устойчивости массивов и параметры (объем, размеры в плане, глубина захвата) потенциальных оползневых явлений.

Больший интерес представляет совместное рассмотрение параметров сейсмического воздействия (ускорение, частота, продолжительность) и их направление в трехмерном пространстве.

Волны, генерируемые в эпицентре землетрясения, излучаются во всех направлениях. При распространении через слои грунта они рассеиваются, отражаются и преломляются в соответствии с законом преломления Снеллиуса:

откуда

Поскольку сейсмические свойства приповерхностных слоев, как правило, ниже, чем в глубоких частях массива, крутизна траектории сейсмических волн у поверхности земли вследствие преломления увеличивается (рис. 5).

При расположении очага землетрясения со стороны основания склона для выбранного типового участка (рис. 6) сейсмическое воздействие продольных волн, даже в фазе “вниз”, имеет значительную “прижимающую” составляющую, нормальную к потенциальной зоне смещения (рис. 7). Поперечные же волны при длине волны 300–400 м будут оказывать на напряженное состояние разнонаправленное по длине оползня влияние. Для части массива их воздействие будет иметь определенную вертикально вверх направленную составляющую, плюс горизонтальную составляющую, направленную вниз по склону, в то время как в другой части массива сейсмические силы направлены вглубь склона, повышая устойчивость. Таким образом, наиболее вероятно возникновение сейсмогенного оползня, охватывающего лишь часть склона – в данном случае, скорее всего нижнюю, подработанную морской абразией.

Опаснее оказывается приход сейсмической волны с противоположной стороны, “из-за спины” склона, когда волна будет приходить к поверхности склона почти по нормали. В данном регионе это соответствует возникновению землетрясения в Михайловской зоне ВОЗ (см. рис. 6), расположенной дальше от рассматриваемой прибрежной области и характеризующейся несколько меньшими возможными магнитудами.

При расположении сейсмического очага не напротив оползнеопасного склона углы подхода волн будут, естественно, значительно положе, однако преломление волн приводит к тому, что углы их подхода вблизи поверхности земли θ₂ увеличатся лишь на 3°–10°.

При большей разнице в скоростях волн в породах фундамента и приповерхностных слоях, которая может достигать 10–20 и более раз, фронт волны к поверхности земли подходит почти по вертикали (+5°).

Воздействие поперечных сейсмических волн, естественно, также уменьшается с увеличением расстояния от оползневого участка до сейсмического очага, но в остальном оно меняется при этом по-другому. На силовом воздействии вертикально поляризованных волн изменение азимута вообще не сказывается, воздействие же горизонтально поляризованных поперечных волн по мере удаления сейсмического очага от оползнеопасного склона становится даже более неблагоприятным для устойчивости склонов (рис. 8).

При рассмотрении вероятности воздействия P- и S-волн на оползнеопасный участок было предположено равновероятное расположение сейсмического очага в пределах всего рассматриваемого сейсмогенерирующего разлома по длине, кроме его участков, находящихся на большом расстоянии от оползнеопасного склона и имеющих, соответственно, угол γ меньше 5° (рис. 9). Для столь удаленных очагов сейсмическое воздействие будет ослаблено вследствие поглощения и рассеивания сейсмической энергии.

Весь диапазон возможных углов прихода волны к оползнеопасному участку γ, подразделялся на участки по пять градусов (начиная с 5°) с последующим вычислением для каждого участка вероятности сейсмического воздействия и его относительной интенсивности. Величина интенсивности воздействия для продольных волн, пропорциональная синусу угла между направлением движения фронта волны и простиранием гребня склона, увеличивается с уменьшением вероятности такого воздействия (рис. 10а). Подобная оценка произведена и для поперечных волн (S-волн) (рис. 10б).

Как видно, вероятность значительных сейсмических воздействий продольных волн на устойчивость склонов невелика, в то время как подобная вероятность для воздействия поперечных волн, напротив, значительна. В случае непараллельности гребня возвышенности и сейсмогенерирующего разлома формулы для сил воздействия продольных и поперечных волн приобретут, соответственно, следующий вид:

где α – угол между осями гребня и сейсмогенерирующего разлома.

Разумеется, подобные закономерности справедливы лишь для случаев, когда контура изосейст представляют собой овалы с небольшим различием между длиной большой и малой осей. В случаях, когда затухание сейсмических колебаний вдоль разлома намного меньше, чем в направлении, перпендикулярном к нему (например, при Вэньчуаньском землетрясении 2008 г.), сейсмическое воздействие осуществляется в основном по кратчайшему расстоянию до разлома, т.е. перпендикулярно к нему, в этом случае влияние продольных волн может быть значительным.

Вертикально направленные составляющие сейсмических сил вызывают периодические, в соответствии с частотой сейсмических колебаний, изменения вертикальной составляющей напряженного состояния в массиве (псевдовзвешивание и псевдопригружение). Для моделирования этого явления в первом приближении можно вводить в расчеты устойчивости переменные значения плотности грунтов, моделируя таким образом вышеуказанные изменения вертикальных напряжений.

Для выявления влияния плотности грунтов массива на коэффициент устойчивости с помощью данной программы были выполнены расчеты устойчивости для трех модельных однородных склонов (модель 2 геометрически подобна модели 1 с увеличением в 5 раз, модель 3 характеризует более пологий склон). Прочностные характеристики грунтов для каждой модели постоянны и подбирались исходя из близости массивов к предельному состоянию при плотности грунтов 2 т/м³ (рис. 11).

Полученные результаты иллюстрируют закономерное, но нелинейное снижение устойчивости с ростом плотности грунтов. Изменение коэффициента устойчивости практически не зависит от размеров массива, возможные изменения вертикальных напряжений вызывают изменения коэффициента устойчивости на величину до 7–9% (табл. 1).

Чтобы оценить возможность дальнейшего смещения, в случае, если в ходе выполнения расчетов при заданном сейсмическом воздействии получен коэффициент устойчивости Ку < 1, необходимо выполнить расчет устойчивости без сейсмического воздействия при параметрах остаточной прочности грунтов, либо при параметрах прочности “параллельно напластованию”, либо прочности по трещинам (в зависимости от вида грунта).

Смещения массива во время сейсмических колебаний невелики вследствие малой продолжительности землетрясений и большой инерционности массива. Поэтому в большинстве случаев для этого расчета, можно использовать геомеханическую модель той же формы и внутренней структуры.

ВЫВОДЫ

Таким образом, потенциально возможно существенное повышение точности количественных расчетов устойчивости, объемов оползневых тел и оползневых давлений на основе следующего подхода:

− предварительное уточнение сейсмических ускорений на разных участках оползнеопасного склона с использованием специализированных компьютерных программ, разработанных для инженерной сейсмологии и опирающихся на различие в сейсмических, физических и деформационных характеристиках грунтов в пределах массива;

− уточнение сейсмических ускорений и коэффициентов сейсмичности для разных участков склона на основе его высоты, крутизны, формы;

− уточнение направлений и силы сейсмических воздействий на основе представлений о возможных углах подхода сейсмических волн и направлениях колебаний;

− использование при псевдостатических расчетах устойчивости различных коэффициентов сейсмичности для разных участков склона;

− выполнение расчета без сейсмического воздействия при параметрах остаточной прочности грунтов в случае получения расчетного значения коэффициента устойчивости Ку ≤ 1 при заданном сейсмическом воздействии, что является завершением оценки устойчивости.