Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология, 2021, № 3, стр. 44-51

ВВЕДЕНИЕ

В инженерной геологии особое внимание уделяется изучению урбанизированных территорий, расположенных в долинах рек, сложенных четвертичными отложениями. В г. Сыктывкар и его окрестностях выделено несколько генетических типов отложений: аллювиальный, озерно-болотный, болотный, озерно-аллювиальный, флювиогляциональный, озерно-ледниковый, ледниковый, озерный. Здесь залегают пески крупные, средние, мелкие, пылеватые. Кроме песков в разрезе присутствуют и глинистые грунты с показателем I_L < 0.5 при коэффициенте пористости e = 0.9 для глин и суглинков и e = 0.7 – для супесей. В отложениях встречаются водонасыщенные пески с показателем S_r > 0.5 при различной зернистости. Это указывает на низкую степень устойчивости четвертичных отложений к сейсмическим явлениям. В пределах города мощности рыхлых четвертичных отложений варьируются от 5 до 60 м, сюда же отнесены и моренные отложения (II категория). Именно эти отложения наиболее пригодны для оснований фундаментов высотных зданий г. Сыктывкара, а менее надежны формации грунтов III и IV (особая) категорий. Скальные грунты (I категория) залегают на глубине 200–300 м, в связи с чем их использование для оснований фундаментов не представляется возможным.

В связи с этим рассмотрим приращение балльности в связных и несвязных рыхлых грунтах, относительно которых происходит усиление или ослабление сейсмических воздействий на дневной поверхности¹¹. Вместе с тем такие грунты при изменении местных природных и природно-техногенных условий могут перейти в неустойчивое состояние вследствие разрыхления, разжижения, просадки и др. Такие качественные изменения наступают под действием тектонических или микротектонических природно-техногенных явлений, происходящих в слабых грунтах.

К особо опасным объектам г. Сыктывкар можно отнести Сыктывкарский лесопромышленный комплекс, который находится в плейстосейстовой области Кировско-Кажимской сейсмогенной зоны [4]. Для определения защитных мер при возведении высотных зданий и сложных промышленных объектов строительства в условиях платформенной сейсмичности необходимо учитывать устойчивость рыхлых грунтов к динамическим нагрузкам [5]. На сейсмической карте ОСР-2015-С южная часть Республики Коми находится в сейсмической зоне, где может произойти 7-балльное землетрясение в районе г. Сыктывкар в течение 50 лет с 1% вероятностью [8, 11]. Поэтому для предупреждения негативных последствий от возможного землетрясения необходимо использование, прежде всего, как классических результатов инженерно-геологических исследований, так и проверки сейсмической устойчивости рыхлых горных пород вибродинамическим нагружением.

Цель исследований – выяснение предельной степени устойчивости рыхлых четвертичных отложений в основаниях фундаментов зданий г. Сыктывкар к сейсмическим и микросейсмическим воздействиям.

СЕЙСМИЧЕСКИЕ И МИКРОСЕЙСМИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЙ

Сыктывкар расположен в северной части Волго-Уральской антеклизы, в зоне сочленения Сысольского свода, Вычегодского прогиба, Кировско-Кажимского авлакогена. Данный тектонический узел проявляет себя редкой платформенной сейсмичностью с интенсивностью на дневной поверхности от 3 до 5 баллов по МШСИЗ-1²². Однако есть исторические сведения о землетрясении и большей балльности, например, Сысольское землетрясение [10], произошедшее в 1939 г., которое было зафиксировано сейсмическими станциями: “Свердловск”, “Москва”, “Пулково”, “Фрунзе”, “Андижан”. Максимальная сила сотрясений в поверхностном слое по макросейсмическим данным достигала семи баллов по МШСИЗ-18 [1, 2]. Используя статистические данные и параметры местных слабых землетрясений [11], привлекая модели зон ВОЗ ОСР-97 (А, В, С, D), по своду правил³³ построен график повторяемости землетрясений (рис. 1), и на его основе выведено эмпирическое уравнение: I (балл) = 1.3lgT + 2.3 ± 0.2, где Т – период повторяемости землетрясений в годах. Гистограмма средневзвешенной оценки магнитуды и интенсивности землетрясения представлена на рис. 2.

Анализируя график вероятности сейсмических событий, можно предположить, что повтор 7-балльного землетрясения в рамках максимального расчетного землетрясения возможен с вероятностью 0.5% в течение 50 лет и 6-балльного землетрясения с вероятностью 1% в течение 50 лет. Следовательно, при данных сейсмических условиях с учетом расположения геологических структур, разграниченных глубинными разломами, постепенное накопление потенциала сейсмической энергии вблизи г. Сыктывкар становится вполне вероятно.

Поэтому возникает необходимость изучения инженерно-геологических условий с точки зрения зависимости приращения балльности от грунтовых условий. Местной особенностью является то, что скальные грунты на данной территории находятся на относительно большой глубине, поэтому дисперсные грунты имеют большие мощности фактически на всей территории города. Кроме того, они часто обводнены, в связи с чем велика вероятность существенного усиления балльности. В скальных грунтах приращение балльности – 0 баллов (I категория); в песках оно зависит от крупности зерен и глубины залегания УГВ, может достигать 0.7–2.0 баллов (III категория); в связных грунтах – 0.3–1.6 баллов (II категория) [4].

Микросейсмические шумы слабы и для города не опасны. Фоновые значения микросейсмических колебаний при преобладающих частотах 0.5–2 Гц для горизонтальных компонент амплитуды – 2 · 10^–11 м, для вертикальных – 10^–11 м [6]. Вибросейсмический мониторинг по компонентам x, y и z показывает, что не менее 70% территории города находятся в условиях сверхнормативной вибронагрузки по виброускорению и вибро-скорости: большая площадь превышения отмечается по компоненте z, в наименьшей степени – по компоненте x [7].

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Для испытаний использовалась вибродинамическая установка, способная развивать амплитуду ускорения колебаний от 0.022 м/с² до 1.9 м/с², что соответствует ускорению динамического воздействия от 1.9 до 6.4 единиц магнитуды. Грунты были отобраны специальным керноотборником, позволяющим сохранить их первичные структурные связи.

Величины ускорений, соответствующие указанным магнитудам, создавались с помощью вибродинамической установки, где при циклических испытаниях отобранных грунтов они могут достигать величин, сопоставимых с ускорениями землетрясений. Для этого использовали генератор колебаний АЯЦМ 3.901.002 ТУ (250 Вт) весом 35 кг; частотный преобразователь ГРИВ 426449.001 от 1 до 30 Гц с возможностью плавного усиления величины уровня вибраций, способный задавать амплитуды ускорений от 0.022 до 1.9 м/с² в интервале соответствия энергии магнитуды (табл. 1) в рамках шкалы балльности МШИЗ-18; датчик вертикального смещения грунта – электронные индикаторные часы ИЦ-12.5 с ценой деления 0.01 мм при диапазоне измерений от 0 до 12.5 мм, погрешность измерения ± 0.015 мм; подставку для крепления датчика смещения и керновый держатель вместе с испытуемым грунтом, вес которого менялся от 1.2 до 1.6 кг. Все выше приведенное оборудование жестко закреплено на железной плите массой 115 кг. Градуировка уровня ускорений была установлена с помощью широкополосного сейсмометра “ZET 048-C”, имеющего диапазон ускорений от 0.3 до 400 Гц, это позволило зафиксировать диапазон ускорений от 0.0022 до 0.19 g (см. табл. 1). Погрешность в измерениях при испытаниях зернистых грунтов составила 7–10%, пластичных – 5–7%.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Всего было испытано 26 образцов грунта из интересующих нас горизонтов – от низкой прирусловой поймы до самой верхней флювиогляциальной террасы (рис. 3). В результате их испытаний было выяснено, что в данном диапазоне нагружений пылеватые и мелкие маловлажные пески переходят из стадии уплотнения в стадию разрыхления, а при наличии свободной воды – в стадию разжижения. Что касается глин и суглинков, то их первичные структурные связи уже при амплитуде 0.053 м/с² начинают претерпевать изменения, а при увеличении длительности колебаний начинают разрушаться и водно-коллоидные связи, вследствие чего грунты переходят в пластично-текучее и текучее состояние.

Во время эксперимента было замечено, что длительность воздействия также влияет на снижение первоначальной прочности испытуемых грунтов. При этом время эффективного воздействия для слабых грунтов начинается уже с 5–7 с. Общая же длительность испытания грунтов составляла 20–30 с, что соответсвует времени формирования сейсмических акселерограмм при тектонических сдвигах в геологических разрезах, включающих рыхлые отложения.

По результатам были построены зависимости в виде кривых (см. рис. 3 и табл. 1) при постепенном увеличении амплитуд колебаний динамического воздействия на четвертичные грунты и при росте ускорения от минимальной величины 0.022 до максимальной – 1.9 м/с².

Одновременно с этим были определены табличные значения, имеющие свои условные соотношения между величиной ускорения и магнитудой, а также интенсивностью видимых изменений от динамических воздействий. Таким образом, были получены соотношения между параметрами количественного и качественного содержания (табл. 2).

В настоящее время общепризнан факт, что большая часть колебаний грунтового массива во время землетрясений генерируется вертикально направленными объемными волнами, зарождающимися в очаге в скальных породах [3, 9]. В целом сейсмическая волна состоит из объемных волн: Р-волны сжатия–растяжения и S-волны сдвига, приходящей с небольшим задержанием в несколько секунд по отношению к продольной волне; и поверхностных волн L и R, которые проявляют себя с меньшей интенсивностью. В случае прохождения через водонасыщенные грунты или воду эффект разрушения продольной волны ослабевает. Напряжение, возникающее при распространении поперечных волн, является наиболее опасным в виду большей амплитудной сдвиговой составляющей, которая равна произведению массы грунта на глубину очага землетрясения с учетом коэффициента затухания сейсмических волн.

Исходя из полученных соотношений, можно перейти к рассмотрению вопроса о приращении балльности, указывающей на качественный характер и масштаб воздействия на подстилающие грунты в основании фундаментов зданий. При распространении волн сжатия и сдвига в маловлажных грунтах возникает трехосная деформация, которую можно выразить общей формулой [3]:

где σdh– нормальные горизонтальные напряжения, σdν – нормальные вертикальные напряжения, ν – коэффициент Пуассона. Приращение балльности в этих условиях возникает за счет взаимодействия акустических жесткостей между слоями разреза.

В случае водонасыщенного грунта общее уравнение выглядит следующим образом:

где ΔV_w – величина сжимаемости, nV – объем воды в порах грунта, C1 – сжимаемость самой воды, u – поровое давление.

Приращение балльности в этих условиях возникает в зависимости от глубины залегания водоносного горизонта. При этом в обоих случаях горизонтальные сдвиговые напряжения, возникающие при распространении поперечных волн, являются основным компонентом напряжений в момент землетрясения.

Что касается влияния природно-техногенной составляющей в виде длительных микроколебаний на подстилающие грунты от вибрационного поля города, то повторяющиеся циклы колебаний занимают больший временной промежуток, что постепенно меняет первоначальную структуру поверхностных грунтов. Теоретически для расчета таких воздействий на полупространство условной величины по поверхности P₀ и шириной 2а, где действует двухмерная плоская нагрузка, принимается сообщение напряжений грунту в направлении от увеличения к ослаблению по мере движения автотранспорта. При этом основная роль отводится инженерным решениям, связанным с определением функциональных зависимостей, затрагивающих как условно линейные, так и нелинейные свойства грунтов верхнего полупространства. Важным моментом является определение пиковых ускорений (PGA) от землетрясений, взрывов, транспортного потока и других источников возмущения техносферы, которые подвергают грунты сдвиговым деформациям с последующей их структурной реорганизацией: если диапазон деформаций – 10^–6–10^–4 д.е. малый, то задача решается с позиции упругой модели, когда определяется модуль Юнга; если деформация принимает значения >10^–2 д.е., то изменение структуры грунта характеризуется гистерезисом прогрессирующего типа, в таком случае необходимо применять пошаговое интегрирование.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

С учетом исторических и инструментальных сведений о местных сейсмических событиях, отмеченных на карте ОСР-97, исходя из полученного эмпирического уравнения, можно утверждать, что для Сыктывкара возможны следующие вероятные величины интенсивности проектного и максимально расчетного землетрясений:

1. ОСР-97А с 10% вероятностью I = 5 баллов в течение 50 лет (за 100 лет);

2. ОСР-97В с 5% вероятностью I = 5 баллов в течение 50 лет (за 500 лет);

3. ОСР-97С с 1% вероятностью I = 6 баллов в течение 50 лет (за 5000 лет);

4. ОСР-97D с 0.5% вероятностью I = 7 баллов в течение 50 лет (за 10 000 лет).

Исследования показали, что в условиях возрастающей нагрузки сейсмического и микросейсмического характера на грунты под фундаментами зданий вибродинамические испытания грунтов очень важны в виду того, что нагрузки подобного характера приводят к изменениям структуры грунтов и их физико-механических свойств. В частности, для г. Сыктывкар дополнительно принятые меры, исходя из результатов испытаний, позволят повысить этажность строительства. На данный момент при заложении фундаментов требуется соблюдение действующих норм жилищного строительства, учитывающих инженерно-геологические условия в соответствии со сводом правил⁴⁴:

1) участки развития ледниковых отложений (gIIpč) в геологическом разрезе по условиям строительства относятся к территориям с удовлетворительными несущими свойствами грунтов, здесь допустимо строительство многоэтажных зданий, с учетом результатов испытаний повышенная этажность представится возможной;

2) участки аллювиальных отложений третьей надпойменной террасы (a³IIIs-l), озерно-аллювиальных отложений третьей и второй надпойменных террас (la²IIIbz-p, la³IIIs-l), верхне-вычегодский подгоризонт, флювиогляциальные отложения зандровой равнины (fIIvč₃) пригодны к возведению на них зданий средней этажности, допускается возможность строительства 6–9-этажных зданий;

3) на участках аллювиальных и озерно-болотных отложений первой надпойменной террасы (a¹IV₁, lbIV₃) и аллювиальных отложений второй террасы (a²IIIbz-p) допускается строить 1–2-этажные дома из легких материалов, не рекомендуется повышать этажность строительства в виду нерентабельности.