m0919

направленность и т.д. А все в целом как раз и ведет к тому, что мы получаем очень приближенную информацию об интересующем нас явлении.

Определенную трудность в работе со шкалами интенсивности вносит и то обстоятельство, что в них по-разному представляются критерии для одной и той же интенсивности. В результате возникает необходимость в установлении их эквивалентности. Проиллюстрируем сказанное на конкретном примере. Так для сейсмических наблюдений в Австралии, где одну из степеней сотрясения сравнивают с тем, «как лошадь трется о столб веранды», будет малопригодным широко употребляемое в Европе описание: «Начинают звонить церковные колокола». Европейцам, в свою очередь, будет трудно определить, может ли ощущаемый ими толчок опрокинуть каменный фонарь, фигурирующий в японских шкалах. Понятие «обычное крепко стоящее строение» будет иметь различные значения в Сан-Франциско и в сельских районах Ирана [5]. Как видим, разница в сравнительных характеристиках шкал интенсивности, ведет к сложности их использования в научных и практических задачах.

Землетрясения происходят не только на суше, но и в море и его проявления существенно отличаются от тех, которые мы наблюдаем на суше. Возникает проблема как же в таком случае нам использовать балльность, предлагаемую шкалами интенсивности? И как нам, в рамках шкалы интенсивности, представлять современные строительные объекты, если в шкале для них нет аналогов?

Следует отметить, что, несмотря на очевидную недостаточность отмечаемого научного подхода и сомнительность получаемых данных, это еще не повод от него отказываться. Не следует забывать, что вначале становления науки о сейсмостойкости никаких других подходов и практических возможностей у специалистов по исследованию сейсмических процессов и их негативных проявлений вообще не было. И вот, благодаря отмечаемому подходу, мы наконец-то получили возможность, пусть и в первом приближении, но получить объективные данные о сейсмическом процессе и его конкретных проявлениях. Анализируя которое, в свою очередь, мы смогли сделать некоторые объективные выводы, на базе которых, в свою очередь, смогли предпринять ряд практических шагов.

Разумеется, сейчас имеются более качественные методы фиксации сейсмических проявлений, в частности, посредством акселерограмм движения грунта и строительных объектов. Однако это не повод отказываться от подходов, зафиксированных в имеющихся шкалах интенсивности. Поскольку территория, на которой ощущается даже умеренное землетрясение, может измеряться сотней километров в поперечнике, а сильный толчок может ощущаться за тысячу и более километров, то опрос очевидцев сильного землетрясения, в определенной мере, нам компенсирует недостаточность стационарной сети наблюдений (сейсмостанций). Никакая сейсмическая станция не способна расставить приборы в количестве, сравнимом с числом живых свидетелей или строений. К тому же связь между местоположением толчка, определенным сейсмологом на станции, с его последствиями можно установить также лишь путем наблюдений на местности. [6].

После сбора сообщений о подземном толчке оцениваются и наносятся на карту интенсивности сотрясений. Затем проводятся линии, соединяющие территории с одной и той же интенсивностью. Эти линии называются изосейсмами.

Если бы Земля имела повсеместно одно и то же строение, то можно было бы ожидать, что энергия распространяется от источника - очага землетрясения равномерно по всем направлениям и что район наиболее сильных сотрясении находится в эпицентре - точке на земной поверхности, расположенной непосредственно над очагом. Изосейсмы представляли бы собой множество концентрических окружностей, причем интенсивность убывала бы постепенно и равномерно во все стороны по мере удаления от эпицентра. Иногда так и происходит. Тогда местоположение эпицентра может быть определено по направлению, в котором перемещались предметы, и по ориентировке трещин в поврежденных зданиях.

Однако реальность значительно сложнее: сказываются физические особенности геологического строения (грунтовые напластования) строительной площадки; и архитектурно-конструк- тивное многообразие строительных объектов. Вследствие чего, изосейсмы носят более сложный характер.

161

Вчастности, на несвязных грунтах типа рыхлых галечников интенсивность колебаний возрастает. Глубинная геология часто такова, что изосейсмы превращаются из окружностей в эллипсы. Иногда это происходит из-за влияния геологического строения на механизм землетрясения, в результате чего в одних направлениях выделяется больше энергии, чем в других. Чаще, однако, это связано с тем, что упругие волны легче распространяются вдоль осей структурных складок и разрывов, чем в перпендикулярных направлениях. [6-7, 10]

Важнейшим фактором, влияющим на вид изосейст, является глубина очага землетрясения. Неглубокий толчок может ощущаться на небольшой территории как сильный, но на больших расстояниях его последствия незаметны. От глубокого толчка происходят более умеренные сотрясения, но на гораздо большей площади. Для неглубоких толчков оценки глубины очага по изосейсмам иногда бывают лучше, чем инструментальные оценки, особенно при малом числе регистрирующих станций вблизи эпицентра. С другой стороны, вид изосейст от глубоких толчков обычно сильно искажается по причинам, которые обсуждаются в одной из следующих глав. Они могут быть смещены настолько, что эпицентр окажется за пределами пораженной территории. [6]

Наиболее полезную информацию о землетрясениях и работе строительных систем дают полевые наблюдения и обследование причиненных им разрушений. Здесь следует особо выделить роль повреждения строительных объектов, потому что они содержат больше информации для совершенствования принципов проектирования, чем полностью разрушенные или наоборот полностью устоявшие объекты. Поэтому при каждом разрушительном землетрясении независимо от страны, где оно произошло необходимо организовывать специальную экспедицию ученых в области сейсмостойкого строительства и инженеров проектировщиков (а не только сейсмологов как это обычно бывает в большинстве случаев). Полноценные такие исследования естественно не обойдутся без крупных финансовых и материальных вложений, но они со временем стократно окупятся. [12]

Всвязи с тем, что физическое обследование обладает более достоверной информацией, то при определении балльности, данному фактору отдается предпочтение. При этом свидетельские показания выступают как вспомогательный или сопутствующий фактор.

Как видим, традиционное в сейсмологии представление интенсивности землетрясения с помощью соответствующих шкал, не позволяет ни количественно, ни качественно оценить сейсмическое воздействие, как физическое явление. Вследствие чего, отмечаемая балльность не может быть непосредственно использована ни в физико-математических построениях или исследованиях, ни в инженерных расчетах. Поэтому для компенсации, отмечаемого недостатка, строителями была дополнительно введена уровневая градация максимальных горизонтальных ускорений на поверхности земли при землетрясении различной балльности [13].

Применительно к 12-ти балльной сейсмической шкале укоренились следующие нормативные соотношения баллов и ускорений:

Данный ряд соотношений может быть продолжен в обе стороны, однако это не имеет практического смысла. Землетрясения ниже 6-ти и выше 10-ти баллов не рассматриваются в качестве проектных ситуаций. Первые не опасны капитальным строениям, а вторые настолько разрушительны, что обеспечивать для них сейсмостойкость объектов нецелесообразно, а то и просто невозможно [13-14.].

Особо выделим, что на практике негативные сейсмические проявления свыше 9-баллов могут иметь место, просто традиционными методами и способами их нельзя устранить, вследствие чего, их просто игнорируют или не замечают.

В качестве иллюстрации отметим, что наиболее сильными из известных землетрясений были 11-12-балльные Хангайские землетрясения 9 и 23 июля 1905 года в Монгольском Алтае.

[10]

Из приведенных соотношений видно, что сила сейсмического воздействия, с повышением

162

интенсивности землетрясения на один бал, удваивается. Наблюдаемая здесь степенная зависимость по основанию 2, указывает на существенную нелинейность сейсмической шкалы в отношении действующих на объекты соответствующих нагрузок, которые напрямую зависят от ускорений колеблющегося основания. Причем указанные сейсмические ускорения используются, только в их фиксированных, без какой-либо интерполяции, значениях.

Так же отметим, что повысить (или понизить) расчетные нагрузки можно только в два раза, путем согласованного повышения (понижения) сейсмичности сразу на один бал.

Иного пути пока не предусмотрено. Сейсмическое районирование осуществляется исключительно в баллах, что предопределяет весьма условное и огрубленное задание уровней проектного сейсмического воздействия. Очевидно, что это плохо согласуется с характеристиками реальных землетрясений, где не бывает фиксированных и резко дискретных уровней.

Как видим, попытки количественно охарактеризовать между собой взаимодействие таких сложных факторов, как сейсмические волны, грунтовые напластования и строительные системы, одним числовым параметром изначально содержат в себе существенную внутреннюю нелогичность.

Напомним, что сейсмический эффект определяется в основном тремя параметрами: уровнем амплитуд, преобладающим периодом и продолжительностью. Кроме этого, сейсмический эффект, наблюдаемый в том или ином пункте, зависит как от величины (магнитуды) землетрясения, так и от удаленности и глубины залегания сейсмического очага, спектральных характеристик сейсмических волн, а также от местной геологии в этом пункте. [10]

Понятно стремление специалистов придать терминологии строгое количественное определение, поскольку ощущения землетрясения нельзя использовать в физико-математических построениях и практических расчетах. В результате, в вполне закономерно мы получаем искаженное представление, как о самом явлении, так и его проявлениях. С одной стороны это ведет к переоценке наших возможностей, с другой к недооценке опасности. На практике для сообщества, как одно, так и другое опасно, потому, что это ведет к неоправданным жертвам и нежелательным материальным потерям.

Вообще-то, все наше представление есть одна большая иллюстрация искаженного представления нами окружающей нас действительности. Сейчас же рассмотрим это на более простых и понятных примерах.

Бесспорно, что для действительно научного анализа процессов сейсмических процессов колебания крайне необходимы инструментальные измерения. При этом основным инструментом сейсмических наблюдений выступают сейсмографы. Принцип их действия заключается в приведении некоторого тела в колебательное движение, отличное от колебаний поверхности грунта, и регистрации относительных перемещений между этим телом и поверхностью грунта. Колебания грунта или строительной конструкции затем определяются теоретически по результатам инструментальных записей. [7]

Упругие волны, порождаемые землетрясениями, имеют очень широкий диапазон собственных периодов. Поэтому на большинстве сейсмостанций стараются записать волны в диапазоне от десятых долей секунды до 100 с. Можно регистрировать волны и с большими периодами, но для их записи требуется специальная аппаратура; да и особой практической потребности в этом пока нет. [5]

Предел увеличения колебаний, которое можно использовать для заданной величины периода, определяется слабыми колебаниями земли - микросейсмами. Они возникают все время, даже когда нет землетрясений. Если чувствительность сейсмографа достаточна для их регистраций, дальнейший рост увеличения только запутывает записи. Микросейсмы наиболее распространенного типа обладают периодами от 2 до 6 с, поэтому устанавливают два комплекта сейсмографов: один для регистрации колебаний с периодами короче, чем у микросейсм, другой – для более длинных периодов. В очень спокойных местах короткопериодные приборы могут работать с увеличениями до нескольких сот тысяч, увеличения же для длиннопериодных приборов редко превышают несколько тысяч. [6]

Вначале сейсмологи стремились сделать свои приборы как можно более чувствительными. Однако если учесть, что инженеров-строителей особенно интересуют сильные колебания, про-

163

исходящие вблизи эпицентров разрушительных землетрясений, то и менее чувствительные приборы нашли свое применение. При этом приборы для записи сильных колебаний с периодами

вдиапазоне инженерной значимости часто обладают увеличениями примерно от единицы до десяти. Таким образом, на хорошо оборудованных станциях имеется приборы с очень широким диапазоном периодов и увеличений. Например, в Веллингтоне постоянно изучается 17 различных типов колебаний земли. [6]

Естественно, что для надежной статистической оценки данных и построение на их основе моделей сейсмических воздействий для сейсмостойкого строительства, инструментальные данные должны быть добыты от густой сети наблюдений, организованной на пунктах с разными грунтовыми условиями на всей сейсмоопасной территории в течение десятка лет. С сожалением приходится констатировать, что из-за отсутствия надежных акселерографов и сети сильных движений грунтов на всей территории бывшего СССР не было накоплено достаточное количество акселерограмм сильных землетрясений с магнитудой М>5. Хотя землетрясения были, но только при двух сильных землетрясениях 1976 г. в Газли и 1988 г. Спитаке были получены всего по одной акселерограмме.

Сприскорбием приходиться констатировать, что, несмотря на то, что прошло, не мало времени, однако в странах СНГ по-прежнему дело с регистрацией акселерограмм грунтов и сооружений при сильных землетрясениях обстоит неблагоприятно.

Для сравнения отметим, что во время Ломо-Приетского землетрясения 1989 г. в Калифорнии в 125 пунктах на грунтах с радиусом 250 км были получены трехкомпонентные акселерограммы землетрясения. При этом акселерографы были установлены не только на грунтах, но и на разных по высоте уровня жилых и общественных многоэтажных зданий, мостов и плотин - всего получено 690 акселерограмм грунтов и сооружений. Аналогичная картина имела место и при последующих землетрясениях в Нортридже (США) в 1994 г. и при сильных землетрясениях

вКуширо-Оки и Кобе (Япония). [12]

Мы специально это подчеркиваем, так как считаем, что сейсмическая безопасность будущих построек прямо обусловлена сегодняшним наличием большего количества за-

писей прошлых сильных землетрясений. Сейчас нам просто не с чем работать, а значит, и говорить о точности наших расчетов некорректно.

Наряду с систематическим уточнением карт сейсмического районирования необходимо составлять специальные локальные карты с расположением сейсмоактивных разломов и эпицентров прошлых разрушительных землетрясений, возможных оползневых зон, участков разжижения грунтов, участков вероятного затопления в случае обрушения плотин и других, опасных для строительства зон.

Посредством механической регистрации (сейсмографов) можно фиксировать смещения, скорости и ускорения. При этом все отмечаемые параметры заслуживают внимания и изучения. Однако среди инженеров строителей принято характеризовать интенсивность землетрясений величиной максимальных ускорений (акселерограммы). Здесь срабатывает то обстоятельство, что в наших физико-математических исследования проще и удобнее использовать ускорения, нежели скорости и смещения.

Казалось бы, какая нам разница, если используя известные математические преобразования, мы всегда можем получить все остальные параметры? Однако разница есть и заключается она в том, что подход с использованием максимальных ускорений более или менее справедлив при хрупком разрушении, когда сооружение можно считать практически недеформируемым. Однако гибкие сооружения, такие, как трубы, высотные здания и арочные плотины, нельзя рассматривать на основе максимальных ускорений. Необходимо также учитывать частоту, перемещения, скорости и формы сейсмических волн. В последние годы строительство гибких сооружений все более расширяется, и таким образом, все для большего числа случаев принцип максимального ускорения становится неприемлемым. [7]

Ф. Неуманном [15], по данным землетрясений в США, с ускорениями 100 см/с2 (100 gal) и ниже было проведено детальное сопоставление между инструментальными записями и наблюдавшимися после землетрясений повреждениями. Согласно его исследованиям, степень повреждений зависит как от ускорений, так и от периодов колебаний. Даже в тех случаях, когда ускорение было

164

одинаковым, в случае более коротких периодов колебаний степень повреждений была не столь существенна, как при больших периодах колебаний. Когда же скорости колебаний были одинаковыми, независимо от периодов наблюдалась одна и та же степень повреждений. Например, максимальная скорость, при которой в стенах зданий возникают трещины, равна примерно 2,4 см/с, а максимальная скорость при землетрясении, во время которого стены обрушились, была около 4,7 см/с. [7, 15]

И, наконец, к слабому и недостаточному оснащению сейсмоопасных территорий сейсморегистрирующей аппаратурой следует добавить еще и слабый уровень наших знаний о Земле и окружающей нас действительности.

Напомним, что недра на континентах, посредством единичных сверхглубоких скважин, исследованы на глубину лишь до 12 км [16], что составляет менее 0.2% радиуса Земли. Причем на достижение максимального результата ушло более десяти лет самоотверженного труда коллектива бурильщиков с применением самой совершенной техники.

При возрасте планеты в пределах 4.5 млрд. лет - нормальные геологические наблюдения ведутся лишь 2-3 столетия. Все, что глубже 12 км и древнее 200-300 лет – это уже сфера гипотез, а в свете гипотез, вероятностных и неоднозначных решений может быть много относительных «истин», которые могут быть предпочтительными, но никогда - господствующими.

Поэтому, ошибки в строительной практике, связанные с сейсмическим районированием, не редкость.

Так при «Спитакском» землетрясении (Армения, 7.XII.1988) сейсмологами официально, отмечена сейсмическая интенсивность в 10 баллов, в то время как до землетрясения такая возможность нормативно исключалась. И все это притом, что в Армении находится атомная электростанция – объект повышенной экологической ответственности и экономической значимости. Станция обслуживает население электроэнергией, закрыть и демонтировать ее нельзя, а должным образом обеспечить сейсмобезопасность АЭС нахватает технических возможностей. Что такое взорвавшийся атомный реактор известно по Чернобыльской (Украина 26.IV.86 г.) и Фукусима Япония 11.I.2011 г.) катастрофам, а последствия химической аварии нам продемонстрировала катастрофа в городе Бхопал (Индия 3.01.84 г.) [17-19].

Как известно, в разгар строительства Крымской АЭС, в конце 80-х годов, произошла авария в Чернобыле (26.IV.86). Авария на Чернобыльской АЭС спровоцировала возмущение крымской общественности по поводу строительства атомной электростанции в Крыму (который был и является одновременно курортной и сейсмоактивной зоной Украины); кроме того, Восточный Крым, где было организовано строительство АЭС, характеризуется наличием более 30 грязевых вулканов [20]. Однако при проектировании АЭС все это не было учтено. И только активное вмешательство крымской общественности в процесс строительства привело к пересмотру условий строительства. В результате, корректировки которых сейсмическая балльность района строительства выросла с 5 баллов до 10 (один дополнительный балл стал возможен из-за увеличения процессов подтопления комплекса) [3-4, 21]. Другими словами, сейсмическая нагрузка была увеличена в 32 раза. Как видим, корректировка сейсмической балльности района строительства оказалась слишком значительной, что, в конечном итоге, и привело к аннулированию строительства атомной электростанции и значительным, непредусмотренным материальным потерям.

Однако не всегда строительные ошибки и просчеты столь «успешно» разрешаются. Так поселок Нефтегорск на Сахалине (Россия) был построен по обычным (несейсмическим) проектам зданий. Не предусмотренное никем локальное землетрясение 27.IY.95 г. (широта -52о64’, долгота -142о87’, глубина очага H=33 км, Ms = 7.7) - и молодой поселок нефтяников вообще перестал существовать: полное обрушение всех 17 пятиэтажных домов серии 447 и из трех тысяч жителей погибло около 2 тысяч. [22-23]

Негативные примеры ошибочного определения сейсмической интенсивности можно наблюдать и в других странах, в частности в США и Канаде. Если учесть, что это экономически развитые страны, с мощным технологическим и научным потенциалом, то отмечаемые ошибки, можно объяснить лишь недостаточностью научных знаний о землетрясениях и явлениях с ними

165

связанными. Следует особо выделить, что это неизбежные ошибки, связанные с ростом и становлением науки о землетрясениях.

2.4.2. ВОЛНОВАЯ СОСТАВЛЯЮЩАЯ СЕЙСМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ И НЕКОТО-

РЫЕ ЕЕ ОСОБЕННОСТИ.

К сожалению, во многом наше понимание происходящего в очаге землетрясения строится на косвенных данных: мы не знаем ни времени, ни места, где произойдет очередное землетрясение. А главное - наши технические возможности не позволяют нам попасть в эпицентр очага и с помощью приборов зафиксировать все там происходящее…

Если упрощенно представить механизм возникновения землетрясения, то мы получим следующую картину: Земная кора представляет собой твердую сферическую оболочку с неравномерными инерционными, упругими, диссипативными и прочностными свойствами. Нарушение прочности (разрядка механических напряжений) оболочки в некоторой ее зоне создает локальное высвобождение потенциальной энергии деформации, которая, посредством сейсмических волн, затем преобразуется в колебательные движения грунта. В свою очередь, переносное ускорение колеблющегося основания (единой опорной платформы) сообщает строительному объекту инерционные нагрузки, вызывая в нем ответные колебания. При этом сей-

смическое воздействие в общем случае представляется трехкомпонентными акселерограм-

мами (записями ускорения во времени) для двух горизонтальных и вертикального направлений.

[1-5]

Правда, к сожалению, при этом акселерограммы фиксируют лишь суммарное или совокупное взаимодействие сейсмических волн с грунтом или конструкцией строительного объекта и не дают представления о частностях и нюансах. В результате, нам, для понимания происходящего сейсмического взаимодействия нахватает конкретики и деталей…

Поясним сказанное на примере. Так при действии динамических и ударных нагрузок, характеризующейся малой продолжительностью, многие материалы, которые при наличии статических, сил проявляли бы себя пластичными, работают как хрупкие. В случае колебаний упругой системы, многократно повторяющиеся нагрузки приводят к резкому снижению прочности материалов, связанному с усталостными явлениями. В результате, известны практические случаи, когда инженерные конструкции, рассчитанные с большим запасом прочности на статическую нагрузку, разрушались под действием, сравнительно небольших динамических сил [6]. Все из-за того, что в ряде случаев динамические напряжения значительно больше статических [7]. Поэтому, с целью избежания этих нежелательных явлений, необходимо с особой тщательностью подходить к так называемым «мелочам», которые на самом-то деле могут оказать сложнее и важнее, чем ранее нами предполагалось. Понятно, что это требует привлечения более сложных методов исследования, использования более сложных физико-математических и расчетных моделей.

Получается, что из-за своей необычности волновое сейсмическое взаимодействие заслуживает особого внимания и само по себе, как интересное физическое явление, и как существенный фактор, который влияет на обеспечение эффективной и надежной сейсмозащиты.

Напомним что сейсмические волны, так же как звуковые и ультразвуковые волны, это одна из разновидностей упругих волн. При распространении упругих волн происходит перенос энергии упругой деформации в отсутствии потока вещества. Всякая гармоническая упругая волна характеризуется амплитудой и частотой колебаний частиц среды, волны, фазовой и групповой скоростями, законом распределения смещения и напряжения по фронту волны. [8-11]

Сейсмические волны, порождаемые землетрясением, распространяются во все стороны от очага подобно звуковым волнам. Особенностью распространения упругих волн является то, что из-за внутреннего трения и теплопроводности среды распространения упругих волн сопровождается их затуханием с расстоянием.

Кроме этого, при косом падении на поверхность раздела сред с различными параметрами

166

(скоростями и плотностями) волны одного типа частично отражаются, частично проходят в другую среду преломляются. Отраженные и преломленные волны, за счет явлений интерференции, накладываются друг на друга, что ведет к тому, что на каких-то участках волны усиливаются, а на каких-то ослабляются. В результате чего, к строительному объекту подходит набор сейсмических волн, образующих индивидуальный ансамбль волн с частотами от 0.0001 Гц до 100 Гц, в котором сильнее всего проявляются низшие (до 20÷30 Гц) собственные частоты и формы. Из них наибольший спектральный отклик (максимальные спектры ответа) дают частотные составляющие, находящиеся в диапазоне 1÷10 Гц. [3-5, 8-11]

На практике, различают две группы сейсмических волн: объемные и поверхностные. Слагающие Землю горные породы упруги и поэтому могут деформироваться и испытывать колебания при резком приложении давления (нагрузок). Внутри объема горных пород распространяются объемные волны. В вою очередь, они делятся на два типа: продольные (P-волны) и сдвиговые (S-волны).

При этом в продольных волнах движение частиц параллельно направлению распространения волны, а деформация представляет собой комбинацию всестороннего сжатия (сгущения) или растяжения (разрежения) и чистого сдвига. Поэтому продольные волны называют также волнами сгущения и волнами сжатия. Движения продольных волн напоминает перемещения червяка, сжимающегося и растягивающегося вдоль продольной оси. Продольные волны могут проходить через любые материалы. В воздухе они принимают форму звуковых волн, и, соответственно, их скорость становится равной скорости звука. Стандартная скорость P-волн – 330 м/с в воздухе, 1450 м/с в воде и 5000 м/с в граните. [3-5, 8-11]

В сдвиговых (или поперечных) волнах движение частиц перпендикулярно направлению распространения волны, а деформация является чистым сдвигом. Поперечные волны можно сравнить с колебаниями струны, каждая частица которой испытывает поперечные колебания, перпендикулярные к направлению их распространения. Распространение этих волн связано с изменением формы тела за счет кручения и сдвига его частиц, из-за чего эти колебания также называют волнами сдвига. S-волны могут действовать только в твердых телах. Скорость распространения поперечных волн в 1.7 раза меньше скорости продольных. Поэтому, чем дальше находиться очаг землетрясения от наблюдателя, тем позднее до него дойдут поперечные волны по сравнению с продольными. [4-5]

Первыми достигают земной поверхности продольные волны в эпицентре землетрясения, где их воздействие направлено снизу вверх по вертикали, поэтому сила удара будет максимальной. Пол мере удаления от очага вертикальная составляющая воздействия будет уменьшаться. Одновременно с этим появляется и растет горизонтальная составляющая сейсмического воздействия. Обусловлено это наклонной траекторией движения сейсмических волн и шарообразной формой Земли. При этом в строительных нормах разных стран величина вертикального ускорения варьирует в пределах 0.5 до 1 пикового ускорения грунта. От наиболее интенсивной горизонтальной составляющей. [3, 12]

Одновременно с достижением поверхности продольные и поперечные возбуждают еще третий вид сейсмических волн - поверхностные или длиннопериодные волны, получивших название волн Рэлея (LR-волна) и Лява (LQ-волна). Первые являются суперпозицией неоднородных продольных и поперечных сейсмических волн, вторые – только поперечных.

При этом волны Релея возникают в присутствии только одной границы раздела (поверхность Земли), а волны Лява – двух и более. В Земле скорость поверхностных волн меньше скорости поперечных волн и зависит от частоты. Амплитуда волн Рэлея и Лява убывает приблизительно обратно пропорционально корню квадратному из расстояния до источника. Причем волна Рэлея медленнее, чем волна Лява. [4-5, 8-10]

Отличительной особенностью волн Релея, является то, что они имеют значительную вертикальную составляющую и являются чем-то вроде «кульбитов назад»: сначала происходит толчок в направлении распространении волны, а затем движение вверх, назад, вниз и новый толчок. При движении волны частицы перемещаются по эллипсам вверх и назад по отношению к движению волны. Волны быстро гаснут с глубиной и не имеют дисперсии фазовой скорости, т.е. фазовая скорость не зависит от частоты колебаний. [4-5]

167

Волны Лява возникают в композитных (слоистых) средах вследствие различной деформационной структуры слоев при их совместных деформациях. LQ-волны являются разновидностью Sn-волн с дисперсией фазовых скоростей. Колебания грунта в L-фазе имеют меньше амплитуды, чем в S-фазе, но разрушительная сила колебаний грунта в L-фазе велика. Поверхностные L-волны, так же как и поперечные S-волны, являются вихревыми и определяют дилатацию и ротацию среды, т.е. они также приводят к возникновению векторов поступательного движения и вращения грунтового основания. [4-5, 8-11]

Длина поверхностных волн велика и иногда достигает нескольких сотен километров. Скорость их распространения почти в два раза меньше скорости обычных поперечных волн: в твердых породах она не превышает 3.3÷4 км/сек, а в рыхлых значительно меньше. Амплитуда поверхностных волн редко превышает нескольких сантиметров. Однако именно поверхностные волны из-за своей низкой частоты, времени действия и своей амплитуды являются самыми разрушительными изо всех типов сейсмических волн. [9, 11]

Кроме перечисленных волн при землетрясениях возникают еще и волны тяжести. Они проявляются в толщах рыхлых пород (песков, глин), обычно насыщенных водой. Механические свойства этих отложений резко отличаются от свойств твердых пород, залегающих на глубине. Частицы рыхлых пород, выведенные из положения равновесия сейсмическим толчком, возвращаются обратно не под действием упругих сил внутреннего сцепления, а под воздействием силы тяжести. Скорость волн тяжести в 1000 раз меньше скорости упругих колебаний и не превышает нескольких метров в секунду, амплитуда может быть до десятков сантиметров. Волны тяжести вызывают видимые колебания почвы, а также нарушения и волнообразные изгибы земной поверхности, дорог, рельсов и пр. Они очень похожи на волны, возникающие на поверхности воды. Внимание строителей к данному типу волн вызвано изменениями свойств грунта при прохождении волны: в одних случаях грунты разуплотняются, в других - наоборот происходит уплотнение грунта, изменяется водонасыщение грунта, вследствие чего, изменяются их физи- ко-механические и прочностные свойства. [11]

Отметим, что на практике, в силу отмечаемых волновых особенностей, сейсмологов больше интересуют объемные волны, а строителей, из-за разрушительного воздействия волн на строительные объекты, - поверхностные волны и, в определенной мере, гравитационные волны.

К сожалению, исследование и использование поверхностных волн связано с определенными трудностями. Так если учесть что с одной стороны продольные волны максимально проявляются у поверхности земли, а с другой – что на поверхности Земли имеются горы, низины, разного рода возвышенности, реки, озера, моря, океаны и т.д., то для начала возникают следующие непростые вопросы: «Как рельеф местности скажется на росте сейсмической интенсивности? И какую при этом поверхность следует считать исходной (эталонной) для сравнения прироста сейсмической интенсивности?»

Ведь если логически рассуждать, то все элементы ландшафта слагаются из горных пород. И, следовательно, при одинаковых геологических условиях сейсмические волны будут претерпевать аналогичные изменения на всех элементах рельефа. Правда, в отличие от равномерных участков, все возвышенные участки рельефа имеют иную пространственную организацию, в частности, они в виде пирамиды или конуса вытянуты вверх из-за чего имеют переменную по высоте жесткость, а грани контура (склоны) образуют наклон от основания к вершине, вследствие чего отражение волн будет происходить при других углах и с нескольких сторон. Вследствие чего, измениться уровень наложения сейсмических волн друг на друга. И, как следствие, из-за интерференции изменится уровень усиления и ослабления волн. Поэтому для нас практически важно знать, в каких случаях и насколько будет иметь место усиления сейсмического проявления.

Если обратиться к нормативным документам, в частности к ДБН В.1.1-12:2006, то в соот-

ветствии с п.1.1.6, выясниться, что нам «…без достаточного обоснования не следует размещать сооружения на участках… с крутизной склонов более 150» [13]. Однако все мы знаем,

что Земля не является идеальным шаром – только небольшая ее часть является равнинной, а вся остальная поверхность Земли - это горы, разного рода возвышенности, низины, котловины, во многих случаях заполненных водой (водоемы, озера, моря океаны).

168

И хотя положение носит рекомендательный, а значит не обязательный для проектировщика характер, в то же время, «Требования настоящих норм обязательны к применению для органов управления, контроля и экспертиз всех уровней» [13]. Налицо двойственность. Причем хотим мы того или нет, но положения подлежат обязательному выполнению. А вот чтобы обойти ограничения положений, придется «потрудиться»: для начала нужно специально обосновать необходимость отклонения от положений ДБН; затем получить разрешение органа государственного регулирования. Однако захочет ли администрации добровольно взять на себя уголовную ответственность за отклонение от рекомендаций ДБН, когда проще просто отказать в согласовании? Ответ заранее прогнозируем. Но даже, если допустить, что согласование, все же, получено, что делать с государственной экспертизой? Ведь, если экспертиза не отметит несоответствия проекта требованиям ДБН, то тем самым, в случае обрушения или аварии строительного объекта, она наравне с разработчиком должна будет нести уголовную ответственность.

Сдругой стороны, выполнение строительных норм требует от строителей всего лишь полного сноса гор и разного рода возвышенностей и засыпки всех котловин. Вообще-то, технические возможности сообщества позволяют нам одну или несколько конкретных возвышенностей полностью снести или засыпать пару конкретных небольших котловин. Правда, это очень трудоемко и очень затратно. Поэтому массово такие работы производиться не могут.

Хотя можно поступить и чисто формально, например, снести или расчистить верх возвышенности или протерассировать склон, что, к сожалению, на практике нередко и делается. В результате мы получим горизонтальные площадки с нужным нам уклоном. И, как следствие, автоматически выполняем требования строительных норм…

Однако для природы наша уловка так и останется ничего не значащей хитростью – у природы свои законы и правила. Наше незнание, а тем более, наше игнорирование отдельных законов природы, как показывает практический опыт, обычно ни к чему хорошему не приводят и ни чем хорошим не заканчиваются. Поэтому, пока не поздно, положение нужно исправлять. Для чего предлагается рассмотреть проблему хотя бы в общих чертах.

В какой-то мере можно понять разработчиков строительных норм и правил, уклонившихся от решения проблемы. Сложность, важность проблемы, недостаточное количество информации

ипрактически полное отсутствие ее достоверности - это очень серьезные аргументы к принятию решения не рисковать репутацией и переложить решение и проблемы на других…

В целом, сложность проблемы обусловлена рядом причин:

Содной стороны - разное географическое положением гор, возвышенностей, котловин; их разная конфигурация, разное геологическое строение, разная геологическая история развития, приводят к большому многообразию.

Сдругой стороны - случайность проявления землетрясений, пространственный характер сейсмического воздействия, несовершенство и слабое развитие наблюдательной сети сейсмостанций объективно не позволяют нам охватить вниманием все интересуемые нас объекты. Отсюда скудность информации. Кроме этого, оставляет желание лучшего и качество получаемой информации. Сказывается несовершенство аппаратуры, недостаточное оснащение многих сейсмостанций современным оборудованием, несовершенство методов наблюдений и т.д.

В общем, положение таково, что в ближайшее время существенного прорыва в разрешении проблемы не предвидится. Поэтому было бы просто замечательно, если бы наши смежники - ведущие сейсмологи поделись бы со строителями и общественностью своим видением проблемы, а заодно своими практическими решениями проблемы...

Пока же хотя бы в общих чертах попробуем разобраться с проблемами. Для чего воспользуемся принципами аналогии и здравого смысла. Однако, так как проблема одновременно сложна и важна, то используем несколько разных подходов:

Во-первых, из-за волновой природы сейсмической волны, используем некоторого представления из ультразвуковой техники, в частности из области стержневых ультразвуковых концентраторов.

Во-вторых, из-за того, что горы и возвышенности так же как и строительные объекты, обладают массой, жесткостью и формой, то их, с определенной долей условности, можно исследовать и с позиции строительной механики.

169

Такой подход позволит нам, хотя бы качественно представить и оценить проблему.

Итак, концентраторы ультразвука - это устройства служащие для увеличения интенсивности ультразвука или амплитуды колебательного смещения (колебательной скорости частиц) в низком ультразвуковом диапазоне. Концентратор ультразвука представляет собой твердый стержень переменного сечения или переменной плотности, присоединяемый к излучателю более широким концом или частью с большей плотностью. [14-16]

Принцип действия стержневых концентраторов основан на увеличении амплитуды колебательного смещения частиц стержня вследствие уменьшения его поперечного сечения или плотности в соответствии с законом сохранения количества движения. При этом увеличение амплитуды смещения будет тем больше, чем больше будет различие диаметров или плотностей противоположных конусов стержня.

Стрежневой концентратор можно рассматривать как акустический волновод, в котором распространяется одна нулевая мода колебаний, характеризуемая постоянной амплитудой по сечению. Максимальный линейный размер широкого конца концентратора должен быть меньше половины длины волны в материале концентратора. Работают стрежневые концентраторы обычно на резонансной частоте, поэтому длина концентратора должна быть резонансной, т.е. кратной целому числу полуволн. Вследствие дисперсии скорости ультразвуковых волн в волноводах с переменным сечением при заданной частоте длина волны зависит от формы стрежневого концентратора

Максимальная амплитуда колебаний скорости, получается на узком конце стержневого концентратора и зависит от свойств материала концентратора – разрушающего усталостного напряжения и волнового сопротивления.

Наилучшим материалом для стержневых концентраторов с точки зрения получения максимальной амплитуды колебательной скорости - титан и его сплавы, поскольку при достаточно большой механической прочности эти материалы обладают сравнительно низким волновым сопротивлением, а так же малым поглощением звука. [14-16]

Разумеется, наш случай отличается от представленного выше рассмотрения. С одной стороны есть схожесть, которая заключается в волновом характере воздействия, в вытянутости вверх объектов рассмотрения, в изменении по высоте объекта жесткости, в наличии у объектов плотности и прочности. Кроме того в обоих случаях объект излучения большей частью располагается на колеблющемся основании. С другой стороны – горы и возвышенности отличаются от стержневых концентраторов по материалу и по прочностным, акустическим свойствам и, в отличие от концентраторов, наличием целого ансамбля волн в диапазоне от 0.0001 до 100 Гц. При этом низкая прочность пород и точность формы объекта компенсируются малым временем и очень большой мощностью сейсмического воздействия.

Следовательно, у нас есть все основания ожидать усиления сейсмического воздействия. Правда, при этом не понятно: «Где? Как? Каким образом они будут проявляться по поверхности объекта?» Для принятия практических решений это очень важные вопросы. Однако без специальных научных исследований на них ответить невозможно.

Теперь задействуем второй подход – представим горы и возвышенности как своего рода строительные системы. Понятно, что здесь свои сложности. В значительной степени задача облегчается тем, что целым рядом исследователей на базе конечных элементов уже проводились аналогичные исследования. В частности, таким образом, исследуется совместная работа здания и основания. Правда, из-за многообразия объектов исследования и скудности исходной информации провести работу в полном объеме, при всем нашем желании пока не получается.

Если не вдаваться в подробности и, в частности, ограничимся просто качественным представлением, то согласно выводы академика НАН РА Э.Е. Хачияна [17], прирост усиления сейсмической интенсивности следует ожидать в районе 2.5 раз.

Для практических решений вывод слишком серьезен. Поэтому приведем его в оригинале, а

читатель уже сам определит свое мнение: «…как для высотных железобетонных зданий до 25 этажей, так и для металлических зданий до 45 этажей среднее значение Ан/Аг приближается к 2.5. Этот результат подтверждает достоверность максимального значения нормализованного

170