Отправить сообщение, заявку, вопрос

Зарегистрироваться для участия в конференции

Запросить консультацию специалистов по данному техническому решению

Рубрикатор материалов

Сейчас в информационной базе:
рубрик - 70 , продуктов - 1823 , авторов - 202

Copyright © 2016-2018 ГеоИнфо
Все права защищены

Разработка и сопровождение: InfoDesigner.ru
Дискуссия профессионалов
25 июля 2016 года

Почему не сейсмология?

Название этой статьи навеяно аналогичным названием публикации почти полувековой давности, принадлежащей перу выдающегося советского геофизика Ю.В. Ризниченко «Почему сейсмология?», в которой объясняется, почему «в семье различных методов изучения земных недр сейсмический метод занимает как будто какое-то привилегированное положение».

Область исследования данной статьи совершенно иная – это область инженерной сейсмологии, которая связана с обеспечением сейсмической безопасности строительных объектов. Речь будет идти о приоритетном положении ряда инженерно-геологических и геофизических методов, входящих в корпус исследований.

Алешин Александр СтепановичГлавный научный сотрудник ИФЗ РАН

Название этой статьи навеяно аналогичным названием публикации почти полувековой давности, принадлежащей перу выдающегося советского геофизика Ю.В. Ризниченко «Почему сейсмология?» [1]. В ней Юрий Владимирович как всегда в блестящей форме объяснил, почему «в семье различных методов изучения земных недр сейсмический метод занимает как будто какое-то привилегированное положение». В качестве критерия сравнения возможностей различных методов – гравитационного, магнитного, электрического, сейсмического и ряда других – была взята величина разрешающей способности.

Время, прошедшее после написания этой статьи, лишь подтвердило правильность ее основных выводов, и автор в своей статье «Почему не "сейсмология"?» не собирается ставить под вопрос первенство сейсмического метода в ряду других геофизических методов. Речь пойдет совсем о другом.

Область исследования данной статьи совершенно иная – это область инженерной сейсмологии, которая тесно связана с обеспечением сейсмической безопасности строительных объектов. И речь будет идти о приоритетном положении ряда инженерно-геологических и геофизических методов, входящих в корпус исследований. 

Количественная оценка влияния местных условий (состав грунтов, особенности рельефа, наличие сейсмоактивных разломов и др.) на сейсмичность с указанием изменения интенсивности в баллах макросейсмической шкалы или инструментальных характеристик сейсмических колебаний (максимальных ускорений, частот, продолжительности и др.) производится целым комплексом геолого-геофизических методов, объединенных общим названием сейсмического микрорайонирования (СМР). Согласно нормативному документу РСН-60-87 [2] в комплекс методов СМР, помимо инженерно-геологического изучения свойств грунтового массива, входит целый ряд инструментальных исследований, включающих сейсмологические, сейсморазведочные, электроразведочные, радио­изо­топ­ные и другие геофизические методы.

Состав и приоритетность методов комплексных инструментальных исследований, необходимых для решения задач СМР, устанавливается в зависимости от класса строительного объекта, категории сложности инженерно-геологических условий и величины исходной сейсмичности района работ по таблице, взятой из упомянутых норм [2]. В свою очередь, класс объекта и категория сложности инженерно-геологических условий также определяются указанными нормами.

 

Таблица. Методы сейсмического микрорайонирования [2]

Таблица. Методы сейсмического микрорайонирования [2]

Таблица. Методы сейсмического микрорайонирования [2]

 

Примечания:

«++» - метод обязателен для применения как основной;

«+» -  метод рекомендуется как вспомогательный;

«-» -   метод не применяется;

«С» - необходимость применения метода специально обосновывается в программе работ

 

Из приведенной таблицы следует, что обязательность применения метода сейсмологической регистрации слабых землетрясений и взрывов такая же, как метода жесткостей. Но, несмотря на это, в тексте нормативного документа можно прочесть, что «методы сейсмологической регистрации землетрясений и взрывов являются основными в комплексе сейсмологических методов, применяемых при сейсмическом микрорайонировании». Написано это было около тридцати лет тому назад. С тех пор в нашей стране произошли драматические перемены, отразившиеся, в том числе, даже на работах по сейсмическому микрорайонированию.

СМР как часть инженерных изысканий теснейшим образом связано с экономическими, а еще шире – политическими реалиями. И поскольку эти реалии изменились, то следом за ними должны поменяться условия и методы проведения СМР. О каких же изменениях идет речь?

Действующие в настоящее время в России нормы сейсмостойкого строительства, как уже было сказано, разработаны в конце прошлого века. Рекомендации и требования этих документов распространялись на территорию всего Советского Союза. После распада СССР целый ряд территорий с весьма высокой сейсмичностью (республики Средней Азии и Закавказья, Украина и Молдавия) стали самостоятельными государствами. Удельный вес площади сейсмоопасных районов страны значительно сократился. Большая часть территории нынешней России относится к зоне сравнительно невысокой сейсмичности. И хотя количество ощутимых землетрясений на этой территории относительно невелико, наличие особо ответственных объектов (АЭС, крупные и опасные в экологическом отношении производства, гидроузлы и т.д.) и высокая плотность населения обуславливают необходимость учета сравнительно редких сейсмических событий. Это обстоятельство требует адекватного изменения методики сейсмогеологических исследований. Например, сейсмологическая регистрация в советский период была эффективной при работах в городах и на строительных площадках в сейсмоактивных областях. Сегодня в условиях слабой активности даже длительные сроки работы сейсмических сетей не обеспечивают необходимого количества и качества сейсмических записей.

Другое серьезное замечание относится к роли нефтегазового комплекса и дорожно-транспортной системы в экономике современной России. Нефте- и газопроводы, железнодорожные и автомобильные трассы большой протяженности занимают ныне важную нишу в общем объеме строительства. Следует подчеркнуть при этом, что большое значение в развитии этих отраслей народного хозяйства, как и всей экономики в целом, имеют экспортные поставки энергоносителей в соседние страны   Если ранее основное внимание в сейсмостойком строительстве занимали вопросы, связанные с сейсмостойкостью городов и крупных строительных площадок отдельных производств, то теперь в практике сейсмостойкого строительства заметную роль стали играть линейно-протяженные объекты. Специфика этих объектов также не имеет адекватного отражения в действующих нормативных документах.

Со времени разработки нормативов сейсмостойкого строительства изменилась не только география страны. Изменился весь экономический уклад. Если раньше в условиях плановой экономики вопросы финансирования, состава методов и порядок проведения и утверждения результатов работ заранее предписывался и в принципе строго осуществлялся в соответствии с требованиями нормативных документов, то теперь в этих вопросах на практике царит полный беспорядок. Каждый вид работ, как правило, осуществляется без учета результатов другого. Требования устаревших нормативов зачастую являются избыточными, не учитывающими специфики новых объектов сейсмического районирования. Так, например, бессмысленно требовать карту СМР для линейно-протяженных объектов, таких как нитка нефтепровода или трасса железной дороги.  С другой стороны, нередки случаи, когда авторы отчетов по инженерным изысканиям в областях слабой или умеренной сейсмической активности узнают о необходимости проведения СМР, лишь придя с комплектом документов в Госэкспертизу. Давно нет тех органов, которые должны были рассматривать и утверждать результаты СМР. Функции контроля качества работ по СМР целиком отнесены к компетенции Госэкспертизы. И тут следует отметить, что квалификация ее сотрудников не всегда находится на должном уровне. В таких условиях следование устаревшим рекомендациям нормативных документов является источником недоразумений и усложняет внедрение в практику проектирования полученных результатов.

То, что нормативная база устарела и не соответствует современным требованиям сейсмостойкого строительства, осознавалось всеми работниками в области сейсмостойкого строительства, включая руководство отрасли и ответственных лиц в деле совершенствования нормативно-технической базы. Это предопределило необходимость переработки нормативной базы СМР, а также разработки новых и совершенствования действующих подходов к получению исходных данных и методов СМР, учитывающих реальные свойства грунтов и характеристики сейсмических воздействий.  

Разработка новых нормативов в СМР была поручена ИФЗ РАН.  В результате в краткие сроки был подготовлен проект норматива по СМР, который прошел процедуру тщательного рецензирования независимыми экспертами, видными работниками в области сейсмической безопасности – ведущим сотрудником ИГЭ РАН к.т.н. И.Г. Минделем и главным экспертом ЦСНЕЭО – филиала АО «Институт Гидропроект» к.г.-м.н. А.Л. Стромом. Большинство замечаний рецензентов было учтено в окончательном варианте документа.

В процессе обсуждения документа выявилась принципиальная позиция сотрудников АО «Институт Гидропроект», заключающаяся в утверждении приоритетной роли сейсмологических наблюдений в составе инструментальных геофизических работ по СМР. И дело тут вовсе не в том, что такие работы в принципе невозможны для большей части территории современной России. Следует рассмотреть вопрос об их целесообразности вообще, даже если не учитывать аргумент о слабой сейсмичности.

Итак, почему же не «сейсмология»?

Сначала приведем аргументы сторонников приоритета сейсмологической регистрации. Поскольку развернутой аргументации в пользу этого метода в научной литературе найти не удалось, приходится использовать источник в виде Решения межведомственного рабочего совещания по СМР 23.03.2016 г. [3].

Основная задача СМР – определить влияние свойств грунтового разреза на параметры сейсмического воздействия. В качестве последних в настоящее время принято использовать спектры реакции, а для особо ответственных сооружений также акселерограммы землетрясений.

Для получения амплитудно-частотных и резонансных характеристик грунтовой толщи, определения и картирования спектральных характеристик и временных параметров колебаний грунта, по мнению сотрудников АО «Институт Гидропроект», необходимы данные инструментальных сейсмологических наблюдений и соответствующие инструментальные методы СМР. Вот с этим утверждением согласиться нельзя по следующим причинам.

В спектре сейсмических колебаний, зарегистрированных датчиками, расположенными на слое грунта, замешаны два процесса: спектр исходного излучения и влияние свойств грунтового массива. В суммарном колебании разделить оба фактора практически невозможно. Рассчитать амплитудно-частотную характеристику по данным инструментальных сейсмических наблюдений можно при соблюдении двух условий: а) одновременная регистрация землетрясения на рыхлом грунте и скальном основании; б) выполнение дополнительного требования – пункты регистрации должны находиться на достаточно близком расстоянии, чтобы обеспечить выполнение условия идентичности исходного воздействия. Понятно, что выполнить оба этих требования в платформенных условиях достаточно проблематично.

Как показывает опыт сейсмологической регистрации для целей СМР, большинство зарегистрированных землетрясений представляют записи удаленных сейсмических событий и, следовательно, слабых по амплитуде колебаний. Частотный состав таких записей не соответствует частотному составу возможных сильных землетрясений.

Сами такие акселерограммы являются записями слабых сейсмических колебаний, и в частотных характеристиках не проявляются нелинейные свойства грунтового массива.

Определять амплитудно-частотную характеристику грунтовой толщи предполагается, по-видимому, по отношениям спектров землетрясений, зарегистрированных на изучаемом и эталонном участках. Расчет приращения на каждой частоте согласно нормативному документу [4] производится по формуле  , где и – спектральные плотности на данной частоте в эффективной полосе спектров (на уровне 0,5 от максимума) соответственно изучаемого и эталонного грунта. Обобщенная зависимость получается в результате осреднения индивидуальных зависимостей с оценкой вероятностных показателей.

 

Коэффициент 3,3 в приведенной формуле получен в связи с использованием шкалы MSK-64, в которой изменению сейсмичности на 1 балл соответствует увеличение амплитуды (и спектральной плотности) в 2 раза. Между тем, в работе Ф.Ф. Аптикаева [5] показано, что изменение амплитуды при изменении сейсмической интенсивности на 1 балл происходит с коэффициентом 2,5, что требует соответствующего изменения коэффициента перед логарифмом.

Но самое главное, с чем никак нельзя согласиться, это то, что величины и   в вышеприведенной формуле суть спектральные плотности Фурье и, следовательно, никакого отношения к заявленной цели «использовать спектры реакции» в качестве характеристики сейсмических воздействий предложенный алгоритм не имеет. Спектры Фурье и спектры реакции – это разные величины, и переход от одной из них в другую вовсе не тривиальная процедура.

Таким образом, вся совокупность процедур, предложенных в вышеупомянутом документе [3], никак не способствует улучшению нормативных документов по СМР и представляет собой ряд не слишком продуманных предложений.  По этим причинам нам представляется, что наилучшим способом учета выявленных недостатков является выполнение следующих методических приемов:

а) свойства сейсмических воздействий задавать с использованием акселерограмм сильных землетрясений, используя банк данных по сильным движениям;

б) свойства грунтового массива изучать по данным сейсморазведки или с использованием    корреляционных соотношений между значениями модуля деформаций (инженерно-геологические данные) и модуля сдвига. Причем, по нашему мнению, данный способ более предпочтителен, поскольку значения модуля деформации определяются при повышенных (относительно сейсморазведки) значениях нагрузки, что лучше учитывает нелинейные свойства грунта;

в) спектры реакции следует определять как реакцию модели грунта на возбуждение коротким импульсом, как это описано в работе [6].

Как видим, все указанные процедуры вообще не используют данные сейсмологических наблюдений и основаны на детальном изучении грунтового разреза инженерно-геологическими и сейсморазведочными методами. При этом достигается экономия средств при более адекватном описании свойств грунтового массива и параметров сильных сейсмических движений.

Сказанное следует отнести также к проблеме использования в задачах СМР искусственных акселерограмм. Но это тема особая, требующая большого внимания и выходящая за рамки обсуждаемой проблемы.

В заключение отметим, что описанные в последней части статьи процедуры нашли свое отражение в разработанных ИФЗ РАН новых нормах сейсмического микрорайонирования, находящихся в настоящее время на стадии окончательного утверждения.

 

Список литературы
Ризниченко Ю.В. Почему сейсмология? //Земля и Вселенная, 1969, № 4. 3 - 11, № 5. 16 – 24.
Республиканские строительные нормы. РСН- 60-86, М., Стройиздат, 1986.
Решение межведомственного рабочего совещания по СМР 23.03.2016 г.
Республиканские строительные нормы. РСН- 65-87, М., Стройиздат, 1987.
Аптикаев Ф.Ф. Инструментальная шкала сейсмической интенсивности. М, Наука и Образование, 2012, 175 с.
Алешин А.С. Основы континуальной теории сейсмического микрорайонирования// Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений, №5, 2015.