Статья-ответ доктору А.С. Алешину. Еще раз о сейсмическом микрорайонировании. Часть 2

Выбор эталонных грунтов

При наличии в георазрезе вблизи проектного участка (в эпиплейстовых радиусах ближних зон) выходов коренных пород на дневную поверхность (обнажений или карьеров), выбор эталонной площадки осуществляется просто.

Следует воспользоваться классификацией грунтовых оснований по сдвиговым волнам по международному классификатору International Code Council (1998), 2000 International Building Codе (Final Draft) или из Eurocode 8.

Таблица 1. Классификация грунтовых оснований по сдвиговым волнам по международному классификатору International Code Council (1998)

Таблица 2. Более поздний международный классификатор грунтов EC-8 на 7 градаций

Таблица 2. Более поздний международный классификатор грунтов EC-8 на 7 градаций

В РФ есть четыре грунтовые градации, приведенные в СП 14.13330. Для выбора необходимо провести скоростные сейсмозондирования (Масгрейва), записи микросейсм и сейсмической эмиссии.

Совсем не простую задачу выбор эталона представляет в области распространения многолетнемерзлых пород и на закрытых территориях типа Западно-Сибирской плиты, Восточно-Европейской платформы, молодых плит (террейнов) и иных закрытых территориях, как, например, Кубанский прогиб.

Вопрос о выборе эталона часто не понимается инженерами. Их не настораживает словосочетание в РСН о специальных работах по выбору эталона. Например, в практике москвичей и краснодарцев существует выбор неких средних грунтов (2-й категории), без учета рекомендации про сопровождающий учет макросейсмических результатов сильных событий, которые в исторической памяти для исследуемого района часто просто негде взять.

На картах ОСР и так значения интенсивностей сейсмологи увязали со средними грунтовыми условиями. То есть, получаем по формуле С.В. Медведева отношения средних к средним грунтам. Тем самым применимость средних грунтов в модификации жесткостей при СМР становится незаконным способом.

На самом деле, скально-полускальные породы в районе работ (в радиусе до 40-150 км от площадки ищем акустический фундамент) нужны, во-первых, для определения АЧХ грунтов (нормирование спектров мощности микросейсм на эталонный спектр), во-вторых, для выдерживания условий стационарности микросейсмических полей.

Здесь странным выглядит требование отдельных специалистов о стационарности микросейсмических полей, то есть, по сути, требование о выделении сигнальной части на фоне шумовой в записях. В тектонофизике, возможно, это правило нужное.

Однако достижениями астрономии установлена нестационарность метагалактики. Соответственно планеты солнечной системы – это часть космоса. Земля, как планета – это открытая система со своими геофизическими полями, в принципе нестационарными во времени и пространстве (вековые, годовые, суточные и прочие вариации абсолютно всех полей и их цикличность). Поняв это, Вы принимаете идеологию открытых систем.

А в методе жесткостей нужно нормирование на эталон как аналог фундамента (Bedrock), из которого выходит волновая форма удара в мягкие породы ВЧР. Потому что должно выдерживаться следующее правило: главной эмпирической закономерностью инженерной сейсмологии является факт усиления сейсмического воздействия при уменьшении сейсмической жесткости грунтовых оснований (Bedrock) относительно пород коренной основы (medium или hard Rock или акустического фундамента).

Затруднительное положение возникает в случае отсутствия в районе работ пород первой категории. Следует перейти к условным приращениям по отношению к полускальным породам со скоростями не менее 700 м/сек (как в МДС 22.1-2004 на транспортные сооружения) и перейти к грунтовым поправкам в виде коэффициентов (А.С. Алешин, 2016 год и североамериканцы). Все остальные варианты не несут физического смысла, поэтому незаконны.

Современное состояние вопроса в пассивной сейсмике

Метод микросейсм (ММЗ) активно развивается в тектонофизике для локализации «шумящих» областей и объектов, в том числе, разломных зон в нижнем полупространстве (А.В. Горбатиков, И.Я. Чебаторева и др., 2005-2006 гг.). При отсутствии общепризнанного теоретического обоснования (теоретическая сейсмология), анализируется несколько наблюдаемых эффектов. И тут задача распадается на две части: а) исследуются параметрические связи шумы-очаги и б) связи шумов со строением и свойствами геосред. Нам полезна вторая задача.

Экспериментальные исследования поля микросейсмических волн привели к пониманию, что шум представлен, преимущественно, поверхностными волнами Релеевского типа, реже волнами Лява. Сейсмический шум преобразуется в колебания доминантной частоты (В.Н. Николаевский и др.).

Вертикальная компонента геофонов регистрирует фундаментальную моду Рэлея, реже Лява.

Амплитудный спектр микросейсм в зависимости от времени года и суток имеет вариации, что не позволяет без специальных амплитудных поправок применять его при расчете приращения интенсивности (для корректных применений нужны годовые измерения).

Длительность регистрации в 3-5 минут и до 1 часа на одиночные геофоны (несовершенные апертурные системы) достаточна для достижения статистически устойчивого спектра микросейсмического поля. Для площадных (эмиссионная томография) и линейно-распределенных систем наблюдений объем данных в 4 сек регистрации уже позволяет обнаруживать в хаотизации шумового поля когерентные сигналы.

Мерой хаотизации для геофизических сред является перенормированная в смысле энергий энтропия Больцмана.

В спектре микросейсмического поля геосред всегда реализуется шумовой хаотический аттрактор с когерентной сигнальной помехой.

Желательно, конечно, на побережьях морей и крупных внутренних водоемов отстраиваться от ветровых и прочих помех. По возможности, необходимо вести ночную регистрацию крипа. Сегодня аппаратура позволяет непрерывную регистрацию, а датчики при этом, если на участке есть действующие здания или сооружения, целесообразно размещать в подвальных помещениях.

Методика проведения экспериментальных измерений проста и сводится к накоплению спектра мощности микросейсмического сигнала в течение некоторого времени. Таким образом, накапливается микросейсмический сигнал на эталонной площадке.

Записи или фрагменты записей следует синхронизировать. Удобнее всего делать это по Гринвичу, ибо телесейсмические волновые формы и формы удаленных событий часто можно отфильтровать по бюллетеням сейсмологических Центров (напомню, требуются местные волновые формы).

Затем по спектрам мощности синхронизированных записей определяются нормированные к эталону амплитуды и грунтовые периоды. Спектральные амплитуды на трех компонентах нормируются по максимуму. Отношения спектральных амплитуд можно использовать по Накамуре, или в среднеквадратичном смысле.

Часто обсуждается вопрос – на какие датчики принимать микросейсмы? На мой взгляд, не существенно, будут это велосиметры, акселлерометры или даже деформометры. Единственное условное ограничение в акустической физике заключается в том, что инфразвук (подземный звук от землетрясений) занимает диапазон 0-16 Гц. Кинематику следует регистрировать именно в этом диапазоне.

Грунтовые периоды (частоты) снимаются в диапазоне 0,303-0,707 от максимума спектра (статистические правила квантилей или допустимые уровни доверия). Затем грунтовые периоды (частоты) корректируются по регистрируемым записям землетрясений слабых энергий и крипа. И диапазон экспериментальных периодов принимается в качестве расчетно-преобладающего.

Зачем они нужны? В некоторых практиках антисейсмического проектирования инженеры-проектировщики период основного тона сооружений стремятся отстроить от периодов грунтовой толщи не менее чем в 1,5 раза (например, калифорнийские нормы США). В технических спецификациях на изделия заводского изготовления этот параметр так же необходим, см. ГОСТ Р 53166 (МЭК 60721-2-6:1990).

Акселерограммы реальной проектной площадки всегда имеют островершинные спектры, а не обобщенные, как в СП 14.13330.

Затем проводится анализ спектральных амплитуд, и участки площадки или трассы разделяются на малошумящие, средне шумящие и сильно шумящие грунты.

Вспомним, что «шумят» разломы и трещины. В соответствии с высокими шумовыми сейсмическими свойствами, уязвимые в сейсмическом отношении грунты зонируются.

Уязвимые грунты – для нас новый европейский термин, к которому надо привыкать. В отечественной традиции оперируют понятиями худших и лучших грунтов. Оцените формальную логику авторов СП 14.13330. Кто оценил, тот понял, что федеральный документ написан без участия сейсмологов.

Мы не будем заниматься введением поправок по методу микросейсм в интенсивность, поскольку физически это не обосновано. Но если этим методом замечены сильно шумящие грунтовые осцилляторы, необходимо вводить поправки за резонанс при наличии достаточной мощности сейсмоакустических слоев и существенного перепада импедансов. Ниже подробнее описан алгоритм ввода поправок за резонанс.

Алгоритм ввода поправок за резонанс

Прежде всего, проверяем условие сильного перепада импедансов в георазрезе. Если оно выполнено, переходим к мощностям сейсмореализатора по эхо-глубинам (акустическим мощностям) на разрезных сечениях сейсмозондов (расчеты методом t0).

Рассматриваем условие края диапазона зафиксированных периодов в секундах по микросейсмам и волновым формам зарегистрированных местных событий (экспериментальные периоды местных землетрясений). Рассчитываем прогнозную длину волны удара, который пропустят местные грунты.

Смотрим, сколько составляет первая четверть от длины импульса (и вторая четверть – вторая гармоника) в волноводных мощностях в метрах. Проверяем второе условие возникновения стратиграфического резонанса путем сравнения эхо-мощностей и прогнозных длин. Для грубых расчетов назначаем порог мощностей для ввода поправок за стратиграфический резонанс.

Выделяем участки площадки или трассы, попадающие в условие четвертьволнового вибратора. Сравниваем с шумящими участками по анализу спектров микросейсм. Совпадения приводят к учету грубой поправки за резонанс.

Естественно, ведем статистику вычислений интенсивностей и (или) ускорений с получением точности экспериментов (Standard deviation (сигма)) и конечным округлением итоговых цифр до десятой части.

Напомним, что СП 14.13330 задает силу воздействия при микрорайонировании только уровнем ускорения, то есть проектный подход основан на кинематике движений.

Возможно два варианта: или вы работаете на конкретного проектировщика по СП, то есть по федеральному правилу, или работаете на «неграмотного» Заказчика по бальности.

В промежуточных итогах можно использовать волновые давления, если экспериментальные работы проводятся на акваториях, на пьезодатчики, или в колебательных скоростях на велосиметры.

Предпочитаем вслед за А.А. Гусевым исследовать грунтовые спектры по реальным местным записям. Возникает возможность корректировать грубые поправки за резонанс и проверять условие резонанса по фазовому спектру (набег фазы в слое или моды), распределение максимумов на АЧХ по оси частот. В случае, если и уровень, и спектр воздействий задается не моделью очага, использование теоретических акселерограмм для прогноза параметров воздействий теряет смысл.

При этом всегда стоит вопрос: где брать местные акселлерограммы для синтеза?

На проектной площадке можно организовать собственную сеть временных сейсмологических станций и проводитьмониторинг двумя-тремя станциями, одна из которых будет расположена на эталонной площадке. В этом случае 2-3-х бальное местное событие обязательно будет зарегистрировано при непрерывной регистрации в срок около одного месяца. Связано это с тем, что на планете практически ежесекундно проходят трясения: удаленные, телесейсмические и др. В среднем до 20-ти раз в год происходят сильные события. 80 раз в год происходят 8-ми бальные события. 2100 раз происходят 6-7-ми бальные события. Не верьте тем, кто говорит, что нет смысла в разворачивании временных инженерных станций.

Современные пьезоприемники ускорений весьма чувствительны. Надо нарабатывать опыт, чтобы из потока непрерывных записей селективно выбирать местные волновые формы.

Можно назначить и порог включения станции. У инженерной станции Дельта-Геон приличные возможности. Если волновая форма (двух-трех бальная) получена и по признакам определена как местное событие на дистанциях до 1,5-2-х градусов, то можно сворачиваться.

Если своих станций нет - следует написать письмо с просьбой предоставить данные о волновых формах с наибольшей интенсивностью в филиал ГС РАН по конкретной ближайшей сейсмостанции из одного и того же сегмента сейсмического пояса. Этот ход хоть и не совсем законный (мы все-таки изучаем грунтовые условия площадки), но спасает ситуацию.

Количественная оценка параметров колебаний

Количественная оценка параметров колебаний в понятиях ускорений при СМР с учетом местных грунтовых условий является кропотливой задачей. Это связано с тем, что действуют три взаимосвязанных механизма преобразования ударных волн приповерхностными грунтами.

Первый механизм - усиления (ослабления) амплитуд на доминантных частотах грунтовых материалов. Слои могут усиливать спектральные амплитуды из-за явлений многократных отражений – ревербераций на их границах. Обычно сейсмические волны главного удара и афтершоки имеют характерную длину волны в 100-200 м, отсюда следует, что если приповерхностный низкоимпедансный слой имеет акустическую мощностью 30-40 м (А.З. Кац, Е.А. Мержей, Д. Питилакис), именно тогда возможно образование в слое кратных или стоячих ударных волн (физический резонанс).

2-й механизм - резонансных явлений, которые зависят от соотношений импедансов, длин волн и мощностей акустических слоев. Их соотношения входят в понятие стратиграфического резонанса. Источником резонанса служит природная стратификация грунтовых массивов (В.Н. Николаевский).

Как видим, эти два механизма очень близки и какой-то может доминировать в конкретном георазрезе.

3-й механизм - нелинейность связи внутригрунтовых напряжений-деформаций для сильных движений (В.И. Джурик 2000 г, О.В. Павленко,2009 г и др.).

Для районов с потенциалом 8-10 баллов макросейсмической интенсивности часто зависимости напряжения-деформации относятся к жесткому типу на гистерезисных петлях, что характерно вблизи разломных плоскостей. Это требует применения алгоритмов нелинейного анализа в геотехническом моделировании сценарных землетрясений – в так называемых моделях сейсмического эффекта (МСЭ и О.В. Павленко 2009 г, по В.И. Уломову - сценарные землетрясения).

Природа познается человеком через процедуры моделирования и научная работа в отличие от инженерной деятельности отличается как раз тем, что модель создается в процессе исследований. В инженерии же работы проводятся по готовым проверенным образцам. Привожу этот тезис к тому, что объективный отчет по СМР лучше строить по СОГИНовским правилам.

Скорости поперечных волн и плотности определяют импеданс грунтовых слоев и коэффициент усиления грунтового основания на различных периодах (частотах). Они же участвуют в расчетах динамического модуля сдвига. Сдвиговая деформация рассматривается как начало массового скольжения в грунтах: Gmax=сVs2.

В принципе, в методе жесткостей можно заменять импедансы на сдвиговые прочности, но это требует отдельного изучения получаемых приращений. Наш небольшой опыт в Восточной Сибири говорит, что единичные приращения по текучепластичным суглинкам достигали +3 инкремента по отношению к доломитам, но никак не в ±1,2 балла как предполагают авторы СП 14.13330.

По современным представлениям в инженерной сейсмологии методы, который позволяют оценить резонансные характеристики грунтовых оснований, становятся в ряд основных инструментальных методов, обязательных для применения.

Продолжение инструментального анализа в Части 3.