ГЕОЭКОЛОГИЯ. ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ. ГИДРОГЕОЛОГИЯ. ГЕОКРИОЛОГИЯ, 2014, № 5, с. 387-401
УДК. 550.343.4
ОСОБЕННОСТИ РЕАКЦИИ СЛАБЫХ ВОДОНАСЫЩЕННЫХ ГРУНТОВ НА ДИНАМИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПРИ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯХ
© 2014 г. И. Г. Миндель, В. В. Севостьянов, Б. А. Трифонов, Н. А. Рагозин
Институт геоэкологии им. Е.М. Сергеева Российской академии наук, Уланский пер., 13, стр.2,
Москва, 10100 Россия. E-mail: igelab@mail.ru
Поступила в редакцию 17.12.2013 г.
Рассматриваются особенности реакции слабых грунтов на сильные землетрясения. Уменьшение или увеличение амплитудного уровня колебаний на поверхности зависит от одновременного влияния нелинейных и резонансных процессов в слабых грунтах. Приведены примеры поведения слабых грунтов при сильных землетрясениях. Указывается на возможность предсказания их реакции на сильные воздействия с помощью расчетов по компьютерным программам.
Ключевые слова: слабые водонасыщенные грунты, физико-механические свойства грунтов, сейсмическое микрорайонирование, сейсмические воздействия.
ВВЕДЕНИЕ
Слабые водонасыщенные грунты, как правило, образованы осадками водоемов - морей, озер, рек, болот. К ним относятся рыхлые пески, пылевато-глинистые грунты в текучем или теку-чепластичном состоянии, илы, заторфованные грунты. Такие грунты характеризуются весьма малой прочностью и высокой деформируемостью, а при динамических нагрузках подвержены разжижению и течению. Физические процессы, происходящие в рыхлых и пылеватых мелкозернистых песках и слабых глинистых грунтах при динамических воздействиях, подробно изложены во многих публикациях, в том числе в монографиях Е.А. Вознесенского [5] и К. Ишихары [8]. В настоящей статье основное внимание уделено особенностям реакции слабых водонасыщенных грунтов на сейсмические воздействия, в том числе в прибрежных районах и на шельфе морей в связи с бурным освоением добычи нефти и газа с помощью морских платформ. В монографии А.С. Алёшина [1] подробно изложены на уровне современного развития науки и технологии методы сейсмического микрорайонирования особо ответственных объектов, которые на слабых грунтах практически не возводятся. Однако в отношении слабых грунтов требуется особый подход, не затронутый А.С. Алёшиным. В настоящей статье предпринята попытка обозначить особый подход в отношении реакции слабых грунтов, особенно при сильных землетрясениях.
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СЛАБЫХ ВОДОНАСЫЩЕННЫХ ГРУНТОВ
Рыхлые и пылеватые пески
Рыхлым и пылеватым водонасыщенным пескам как естественного, так и искусственного (намытым и отсыпанным) происхождения в литературе уделялось немало внимания. Так, в СП-11-105-97 в пылеватых водонасыщенных песках по данным статического зондирования сопротивление грунта под конусом qс < 2 МПа, модуль деформации Е < 6 МПа, угол внутреннего трения ф < 26°, удельное сцепление С < 2 кПа.
В пылеватых водонасыщенных песках прибрежной полосы оз. Иссык-Куль показатель динамического зондирования N (уд/дм) изменялся от 7 до 20 (среднее 9) при скорости поперечных волн У8 = 160-200 м/с (среднее 180 м/с) и УР/У8 = 5-10 (среднее 8.3) [10].
В новокаспийских песках в прибрежной зоне Апшеронского полуострова, водонасыщенных с глубины 1-2 м и общей мощностью от нескольких до 10-20 м с плотностью 1.53-1.77 г/см3 , скорости поперечных волн изменялись от 100 до 300400 м/с (большие значения при мощности более 10 м) с декрементами поглощения DS = 0.4^1.0 [10].
В пылеватых песках хвалынской толщи на шельфе Северного Каспия с модулем деформации Е = 12 МПа, ф = 30° и С = 4 кПа, определенным
по данным статического зондирования, по результатам динамических испытаний измерялся модуль сдвига при наименьших значениях относительной деформации ~ 10-5 в зависимости от обжимающего давления. Строго говоря, по характеристикам физико-механических свойств эти пески не относятся к слабым грунтам. И этот пример приводится потому, что в условиях акватории с толщей морской воды около 10 м получить скорости поперечных волн в грунтах в естественных условиях затруднительно. На рис. 1 показаны скорости поперечных волн в песках, пересчитанные по модулю сдвига в зависимости от обжимающего давления. Как следует из рис. 1, значения У8 увеличиваются от 125 до 200 м/с при возрастании обжимающего давления от 0 до 0.12 МПа, что примерно соответствует возрастанию глубины залегания донных песков от 0 до 6-7 м.
При исследовании динамической неустойчивости несвязных грунтов Е.А. Вознесенский значительное внимание уделил рыхлым водона-сыщенным пескам [5]. При лабораторных испытаниях рыхлого уплотненного песка в условиях недренированного пульсирующего сжатия было установлено, что в первом цикле нагружения поровое давление возрастало скачком, деформация превысила 1%. Дальнейшее поведение грунта Е.А. Вознесенский разделил на три стадии. Первая стадия характеризовалась быстрым накоплением деформаций до критического уровня, а на второй стадии произошла моментальная переукладка зерен с увеличением осевой деформации, хотя разжижение не наблюдалось. На третьей стадии накопление деформации замедляется, и при большом числе циклов воздействия процесс стабилизируется, и образец становится близким к пескам средней плотности. Разжижение не произошло, вероятно, из-за изотропного начального уплотнения образца, что, по нашему мнению, нарушило первоначальную "рыхлость" песка.
В зарубежных исследованиях рыхлых песков, в том числе их поведение при землетрясениях, наибольшее распространение получил метод стандартной пенетрации - БРТ, в результате которого определяется количество ударов N при погружении стандартного грунтоноса с принятыми размерами (длина, диаметр), а погружение осуществляется ударами сбрасываемого с высоты 76.2 см (нормализованное значение N из испытаний БРТ обычно обозначается как ^0). По величине достаточно надежно оценивается вероятность разжижения песков при динамических воздействиях.
Скорость поперечных волн в песках пылеватых в диапазоне обжимающих давлений 0-0.125 МПа, ИГЭ-3-1, ШЬу2, глубина отбора образцов 4.4—5.1 м
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 Обжимающиее давление, МПа
Рис. 1. Результаты лабораторных измерений скорости поперечных волн в образцах пылеватых песков из шельфовой зоны Каспия в зависимости от обжимающего давления (по результатам сейсмического микрорайонирования, выполненного авторами с использованием данных ПО "Южмор-геология").
На рис. 2 из книги К. Ишихары [8] показана эмпирическая зависимость по данным ряда авторов между модулем сдвига при деформациях малой амплитуды и величиной N при испытаниях БРТ. Аналитически зависимость на рис. 2 представляется формулой G0 = а^, где "Ь" принимает значения от 0.6 до 0.8, а величина "а" изменяется от 1.0 до 1.6 кПа (средние значения: а = 1.27 и Ь = 0.72). Известна также зависимость У8(±64) = 106.2№289 [26].
Разжижение водонасыщенных рыхлых и пыле-ватых песков по данным многих исследователей с большой вероятностью происходит при значениях N < 7. Если в приведенные выше зависимости, заимствованные из [8, 26], подставить значения N меньше 7, в этом случае в пересчете на скорости поперечных волн получим У5 < 90^150 м/с. В двухфазной среде в естественном водонасыщен-ном состоянии УР = 1450-1500 м/с, и тогда при УР/ У5>7-8 при достижении критической величины ускорения, измеряемого иногда сотыми долями g [9], с большой вероятностью наступит разжижение песков. Для предварительного суждения о вероятности разжижения рыхлых и пылеватых песков в качестве критерия можно использовать с учетом отношения УР/У8 и ожидаемого ускорения при землетрясении величину У8.
В искусственных свеженамытых песках процесс их разжижения изучался при ударных воздействиях, осуществляемых при динамическом зондировании конусом с площадью поперечного сечения 100 см2 [17, 18]. Под воздействием постоянных ударов со скоростью от 1 до 5 уд/с вызывался и визуально регистрировался момент
50
т—I—| I I I I |
Нага й а1. (1974)
ОИвакг-ЬуаваЫ (1973)
т—I—| I I I I |
20
10
5.0
2.0 -
СЙИа й а1. (1972)
Тпш-УовЫтига (1970)
Ё> 1.0 I
СЙЛа-Топшт (1970)
J_I_I I I I I I
J_| I I I 11 I
5 10 20 Величина ./V
50 100
Рис. 2. Эмпирическая зависимость между модулем сдвига и величиной N в испытаниях SPT [8].
разжижения. Разжижение наступало после числа ударов от 4-6 до 11-13 в зависимости от интенсивности динамического воздействия, физико-механических свойств намывных песков и других факторов. Методика таких опытов подробно изложена в приведенных выше публикациях [17, 18]. Пример результатов исследования процесса разжижения намывных песков при динамическом зондировании приведен на рис. 3А. Как следует из этого рисунка (регистрировались смещения), после 5 ударов амплитуда колебаний резко возросла в 3-8 раз, что соответствовало визуально отмеченному моменту разжижения песков. Частота колебаний после разжижения заметно снижается. По мнению А.Я. Рубинштейна и Б.И. Кулачкина, процесс разжижения песков связан с механическим резонансом колебаний, возникающих под действием ударной нагрузки. Сущность явления, по мнению авторов, заключается в том, что вынужденные колебания определенной частоты, вызываемые ударником, с каждым последующим ударом все больше разрушают структуру песка и уменьшают частоту его колебаний до тех пор, пока частота колебаний вынужденной силы не приблизится к частоте собственных колебаний песка. Тогда амплитуда
колебаний резко возрастает, и пески разжижаются. О существовании структурного резонанса в водонасыщенных морских песках свидетельствуют и опыты, проведенные в мелкозернистых песках со скоростью VS = 60-98 м/с в верхнем 2-метровом слое [4]. Нелинейные свойства песков выделялись по максимальному отклику при снятии амплитудно-частотной характеристики или при импульсном воздействии на среду. На частотах структурного резонанса пески характеризуются наименьшим модулем сдвига. Как отмечает Н.А. Вильчинская, в водонасыщенных песках существуют резонансные частоты, при которых и наступает разжижение.
На рис. 3Б показана акселерограмма, зарегистрированная при землетрясении в Ниигате 1964 г. на участке с песками, где произошло их разжижение. Несмотря на
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.