О поведении грунтов, характерных для провинции Хатай (Турция), в ответ на сейсмические воздействия

Введение

Известно множество разрушительных землетрясений с человеческими жертвами. Последним из них было катастрофическое землетрясение в Турции в феврале 2023 года. Главной причиной обрушения зданий и сооружений при землетрясениях является неучет всех нагрузок, в том числе возможных сейсмических, при проектировании и строительстве. При этом очень важным фактором для правильного сейсмостойкого строительства в конкретных районах является исследование поведения грунтов предполагаемых оснований во время землетрясений и после них [1].

О подготовке тектонического землетрясения

По происхождению землетрясения делят на несколько типов - тектонические, вулканические, экзогенные и техногенные. Наиболее распространены из них тектонические, которые происходят вследствие мгновенной разрядки напряжений в их очагах под землей - чаще всего при возникновении тектонических разломов или подвижках по существующим разломам [2].

Рассмотрим для примера подготовку тектонического землетрясения при отсутствии разрывного нарушения до сейсмического события. В этом случае в некоторой области подземной среды постепенно нарастают механические напряжения, обусловленные медленным деформированием пород. Наибольшие деформации будут иметь место вблизи будущего разлома. Величины деформаций на некотором расстоянии в перпендикулярном разлому направлении можно считать пренебрежимо малыми по сравнению с таковыми у готовящегося разлома [3] (рис. 1).

Рис. 1. Схематичное изображение длительного медленного деформирования среды в период подготовки землетрясения: a – деформированное состояние среды до образования разрывного нарушения (черные стрелки показывают направления смещений пород); б – распределение смещений в перпендикулярном разрыву направлении перед землетрясением. Буквенные обозначения: h – глубина будущего разрыва; u/2 – статические деформации блоков в момент начала развития разрывного нарушения; R – протяженность деформированной области в перпендикулярном разрыву направлении; W – области, принимаемые недеформированными [3]

Об основных факторах воздействия землетрясения на грунты

Избирательное усиление колебаний грунта определенных частот, потеря прочности грунтов и их разжижение, а также возникновение разных видов оползней, в том числе оползней-потоков и обвалов, при сейсмических воздействиях приводят к разрушениям зданий и сооружений.

Поскольку точное расположение большинства подземных разломов неизвестно, указать конкретные места, строительные объекты в которых подвержены наибольшей опасности при землетрясениях, затруднительно.

При мгновенной подвижке по разлому или мгновенном возникновении нового разрывного нарушения под землей частицы грунта в очаге землетрясения получат некоторую начальную скорость, величина которой будет зависеть от длины и глубины разрыва, величины подвижки и физико-механических характеристик среды. Соответственно, это повлияет на сейсмический момент землетрясения и его магнитуду.

Общепризнанным является то, что бОльшая часть колебаний грунтового массива во время землетрясения обусловлена направленными вверх объемными волнами, которые генерируются мгновенной разрядкой напряжений в залегающих на глубине скальных породах. Поверхностные волны также включаются в процесс, однако их влияние оценивается как вторичное. Объемные волны состоят из волн сжатия (первичных, продольных) и волн сдвига (вторичных, поперечных). При ровной поверхности грунта эти волны вызывают соответственно сжимающие и сдвиговые напряжения.

При распространении волн сжатия нормальные напряжения возникают как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях, что приводит к формированию в грунте трехосного деформированного состояния [1, 2].

Одним из наиболее распространенных подходов к исследованию поведения грунтовых оснований при сейсмических воздействиях является оценка несущей способности грунта и ее сравнение с напряжениями, возникающими в нем под действием внешних нагрузок [4]. То есть внимание концентрируется на оценке несущей способности грунта.

Все нагрузки, кроме сейсмической, создают прямое физическое воздействие, имеют постоянное направление и действуют в течение всего срока эксплуатации сооружения. Во время землетрясения на здания и сооружения помимо постоянных (от собственного веса) и временных (от веса всего содержимого) нагрузок действуют и сейсмические нагрузки. Когда грунт под зданием или сооружением движется, оно из-за инерции отстает от грунта и изгибается. Это похоже на действие на строительный объект горизонтальных сил, перпендикулярных его оси. Значения этих сил (в первую очередь знакопеременных инерционных нагрузок) обусловлены знакопеременной величиной ускорения грунта, а также массой и жесткостью здания или сооружения [5].

Сейсмические силы имеют динамический знакопеременный характер и действуют только в течение землетрясения. Поэтому параметры, характеризующие уровень сейсмической опасности той или иной территории, обуславливаются в первую очередь величинами горизонтальных, вертикальных, вращательных ускорений движения грунта и их изменениями во времени.

Распространение сжимающих волн в слабых водонасыщенных грунтах вызывает почти исключительно сжимающие напряжения. Поскольку сжимающие напряжения передаются через воду, содержащуюся в порах грунта, эффективные напряжения, вызываемые продольными волнами, остаются неизменными. Поэтому при оценке устойчивости грунтового массива в результате разжижения песка (рис. 2) эффектом воздействия продольных волн и связанных с этим осадок можно пренебречь.

Рис. 2. Разжижение грунта при землетрясении: А – рыхлые водонасыщенные пески с крупными порами до землетрясения; Б – фрагмент сейсмограммы; В – момент разжижения грунта (связи между частицами разорваны, и они оказываются взвешенными в воде); Г – уплотненный песок после отжатия воды и оседания частиц (по [6])

Обычно принимается, что в природных условиях до начала землетрясения элемент водонасыщенного грунта, находящийся под горизонтальной поверхностью, в течение длительного времени подвергается консолидации. Во время землетрясения на этот элемент грунта в недренированных условиях действует серия последовательных циклических касательных напряжений. Эти напряжения прикладываются при отсутствии латерального сжатия, поскольку считается, что плоская дневная поверхность бесконечно простирается в горизонтальном направлении. Основными компонентами напряжений, которые необходимо учитывать при расчете устойчивости грунта с ровной поверхностью в одномерной постановке в условиях землетрясения, являются горизонтальные сдвиговые напряжения, возникающие при распространении поперечных волн.

Если грунт находится на откосе, предполагается, что в природных условиях до землетрясения он подвергся анизотропному уплотнению с приложением дополнительного касательного напряжения, действующего в горизонтальной плоскости. Во время землетрясения грунтовый элемент подвергается действию серии циклических касательных напряжений в недренированных условиях. При воздействии циклических касательных напряжений допускается свободное деформирование элемента грунта в горизонтальном направлении, обусловленное общим горизонтальным смещением массива грунта [1, 7].

О типах грунтов, природных опасностях и основных принципах строительства в провинции Хатай (Турция)

Хатай – провинция, расположенная на юго-востоке Турции рядом со Средиземным морем. Самыми крупными городами этой провинции являются Антакья, Искендерун, Дертъел, Кырыкхан, Рейханлы, Самандаг. Это одна из десяти провинций Турции, наиболее сильно пострадавших в результате серии масштабных землетрясений с магнитудой до 7,7, произошедших 6–7 февраля 2023 года. Тогда в стране погибло не менее 45 089 человек [8, 9].

Территория провинции сложена аллювиальными грунтами с умеренным содержанием гумуса, что обуславливает низкий уровень адгезии частиц грунта между собой. Уровень грунтовых вод очень близок к поверхности земли. В осенне-зимне-весенний период бывают затяжные дожди. В прибрежных районах высоки риски возникновения оползней. При землетрясениях там очень высока вероятность разжижения грунтов, когда они теряют свою несущую способность, значительно усиливая последствия сейсмического воздействия.

При расчетах и проектировании фундаментов для строительства зданий или сооружений необходимо учитывать значительные разрушительные эффекты от возможных землетрясений. Строительные нормы Турции, учитывающие сейсмическую опасность и опасность возникновения оползней, требуют выполнять строительство в приморских районах на плитных фундаментах (плита должна быть под всей площадью объекта и может быть сплошной из монолитного железобетона или решетчатой из сборных перекрестных железобетонных балок с жесткой заделкой стыковых соединений). Фундаментная плита, крепление котлована, несущие конструкции и перекрытия в обязательном порядке должны быть выполнены из монолитного железобетона – это придает конструкциям прочность и устойчивость на глинисто-песчаных грунтах побережья и существенно повышает сейсмоустойчивость здания или сооружения.

О рекомендуемых лабораторных испытаниях грунтов, слагающих прибрежные районы Турции

Для исследования поведения образцов слабых дисперсных грунтов из прибрежных районов Турции следует выполнять их лабораторные испытания с учетом природного напряженного состояния до землетрясения. Согласно типичной схеме испытаний образцы водонасыщенного дисперсного грунта сначала уплотняют для имитации природного напряженного состояния, а затем к ним прикладывают циклические нагрузки в приборе кручения в недренированных условиях.

Циклическое сопротивление песка в нормально уплотненном состоянии несколько больше по сравнению с неуплотненным состоянием, а для переуплотненного образца это увеличение гораздо существеннее. Увеличение циклического сопротивления при уплотнении вполне закономерно, поскольку сцепление между частицами с увеличением их количества на единицу объема становится больше и препятствует их разъединению и, соответственно, разжижению песка (по крайне мере на начальной стадии). То есть более уплотненный песок имеет большее сопротивление разжижению.

Однако, поскольку свойства мелких частиц проявляются по-разному в зависимости от их природы, прежде всего необходимо найти показатель, определяющий количественные характеристики разжижения песков, содержащих мелкие частицы.

Когда песок сильно деформирован по сравнению с его первоначальной текстурой, его предельное устойчивое состояние не зависит от метода подготовки образцов. Метод влажной подготовки позволяет создавать текстуру с максимально возможной пористостью, тогда как текстуры со средней и низкой пористостью характерны для образцов, полученных методами сухой подготовки и водной седиментации соответственно [2, 4].

Заключение

Согласно российскому СП 14.13330.2018 «СНиП II-7-81*. Строительство в сейсмических районах» расчеты и проектирование оснований, фундаментов и наземных конструкций зданий и сооружений в сейсмических районах должны выполняться с учетом основных и особых сочетаний нагрузок, в том числе при возможных сейсмических воздействиях. А также необходим геотехнический мониторинг в процессе нового строительства или реконструкции зданий и сооружений, позволяющий контролировать осадки фундаментов, напряжения под их подошвами, послойные осадки грунтов оснований, напряжения под нижними концами свай и в их стволах, усилия в грунтовых анкерах, напряжения в конструкциях фундаментов и наземных частей, уровни подземных вод, поровое давление и др.

Если бы все это (что аналогичным образом прописано и в стандартах Турции) должным образом учитывалось при строительстве в турецких городах, разрушений и жертв при февральских землетрясениях 2023 года могло бы и не быть. Например, в городе Эрзинь в провинции Хатай, также находившемся в зоне тех землетрясений, фатальных обрушений зданий, человеческих жертв и даже простых травм не было, поскольку мэр этого города очень тщательно следил за соблюдением норм сейсмостойкого строительства [10].

Список литературы

1. Ишихара К. Поведение грунтов при землетрясениях (пер. с англ.) // Достижения современной геотехники. Спб.: НПО "Геореконструкция-Фундаментпроект", 2006. 385 с.

2. Кухарчик Ю.В. Общая геология // Studfiles. Минск: Белорусский государственный университет, 2017. URL: studfile.net/preview/6447892/page:21/.

3. Хачиян Э.Е. Прогнозирование синтетических сейсмограмм и акселерограмм сильных движений грунта при модели землетрясения как мгновенного разрыва земной коры // Вестник НИЦ "Строительство". 2019. № 4 (23). URL: normacs.info/uploads/ckeditor/attachments/4747/Вестник_4_23_2019.pdf.

4. Швецов Г.И. Инженерная геология, механика грунтов, основания и фундаменты: учебник для вузов. М.: Высшая школа, 1997. 319.

5. Хачиян Э.Е., Левонян Л.А. Метод прогнозирования синтетических сейсмограмм и акселерограмм различных грунтовых оснований при сильных землетрясениях // Сейсмо- стойкое строительство. Безопасность сооружений, 2018. № 2. C. 14-24. URL: seismic-safety.ru/sites/default/files/ssbs-2018-02_khachiyan.pdf.

6. Вознесенский  Е.А. Землетрясения и динамика грунтов // Соросовский образовательный журнал. Науки о Земле. 1998. № 2. 108 с.

7. Мирсаяпов И.Т, Королева И.В. Оценка сейсмостойкости слоистых грунтовых оснований, сложенных глинами и водонасыщенными песчаниками // Материалы международной научно-технической конференции "Механика грунтов в геотехнике и фундаментостроении", г. Новочеркасск, 13-15 мая 2015 г. Новочеркасск: ЮРГПУ (НПИ), 2015. С. 31-37.

8. Хатай (Ил) // Ru.wikipedia. 13.02.2023. URL: ru.wikipedia.org/wiki/Хатай_(ил).

9. Число жертв землетрясений в Турции превысило 45 тыс. // РБК. 01.03.2023. URL: rbc.ru/rbcfreenews/63fe8a569a794727febe1b79?f.

10. "Ни жертв, ни обрушений": мэр уберег турецкий город от землетрясения // News.ru. 14.02.2023. URL: news.ru/near-east/v-turcii-mer-obyasnil-pochemu-v-ego-gorode-nikto-ne-pogib-pri-zemletryasenii/.