Глава 4
РАЗРУШЕНИЕ ПРИ СТИХИЙНЫХ БЕДСТВИЯХ

4.1. Землетрясения

Земля находится в непрерывном движении, что приводит к огромным изменениям рельефа.

Внешняя оболочка Земли представляет собой мозаику из семи крупных и нескольких мелких плит (А. Аллисон, Д. Палмер). Плиты перемещаются относительно друг друга. Они могут двигаться в разные стороны, т.е. расходиться (дивергировать), двигаться навстречу друг другу, т.е. сходиться (конвергировать), проскальзывать относительно друг друга. Края плит являются глобальными системами распределения эпицентров землетрясения. К семи плитам относятся плиты Евразии, Африки, Северной Америки, Южной Америки, Тихого океана, Индо- Австралии и Антарктиды. Каждая состоит из океанической или континентальной коры или той и другой вместе. Главными движущими силами являются тепло и сила тяжести. Океаническое дно разорвано вдоль срединно-океанических хребтов и разъединенные сегменты коры медленно движутся в стороны от осевого рифа со скоростью 1...8 см/год. Этот процесс носит название спретинга океанического дна. Срединно-океанические хребты рассматривают как область возникновения океанической коры, а глубоководные желоба - как область поглощения ее.

Землетрясения - серия упругих волн в твердых оболочках Земли, возникающих в результате нарушения упругого равновесия.

Непосредственными причинами землетрясений считают: образование тектонических разрывов, вулканизм, искусственное возбуждение и суммарное воздействие нескольких факторов. Наиболее многочисленные землетрясения происходят вдоль побережий Тихого океана и приуроченных к нему островных дуг. Здесь Тихоокеанская плита и несколько подчиненных плит медленно погружаются под континентальное окраины и островные дуги.

Определены тысячи разрывов, вдоль которых происходит скольжение, параллельное плоскости нарушения. Смещение вдоль разрывов достигает нескольких километров. Разрывы рассекают массивы горных пород на блоки. Трение между блоками выравнивает и полирует поверхность разрыва. Большинство разрывов наклонные. Скорость движения по разрывам может достигать 10 м/3 более. В долине Импириал-Валли в Калифорнии при землетрясении в 1940 году смещение дорог и огородных грядок достигало 11 м. Установлена прямая связь некоторых землетрясений с известными разрывами. Однако небольшое число разрывов являются активными источниками землетрясений.

Землетрясения рассматривают как фазу циклического накопления и разрядки напряжений в определенном объеме и в конкретной геологической структуре Земли. Среди признаков, предвещающих землетрясение, являются аномальная деформация земной коры.

115

Интенсивность (сила) землетрясений определяется по его воздействию на людей, по степени повреждений зданий и других построек, по изменениям в горных породах и почвенном слое. Шкала интенсивности разработана в 1931 году Вудом и Нойманом. Она разбита на ступени (баллы от I до XII в порядке интенсивности). Степень повреждения зависит от грунтовых условий, размера и формы построения, прочности материалов. Величины интенсивности наносятся на карту и по ним проводятся изосейсты-линии, разделяющие участки с разной интенсивностью.

Энергия землетрясения, выделяющаяся в его очаге, оценивается по шкале магнитуд, разработанной Ч. Рихтером в 1935 году. Шкала основана на измерении максимальной амплитуды колебаний, записанной на сейсмограмме с помощью стандартного сейсмографа на расстоянии 100 км от эпицентра. Энергия землетрясения с магнитудой 4,0 больше энергии с магнитудой 3,0 приблизительно в 30 раз. Магнитуда определяется как десятичный логарифм амплитуды наибольшего колебания грунта.

В среднем на Земле в год насчитывают свыше 20 сильнейших и 100... 120 потенциально разрушительных землетрясений. Гибнет в среднем около 10 тысяч человек. Ежегодно случается несколько восьмибальных землетрясений. Девятибальные происходят реже, например, Андижанское (1902), Гармское (1941), Чанекальское (1946), Ашхабатское (1948), Хаитское (1949), Средне-Байкальское (1959), Гадлийское (1976), из десятибальных отметим Кебинское (1911) в средней Азии, Муйское (1957) в Сибири, из одиннадцатибальных - Гоби-Алтайское (1957) на юге Монголии.

К числу наиболее разрушительных относится землетрясение в г. Спитаке (Армения), прошедшее 7-8 декабря 1988 года. Очаг располагался под городом на глубине 12...20 км. Интенсивность землетрясения в Спитаке составила 10 баллов, в Ленинакане - 9...10, в Кировокане и Степановане - 8...9, в Ереване - 6 баллов. Ускорения колебаний оснований в горизонтальном направлении в Ленинакане составляли 250...570 см/с² при периодах 0,18...0,25 с. Спитак был почти полностью разрушен. В Ленинакане разрушено или повреждено около 80% зданий. Наиболее разрушительными оказались каркаснопанельные здания серии 111. Эксперты отмечали низкое качество строительно-монтажных работ. Огромны человеческие жертвы. Периоды колебаний Спитакского землетрясения составляли 0,15...0,6 с. В этих же пределах находились периоды собственных колебаний зданий высотой 5...9 этажей. Для обеспечения сейсмостойкости необходимо было бы обеспечить период колебаний механизмов сейсмоизоляции, равным 2...3 с.

На территории страны находится сеть инженерно-сейсмометрических станций (ИСС), работающих в ждущем режиме.

Характерными видами разрушений при землетрясении в Армении явились:

• повреждение связей навесных панелей;
• разрушение сжатой зоны колонн с оголением и выпучиванием арматуры;
• разрушение опорных зон балок, ферм, подкрановых балок;

116

• разрушение ребристых плит с оголением продольной арматуры в опорных зонах продольных ребер, отрывом полок от продольных и поперечных ребер;
• искривление сжатых стоек и местные разрушения верхнего пояса ферм с оголением рабочей продольной арматуры;
• смещение с опор плит покрытия, балок, ферм из-за нарушения сварных соединений;
• полное разрушение крупнопанельных зданий из-за низкого качества материалов, конструкций и работ.

Все более ощутимыми становятся землетрясения, инициированные инженерной деятельностью человека. Приведем примеры.

Закачка воды, зараженной радиоактивными отходами, в глубинные скважины в 1962-1970 гг в районе Денвера штата Колорадо вызвала более 700 небольших землетрясений. Частота землетрясений соответствовала объему и давлению закачиваемой воды.

Известны случаи связи землетрясений с заполнением водохранилищ. Так, в 1935 году в США, на границе Штатов Невада и Аризона было закончено сооружение плотины Гувер на реке Колорадо. Когда уровень воды поднялся до 100 метров начались сейсмические толчки. Они были столь неожиданны, что их не фиксировали. Затем установили местную сеть сейсмологических наблюдений. За период 1937-1947 гг количество слабых землетрясений измерялось тысячами. Глубина большинства из них не превышала шести-восьми километров. В мае 1939 года, когда водохранилище заполнилось, область была потрясена сильным толчком, выделившим столько энергии, сколько все взятые вместе.

Влияние инженерно-геологических и гидрогеологических условий на расчетную сейсмичность площадки строительства. В начале этого века началось изучение процессов разрушения зданий во время землетрясений и выработка норм проектирования сейсмостойких конструкций. СНиП 11-7-81 разделяет грунты на три категории по сейсмичности.

К 1 категории относят: скальные трещиноватые, изверженные, метаморфические и осадочные, граниты, гнейсы, известняки, песчаники, конгломераты, вечномерзлые грунты, полускальные, мергели, окаменевшие глины, глинистые песчаники, ракушечники, гипсы, крупнообломочные особо плотные грунты, вечномерзлые грунты по принципу I-сохранение мерзлоты при строительстве и эксплуатации. Для этой категории сейсмичность снижается на единицу.

K III категории относят: пески рыхлые независимо от влажности и крупности; пески гравелистые, крупные и средней крупности, плотные и средней плотности водонасыщенные; пески мелкие и пылеватые, плотные и средней плотности, влажные и водонасыщенные; глинистые грунты с показателем текучести J_L > 0,5; глинистые грунты с показателем текучести J_i ≤ 0,5 при коэффициенте пористости е ≥ 0,9 для глин и суглинков и е ≥ 0,7 для супесей; вечномерзлые нескальные грунты при строительстве и эксплуатации по принципу II (допущение оттаивания грунтов основания).

Для грунтов этой категории сейсмичность повышают на единицу.

Ко II категории по сейсмичности относят грунты, не вошедшие в I и III. Сейсмичность площадки в этом случае принимают равной

117

района. Коэффициенты динамичности для этих категорий показаны на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Коэффициенты динамичности для грунтов:
1 -1 категории; 2 - II; 3 - III

Основные требования к проектированию. Российские геологи В.И.Диванов и А.Н. Русанов открыли наличие в грунте узких "коридоров-волноводов", наиболее благоприятных для распространения сейсмических ударных волн. Выделим следующие рекомендации [3,94,121].

1. Разработка генеральных планов городов, промышленных предприятий должна осуществляться с учетом сейсмического районирования и инженерно-геологических условий.

В районах с сейсмичностью 8 и 9 баллов вводятся ограничения на строительство отдельных предприятий, учреждений; предусматривается вынос отдельных предприятий со взрывоопасными процессами за пределы жилой зоны; расчленяются крупные массивы транспортными магистралями и полосами зеленых насаждений; размещаются общественные здания массового посещения на территориях, наиболее благоприятных в сейсмическом отношении; ограничивается этажность зданий.

2. Выбор объемно-планировочных и конструктивных решений производится с учетом расчетной сейсмичности.

Здания должны иметь простую геометрическую форму без значительных перепадов на высоте. В случае необходимости предусматривается разрезка здания антисейсмическими швами до фундамента на отсеки правильной геометрической формы без перепадов по высоте. Вводятся ограничения на длину и ширину зданий (отсеков), расстояние между стенами, высоту этажей, периметры стен, вынос балконов, отношение высоты этажей к толщине стен и др. Антисейсмические швы устраиваются также между участками здания при расположении перекрытий на разных уровнях.

3. Проектирование сейсмостойких зданий и сооружений осуществляется с учетом следующих положений (принципов):

• учет сейсмических воздействий производится при интенсивности в 7, 8 и 9 баллов;
• расчет выполняется по первой группе предельных состояний на основное и особое сочетание нагрузок;
• снижение сейсмической нагрузки достигается уменьшением массы, наилучшим сочетанием динамической жесткости с характеристиками затухания колебаний;

118

• тщательное микросейсморайонирование территорий;
• равномерное распределение жесткостей и масс;
• обеспечение монолитности и равнопрочности элементов;
• создание условий, облегчающих развитие в элементах пластических деформаций;
• применение систем сейсмозащиты: конструкций с подвесными и Катковыми опорами, с односторонними включающимися или выключающимися связями, с гасителями колебаний между фундаментами и опорными частями зданий, с повышенными диссипативными свойствами в виде сейсмоизолируюшего скользящего пояса в фундаменте, экранирование зданий, использование гравитационно-упругих систем сейсмоизоляции В.В.Назина [83], ударных гасителей колебаний;
• изучение влияния параметров гасителей на поведение амплитудно-частотных и импульсно-частотных характеристик;
• повышение жесткости зданий или сооружений (устройство антисейсмических швов и поясов, армирование кирпичных стен, предварительное напряжение арматуры в стыках, применение материалов повышенной прочности, усиление армирования железобетонных конструкций и др.);
• использование более обоснованных величин динамических характеристик материалов, конструкций, зданий и сооружений;
• выбор рациональных конструкций фундаментов для конкретных видов зданий и инженерно-геологических условий;
• внедрение опыта проектирования в других странах и учет результатов анализа разрушительных землетрясений;
• повышенный контроль качества строительно-монтажных работ

Рис. 4.2. Железобетонный механизм сейсмоизоляции на сфероидах
1 - железобетонный пояс фундамента; 2 - контрфорс; 3 - фундамент; 4 - цементно-
песчаный сфероид; 5 - железобетонный пояс стены; 6 - стена; 7- упругая прокладка;
8 - перекрытие над подвалом: 9 - условная тормозная связь

119

Сейсмоизолирующие системы разделяют на пять классов:

• опорные системы с безразличным положением равновесия на шаровых опорах (рис. 4.2);
• опорные системы с гибкими стойками;
• опорные системы с устойчивым положением равновесия на телах вращения;
• системы на маятниковых подвесках (рис. 4.3);
• системы с пневматическими, гидравлическими и шахт-кранами для зашиты фундаментов.

К сейсмостойким конструкциям относят:

• кирпичные стены с повышенным сцеплением раствора с камнем;
• кирпичные стены с прокладкой в горизонтальных швах сеток;
• кирпичные, мелкоблочные и крупноблочные стены с вертикальным армированием стальными арматурными каркасами;
• кирпичные и мелкоблочные стены, усиленные горизонтальными антисейсмическими поясами;
• железобетонные каркасы со связями, диафрагмами жесткости, ядром жесткости, с заполнением каменной кладкой.

Рис. 4.3. Варианты конструкции фундаментов на тяжах
а) Мексика; б) Япония.

120

В США широко применяю изоляторы Золтана, состоящие из стальных и резиновых прокладок. Ставят их в узлах опирания балок и колонн. Работают изоляторы как сейсмические предохранители. Обладая упругими свойствами, они гасят колебания, возникающие при землетрясении. Стальные элементы не касаются друг друга, а усилия передаются через резиновые блоки и поглощаются за счет упругого сжатия резины.

Рис. 4.4. Гравитационно-упругая система сейсмоизоляции (ГУСС)
1 - фундамент; 2 - нижний пояс системы; 3 - сферическая стойка; 4 - верхний пояс
системы; 5 - тормозная связь; 6 - груз сухого трения; 7 - упругая прокладка; 8 -
стакан; 9 - зонт; 10 - поролонная прокладка.

121

Рис. 4.5. Расчетная схема задания
а) собственно схема; б) к определению обобщенной скорости системы; в) к определению
силы активного сопротивления от образования площадки смятия; г) к
определению упругой восстанавливающей силы.

Гравитационно-упругая система сейсмоизоляции В.В. Назипа.

Система (рис. 4.4 - 4.5) представляет собой [83] группу сборных железобетонных стоек высотой на этаж (3500...6500 мм). Торцы стоек очерчены по сфере радиусом величиной больше половины их высоты. Стойки помешены в сборные железобетонные стаканы с плоскими днищами и внутренними стенками, очерченными по форме усеченного конуса. Нижний стакан замоноличен в фундаменте, верхний - в перекрытии первого этажа зданий. Между сферой торца стойки и днищем стакана помещены упругие

122

прокладки. Для погашения резонансных больших амплитуд колебаний предусматривается устройство, создающее силу сухого трения.

Период собственных колебаний системы сейсмоизоляции должен быть значительно больше, чем доминирующий период в спектре колебаний грунта во время землетрясения. Демпфирующая система, включающая элементы сухого трения, используется для необходимого демпфирования собственных колебаний конструкций и предотвращения больших амплитуд колебаний при резонансе.

Сейсмический риск. Здание или сооружение за срок службы может не подвергаться расчетным по интенсивности землетрясениям. Затраченные на антисейсмические усиления средства могут быть не использованы. Вероятность бесполезности затрат будет тем большей, чем большим будет интервал времени между сильными землетрясениями (рис. 4.6).

Отношение Т_С/Т_S=λ _S; отражает опасность попадания расчетного землетрясения в промежуток времени существования сооружения. Для сооружения со сроком службы Т_с1 эта вероятность велика, а со сроком службы Т_с2 - сравнительно мала.

Рис. 4.6. Соотношения интервалов времени между сильными
землетрясениями Т и временем существования сооружения Т_с

Ремонт и восстановление зданий. Техническая возможность и целесообразность восстановления, выбор способов усиления определяется в каждом случае индивидуально с учетом ряда конкретных факторов. Усиляют отдельные конструкции, связи между ними, повышают пространственную жесткость.

Наиболее распространены следующие способы восстановления зданий: обжатие металлическими тяжами, устройство наружного металлического каркаса и железобетонных рам, изготовление металлических подвесок или фиксаторов, инъецирование цементными или полимерными растворами и др.

123