Современный уровень проведения исследований по сейсмическому микрорайонированию урбанизированных территорий в полном объеме отвечает всем директивным документам и вызовам рыночной экономики. Вместе с тем, быстрое усложнение инфраструктуры больших городов, рост числа больших и мелких промышленных предприятий, зачастую плохо контролируемая застройка внутриквартальных и межквартальных территорий и т.п. обуславливают трудности применения уже отработанных методических приемов проведения инженерно-геологических и, в первую очередь, геофизических исследований по подготовке строительных площадок в интересах строительства. Также, значительное влияние на выбор методических приемов проведения работ оказывают экономические, рыночные требования.
Кроме того, урбанизированные территории, обычно характеризуются повышенным фоном промышленных и техногенных помех, которые почти исключают применение многих геофизических методов в комплексе СМР, определенных в Своде правил (Инженерно-геологические изыскания для строительства: СП II-105-97). Среди имеющегося набора геофизических и, в первую очередь, сейсмических методов в последние годы в мировой практике стал широко применяться метод Накамура (EuroCode8), который позволяет с использованием трехкомпонентной регистрации микросейсмического природного фона просвечивать толщу грунтов будущего основания сооружения с целью получения амплитудно-частотной характеристики разреза и оценивать его основные геотехнические параметры, необходимые для проектирования. Параллельно, направленным моделированием, применяя ресурсы программы NERA, имеется возможность получения синтетических акселерограмм на заданную строительную площадку и проведение оценок упругого и неупругого поведения материала грунтов по вертикальному разрезу.
Метод Накамуры основан на получении отношений спектров горизонтальных компонент микросейсмических колебаний к спектру их вертикальной компоненты (H/V отношений), которые представляют собой передаточную функцию разреза грунтов на всю толщу относительно несвязного геологического материала инженерного фундамента, представляющую аналог амплитудно-частотной характеристики. Наблюдения выполняются одной трехкомпонентной станцией без потери качества результирующих материалов. Это позволяет за короткое время и с необходимой детальностью решать поставленные задачи при проведении инженерно-геофизических исследований.
Обработка полученного экспериментального материала осуществляется стандартными методами, которые включают: (1) — расчеты спектров и анализ природных микросейсм; (2) — построение спектров H/V отношений; (3) — моделирование 1-D вертикального раз-реза грунтов в формате скоростей поперечных волн и получение геотехнических параметров слоистой толщи грунтов; (4) — построение синтетических акселерограмм от возможного проектного землетрясения (ПЗ) и оценку возможных сотрясений в баллах шкалы MSK — 64; (5) — составление пояснительной записки и выдачу геотехнических параметров разреза для проектировщиков.
В рассматриваемых исследованиях при экспериментальных работах использовались автономная и стационарная сейсмологические станции «УГРА», одна из которых перемещалась вдоль линии наблюдений (автономная), другая, стационарная, расположенная в 350-400м метров от площадки работ. Аппаратурный комплекс «УГРА» состоит из трехкомпонентных датчиков СМ-3, блока преобразования, блока управления и регистрации, системы получения точного времени (посредством GPS), источника питания. Частота записи — 100 отсчетов в секунду. Точки наблюдения на линии проектного мостового перехода располагались с шагом 20-25 метров на тех местах, где была возможность установить аппаратуру без помех со стороны дорожного трафика. Условия проведения измерений иллюстрируются ниже.
Устойчивость решений спектров Накамуры дискутируется уже длительное время, несмотря на многочисленные успешные работы СМР во многих странах и при резко отличающихся разрезах грунтовых оснований. Тем не менее, особенно, в России, этот метод и до настоящего времени рассматривается как экзотика. Доказательства достоверности получаемых методом Накамуры результатов оспаривается самыми причудливыми способами, однако, и среди них имеются устойчивые примеры. Одним из распространенных примеров ненадежности реализуемых построений служит требование проводить одновременные наблюдения не менее, чем двумя станциями, одна из которых должна быть неподвижной вблизи исследуемой площадки, а другая будет передвижной. Констатация того факта, что в таком варианте мы будем иметь дело не с методом Накамуры, а с методом спектральных отношений, мало что изменяет. Другим, не менее жестким требованием к методу, является наблюдаемый эффект неустойчивости параметра амплитудного усиления при сохранении резонансного пика при наблюдениях в одной и той же точке, но в разное время, и т.д.
В связи с тем, что метод Накамуры в России не вышел еще из стадии внедрения, при работах на площадке были проведены суточные наблюдения вблизи точек 2-3, также измерения в тех же точках 2 и 3, но в разное время (сеансы длительностью один час) — днем и ночью, соответственно. По этим записям установлено, что спектры Накамуры чувствительны к величине входного сигнала (амплитуды микросейсм в дневное время больше таковых ночных в 4-5 раз). При этом в каждой из анализируемых записей характер изменений различный. Если для точки 2 наблюдается уменьшение коэффициента усиливаемости (амплитуда А на доминантной частоте), то для точки 3 — наблюдается практически сохранении этой амплитуды на втором и третьем резонансе, та же картина и на первой доминантной частоте, однако, со смещением частотного пика в сторону высоких частот для записи в дневное время. Наблюдаемые эффекты изучались теоретически для различных моделей слоистой толщи, залегающей на высокоскоростном полупространстве. В связи с тем, что подстилающий инженерный фундамент не меняет своих свойств с изменением параметров входного сигнала по определению, то наблюдаемые эффекты в графиках Накамуры могут, скорее всего, объясняться с позиций изменений геотехнических параметров перекрывающих этот фундамент грунтов. Так как минералогический состав этих грунтов остается без изменений, то наблюдаемые отклонения в амплитудах коэффициента усиления и частот связаны, по-видимому, с изменениями порово-флюидной обстановки при изменении амплитуды входного сигнала (уровня микросейсм).
Таким образом, полученные материалы по изменению формы спектров Накамуры от уровня микросейсмического фона свидетельствуют о том, что в точках 2 и 3 залегают резко ослабленные по своим геотехническим параметрам грунты практически на всю их мощность. Этот вывод вытекает из наблюдаемой зависимости этих параметров от прилагаемых напряжений (усилий), возникающих в момент прохождения микросейсмических колебаний и смены типа их поведения, от линейно — упругого до нелинейно — неупругого. Вместе с тем, следует подчеркнуть, что такое поведение грунтов, связанное с низким уровнем реологического насыщения, которое наступает на уровне амплитуд микросейсмических колебаний, не позволит развиваться значительным горизонтальным и вертикальным при 6-7- ми баллах скоростям и ускорениям, которые могут прогнозироваться или ожидаться при вероятностных землетрясениях. В то же время, наблюдаемое поведение грунтов обеспечит резкое усиление так называемых вторичных (сопутствующих) процессов, главные из которых связаны с тиксотропным и реологическим разжижениями. Возможные в связи с этим разрушения могут во много раз превысить таковые, обусловленные сейсмическими воздействиями. Кроме того, характерная изменчивость форм полученных спектральных кривых на низких частотах свидетельствует о преимущественном понижении геотехнических параметров в слоях, которые залегают непосредственно на инженерном фундаменте по сравнению с таковыми меньших глубинных уровней.
Следует подчеркнуть, что существование физико-механических отличий в изучаемых грунтах, находит подтверждение в форме кривых спектров Накамуры, получаемых по регистрируемым микросейсмам (слабое воздействие), так же и в геометрии, и амплитудах АЧХ — грунтов, которые рассчитываются программой NERA по смоделированному скоростному разрезу в виде спектрального отклика (response specters) поведения грунтов на прилагаемое сейсмическое воздействие от ожидаемого сотрясения в момент вероятностного (проектного) землетрясения (сильное воздействие).
В процессе моделирования скоростного разреза для точек 2 и 3 было установлено, что нелинейные эффекты — резкое ослабление амплитуд скоростей и ускорений на дневной поверхности по сравнению с амплитудами колебаний, падающими на поверхность раздела фундамент — осадки, возникает уже при минимальном входном сигнале (на уровне 0.002 g). Для точек 1 и 4b — эти эффекты наблюдаются при значительно большем входном сигнале (0.06 g)), что может свидетельствовать о лучших, нежели в точках 2, 3 и 4a, геотехнических параметрах. Тем не менее, в целом, для всей трассы «перехода», изученные грунты до глубин 25-30 метров должны быть отнесены к грунтам III категории по СП 14.13330.2011. Это утверждение основывается на результатах моделирования скоростных разрезов.
В целом, разрез грунтов на площадке под строительство объекта отвечает, как указывалось выше и в соответствие с геологической картой грунтов, III категории по СП 14.13330.2011 (табл.1) с участками, сильно обводненными. Важно отметить, что мощность слабых грунтов в 2-3 раза и более превышает нормативную мощность 10 метров, что требует повышенного внимания при выборе типа фундамента и проектной глубины забивания свай. Эта глубина может достигать 25-35 метров. При этом непосредственно на поверхности инженерного фундамента залегают осадочные породы с повышенной тиксотропностью и способностью к пластическим деформациям.
Более того, по геометрии изолиний равных скоростей на разрезе 2D было установлено, что имеется высокая вероятность существования зон либо повышенной трещиноватости, либо контакта фациально-отличных пород. Возможно так же, что здесь может прослеживаться микроблоковость, как следствие тектонических нарушений по фундаменту (Прегольский или Бакалинский разломы) или резкий склон палеовреза.
В дальнейшем возможно определение геологических (геотехнических) характеристик грунтов по результатам геофизических наблюдений. С целью проверки имеющихся корреляционных связей и уточнения, используемых в этих формулах постоянных были выполнены прямые и обратные расчеты для точки 1. Согласно полученным материалам проектная глубина «несущего» грунта на стройплощадке не менее 30-35 метров и больше в точке 3. Кроме того, с учетом данных по деформационным свойствам грунтов на больших глубинах целесообразно предусмотреть профилактические работы по укреплению грунтов над поверхностью инженерного фундамента. Это позволит учесть требования Федерального Закона (№ 384-ФЗ) «О техническом регламенте безопасности зданий и сооружений» в части повышения качества инженерно-изыскательских работ в строительстве.
Аносов Г.И.
Нач. отдела инженерной сейсмологии ООО ЦИИЗ ИМПУЛЬС-М, г. Калининград