3.6.1.5. Сейсмостойкое строительство

Важным средством обеспечения безопасности населения в сейсмоопасных районах является сейсмостойкое строительство. Оно ведется согласно СНиП 11—7—81. Опасными для зданий считаются землетрясения, интенсивность которых достигает J=7 баллов и более. В районах, где прогнозируемая величина J не превышает 6 баллов, проведение антисейсмических мероприятий обычно не предусматривается. Строительство в районах, где прогнозируемая величина интенсивности землетрясения J>9 баллов, весьма не экономично. Поэтому в нормах указания ограничены районами 7...9 бальной сейсмичности.

Для большинства зданий и сооружений интенсивность воздействия землетрясений (расчетная сейсмичность) принимается равной сейсмичности строительной площадки. Для особо ответственных сооружений сейсмичность повышается по сравнению с сейсмичностью строительной площадки (как правило, на 1 балл), а для временных сооружений(например, небольших складов), разрушения которых не связано с человеческими жертвами и значительным ущербом, снижается.

Степень воздействия сейсмический волн на здания и сооружения зависит от геологических условий, см. соотношение (3.3). Наиболее благоприятными в сейсмическом отношении считаются скальные грунты. Сильно выветренные или нарушенные геологическими процессами породы, просадочные грунты, районы осыпей, плавунов, горных выработок не благоприятны, а иногда и не пригодны для строительства. В тех случаях, когда строительство все же осуществляется, прибегают к усилению оснований, что значительно удорожает строительные работы.

Сейсмостойкость зданий, сооружений обеспечивается так же разработкой конструктивных мероприятий, создающих возможность развития в ответственных элементах и узлах пластических деформаций, значительно увеличивающих сопротивляемость зданий, сооружений действию сейсмических сил. Для особо ответственных сооружений предусматривается строительство амортизирующих устройств. Большое значение имеют высокое качество строительных материалов.

Учитывая приближенный характер методов расчетной оценки сейсмостойкости сооружений, вводятся ограничения размеров зданий, что обусловлено необходимостью исключения совпадения значений периодов собственных колебаний здания и колебаний грунтового основания при прохождении сейсмических волн. Для кирпичных зданий регламентированы минимальные значения простенков и расстояний между стенами. Требуется обязательное введение поэтажных железобетонных поясов и т.д. Высота кирпичных зданий, возводимых в районах с 7—ми бальной сейсмичностью, не должна превышать 4—х этажей, а в 9—ти больной — 2—х этажей.

Более полные сведения о сейсмостойком строительстве приведены в СНиП 11—7—81.

3.6.2. Обрушение склонов. Оползни. Скатывающиеся камни. Снежные лавины

Физика формирования и основные параметры рассматриваемых природных процессов достаточно полно изложены в отчете [1] .Ниже основное внимание обращается на предложения по снижению риска и уменьшению негативных последствий данных природных явлений.

3.6.2.1. Обрушение склонов

Склоны гор, холмов, оврагов, лощин под действием силы тяжести могут потерять устойчивость и разрушиться, вызвав тяжелые последствия. При этом могут быть разрушены населенные пункты, сельскохозяйственные угодья, поврежденны коммуникации, туннели, трубопроводы, телефонные и электрические сети и другие объекты народного хозяйства. Одним из первых примеров обрушения горных склонов может служить обрушение береговых склонов реки Кабир – Бух на юге Ирана в начале Новой Эры. Огромные массы грунта обрушились с высоты 900м. (гора Кабир – Бух), пересекли долину реки шириной 8 км. В результате перекрытия русла образовалось озеро длиной 65 км и глубиной 180м. Другим примером может быть обрушение горных склонов и образование озера Иссык – Куль в Киргизии.

Динамика движения склонов после потери устойчивости существенно зависит от состава слагающих пород. Обычно выделяют рыхлые или мягкие (глины, суглинки, лёссы) и скальные (базальты, граниты, габбро, гранодиариты и др.) грунты. Известняки, песчаники, туфы относят к полускальным грунтам. Они занимают промежуточное положение между скальными и мягкими грунтами.

Остановимся вначале на разрушении склона, сложенного из рыхлых грунтов. Установлено, что разрушение такого склона происходит при сдвиговых деформациях. Устойчивость склона определяется по закону Кулона[2]

,

(3.15)

где предельное сдвигающее (касательное) напряжение, нормальное напряжение, угол внутреннего трения рассматриваемого грунта, С – сцепление.

Значения и для разных материалов различны. Для песка = 33^º, осыпи из рыхлого лёсса и мергелей 25^º, сланца (26  29)^º , известняка 32^º. Величина С=0,5 кПа для мелкого песка, С 1 кПа – для крупного. У глин величина «С» зависит от их влажности: С=4 кПа для мокрой, С=6 кПа для сухой, С=10⁴ кПа в высушенной горячим воздухом глине.

В рыхлых слоях песка и щебне возможно значение С 0. В этом случае является углом склона, круче которого насыпь из этого материала не может быть устойчивой (угол естественного откоса).

Для скальных грунтов устанавливаются условия образования трещин. Предел прочности гранита на сжатие составляет 3*10⁵ кПа, предел прочности на скалывание для таких парод, как мрамор, известняк, песчаник, составляет 10⁵ кПа, прочность пород на разрыв значительно ниже и может составлять 10³ кПа [2].

При нарушении условия (3.15) склон приходит в движение, которое чаще всего происходит либо по плоской, либо по кругло—цилиндрической поверхности скольжения.

Для получения представления о движении склона ниже рассматривается случай его обрушения по плоской поверхности скольжения. При необходимости рассмотрения движения по кругло—цилиндричекой поверхности скольжения можно обратиться к материалам отчета [3].

Схема обрушения склона показана на рис. 2.

Рисунок 2 — Схема обрушения склона по плоской поверхности скольжения

На рисунке обозначено: Р – вес массива АВС, Н— высота откоса,  — угол откоса,  — угол наклона плоскостей скольжения.

Согласно условию (3.15) массив АВС (единичной толщины) находится в равновесии, если

,

(3.16)

где значения  — угол внутреннего трения и С — сцепления грунтового материала.

Коэффициент устойчивости массива имеет вид

(3.17)

При   1 массив устойчив, при   1 массив обрушится.

Вес массива АВС составляет:

(3.18)

Положение возможной поверхности скольжения определяется из условия, что на ней для равновесия склона требуется максимальное сцепление. Решая уравнения (3.16) и (3.18) относительно сцепления "С" и принимая производную, , можно получить[2]

(3.19)

При оценке устойчивости склона, сложенного скальными породами, следует иметь в виду, что потенциальная поверхность склонения чаще всего имеет форму, предопределённую имеющейся системой трещин. При этом сцепление по поверхности трещины может быть как близким к нулю (в трещине вода), так и отличным от нуля. Наиболее часто обрушение таких склонов происходит при землетрясении.

Рассмотрим устойчивость склона в обычных условиях и при землетрясении, рисунок 3

Рисунок 3 — Схема к учету влияния землетрясения на устойчивость скального массива

Обозначения: – вес массива АВС; R – реакция опоры; — сила трения и сцепления массива с поверхностью склона ( ); f – коэффициент трения; С – удельное сцепление.

Коэффициент устойчивости массива можно записать виде:

(3.20)

Проанализируем изменение коэффициента устойчивости (3.20) при землетрясении. В этом случае на горный склон будет действовать система сейсмических волн, состоящая из продольной Р, поперечной S и поверхности R волн. На рисунке 3 дополнительно обозначено: N_p, N_s, N_r – скорости рассматриваемых волн, — смещение, скорость и ускорение грунта при прохождении этих волн. Данная волновая система достаточно полно описана в литературе [6,8].

Рассмотрим влияние землетрясения на устойчивость массива АВС на примере волн Р и S.

При воздействии волны Р на склон, поверхность АВ будет перемещаться в направлении в оси х (применительно к рисунку 3) и будет давить на массив АВС с силой, равной , где m – масса массива, — ускорение грунта, волной Р.

По третьему закону Ньютона массив, в свою очередь, будет давить на склон с силой F₁ = — , где знак минус указывает направление действия силы F_{1. Сила} F₁ – это сила инерции массива. Учет силы инерции приводит к изменению коэффициента устойчивости, который запишется в виде

,

(3.21)

где t – время.

Смена знаков (+) на (—) в числителе и (—) на (+) в знаменателе имеет место при изменении направления ускорения грунта при прохождении волны Р.

Видно, что при значениях в числителе и в знаменателе устойчивость массива АВС будет повышаться; наоборот и — снижаться.

При изменении направления движения волны Р на противоположное знаки (±) в числителе и ( ) в знаменателе также сменятся на противоположные. При прохождении волны S грунт движется сначала вниз, потом вверх. При направлении ускорения грунта сверху вниз, сила инерции массива будет направлена вверх, а при изменении направления ускорения грунта на противоположное, сила инерции массива будет направлена вниз. При прохождении этой волны коэффициент устойчивости может быть определен в виде

,

(3.22)

Массив АВС теряет устойчивость при <1

Основные причины обрушения склонов рассматривались в предыдущем разделе. К ним относятся [6]:

—смачивание плоскостей напластования подземными водами в результате обильных дождевых осадков и бурного таяния снега;

—увлажнение подошвы склона;

—перегрузка верхней части склона отвалами и инженерными сооружениями;

—подрезка склона у его подошвы;

—нарушение целостности пород склона оврагами, траншеями;

—землетрясения.

Для предупреждения обрушения склонов в опасных районах организуется постоянное наблюдение за склонами с целью выявления причин, приводящих к их обрушению. Проводится комплекс мероприятий по их предотвращению. К ним относятся: отвод поверхностных вод с помощью нагорных траншей, канав; разгрузка склонов от отвалов и других тяжестей, террасирование склонов; посадка древесной и кустарниковой растительности в комплексе с посевом многолетних трав;

Горизонтальные дренажные галереи и прорези применяют в местах глубокого залегания водоносного горизонта. Вертикальный дренаж буровых скважины или шахтные колодцы, применяют при дренировании одного или нескольких таких горизонтов; отвод воды из вертикальных дренажей проводится специальные водосборные галереи. Комбинированные дренажи предоставляют сочетание горизонтальных и вертикальных дренажей, объединенных в одну систему.

Трудоёмким и сложным является обеспечение безопасности населения в районах, где возможно обрушение склонов при землетрясении. Важнейшим условием является своевременный прогноз землетрясения, эвакуации населения, домашних животных, материальных ценностей из зоны возможного выноса грунта при обрушении склонов.