Результаты сейсмического действия наземного взрыва на объекты железных дорог Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

МЕХАНИКА. ТРАНСПОРТ. МАШИНОСТРОЕНИЕ. ТЕХНОЛОГИИ

Тюпин В.Н.

УДК 614.8

РЕЗУЛЬТАТЫ СЕЙСМИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ НАЗЕМНОГО ВЗРЫВА НА ОБЪЕКТЫ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ

Энергия, выделяемая при наземных и подземных ядерных взрывах, по оценкам специалистов составляет 1012-1017Дж. Это соответствует энергии землетрясений с магнитудой в 4-8,5 по 9 бальной шкале Рихтера. Результаты разрушающего сейсмического действия землетрясений хорошо известны. Однако, о разрушающем сейсмическом действии, например, наземных ядерных взрывов, данных практически нет. В [1] и других работах по безопасности жизнедеятельности приводятся пять поражающих факторов ядерного взрыва, но среди них отсутствуют расчеты по сейсмическому действию. Вместе с тем необходимо отметить, что если воздушная ударная волна (УВВ) от наземного взрыва действует на выступающие над поверхностью земли здания и сооружения (одно и более этажные дома, промышленного или гражданского назначения), то она практически не действует на приземные сооружения: железные и автомобильные дороги, тоннели, трубопроводы и порталы. А если на пути УВВ появляются возвышения (холмы, горы) или низины, где расположено сооружение, то УВВ отражаясь от этих возвышений, устремляется в атмосферу. Вместе с тем сейсмическая волна, распространяясь в земной коре, воздействует и на приземные и заглубленные сооружения, находящиеся в пересеченной местности.

Экспериментально установлены размеры воронок в зависимости от мощности наземного ядерного взрыва для сухих суглинистых и супесчаных грунтов, которые приведены в табл.1 [2].

Анализ данных показывает, что при наземном взрыве глубина воронок превышает средний размер зоны наносов и коры выветривания. Однако, в настоящее время в США разработаны многоступенчатые ядерные боеголовки, которые образуют в земной коре воронку глубиной до 500-700м. То есть разрушающие сейсмические волны распространяются по скальным горным породам земной коры, которые, благодаря высоким упругим свойствам, хорошо передают энергию сейс-мовзрывной волны.

В работе [3] указано, что сейсмическое проявление ядерного взрыва - весьма сложное явление, не изученное до конца. Причем радиус сейсмического действия наземного ядерного взрыва с разрушением сооружений составляет 2-5км и более.

В работе [4] экспериментальными исследованиями установлено, что при подземном взрыве ядерного заряда «Рулисон» (43±8кт) в США на глубине 2570м архитектурные нарушения зданий (трещины в стенах и штукатурке) наблюдались на расстоянии от 10км (46% нарушенных зданий) до 65км - 0,075%.

В настоящей статье рассмотрен вопрос о сейсмическом действии волны деформаций наземного ядерного взрыва на приземные объекты железнодорожного транспорта. Получены теоретические формулы расчета величины сжимающих напряжений, создаваемых волной деформаций от ядерного взрыва и расстояния, на которых железнодорожный путь или его элемент не будут разрушены. Проведены численные расчеты параметров по приведенным формулам в различных горно-геологических условиях.

Таблица 1

Параметры воронок при

Мощность взрыва, Мт 1,0 5,0 10,0 50,0

Диаметр воронки,м 396 670 885 1340

Глубина воронки,м 91 150 192 305

Многочисленные экспериментальные и теоретические исследования [6] позволили установить, что при действии взрыва химических взрывчатых веществ (ВВ) в трещиноватом массиве горных пород распространяется волна деформаций. Она представляет собой последовательное перемещение отдельностей массива горных пород от взорванного заряда ВВ, их соударение и разрушение. Скорость распространения волны деформаций составляет от 10 до 100 м/с. При определении

Рис. 1. Схема сейсмического действия наземного ядерного взрыва на железнодорожный путь: 1-место взрыва боеголовки, 2- железнодорожный путь, 3- слой наносов, 4- земная кора.

параметров воздействия взрыва на трещиноватый массив горных пород в [6] была использована энергетическая теория (закон сохранения энергии) и получены достоверные формулы расчета размеров зон деформирования массива, сжимающие, растягивающие напряжения, деформации и скорость распространения волн деформаций.

Для определения основных параметров действия наземного ядерного взрыва также использован закон сохранения энергии. При проведении теоретических расчетов необходимо учесть следующие факторы. Литосфера в месте ядерного взрыва имеет слоистую структуру. Ниже земной поверхности находится слой наносов (глины, суглинки, супеси или пески), ниже которого находятся скальные трещиноватые горные породы. Взрыв наземного ядерного заряда ВВ создает воронку выброса и разрушающая волна деформаций распространяется по наиболее упругой части литосферы - по скальному массиву (рис.1). При прохождении фронта волны под железнодорожным путем упругая реакция сжатого волной скального массива приводит к деформированию грунтового основания земляного полотна, балласта, шпал и рельс. Это и приводит к деформированию и разрушению элементов железнодорожного пути.

Вначале определим сжимающие напряжения от взрыва в скальном массиве с расстоянием от места взрыва. Часть энергии наземного ядерного взрыва расходуется на упруго-пластические де-

формации трещиноватых пород земной коры Жк .То есть,

^ К с = ¥КК, (1)

где - полная энергия ядерного взрыва, Кс -

коэффициент перераспределения в волну деформаций.

Очевидно, что

^ = 0Ли , (2)

где Q - тротиловый эквивалент ядерного взрыва;

Ли - полная идеальная работа при взрыве тротила.

Определить величину К с точно практически невозможно. Однако, известно, что при подземном ядерном взрыве около 5% энергии расходуется на сейсмовзрывную волну [3,6]. Аналогичная цифра получена при дроблении негабаритных кусков породы накладными зарядами химических

ВВ. Тогда можно предположить, что К =0,05.

Средние затраты энергии на упруго-пластические деформации трещиноватых горных пород земной коры при взрыве полусферического заряда определяют по формуле [5] после использования теоремы о среднем значении функции

жк фП 1][г ъаг Фп3, (3)

к 3Ек к I г /о 12Ек к

МЕХАНИКА. ТРАНСПОРТ. МАШИНОСТРОЕНИЕ. ТЕХНОЛОГИИ

где о(г) - сжимающее напряжение, создаваемое волной деформаций в трещиноватых горных породах; Ек, Фк - упруго-пластические параметры

трещиноватого массива горных пород; Г - геометрический параметр.

Подставляя (2) и (3) в (1) и решая полученное уравнение получим формулу для определения величины сжимающих напряжений с расстоянием от центра взрыва

■(г ) =

Г \ 0.5

'12 Ек ОА3 Кс Л пФк г3

(4)

Величину растягивающих (тангенциальных) напряжений можно определить по формуле

о

(г ) =

/ N0.5.

' 12Ек ОА3 Кс ^ Г V пФк Г3 ^ 11 -V)

(5)

Ж т = Ж

к1 озп

(6)

Величину Жкт можно определить по фор-

муле

= ОТ (г) ¡3

2Ек н

(7)

где 1н - горизонтальный геометрический параметр.

Средние затраты энергии на упруго-пластические деформации основания и земляного полотна определены с использованием интегральной теоремы о среднем значении функции

777 О

Ж озп =

Шнщ (1 ^=т

< М а и 4Е

2Е03 н V И

И , (8)

равны); И - вертикальный геометрический параметр.

Подставляя (7) и (8) в (6) с учетом (5), полу-

чим

О

(И ) =

24Е03 ОА Кс1, пФк г 3И

Л

0.5

V

1 -V.

(9)

V ""^к' " ) Расстояние от центра взрыва до железнодорожного пути, на котором происходит разрушение элемента пути равно

Я

24Еоз ОАз К с1н

/

V

1-у

Л2'

(10)

где V - упругий параметр трещиноватого массива горных пород земной коры.

Для определения результатов действия волны деформаций на элементы железнодорожного пути необходимо решить энергетическое уравнение, согласно которому энергия упругой реакции

Жкт сжатого волной деформаций объема массива

под железнодорожным путем (рис.1) расходуется на упруго-пластические деформации грунтового основания, земляного полотна и верхнего строения пути Ж03п .

где Оф (И) - фактическая величина сжимающих напряжений в грунтовом основании и земляном полотне; Е03 - упругий параметр грунтового основания или земляного полотна (за счет действия постоянных поездных нагрузок они как правило

пФк И[о]2 VI- V ;

где [о] - прочностной параметр элемента железнодорожного пути.

Формулы (9) и (10) определяют параметры воздействия волны деформаций при наличии в основании рыхлого грунта (см. рис.1). В том случае, если в основании железнодорожного пути находится массив горных пород, то в (9) и (10) величина Е03 заменяется на модуль деформаций балласта.

В случае, если мощность грунтового массива превышает 500м, разрушающая волна деформаций распространяется по нему и в формулах (9) и

(10) Фк принимается равной 1, а V принимается

равной для грунтов.

Определим численные значения радиусов разрушения рельс, шпал, балласта и земляного полотна при известных прочностных характеристиках равных, соответственно, 107Па (предел прочности стыка рельсов на разрыв), 106Па, 3-105Па, 7-104Па. Железнодорожный путь располагается на грунтовом основании. Численные значения параметров в (10) Е03 = 5 • 107 Па, р = 109 кг,

А = 3 • 106 Дж/кг, Кс = 0,05, ¡Н =5м, Фк =7,

И = 10 м, v=0,4.

Численные расчеты показывают, что разрыв рельс произойдет на расстоянии до 262м от центра взрыва, разрушение шпал на расстоянии до 1220м, балласта до 2720м, земляного полотна - 7170м.

При расположении в основании пути трещиноватого массива горных пород с

Ек = 5 • 1010 Па на скальное основание укладывают балласт с ¡н =5м, И = 0,4 м. В (10) вместо

Е

^оз 200.

Е

подставляем п,$ и делим на , равное

Фб

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

Расчеты показывают, что все расстояния, на которых происходит разрушение элементов железнодорожного пути увеличиваются и составляют для рельс 1280м, шпал - 5960м, балласта -13300м, земляного полотна - 35045м. Это, вероятно, связано с тем, что слой наносов (грунтов) и земляное полотно служат демпфирующими прокладками для распространения разрушающих волн деформаций.

В работе [2] определены предельные разрушающие напряжения для зданий и сооружений железных дорог при действии ударной воздушной волны. Приближенно можно принять эти значения предельных напряжений и при воздействии волн деформаций на здания и сооружения, которые приведены в табл.2.

Таблица 2

Пределы прочности зданий и сооружений

Здания, сооружения и устройства Пределы прочности, 105, Па

разрушение слабое разрушение сильное

Железнодорожный путь 1-1,5 3-5

Мосты с металлическими пролетными строениями длиной: до 45м 100м и более 0,5-1 0,4-0,6 2-2,25 1-1,5

Мосты железобетонные с пролетным строением длиной 20-25м 0,5-1 2-3

Здания с металлическим каркасом 0,1-0,3 0,4-0,6

Здания кирпичные: малоэтажные многоэтажные 0,1-0,15 0,08-0,1 0,25-0,35 0,2-0,3

Здания деревянные 0,06-0,08 0,12-0,2

Подстанции (трансформаторные, тяговые, водонапорные башни) 0,1-0,3 0,6-0,7

Подземные линии водопровода, газопровода 4-6 10-15

Шоссейные дороги с твердым покрытием 1,2-3 10-20

Расчеты величины сжимающих напряжений при расположении сооружений на грунтовом основании, проведенные по формуле (9) при численных параметрах, приведенных выше и г=3000м, дают аФ (к) = 2,6 • 105 Па. Сопоставление полученной величины сжимающего напряжения с прочностными характеристиками зданий и сооружений (табл.2) говорит о том, что практически все

объекты будут в той или иной степени нарушены при наземном ядерном взрыве мощностью 1 Мт на расстоянии 3,0км. Для доказательства правомерности полученных формул можно использовать экспериментальные данные при подземном ядерном взрыве «Рулисон» в США мощностью 43 кт. Слабые (архитектурные) разрушения жилых домов произошли на расстоянии 10км в 46 % зданий. Слабые разрушения происходят согласно табл. 2 при напряжениях, в среднем равных 104Па. Используя (10) при параметрах, приведенных выше, получим Я= 11500м, что соответствует фактическим данным о слабых разрушениях кирпичных жилых домов.

Таким образом, в настоящей статье получены формулы расчета параметров сейсмического действия наземного ядерного взрыва, а также расстояния, на которых происходит разрушения тех или иных зданий и сооружений или элементов железнодорожного пути. Полученные формулы могут быть использованы для оценки параметров разрушения и паспортизации важных производственных объектов при наземных и подземных ядерных взрывах.

БИБЛИОГРАФИЯ

1. Крючек Н. А., Латчук В. Н., Миронов С. К. Безопасность и защита населения в чрезвычайных ситуациях : учеб. для населения / под общ. ред. Г. Н. Кириллова. М. : Изд-во НЦЭНАС, 2001. 264 с.

2. Гражданская оборона на железнодорожном транспорте : учеб. для вузов ж.-д. трансп. / И. И. Юрпольский, Г. Т. Ильин, Н. Н. Янченков и др. ; под ред. И. И. Юрпольского. М. : Транспорт, 1987. 272 с.

3. Миндели Э. О. Разрушение горных пород. М. : Недра, 1975. 600 с.

4. Хольцер Ф. Эффекты движения грунта при ядерных взрывах : обзор наблюдаемых повреждений и методов их прогнозирования // Подводные и подземные взрывы : сб. М. : Мир, 1974. С.368-392.

5. Тюпин В. Н. Прогноз устойчивости железнодорожного пути при динамическом воздействии землетрясения // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2006. № 12. С. 64-69.

6. Катин В. Д., Андреев А. И. Радиационная обстановка в дальневосточном регионе после проведения подземных ядерных взрывов // Безопасность в техносфере. 2007. № 4. С. 2832.