CC BY
239
УДК: 72.721 Сашурин А. Д.
Панжина Н. А.
Влияние земных разломов
на прочностные характеристики зданий и сооружений
В статье рассмотрены современные геодинамические движения как один из ведущих факторов, влияющих на прочностные характеристики зданий и сооружений, создаваемых на разломах и тектонических нарушениях. Авторами выделено два вида геодина-мических движений и выявлен механизм их проявления в массиве горных пород и на создаваемые сооружения. В статье приведены примеры нарушения объектов различного назначения, созданных без учета геодинамической опасности.
Сашурин
Анатолий Дмитриевич
д-ртехн. наук, Заслуженный деятель науки РФ, академик Академии горных наук, заведующий отделом геомеханики Института горного дела УрО РАН
А
Панжина
Наталия Александровна
мл. нач. сотрудник Института горного дела УрО РАН, отдел геомеханики, лаборатория сдвижения горных пород
Ключевые слова: юзлом, тектонические нарушения, иерархически блочная структура, массив горных пород, современные геодинамические движения, авария, катастрофа.
SASHURIN А. D.
PANZHINA N. А.
EFFECT OF EARTH FAULTS IN STRENGTH CHARACTERISTICS OF BUILDINGS AND STRUCTURES
In this article the current geodynamic movements as one of the leadingfactors affecting the strength characteristics of building? and constructions, created on faults and tectonicfaults. The authors identified two types of geodynamic movements and the mechanism cf their appearance in the array of rocks and structures are created. The article gives examples of violations of different objects, created without geodynamic hazard.
Keywords:fault, tectonic disturbances, hierarchical block structure, an array of rock, modem geodynamic traffic accident, the catastrophe.
Чем развитее и сложнее производства и технологии, чем выше организация быта и жилища, чем плотнее и выше заполняются мегаполисы
- тем чаще возникают аварии и катастрофы с материальным ущербом и человеческими жертвами. А между тем, катастрофы не наступают внезапно, они как бы предупреждают тех, кто не утратил подвижность мышления и способен видеть происходящее во всем его многообразии и новизне. К сожалению, глухоту к этим предупреждениям проявляют во всех сферах жизни. Не является исключением в этом вопросе и строительный комплекс.
Идеология строительства в отношении современной геодинамики, концентрирующейся на изучении тектонических нарушений различного ранга, базируется на разделении всей территории Земли на сейсмически опасные и асейсмичные (сейсмически пассивные) области. Считается, что на асейсмичных территориях массив горных пород и земная поверхность, выступающие в качестве основания сооружений, находятся в статическом состоянии. В сейсми-
чески опасных областях массив горных пород и земная поверхность в обычное время находятся также в статическом состоянии, нарушаемом сейсмическими колебаниями и деформациями в случае возникновения землетрясений.
В соответствии с этими представлениями, строительство на асейсмичных территориях осуществляется с конструированием объектов на восприятие только рабочих нагрузок. На сейсмически опасных территориях учитываются дополнительные нагрузки, которые могут возникнуть при землетрясениях.
Многочисленные аварии и катастрофические события на объектах различных уровней ответственности, происходившие на асейсмичных и сейсмически опасных территориях, но без участия землетрясений, объяснялись, как правило, банальными причинами, в т. ч. просчетами при изысканиях и проектировании, нарушениями технологических регламентов строительства и эксплуатации, износом и т. п. В последнее время, видимо, как примета времени, появилась и новая причина - злоупотребление служебным положением (например,
Бремя измерении,- hh:nim
Рисунок 1. Цикличные коротко периодные современные геодинамические движения, измеренные с период ичностью 10 минут
в выводах комиссий по аварии на Са-яно-Шушенской ГЭС). Естественно, что все это в той или этой мере имеет место, представляя собой обычный фон экономической деятельности, но гиперболизация этих факторов препятствует раскрытию действительных глубинных причин катастрофических явлений.
В то же время результаты фундаментальных исследований наук о Земле свидетельствуют, что и в сейсмически опасных, и в асейсмичных районах в массиве горных пород и на земной поверхности имеют место процессы и явления, способные вызвать серьезные нарушения жилых и общественных зданий, промышленных объектов, транспортных и коммуникационных сооружений. Ведущая роль среди них принадлежит геодинамическим движениям земной коры.
Начало исследования современных движений земной коры вне землетрясений можно отнести к началу прошлого века, к появлению гипотезы А. Вагенера о дрейфе континентов. Встреченная первоначально как фантастическая, эта гипотеза к
середине XX в. переросла в обоснованную теорию глобальной тектоники плит, сдвинувшую континенты в горизонтальной плоскости. А во второй половине века на основе обобщения многочисленных наблюдений на геодинамических полигонах нефтегазовых месторождений О. Ю. Кузьминым были выявлены внутри-
блочные подвижки по тектоническим нарушениям с периодами от 1-2 месяцев и более [1]. Завершили вековой этап познания современных геодинамических движений исследования Уральской школы геомехаников ИГД УрО РАН, выполненные в конце XX и начале текущего века [2-4]. Их результатом стало выявление двух видов современных геодинамических движений: трендовых, сохраняющих относительно продолжительное время скорости и направление движения; цикличных короткопериодных полигармоничных движений, заполняющих весь спектр частот.
Сущность трендовых движений понятна без пояснений. Сущность цикличных движений представлена на рисунках 1-4.
На рисунке 1 представлены непрерывные измерения одного из интервалов на земной поверхности с использованием технологий спутниковой геодезии GPS с дискретностью 10 минут. Совмещенные графики демонстрируют взаимные смещения точек, ограничивающих интервал, в направлениях север-юг (AN), запад-восток (ДЕ) и по высоте (АН).
На рисунках 2-4 представлены аналогичные измерения компонент изменения параметров другого интервала с дискретностью 5 секунд.
Экспериментальные исследования современных геодинамических движений, выполненные от Урала до Якутии более чем на двадцати объектах, показали, во-первых, что они распространены повсеместно во всех типах верхней части земной коры, а во-вторых, распределяются по массиву горных пород и тектоническим нарушениям неравномерно.
Закономерности их распределения в массиве горных пород и взаимодействия с искусственными объектами и сооружениями определяются двумя фундаментальными свойствами массива: иерархически блочным строением; постоянной подвижностью.
Иерархически блочная структура массива является его априорным свойством, присущим всем материальным телам, а постоянная подвижность обеспечивается всем спектром современных геодинамических движений. Т. е. постоянная подвижность массива
- это форма его существования.
Отмеченные фундаментальные свойства массива порождают в нем два противоположных явления: деструкцию, поддерживающую иерархически блочную структуру и соответствующий ей дискретный характер деформирования; самоорганизацию, формирующую из структурных блоков разных рангов иерархии, новые консолидированные объемы, ведущие себя как относительно сплошные однородные тела. Схематично процесс самоорганизации представлен на рисунке 5.
В результате деструкции и самоорганизации в массиве формируется новая структура и соответствующее ей неоднородное распределение движений и деформаций. На границах самоорганизовавшихся блоков концентрируются основные межблоко-вые подвижки. Уровень смещений и деформаций в этих зонах в 2-3 раза выше средневзвешенных значений. Внутри самоорганизовавшихся блоков сохраняются внутриблочные
-О.даЭ ^---------------------------------------------------------------------------------------1
Время измерси-гё, ИГнтгл
Рисунок 2. Цикличные короткопериодные современные геодинамические движения по компоненте У, измеренные с периодичностью 5 секунд
0.030
0.020
і о.ого І
0.000
I «0.010 ї
Ц -0.020
-0.030
■0,0« ------------------------------------------------------------------------------------1
Время мзиергнм}, ИЬзггп
Рисунок 3. Цикличные короткопериодные современные геодинамические движения по компоненте Z (высоте), измеренные с периодичностью 5 секунд
подвижки между вошедшими в его состав структурными элементами более низких рангов. Уровень их, напротив, снижается до 0,5 от средневзвешенных значений. Пример распределения деформаций на одном из экспериментальных участков показан на рисунке 6.
Таким образом, в иерархически блочном массиве горных пород, на-
ходящемся под воздействием современных геодинамических движений в постоянной подвижности за счет деструкции и самоорганизации формируется особая блочная структура
с неравномерным распределением геодинамических движений и деформаций. В граничных зонах образовавшихся блоков межблочные смещения и деформации в 5-6 раз больше внут-риблочных подвижек и деформаций. В соответствии с этим, объекты, оказавшиеся в пограничных областях, подвергаются воздействию повышенных смещений и деформаций, в отличие от
объектов, находящихся во внутренних областях. На рисунке 7 представлена схематическая взаимосвязь современных геодинамических движений с причинами разрушения объектов.
Кроме непосредственного воздействия двух видов геодинамических движений и деформаций - трендовых и цикличных, на устойчивость объектов оказывает влияние нахождение определенного вида пород, слагающих зоны тектонических нарушений, в тиксотропном состоянии, обусловленном высокочастотным спектром цикличных движений.
Следовательно, разрушение объектов происходит под действием трех причин:
- от непосредственного воздействия геодинамических движений и деформаций за счет превышения допустимых деформаций в объекте;
- от развития усталостных эффектов в конструкциях за счет цикличных нарушений;
- от трансформации прочностных и деформационных свойств пород под влиянием высокочастотного спектра цикличных геодинамических движений, вызывающей неравномерное деформирование объекта.
В реальной действительности возможна любая комбинация указанных причин.
Оценка воздействия современных геодинамических движений на любые наземные и подземные объекты возможна только на основе проведения диагностики геодинамической активности и сравнения параметров геодинамических движений и деформаций с допустимыми критериями объекта с учетом усталостных эффектов и неравномерного деформирования. Диагностические работы этого типа предусмотрены СП 11-104-97 как для стадии проектирования, так и при эксплуатации объекта, если возникли предположения о воздействии современных геодинамических движений на устойчивость объектов [6].
Однако, несмотря на 12 лет, прошедшие со времени принятия Свода правил, такие изыскания до нашего времени не проводятся. Итогом игнорирования этого фактора являются разрушения таких объектов, как Чернобыльская АЭС (1986), два сгоревших поезда «Адлер - Новосибирск», встретившиеся в месте разрыва магистрального газопровода в Челябинской области (1989), аквапарк «Трансвааль» в Москве (2004), плавательный бассейн в г. Чусовском (2005), затопление калийного рудника в г. Березники (2006) и, наконец, Саяно-Шушенская ГЭС (2009). Это далеко не полный перечень аварий и катастроф природно-техногенно-го типа, происшедших, казалось бы,
Рисунок5. Схематичное представление явления самоорганизации в условиях Высокогорского железоруд ного месторожд ения
А 0.005
5 ОЛХМ> і
■рда?
-ОЛЮ
-ФЛ15
Рисунок 4. Цикличные короткопериодные современные геодинамические движения по длине интервала, измеренные с периодичностью 5 секунд
преня намерений, Мнгпт
■ 03-04 П 02-03
■ 01-03 0 00-01
■ 99-00
□ 94-99
□ 9?*98
■ »-■97 О 93-96
Список использованной литературы
1 Кузьмин Ю. О. Современная геодинамика и оценка геодинамичес-кого риска при недропользовании М.: Агентство экологических новостей, 1999.220 с.
2 Опарин В. Н„ Сашурин А. Д., Леонтьев А. В. и др. Современная геодинамика массивов горных пород верхней части литосферы: истоки, параметры, воздействие на объекты недропользования. Новосибирск: Издательство СО РАН, 2008.
3 Панжин А. А., Панжина Н. А. Мо-
?• ^ ^ ^ шалы профильной лтт
л л л > а чь /і л
о<Г о<Г оЯ оУ аГ оУ 4
^ ^ ^ ^ ф <$Г *$Г
№терваяы профильной
Рисунок б. Распред еление деформаций на границах и внутренних зонах самоорганизованных блоков
в разных сферах деятельности, но объединенных одной исходной причиной - воздействием современных геодинамических движений.
Для Екатеринбурга наиболее свежими и конкретными примерами мо-
гут служить разрушение моста через Транссибирскую железную дорогу и ул. Восточную и нарушение девятиэтажного жилого дома на ул. Мусоргского. В обоих случаях официальная реакция проигнорировала фактор
Источник катастроф
геодинамической опасности, проведенные восстановительные работы не исключили возможности повторного нарушения объектов с непредсказуемыми последствиями.
Заключение
Таким образом, современные геодинамические движения, приуроченные к тектоническим нарушениям различных рангов, являются одним из решающих факторов, определяющим устойчивость и безопасность зданий и сооружений различного назначения. Повсеместное распространение разломов и тектонических нарушений, в том числе на территории Екатеринбурга, требует введения в норму диагностических работ, предусмотренных СП 11-104-97 при создании и эксплуатации всех ответственных и сложноконструктивных сооружений. Особенно это важно для высотной застройки, проектируемой для центральной части Екатеринбурга.
Современные геодинамические движения
Фактор воздействия
Трендовые Циклические
движения движения
Механизмы катастроф
Воздействие Воздействие
трендовых цикличных
деформаций деформаций
Развитие деформаций, вызванных тиксотропным состоянием пород
&8
§3в
ш
11 і « I о
В « п
а ■«
В *¡1 § § я I §,» « 8 & М
и ® а
С в Ч Ч
Причины разрушения объектов
Рисунок 7. Взаимосвязь современных геод инамических движений с катастрофами на объектах недропользования
ниторинг геодинамических процессов на горных предприятиях и урбанизированных территориях // Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: МГГУ, 2007. №3.
Сашурин А. Д. Диагностика геодинамической активности с целью обеспечения безопасности объектов недропользования // Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: МГУ, 2008. Садовский М. А. Естественная кус-коватость горной породы // ДАН, 1979. Т. 247. № 4. С. 829-831 СП 11-104-97. Инженерно-геодези-ческие изыскания для строительства. Одобрен Госстроем России 14.10.97 г. №9-4/116.
Сашурин А Д. Почему мост «опустил крылья»// Технадзор. 2009. №8. С. 20-22.
