СПОСОБ МОДЕЛИРОВАНИЯ СЕЙСМИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК G01V1/00 

Изобретение относится к сейсмостойкому строительству, а также к инженерной сейсмике и может быть использовано для моделирования сейсмического действия землетрясения при проведении экспериментальных исследований сейсмостойкости наземных объектов, например зданий и сооружений.

Известен способ моделирования сейсмического действия землетрясения на исследуемый объект путем возбуждения колебаний в ряде точек с временными задержками и последующей регистрации реакции исследуемого объекта, предусматривающий выбор времени замедления (задержки) последующего взрыва по отношению к предыдущему, в диапазоне от двух до четырех периодов колебаний грунта в районе испытаний (Инструкция по испытанию свайных фундаментов на сейсмические воздействия. Красноярск: изд. Красноярского ПромстройНИИПроекта, 1968 г., с.62).

В данном способе для уменьшения частоты вынужденных колебаний грунта необходимо удалять эпицентр взрыва от исследуемого объекта, что требует увеличения массы заряда для обеспечения соответствующего уровня сотрясения. Кроме того, ориентация замедлений на широкий диапазон частот не гарантирует создания резонансных колебаний зданий и сооружений, собственные частоты колебаний которых существенно различны.

Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности является способ моделирования сейсмического действия землетрясения на исследуемый наземный объект (здания и сооружения), включающий возбуждение колебаний в ряде точек путем взрывания зарядов с временными задержками, равными предварительно определенному периоду собственных колебаний исследуемого наземного объекта, и последующую регистрацию реакции исследуемого наземного объекта (а.с. СССР №905896, опубл. 15.02.82).

Согласно данному изобретению период собственных колебаний исследуемого объекта определяют следующим образом. В верхней части объекта устанавливают сейсмоприемник и по хвостовой части осциллограммы от одного взрыва определяют период собственных колебаний верхней части исследуемого объекта.

Для создания наиболее опасного для объекта режима воздействия в известном способе исследуемый объект вводят в резонансный режим, взрывая заряды с временным интервалом, равным периоду собственных колебаний объекта. Для этого создают взрывное поле с достаточно произвольным размещением камуфлетных скважин зарядов, что приводит как к увеличению массы скважинных зарядов, так и к увеличению их заглубления. Массу зарядов и их расстояние от исследуемого объекта определяют в соответствии с балльностью прогнозируемых землетрясений.

Недостатком известного способа является произвольное размещение зарядов на взрывном поле, что, во-первых, затрудняет получение планируемой интенсивности воздействия на исследуемый объект и, во-вторых, приводит к повышенному расходу массы зарядов. Кроме того, в известном способе не принимается во внимание реакция массива грунта, служащего основанием для исследуемого наземного объекта, на сейсмические колебания, при том что реакция массива грунта является более значимым (с точки зрения точности и достоверности) фактором для оценки сохранности исследуемого объекта от повреждения.

Задачей изобретения является повышение точности и достоверности способа моделирования сейсмического действия землетрясения, обеспечивающего более длительное по времени воздействие на исследуемый объект и создание более близкой к прогнозируемой интенсивности воздействия при одновременном сокращении расхода массы зарядов на возбуждение колебаний.

Поставленная задача решается способом моделирования сейсмического действия землетрясения на исследуемый наземный объект, включающим возбуждение колебаний в ряде точек путем взрывания камуфлетных зарядов, размещенных на взрывном поле, с временными задержками, равными предварительно определенному периоду собственных колебаний анализируемого объекта, с последующей регистрацией его реакции, в котором в отличие от известного способа в качестве анализируемого объекта выбирают массив грунта, служащего основанием для исследуемого наземного объекта, а взрывное поле формируют из нескольких рядов линейно-рассредоточенных камуфлетных зарядов в скважинах.

В предлагаемом способе моделирования сейсмического действия землетрясения на исследуемый наземный объект (здания и сооружения) после возбуждения колебаний взрыванием зарядов регистрируют и анализируют реакцию массива грунта, служащего основанием для наземного объекта, в отличие от известного способа, в котором анализируемым объектом являются те же самые здания и сооружения.

Выбор в качестве анализируемого объекта массива грунта, служащего основанием для наземного объекта (зданий и сооружений), обусловлен тем, что массив грунта является средой, в которой возбуждаются и распространяются колебания, и служит для зданий и сооружений источником возбуждения колебаний. Поэтому реакция массива грунта на сейсмические колебания является более точным и достоверным фактором для оценки сохранности зданий и сооружений от повреждения, чем реакция самого здания или сооружения.

Известно, что различные типы грунтовых отложений имеют различные частоты (периоды) собственных колебаний. Поэтому серия сравнительно слабых колебаний, возбужденных с определенными временными задержками, равными периоду собственных колебаний массива грунтов, служащих основанием для зданий и сооружений, вызывает наложение волн друг на друга, для которых частота следования волн является резонансной.

Способ осуществляют следующим образом.

На грунте, служащем основанием для объекта, устанавливают сейсмоприемник, определяют местонахождение эпицентра взрыва, совпадающего с осью взрывной скважины, и производят взрывание заряда (контрольный взрыв). По записи колебаний на хвостовой части сейсмограммы от одного контрольного взрыва определяют период собственных колебаний массива грунта.

Для более высокой точности определения периода собственных колебаний массива грунта его находят как среднее значение от нескольких направленных на исследуемый объект контрольных взрывов в скважинах одного ряда, размещенного перпендикулярно к исследуемому объекту.

Затем формируют взрывное поле из нескольких, не менее 2 рядов, линейно-рассредоточенных камуфлетных зарядов в скважинах с расположением первого ряда на расстоянии, равном расстоянию, определенном при контрольном взрыве. Как и в известном способе, массу зарядов и расстояние до исследуемого объекта выбирают исходя из условия достижения максимального уровня интенсивности (балльности) прогнозируемого сотрясения с учетом исследований волновой картины колебаний.

Из опытов известно, в волновой картине колебаний выделяются два участка: первый - это зона объемных (пластических) деформаций, второй - зона упругих колебаний, которые по интенсивности превосходят колебания в зоне пластических деформаций. Поэтому расстояния до взрывного поля назначают из условия равенства расстоянию до начала зоны упругих колебаний, так как амплитуда колебаний на сейсмограммах в ближней зоне меньше амплитуды колебаний в дальней зоне упругих колебаний. Амплитуды колебаний в ближней зоне по величине меньше из-за отсутствия резонанса по сравнению с дальней зоной. Кроме того, наблюдается уменьшение периода колебаний в ближней зоне (участка) и постоянство его в дальней зоне.

Далее выполняют порядное (серийное) короткозамедленное взрывание скваженных зарядов с временными задержками, равными периоду собственных колебаний массива грунта, служащего основанием для исследуемого объекта.

Такое последовательное взрывание создает наложение волн друг на друга и вызывает резонанс колебаний в массиве грунта, передаваемых грунтом фундаменту исследуемого объекта.

Осуществление короткозамедленного взрывания линейно-рассредоточенных камуфлетных зарядов в скважинах позволяет создать взрывной фронт ударной плоской сейсмической волны в массиве грунта, служащего основанием для объекта, и обеспечивает (в сравнении со случаем взрывания сосредоточенного (одиночного) камуфлетного заряда такой же мощности) рост силы сотрясения за счет резонанса колебания массива грунта, а также увеличение длительности интенсивных колебаний грунта за счет использования многорядных взрывов (серии взрывов) с временными задержками.

Порядное взрывание зарядов начинают с ряда, максимально удаленного от исследуемого объекта. При этом в зависимости от условий проведения экспериментов и от размеров исследуемых объектов все заряды одного ряда (ступени) взрывают, как правило, одновременно, а ряды - поочередно (сериями взрывов), с временными задержками, также равными периоду собственных колебаний массива грунта.

В процессе моделирования сейсмического действия землетрясения на исследуемый объект проводят опытное определение сейсмических характеристик массива грунта, служащего основанием для объекта, с учетом создания ширины фронта цуга волн, которые по ширине превосходят размеры фундамента объекта; определяют количество скважин для создания сейсмического воздействия в зависимости от прогнозируемой длительности и интенсивности воздействия колебаний путем чередования временных задержек при выполнении короткозамедленного взрывания; определяют глубину заложения зарядов и расстояние между ними; выполняют контрольную серию взрывов.

Цель контрольных взрывов - проверить расчетную массу зарядов, отработать методику моделирования и удостовериться, что увеличение сейсмического эффекта взрыва происходит за счет наложения друг на друга в цуге колебаний грунта волн, генерируемых от последовательного взрывания рядов зарядов.

Предлагаемый порядок взрывания гарантирует уровень создания интенсивности колебаний грунта, служащего основанием для исследуемого объекта, увеличивает общую длительность колебаний за счет суммирования временных задержек, насыщения потенциальной энергией массива грунта, сохранения амплитуд колебаний на участке расположения объекта и соответственно позволяет существенно снизить расход взрывчатых веществ.

Следовательно, варьируя числом скважин в ряду, величиной заряда в скважине и числом временных задержек между взрываниями, достигают насыщения массива грунта потенциальной энергией, что гарантирует расчетное моделируемое сейсмическое воздействие на исследуемый объект, которое по длительности, амплитудному смещению и частотному спектру, уровню интенсивности соответствует характеристикам природного землетрясения.

Таким образом, выбор в качестве анализируемого объекта массива грунта, являющегося основанием для исследуемого объекта, в совокупности с формированием взрывного поля из нескольких рядов линейно-рассредоточенных камуфлетных зарядов в скважинах обеспечивает по сравнению с известным способом (а.с. СССР №905896) более длительное по времени воздействие на исследуемый объект и создание более близкой к прогнозируемой интенсивность воздействия.

В свою очередь, это обеспечивает повышение точности и достоверности моделирования сейсмического действия землетрясения на исследуемый объект при одновременном сокращении расхода массы зарядов на возбуждение колебаний, что и является техническим результатом предлагаемого изобретения.

Возможность осуществления изобретения подтверждается следующими примерами.

Пример 1. Объект - здание блока вспомогательных служб на свайном основании. Измерение колебаний массива грунта проводилось по трем составляющим: Х - горизонтальная, Y - поперечная, Z - вертикальная.

Опытное моделирование сейсмического сотрясения исследуемого здания выполнялось в резонансном режиме. Для этого на грунте у здания (по заявляемому способу) и на покрытии здания (по известному способу - для фиксации различий в развитии процессов колебаний) были установлены два комплекта сейсмоприемников по три в каждом. После выполнения одиночного контрольного взрыва по хвостовой части записи на сейсмограмме определен средний период собственных колебаний грунта, который оказался равным величине 0,225 с. Установлено, что частоты колебаний находятся в довольно узком интервале от 3,89 до 4,54 Гц. Затем для контроля полученного результата на расстоянии 30 м от здания поочередно с задержкой 0,225 с произвели направленные на исследуемое здание взрывы зарядов семи скважин одного ряда, расположенного перпендикулярно к зданию, и установили практическое совпадение определенных двумя путями значений периода собственных колебаний массива грунта, служащего основанием для здания блока вспомогательных служб.

Зафиксированные на сейсмограммах записи показали, что частота собственных колебаний здания меньше, чем частота собственных колебаний массива грунта, что определяет более эффективный результат исследования заявляемым способом.

Далее последовательно были выполнены три серийных взрыва последующих рядов зарядов, расположенных параллельно по отношению к зданию с той же временной задержкой.

Полученные записи колебаний показали, что резонансные колебания массива грунта, являющегося основанием фундамента здания, продолжались 2 с, частоты по составляющим X, Y, Z колебаний были в среднем равны 4,44 Гц и оказались в том же частотном диапазоне системы «основание - свайный фундамент», т.е. амплитуды колебаний как массива грунта, так и фундамент здания были в резонансном режиме, что подтверждается записями сейсмограмм.

По данным испытаний системы «основание - свайный фундамент» установлено, что вертикальные смещения (по Z) от серийных взрывов составляли 0,695-0,555 мм и по своим значениям в 1,8 раза выше, чем от контрольного одиночного взрыва (0,376-0,366 мм), хотя величины зарядов по массе при серийных взрывах были в 2 раза меньше. Аналогичная картина просматривается и по составляющим Y (в 2,5 раза) и Х (в 2 раза). Это объясняется тем, что высокие частоты и, как следствие, высокие ускорения от одиночных взрывов, быстро затухают в отличие от низкочастотных серийных взрывов, обеспечивающих уровень малых ускорений. Полученные записи колебаний показали, что колебания массива грунта от одиночных взрывов продолжались 1,03 с (из 7 определений), а от взрывов трех серий продолжительность составляла соответственно 2,52; 3,44 и 3,92 с и зависела от количества временных задержек (длительность одной задержки - 0,225 с).

Пример 2. Объект - склад цемента на свайном фундаменте. Перед началом эксперимента при контрольных включениях аппаратуры были зарегистрированы колебания склада цемента (сооружения) от ветровой нагрузки. Определенные по записям частоты собственных колебаний сооружения (3,92 Гц) оказались близкими к частоте по сейсмограммам при контрольных взрывах (4,15 Гц). Частота собственных колебаний грунта в районе сооружения по составляющим X, Y, Z соответственно равна 4,45; 4,20; 4,17 Гц, что на 20% выше частоты вынужденных колебаний склада цемента от ветра. Учитывая естественный разброс экспериментальных данных, можно считать, что существуют различия в уровне сейсмического воздействия взрывов и ветра на один и тот же датчик на грунте и на верхней части сооружения (где был установлен дополнительный комплект сейсмодатчиков), при том что масса зарядов в сериях была почти в два раза меньше массы зарядов контрольных взрывов. В значениях смещений, скоростей и ускорений на одинаковых отметках и направлениях существенных различий не отмечено. В то же время при сравнении уровней смещений разных горизонтов наблюдается некоторое различие. Смещение верха сооружения от контрольных взрывов в среднем в два раза меньше, чем при серийных взрывах. Анализ полученных результатов показал следующее: длительность колебаний при контрольных взрывах в 2,9 раза меньше, чем при серийных взрывах, а при переходе колебаний от основания к верхней части сооружения значение ускорений возросло при контрольных взрывах в 3,4-6,6 раз, а при серийных - в 4,5-7,8 раза.

Для оценки сейсмостойкости сооружения имеет значение не только достигнутый уровень смещений, но и время действия ускорения определенного уровня. Исследование изменения ускорения от времени по составляющим X, Y, Z показало, что при контрольных взрывах ускорения выше 5-го балла действуют в грунтах основания 0,8 с, время действия ускорения при серийных взрывах существенно больше и составляет 2,0 с (больше в 2,5 раза).

Изобретение относится к инженерной сейсмике и может быть использовано для моделирования сейсмического действия землетрясения при проведении экспериментальных исследований сейсмостойкости наземных объектов, например зданий и сооружений. Способ включает возбуждение колебаний в ряде точек путем взрывания зарядов, размещенных на взрывном поле, с временными задержками, равными предварительно определенному периоду собственных колебаний анализируемого объекта с последующей регистрацией его реакции. В качестве анализируемого объекта выбирают массив грунта, служащего основанием для исследуемого наземного объекта. Взрывное поле формируют из не менее 2 рядов линейно-рассредоточенных зарядов в скважинах. Технический результат заключается в повышении точности и достоверности моделирования сейсмического воздействия. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ моделирования сейсмического действия землетрясения на исследуемый наземный объект, включающий возбуждение колебаний в ряде точек путем взрывания зарядов, размещенных на взрывном поле, с временными задержками, равными предварительно определенному периоду собственных колебаний анализируемого объекта, с последующей регистрацией его реакции, отличающийся тем, что в качестве анализируемого объекта выбирают массив грунта, служащего основанием для исследуемого наземного объекта, а взрывное поле формируют из нескольких рядов линейно-рассредоточенных камуфлетных зарядов в скважинах.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что массу зарядов и их расстояние от исследуемого наземного объекта выбирают с учетом балльности и длительности прогнозируемых землетрясений.