Способ оценки сейсмостойкости грунтов, покрывающих тоннель метрополитена, методом сейсмического микрорайонирования с использованием коэффициента уязвимости Российский патент 2025 года по МПК G01V1/00 G01V1/28 

Область применения. Предлагаемое изобретение относится к области сейсмических исследований и может быть использовано в инженерной сейсмологии для оценки сейсмостойкости грунтов, покрывающих тоннели метрополитена. При движении электропоезда метро по стенкам тоннеля и, соответственно, в покрывающей толще грунтов, включая дневную поверхность, распространяются интенсивные упругие воздействия, которые до некоторой степени изменяют состояние грунтовой толщи после каждого прохождения электропоезда. В частности это может быть, например, незначительное уплотнение или разуплотнение грунта, изменение спектра передаточной функции H/V и т.п. Поэтому, исследуя сейсмические записи в промежутках между прохождением поездов метро, рассчитывая приращение сейсмической интенсивности и сопоставляя, например, такой параметр сейсмограммы, как коэффициент уязвимости во времени, можно сделать вывод о стабильном или нестабильном поведении грунтов в точке измерения. Кроме того, проводя такие исследования над тоннелями метро по площади, можно построить схематическую карту сейсмического микрорайонирования (СМР), по которой легко оценить сейсмостойкость грунтовой толщи.

Технический результат предлагаемого изобретения - повышение надежности оценки сейсмической уязвимости (сейсмостойкости) грунтовой толщи, покрывающей тоннель метрополитена, - достигается за счет использования при реализации способа коэффициента уязвимости и приращения сейсмической интенсивности, расчет которых производится в интервалы времени, когда отсутствует движение поездов метрополитена.

Прежде всего, следует остановиться собственно на понятии «сейсмическая уязвимость». Под сейсмической уязвимостью понимается сейсмостойкость грунтов, т.е. способность сопротивляться сейсмическим воздействиям. Известны различные методы сейсмических исследований грунтовой толщи, результатом которых являются параметры, в том или ином виде отражающие устойчивость грунтов к воздействию упругих колебаний. Например, методы сейсмического микрорайонирования. На выходе этих методов формируется параметр «приращение сейсмической интенсивности» ΔI, получаемый в различных точках измерения исследуемой территории. Имея базу таких параметров, обычно строится схематическая карта сейсмического микрорайонирования, которая описывает сейсмическую устойчивость грунтов в различных областях участка исследований. Таким образом, метод СМР фактически описывает сейсмическую уязвимость грунтов по площади исследований.

Известен способ сейсмического микрорайонирования, включающий возбуждение сейсмических колебаний маломощным импульсным источником, регистрацию этих колебаний сейсмоприемниками, расположенными на участках с различными инженерно-геологическими условиями, определение значения скоростей продольных или поперечных волн, плотностей соответствующих грунтов и оценку на основе этих характеристик приращения балльности ΔI [1].

К недостаткам способа можно отнести низкую производительность, надежность и стабильность получаемых результатов.

Известен также способ сейсмического микрорайонирования с использованием микросейсмических колебаний [2], при котором для определения изменения интенсивности сильного землетрясения (сейсмической интенсивности ΔI) по максимальной амплитуде микроколебаний применяется формула:

где (A_max)_i, (A_max)_o - максимальные амплитуды микросейсмических колебаний для исследуемого и эталонного грунтов соответственно.

Недостатками способа являются низкая стабильность и точность снятия отсчетов A_max непосредственно с сейсмограммы, что ведет к снижению производительности работ и корректности учета нелинейно-упругих свойств грунтов при вычислении приращения интенсивности сейсмических колебаний, т.е. параметров уязвимости грунтов в точках исследования.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является способ сейсмического микрорайонирования с использованием коэффициента уязвимости [3]. Остановимся на понятии «коэффициент уязвимости» (К_у) более подробно. Понятие было введено известным японским исследователем И. Накамурой в 1997 г. [4]. В 1989 г. им же была предложена методика, в основе которой лежат представления о том, что влияние «тонкого слоя», расположенного непосредственно под сейсмическим датчиком на изучаемом объекте, в большей степени способствует усилению поперечной волны (5) и практически не изменяет продольную волну (Р) [5]. Исходя из этого положения, отношение спектральных характеристик горизонтальных компонент X и Y к спектру вертикальной компоненты Z будет характеризовать так называемую передаточную функцию, зависящую от «тонкого слоя» изучаемого объекта. Результирующая горизонтальная компонента Н при этом определяется соотношением:

Заметим также, что параметр К_у (коэффициент уязвимости) успешно описывает динамические характеристики верхней части исследуемых грунтов, при этом отмечает самые слабые участки, которые в наибольшей степени подвержены воздействию горизонтальных упругих колебаний. Используя методику Накамуры, можно получить спектральные графики передаточной функции H/V, т.е. графики усиления сотрясений на доминирующих частотах, что позволяет вычислить значения коэффициентов уязвимости для каждой точки измерения по формуле:

где А - максимальное значение коэффициента усиления в соответствии со спектральной характеристикой H/V, ƒ - соответствующая этому значению частота. При этом расчет приращения сейсмической интенсивности ΔI - базовой величины, определяющей сейсмостойкость грунтовой толщи, - может быть выражен через К_у с помощью соотношения, представленного в работе [3]:

где - значение коэффициента уязвимости в точках измерения на исследуемых грунтах;

- средневзвешенное значение коэффициента уязвимости по всем точкам измерения.

Способ хорошо описывает сейсмическую уязвимость грунтов при микроколебаниях, возникающих от случайных эндогенных и экзогенных процессов. Если же возникает необходимость изучения сейсмостойкости грунтов, которые подвергаются периодическому воздействию упругих колебаний значительной интенсивности, то применение коэффициента уязвимости по описанной в [3] методике не позволит адекватно оценить сейсмическую уязвимость грунтов и соответственно их сейсмостойкость, например, в случаях, когда грунты покрывают тоннели метрополитена в черте городских агломераций.

Методически способ можно разбить на несколько этапов. Прежде всего, выбирается участок исследований, грунтовая толща которого располагается над тоннелем метрополитена. На площадке размещаются несколько 3-компонентных сейсмических датчиков. Производится запись сейсмограмм, каждая из которых имеет длительность не менее 20 минут (выбирается временной интервал, в течение которого поезда метрополитена пройдут под выбранным участком исследований несколько раз, но не менее двух раз). Далее сейсмограммы подвергаются процедуре обработки. Выбираются фрагменты сейсмограммы с минимальным уровнем зашумленности, т.е. временные отрезки с отсутствием прохождения электропоездов. Для каждого из таких участков строится передаточная функция H/V, на основе которой рассчитывается коэффициент уязвимости по формуле (3). Полученные коэффициенты уязвимости для каждой сейсмограммы в дальнейшем используются при расчете ΔI по формуле (4), а также сопоставляются, на основании чего делается вывод о стабильности поведения грунтов (сейсмостойкости) в точке измерения после воздействия на них упругих колебаний от движущихся поездов метрополитена.

Рассмотрим конкретный пример.

Для исследований был выбран участок, под которым проложена ветка метрополитена. Участок располагался на берегу городского пруда в Верх-Исетском районе г. Екатеринбурга в границах улиц Боевых Дружин - Набережной Рабочей Молодежи - Октябрьской площади. Рельеф площадки исследований спланирован насыпными грунтами, абсолютные отметки поверхности изменяются в пределах 245-248 м, с общим уклоном на северо-восток. Геология участка - сильно выветрелые, трещиноватые порфириты и сланцы. Коренные породы разрушены в верхней части до состояния крупнообломочного и глинистого элювия, а сверху, как отмечалось, перекрыты насыпными грунтами.

Контуры площадки вынесены на фрагмент спутниковой карты Google Earth. В границы приведенной на фиг. 1 площадки исследований вынесены все точки наблюдения, каждая из которых имеет GPS привязку и обозначена на рисунке двухзначным числом, первое из которых - номер профиля, второе - номер пикета.

Белая стрелка обозначает положение и направление тоннеля метро под площадкой исследований. Полевые наблюдения осуществлялись по следующей схеме. В точки, отмеченные на площадке исследований, показанной на Фиг. 1, расставлялись сейсмические датчики и регистраторы. Приборы включались на 20-30 минут записи, после чего файл считывался на компьютер для дальнейшей обработки. Частотный диапазон, в котором осуществлялась запись сейсмических сигналов, был ограничен 64 Гц. Усиление для всех точек наблюдения имело значение 16.

Собственно обработка и интерпретация полученного в результате полевых наблюдений сейсмического материала осуществлялась в несколько этапов. На первом оценивалось качество сейсмограмм, выделялись наиболее характерные фрагменты, необходимые для дальнейшей обработки. На Фиг. 2 приведен пример обзорной сейсмограммы длительностью 22 минуты, зарегистрированной в точке наблюдения Пр3Пк3 (Фиг. 1). Интенсивными всплесками, обозначенными цифрами 1-8, на сейсмограмме показаны прохождения поездов метро непосредственно под площадкой исследований. В среднем за время регистрации одной сейсмограммы фиксировались 6-8 прохождений поездов. При этом более короткие временные интервалы между всплесками, очевидно, характеризуют движение прямого и встречного поездов.

В каждой точке наблюдения фиксировалась аналогичная сейсмограмма. Волновое поле каждого прохождения электропоезда обрабатывалось с применением методики спектральных отношений H/V. По всем интервалам времени между всплесками сейсмического сигнала при прохождении поездов метро рассчитывались амплитудно-частотные спектры сейсмического сигнала, на основании которых вычислялись передаточные функции H/V и по формуле (3) рассчитывались значения коэффициента уязвимости. Графики семи спектров H/V (по числу промежуточных интервалов на фиг. 2) показаны на фиг. 3, а результаты расчетов для точки наблюдения Пр3Пк3 представлены в табл. 1.

Аналогичные расчеты коэффициента уязвимости и приращения сейсмической интенсивности произведены для всех точек наблюдения, показанных на фиг. 1. В результате был получен банк данных, являющийся основой для построения схематической карты сейсмического микрорайонирования участка и анализа поведения грунтовой толщи, покрывающей тоннель метро во времени. Способ с успехом можно применить для длительных мониторинговых исследований.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 - Площадка исследований, расположенная над тоннелем метро.

Фиг. 2 - Пример обзорной сейсмограммы, зарегистрированной в точке наблюдения Пр3Пк3.

Фиг. 3 - Передаточные функции H/V промежуточных интервалов времени между проходами поездов метро, рассчитанные по сейсмограмме в точке наблюдения Пр3Пк3.

Источники информации

1. Рекомендации по сейсмическому микрорайонированию. М: Наука, 1985. с. 72.

2. Сейсмическое микрорайонирование. // Под редакцией д.т.н. С.В. Медведева // М: Наука, 1977. С. 67-74.

3. Сенин Л.Н., Сенина Т.Е. Способ сейсмического микрорайонирования с использованием коэффициента уязвимости. Патент RU 2771156 С1, 27.04.2022 - ПРОТОТИП.

4. Nakamura Y. Seismic Vulnerability indices for ground and structures using microtremor. In World Congress on Railway Research. Florence, 1997. P. 1-7.

5. Nakamura Y. A Method for dynamic characteristic estimation of subsurface using microtremor on the ground surface. Quarterly report of Railway Technical Research Institute. 1989. V. 30. No 1. P. 25-30.

Изобретение относится к области сейсмических исследований и может быть использовано в инженерной сейсмологии для оценки сейсмостойкости грунтов, покрывающих тоннели метрополитена. При движении электропоезда метро по стенкам тоннеля и, соответственно, в покрывающей толще грунтов, включая дневную поверхность, распространяются интенсивные упругие воздействия, которые до некоторой степени изменяют состояние грунтовой толщи после каждого прохождения электропоезда. В частности это может быть, например, незначительное уплотнение или разуплотнение грунта, изменение спектра передаточной функции H/V и т.п. Поэтому, исследуя сейсмические записи в промежутках между прохождением поездов метро, рассчитывая приращение сейсмической интенсивности и сопоставляя, например, такой параметр сейсмограммы, как коэффициент уязвимости во времени, можно сделать вывод о стабильном или нестабильном поведении грунтов в точке измерения. Кроме того, проводя такие исследования над тоннелями метро по площади, можно построить схематическую карту сейсмического микрорайонирования (СМР), по которой легко оценить сейсмостойкость грунтовой толщи. Технический результат - повышение надежности оценки сейсмической уязвимости (сейсмостойкости) грунтовой толщи, покрывающей тоннель метрополитена, - достигается за счет использования при реализации способа коэффициента уязвимости и приращения сейсмической интенсивности, расчет которых производится в интервалы времени, когда отсутствует движение поездов метрополитена. 3 ил., 1 табл.

Способ оценки сейсмостойкости грунтов, покрывающих тоннель метрополитена, методом сейсмического микрорайонирования с использованием коэффициента уязвимости, включающий регистрацию сейсмических колебаний грунтов с помощью 3-канальных сейсмических регистраторов и 3-компонентных сейсмоприемников, установленных на грунтах, отличающийся тем, что приборы устанавливаются на поверхности грунтов, расположенных над тоннелем метрополитена для записи сейсмограмм проходящих поездов метро в течение 20-30 минут, при этом прохождений поездов должно фиксироваться на сейсмограмме не менее двух; обработке на сейсмограмме подвергаются временные интервалы между прохождениями поездов, когда уровень шумов минимален, для каждого интервала рассчитывается и строится график передаточной функции H/V отношения спектров горизонтальных к вертикальной компонент, для каждой передаточной функции определяют максимальную амплитуду и соответствующую ей частоту, после чего вычисляют коэффициент уязвимости по формуле:

,

где (K_y)_i - коэффициент уязвимости каждого интервала времени между проходами поездов метро на сейсмограмме, A_max - максимальное значение коэффициента усиления в соответствии со спектральной характеристикой H/V, ƒ - соответствующая этому значению частота;

далее определяют среднее значение коэффициента уязвимости (K_y)_ср в соответствии с числом промежуточных интервалов между проходами поездов метро на сейсмограмме и по формуле

рассчитывают приращение сейсмической интенсивности для каждого интервала между проходами поездов, после чего находят среднее арифметическое ΔI_ср для всей сейсмограммы, что будет соответствовать приращению сейсмической интенсивности в данной точке наблюдения, на основании полученных значений сейсмической интенсивности в точках наблюдения строят схематическую карту сейсмического микрорайонирования участка грунтовой толщи, покрывающей тоннель метро, на основании которой делают вывод о сейсмостойкости участка грунтовой толщи, покрывающей тоннель метро, опираясь на референсные значения сейсмической интенсивности из известной шкалы сейсмостойкости, применяемой для оценки сейсмостойкости грунтов.