Поведение грунтов при землетрясениях и причины разрушений

Сейсмический толчок вызывает низкочастотные колебания сооружений. Поскольку они обладают большой массой, то при колебаниях возникают значительные силы инерции, в результате чего в различных местах конструкций генерируются высокие механические напряжения (сжатия-растяжения и сдвига), которые могут превысить прочность материала в том или другом месте и привести к повреждениям или даже к обрушению всего сооружения. Поэтому в сейсмичных районах возводятся здания с антисейсмическим усилением в уязвимых местах конструкции. Проектирование осложняется тем, что в зависимости от спектра толчка, угла подхода волн к поверхности, типа и жесткости сооружения, формы и глубины заложения фундамента и других факторов могут одновременно возбуждаться разные пространственные формы (или моды) колебаний как сооружения в целом, так и его конструктивных частей. В общем случае сооружение как свободное тело в пространстве имеет шесть степеней свободы и соответствующие им разные пространственные формы, или моды колебаний: три простых поступательных перемещения (вертикальное и два горизонтальных) и три вращательных перемещения: маятниковые колебания, или боковая качка, — колебания вокруг продольной оси; галопирование, или продольная качка, — колебания вокруг поперечной оси; виляние — колебания вокруг вертикальной оси. Вибрации произвольного сооружения с фундаментом являются результатом наложения разных мод колебаний, для каждой из которых существует собственная частота колебаний.

Очевидно, что на колебания сооружения влияют и грунты, на которых оно стоит. Важнейшей задачей при расчете колебательной системы сооружение-основание по всем модам является прогноз ее резонансных частот и пиковых амплитуд смещения, рассматриваемых как предельные — самые неблагоприятные условия работы сооружения. Дело в том, что в спектре сейсмической волны присутствуют колебания с частотами, близкими к собственной частоте ряда сооружений, которая для разных мод часто составляет от долей до первых герц (характерные периоды от 0,2 до 2 с). При возникновении резонанса резко возрастают напряжения по контакту фундамента с грунтом, а также в самой конструкции сооружения и вероятность его разрушения повышается. Особенно опасно резонансное усиление маятниковых колебаний — когда центр тяжести сооружения значительно удален от точки его опоры, что характерно для мостовых опор, труб и высотных зданий вообще.

Итак, сейсмический эффект определяется в основном тремя параметрами: уровнем амплитуд, преобладающим периодом и продолжительностью колебаний. Последний фактор может иметь решающее значение для устойчивости сооружений, и кратковременная нагрузка даже с весьма высоким ускорением может оказаться неопасной для многих из них. А длящееся сравнительно долго (несколько десятков секунд) малоамплитудное воздействие может привести к серьезным разрушениям.

Задача усложняется плохо прогнозируемыми эффектами резонансного усиления сейсмических колебаний рыхлыми приповерхностными грунтами: в зависимости от их типа и мощности пластов колебания одних частотных интервалов могут избирательно усиливаться, а других практически полностью поглощаться. Явление это связано с возбуждением собственных колебаний самого пласта вблизи свободной поверхности в волнах данного типа.

Поэтому для того, чтобы спроектировать устойчивое здание, необходимы не только сведения о силе и месте возможных землетрясений, но и надежные данные о вынужденных колебаниях сооружения на тех или иных грунтах основания. Для этого определяются некоторые характеристики грунта, такие, как его динамические модули сжатия и сдвига, коэффициент затухания, а в зависимости от них для расчетов принимается одна из возможных моделей поведения грунтового основания. Например, во многих случаях оказывается возможным применение достаточно простой модели упругого полупространства: при этом можно свести задачу к расчету колебаний твердого тела с известной массой на поверхности упругой, однородной, изотропной и непрерывной среды. Но существуют и более сложные модели, учитывающие вязкие свойства грунтов, их неизотропность, слоистость, и поиски более корректных моделей продолжаются.

Однако коварство многих рыхлых увлажненных грунтов (песков, глин, суглинков, то есть таких, которые обычно залегают с поверхности земли) заключается в способности менять свои механические свойства при прохождении через них упругих волн. Суть такого эффекта заключается в следующем. Указанные грунты состоят из мелких и мельчайших (до сотых и тысячных долей миллиметра) минеральных частиц, в промежутках (порах) между которыми находятся вода и газы. Все сопротивление такого грунта внешней нагрузке, например весу стоящего на нем здания, осуществляется за счет огромного числа контактов между этими частицами, многие из которых очень слабые. При прохождении упругой волны возбуждаются колебания частиц грунта с разными скоростями и часть контактов (тем большая, чем выше энергия волны) разрывается. В результате прочность грунта заметно (иногда в несколько раз) снижается, а стоящее на нем сооружение может осесть вглубь, перекоситься или опрокинуться. Некоторые водонасыщенные грунты (в особенности мелкие рыхлые пески) могут даже разжижаться при достаточно сильном сейсмическом воздействии: при исчезновении непосредственного контакта между песчаными зернами они в какой-то момент оказываются как бы взвешенными во вмещающей их воде. Вода при этом стремится отжаться, но процесс этот требует некоторого времени, поскольку ограничивается водопроницаемостью грунта. В результате сейсмическое разжижение грунтов обычно сопровождается тяжелыми авариями даже сейсмостойких сооружений: здания успевают «утонуть» или перекоситься, дороги разрываются на поверхности разжиженных отложений, а подземные емкости с горючим, наоборот, всплывают на поверхность, затопленную невесть откуда взявшейся грязной водой. Происходят даже выбросы разжиженного грунта на поверхность с образованием песчаных кратеров. Катастрофическое разжижение водонасыщенных пылевато-песчаных грунтов, вызвавшее жертвы и огромный экономический ущерб, произошло при двух сильных землетрясениях 1964 года: 27 марта у берегов Аляски близ Анкориджа с М = 8,4 и 16 июня в Ниигате (Япония) с М = 7,5.

Сейсмическое воздействие может нарушить равновесие значительного объема горных пород на склоне и привести к образованию крупных оползней и обвалов, которые сами по себе могут стать еще одной причиной жертв и разрушений. Оползни срываются вниз вместе с расположенными на них сооружениями, сметая все на своем пути, и могут похоронить целые поселки и даже города. Первые документальные свидетельства о сейсмогенных оползнях относятся к 372 году до н.э. (еще до рождения Александра Македонского). Разжижение или частичная потеря прочности грунтов способствуют возникновению оползней при землетрясениях, но могут быть и их непосредственной причиной.