ON THE SEISMIC PROPERTIES OF SOILS ON THE BORDER OF GENTLE ROCK SLOPES AND ABOVE-FLOODPLAIN RIVER TERRACES UNDER PERMAFROST CONDITIONS

СЕЙСМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ НА ГРАНИЦЕ ПОЛОГИХ СКАЛЬНЫХ СКЛОНОВ И НАДПОЙМЕННЫХ РЕЧНЫХ ТЕРРАС В УСЛОВИЯХ КРИОЛИТОЗОНЫ

Научная статья

Гриб Н.Н.¹, Гриб Г.В.², Кузнецов П.Ю.^3, *, Качаев А.В.⁴, Малинин Ю.А.⁵

¹ ORCID: 0000-0002-3818-9473;

³ ORCID: 0000-0003-0916-9649;

^1-5 Технический институт (филиал) Северо-Восточного федерального университета им. М.К. Аммосова, Нерюнгри, Россия;

¹ Академия наук Республики Саха (Якутия), Якутск, Россия

* Корреспондирующий автор (otdelniiid[at]mail.ru)

Аннотация.

Цель исследования – оценка различия сейсмических свойств грунтов на границе пологих склонов, представленных скальными породами, и надпойменных речных террас в условиях криолитозоны. Основная задача, решаемая при исследованиях, – установление наличия или отсутствия специфических спектров отклика грунтовой толщи на стыке инженерно-геологических элементов, представленных многолетнемерзлыми породами. В процессе исследований выполнен комплекс геофизических и сейсмологических исследований, который позволил получить результаты оценки локальных грунтовых условий на примере построения специфических спектров отклика грунтовой толщи. Установлен сдвиг спектров со смещением максимального спектрального ускорения в область низких частот и усиления амплитуд над отложениями речной долины. Выявлено, что при всесторонней оценке возможной сейсмической опасности изучаемой площади для точного прогноза поведения грунтов при динамических нагрузках не всегда достаточно метода сейсмических жесткостей.

Ключевые слова: сейсмические свойства грунтов, криолитзона, методы сейсмических жесткостей и микросейсм, спектральные ускорения.

ON THE SEISMIC PROPERTIES OF SOILS ON THE BORDER OF GENTLE ROCK SLOPES AND ABOVE-FLOODPLAIN RIVER TERRACES UNDER PERMAFROST CONDITIONS

Research article

Grib N.N.¹, Grib G.V.², Kuznetsov P.Yu.^3, *, Kachaev A.V.⁴, Malinin Yu.A.⁵

¹ ORCID: 0000-0002-3818-9473;

³ ORCID: 0000-0003-0916-9649;

^1-5 Technical Institute (branch) of the M. K. Ammosov North-Eastern Federal University, Neryungri, Russia;

¹ Academy of Sciences of the Republic of Sakha (Yakutia), Yakutsk, Russia

* Corresponding author (otdelniiid[at]mail.ru)

Abstract

The aim of the study is to assess the difference in the seismic properties of soils at the boundary of gentle slopes in the form of rocks and above-floodplain river terraces in the conditions of permafrost. The main task of the research is to determine the presence or absence of specific response spectra of the soil layer at the junction of the elements of engineering geology in the form of permafrost rocks. In the course of the research, a complex of geophysical and seismological research was carried out, which allowed for obtaining the results of assessing local ground conditions using the construction of specific response spectra of the ground layer as an example. The study determines the shift of the spectra with the shift of the maximum spectral acceleration to the low-frequency region and amplification of the amplitudes over the river valley sediments. It also establishes that in a comprehensive assessment of the possible seismic hazard of the area under study, the seismic impedance method is not always sufficient to accurately predict the behavior of soils under dynamic loads.

Keywords: seismic properties of soils, permafrost, methods of seismic impedance and microseisms, spectral accelerations.

Введение

Существует большое количество факторов, определяющих поведение грунтов при динамических нагрузках, но из-за разнообразия мест и сложности условий, при которых возникают подобные нагрузки, сложно установить их приоритетность. Поэтому при проведении сейсмического микрорайонирования ему должны предшествовать инженерно-геологические изыскания с целью получения данных об инженерно-геологических условиях, оказывающих влияние на сейсмичность изучаемой территории (включая геоморфологическое, тектоническое и геологическое строение, литологический состав, состояние и физико-механические характеристики грунтов, положение уровня грунтовых вод, неблагоприятные физико-геологические процессы и явления и др.), а также возможных изменениях этих условий в процессе строительства и эксплуатации инженерных сооружений [1], [2], [3]. Целый ряд исследований [4], [5], [8] заостряет внимание на необходимости индивидуального изучения локальных грунтовых условий и построения специфических спектров отклика грунтовой толщи для всесторонней оценки возможной сейсмической опасности.

Экспериментальные исследования

Выполненные в Южной Якутии исследования позволили оценить влияние локальных грунтовых условий в криолитозоне. Площадь исследований располагалась на стыке инженерно-геологических элементов пологих скальных склонов и надпойменных речных террас. По границе ландшафтов расположен линейный объект – полотно железной дороги. Практическую значимость исследованиям придал факт строительства железнодорожного пути по границе раздела ландшафтов.

Для оценки локальных грунтовых условий были выполнены сейсморазведочные работы методом преломленных волн (КМПВ). По данным сейсморазведки определена сейсмическая жесткость 30-ти метровой толщи, лежащей в основании сооружения. Профили геофизических исследований были проложены параллельно железнодорожным путям – к западу и к востоку от линейного сооружения.

Отметим, что вычисленные по данным сейсморазведки средние показатели сейсмической жесткости для склонового ландшафта и ландшафта речной террасы различались несущественно: средняя сейсмическая жесткость 30-ти метрового слоя для склонового ландшафта 3808 т/с*м², для ландшафта речной террасы – 3086 т/с*м². По этим показателям грунты обоих ландшафтов отнесены к грунтам первой категории по сейсмическим свойствам (таблица 4.1 СП 14.13330.2018 «Строительство в сейсмических районах») [10]. По этим же профилям были выполнены электротомографические исследования. Результаты электротомографии подтвердили тотальное распространение мёрзлых пород в пределах изучаемого разреза, что объясняет высокие показатели сейсмической жесткости грунтовой толщи (рис. 1).

Рис. 1 – Геоэлектрический – а и скоростной – b разрезы исследуемого участка; по оси Y- глубина в м., по оси Х – расстояние по профилю в м.

 

Самая значимая информация была получена при выполнении сейсмологических исследований. Схема расположения трёхкомпонентных акселерографов приведена на рис. 2.

Рис. 2 – Схема расположения трёхкомпонентных акселерографов

 

Точки наблюдения выбраны, исходя из задачи обеспечить максимальную контрастность грунтовых условий – станция 001 размещена на склоне, сложенном скальными породами, станция 002 – на надпойменной речной террасе. При наблюдениях были зарегистрированы высокоамплитудные сейсмические сигналы от двух типов источников – от проходящего грузового поезда и от промышленного взрыва на Нерюнгринском разрезе.

Результаты и обсуждения

Из зарегистрированных и обработанных первичных акселерограмм, по трём составляющим, характеризующим движение грунта при прохождении грузового поезда очевидно, что большие амплитуды движений грунта зарегистрированы станцией 002, расположенной на надпойменной речной террасе (рис. 3). Особый интерес представляют спектры отклика грунтовой толщи (рис. 4). Спектры отклика горизонтальных компонент существенно отличаются амплитудой сигнала, при относительной сохранности спектра. Спектры отклика вертикальных компонент существенно отличаются спектральными характеристиками – спектр отклика станции 002 существенно сдвинут в область низких частот. Амплитуда сигнала спектра отклика станции 002 выше, чем амплитуда станции 001 (рис. 4), исходя из этого можно сделать предположение о влиянии локальных условий изучаемой площадки.

Рис. 3 – Акселерограммы горизонтальной компоненты сейсмического сигнала от проходящего грузового поезда

 

Отметим также хорошую сходимость результатов с данными сейсморазведки – по данным расчёта сейсмических жесткостей средняя резонансная частота изучаемой грунтовой толщи 9,39 Гц.

Наблюдаемое явление сдвига спектров и усиления амплитуд над отложениями речной долины невозможно объяснить наличием какого-либо одного фактора. Так в работе [9] установлено, что полученные при натурных экспериментах спектры отклика грунтовой толщи превышают нормативные, особенно в интервале высоких частот. Авторы [9] отмечают, что влияние локальных геологических и грунтовых условий на интенсивность землетрясений и повреждения сооружений определялись за многолетний период. Степень их влияния зависит от рельефа и физических параметров грунтов, а также от особенностей местности и начальной интенсивности движения на исследуемом участке [9].

Рис. 4 – Спектры отклика горизонтальных и вертикальной компонент сейсмического сигнала от проходящего грузового поезда

 

Для уточнения полученных результатов в этих же точках наблюдения была выполнена регистрация последствий воздействия на изучаемую грунтовую толщу ещё одного техногенного источника сильных сейсмических сигналов – промышленных взрывов на Нерюнгринском угольном разрезе. Спектры отклика грунтовых толщ, рассчитанные по данным станции 001 и станции 002. Полученные числовые показатели: горизонтальная longitudinal компонента, станции 001 – 0.1951*10^-4 g при частоте 28.18 Гц, станции 002 – 0.5667*10^-4 g при частоте 44.67 Гц; горизонтальная transverse компонента, станция 001 – 0.124*10^-4 g при частоте 28.18 Гц, станции 002 – 0.6131*10^-4 g при частоте 37.58 Гц; вертикальная компонента, станции 001 – 0.1120*10^-4 g при частоте 28.18 Гц, станции 002 – 0.8763*10^-4 g при частоте 31.62 Гц. Из приведённых данных можно сделать вывод, что спектральные ускорения смещены в область высоких частот.

Для оценки влияния относительно длиннопериодных колебаний на грунтовое основание была произведена фильтрация исходного сигнала в полосе от 0,5 до 20 Гц. Результаты расчета спектральных частот отклика грунтовой толщи для отфильтрованного сигнала приведены ниже. Максимальные спектральные амплитуды сместились в область более низких частот: горизонтальная долготная компонента, станции 001 - 0.4632*10^-4 g при частоте 18.84 Гц, станции 002 - 0.244*10^-4 g при частоте 0.6 Гц; горизонтальная широтная компонента, станции 001 - 0.2409*10^-4 g при частоте 25.12 Гц, станции 002 - 0.2047*10^-4 g при частоте 10.0 Гц; вертикальная компонента, станция 001 - 0.3728*10^-5 g при частоте 13.34 Гц, станция 002 - 0.2256*10^-4 g при частоте 15.85 Гц.

Заключение

Основные выводы, полученные по результатам обработки акселерограмм колебаний грунтов под влиянием внешних техногенных источников сильного сейсмического сигнала: в случае нахождения источника сигнала в ближней зоне (от грузового поезда) наблюдается отчетливый локальный эффект, выраженный в существенном возрастании амплитуды сигнала в толще речных отложений, со смещением максимального спектрального ускорения в область низких частот; в случае регистрации колебаний от достаточно удаленного источника (промышленные взрывы) наблюдается незначительное увеличение амплитуды сигнала в толще речных отложений, спектральные ускорения смещены в область высоких частот. При фильтрации сигнала в полосе пропускания 0,5-20 Гц максимальные спектральные амплитуды сместились в область низких частот, особенно этот эффект выражен для горизонтальной долготной компоненты, субпараллельной оси сооружения и речной долине. В качестве результирующего вывода по теме исследования следует отметить несовершенство существующей нормативной базы по сейсмостойкому строительству – как европейской [11], так и российской [10]. Например, в актуализированной версии СНиП II-7-81* - СП 14.13330.2018 [10], метод сейсмических жесткостей принят в качестве основного инструментального метода. Но даже на одном небольшом примере мы можем увидеть, что данные метода сейсмических жесткостей не всегда достаточны для корректной оценки сейсмической опасности, выполненные исследования свидетельствуют о необходимости индивидуальной оценки локальных грунтовых условий и построения специфических спектров отклика грунтовой толщи для всесторонней оценки возможной сейсмической опасности любой изучаемой площади. Полученные результаты подтверждается исследованиями в докладе греческих исследователей K. Pitilakis, Z. Roumelioti [12].

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Алешин А.С. Сейсмическое микрорайонирование особо ответственных объектов / А.С. Алешин. – М.: Светоч Полюс, 2010. – 304 с.
2. Гриб Н.Н. Применение геофизических методов для выявления неблагоприятных инженерно-геологических условий на объекте Горно-обогатительный комбинат на золото-сурьмяном месторождении «Сентачан» / Н.Н. Гриб, А.А. Сясько, А.В. Качаев и др. // Успехи современного естествознания, № 4. - 2016, С. 133-140. DOI: 10.17513/use.35876.
3. Гриб Н.Н. Оценка сейсмической опасности района строительства Эльгинского угольного комплекса на Юге Якутии по комплексу геолого-геофизических данных / Н.Н. Гриб, В.С. Имаев, Л.П. Имаева и др. // Вопросы инженерной сейсмологии. 2014. Т. 41. № 3. C. 55-74
4. Glass C. E. Seismic wave attenuation during the 19 September 1985 Michoacan, Mexico earthquake / C. E. Glass // Int. J. Min. Geol. Eng., vol. 7, no. 1, P. 9–15, 1989.
5. Ишихара К. Поведение грунтов при землетрясениях / К. Ишихара. СПб.: НПО Геореконструкция – Фундаментпроект», 2006. 383 с.
6. Reinoso E. Spectral Ratios for Mexico City from Free Field Recordings / E. Reinoso, M. Ordaz // Earthquake Spectra – 1999. - vol. 15. - Р. 273–295.
7. Куруоглы М. Влияние Локальных Грунтовых Условий на Динамический Грунтовый Отклик на Южном Побережье Залива Измир, Турция / М. Куруоглы, Т. Эскисар // Геология и геофизика, 2015, т. 56, № 8, С. 1530 – 1544.
8. Faccioli E. Displacement spectra for long periods / E. Faccioli, R. Paolucci, and J. Rey // Earthq. Spectra. - 2004. - vol. 20, no. 2. - Р. 347–376.
9. Rayhani M. H. T. Nonlinear Analysis of Local Site Effects on Seismic Ground Response in the Bam Earthquake / M. H. T. Rayhani, M. H. El Naggar, and S. H. Tabatabaei // Geotech. Geol. Eng. - 2007. - vol. 26, no. 1. - Р. 91–100.
10. СП 14.13330.2018. строительство в сейсмических районах. Актуализированная редакция СНиП II-7-81. М.: Стандартинформ, 2018. - 208 с.
11. JRC European Commission, Eurocode 8: Seismic Design of Buildings Worked examples. 2012. 522 p.
12. Pitilakis K. The Lefkas M6 . 2 2003 Earthquake / K. Pitilakis and Z. Roumelioti // in Vienna Congress on Recent Advances in Earthquake Engineering and Structural Dynamics 2013 (VEESD 2013), 2013, no. August 2013, p. 383.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Aleshin A. S. Sejsmicheskoe mikrorajonirovanie osobo otvetstvennyh ob’ektov [Seismic micro-zoning of particularly responsible objects] / A. S. Aleshin. - M.: Svetoch Polyus, 2010. - 304 p. [in Russian]
2. Grib N. N. Primenenie geofizicheskih metodov dlja vyjavlenija neblagoprijatnyh inzhenerno-geologicheskih uslovij na ob’ekte Gorno-obogatitel'nyj kombinat na zoloto-sur'mjanom mestorozhdenii «Sentachan» [Application of geophysical methods for identifying unfavorable engineering and geological conditions at the Mining and Processing Plant on the gold-antimony deposit "Sentachan"] / N. N. Grib, A. A. Syasko, A.V. Kachaev et al. // Uspekhi sovremennogo estestvoznaniya, No. 4.-2016, pp. 133-140. DOI: 10.17513/use. 35876. [in Russian]
3. Grib N. N. Ocenka sejsmicheskoj opasnosti rajona stroitel'stva Jel'ginskogo ugol'nogo kompleksa na Juge Jakutii po kompleksu geologo-geofizicheskih dannyh [Assessment of the seismic hazard of the construction area of the Elginsky coal complex in the South of Yakutia according to the complex of geological and geophysical data] / N. N. Grib, V. S. Imaev, L. P. Imaeva et al. // Voprosy inzhenernoj sejsmologii [Questions of engineering seismology]. 2014. Vol. 41. no. 3. P. 55-74 [in Russian]
4. Glass C. E. Seismic wave attenuation during the 19 September 1985 Michoacan, Mexico earthquake / C. E. Glass // Int. J. Min. Geol. Eng., vol. 7, no. 1, P. 9–15, 1989.
5. Ishihara K. Povedenie gruntov pri zemletrjasenijah [The behavior of soils during earthquakes] / K. Ishihara. St. Petersburg: NPO Georekonstruktsiya-Fundamentproekt", 2006. 383 p. [in Russian]
6. Reinoso E. Spectral Ratios for Mexico City from Free Field Recordings [Spectral Ratios for Mexico City from Free Field Recordings] / E. Reinoso, M. Ordaz // Earthquake Spectra – 1999. - vol. 15. - p. 273-295.
7. Kuruogly M. Vlijanie Lokal'nyh Gruntovyh Uslovij na Dinamicheskij Gruntovyj Otklik na Juzhnom Poberezh'e Zaliva Izmir, Turcija [Influence of Local Soil Conditions on the Dynamic Soil Response on the Southern Coast of the Gulf of Izmir, Turkey] / M. Kuruogly, T. Eskisar // Geologija i geofizika [Geology and Geophysics], 2015, vol. 56, No. 8, pp. 1530-1544. [in Russian]
8. Faccioli E. Displacement spectra for long periods / E. Faccioli, R. Paolucci, and J. Rey // Earthq. Spectra. - 2004. - vol. 20, no. 2. - Р. 347–376.
9. Rayhani M. H. T. Nonlinear Analysis of Local Site Effects on Seismic Ground Response in the Bam Earthquake / M. H. T. Rayhani, M. H. El Naggar, and S. H. Tabatabaei // Geotech. Geol. Eng. - 2007. - vol. 26, no. 1. - Р. 91–100.
10. SP 14.13330.2018. Stroitel''stvo V Sejsmicheskih Rajonah. Aktualizirovannaja Redakcija Snip Ii-7-81 [SP 14.13330.2018. Construction In Seismic Areas. Updated version of SNiP II-7-81] *Moscow: Standartinform, 2018. - 208 p. [in Russian]
11. JRC European Commission, Eurocode 8: Seismic Design of Buildings Worked examples. 2012. 522 p.
12. Pitilakis K. The Lefkas M6 . 2 2003 Earthquake / K. Pitilakis and Z. Roumelioti // in Vienna Congress on Recent Advances in Earthquake Engineering and Structural Dynamics 2013 (VEESD 2013), 2013, no. August 2013, p. 383.