Способ сейсмического микрорайонирования

Изобретение относится к области сейсмических исследований и может быть использовано в инженерной сейсмологии для оценки интенсивности сейсмических колебаний с учетом свойств грунтов, слагающих территории городов и строительных площадок. Для повышения точности определения приращений сейсмической интенсивности, вызываемых сильными землетрясениями, на участке исследований с помощью трехкомпонентных сейсмоприемников, установленных на грунтах с разными инженерно-геологическими условиями, производится запись микроколебаний, фрагментируется полученная сейсмограмма на короткие отрезки с минимальной зашумленностью, рассчитывается спектр каждого фрагмента, находятся результирующие спектры горизонтальных компонент и среднее арифметическое спектров горизонтальных колебаний Н и вертикальных V. После расчета передаточной функции H/V выделяется максимум коэффициента усиливаемости поперечных колебаний в исследуемом [(H/V)_max]_i и эталонном [(H/V)_max]₀ грунтах и вычисляется приращение сейсмической интенсивности из соотношения:

Технический результат - повышение производительности и точности определения приращений сейсмической интенсивности. 2 ил.

 

Область применения: Предполагаемое изобретение относится к области сейсмических исследований и может быть использовано в инженерной сейсмологии для оценки интенсивности сейсмических колебаний с учетом свойств грунтов, слагающих территории городов и строительных площадок.

Технический результат предполагаемого изобретения - повышение производительности и точности определения приращений сейсмической интенсивности.

Известно, что сейсмическое микрорайонирование (СМР) производится с целью выделения в пределах изучаемой территории участков с различной сейсмической интенсивностью (интенсивностью сотрясений), которая может отличаться от интенсивности, определяемой картой общего сейсмического районирования территории Российской Федерации (ОСР-2015). Различия определяются рядом причин. Во-первых, различием физико-механических свойств грунтов и особенностями их строения; во-вторых, расположением участков исследования по отношению к сейсмотектоническим зонам; наконец, особенностями характеристик очагов воздействия.

Известен способ выполнения сейсмического микрорайонирования инженерно-геологическим методом с использованием модели сейсмогрунтовых условий и локальной классификации грунтов по сейсмическим свойствам [1]

Однако в данном способе отсутствует инструментальная оценка приращений сейсмической интенсивности в условиях реальных сильных землетрясений, что снижает точность определения приращений бальности.

Известен также 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 [2].

К недостатком этого способа можно отнести низкие производительность, надежность и стабильность получаемых результатов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является способ сейсмического микрорайонирования с использованием микросейсмических колебаний [3], при котором для определения изменения интенсивности сильного землетрясения по максимальной амплитуде микроколебаний применяется формула:

где (A_max)_i, (A_max)₀ - максимальные амплитуды микросейсмических колебаний для исследуемого и эталонного грунтов соответственно.

Недостатками способа являются низкая стабильность и точность снятия отсчетов А_mах непосредственно с сейсмограммы, что ведет к снижению производительности работ и корректности учета нелинейно-упругих свойств грунтов при вычислении приращения интенсивности сейсмических колебаний.

Технический результат предполагаемого изобретения - повышение производительности и точности определения балльности (интенсивности) - достигается следующим образом.

Полагая, что микросейсмические колебания представляют собой случайный процесс, стационарный во времени и пространстве [3], можно принять следующее положение. Каждая сейсмограмма достаточно большой продолжительности может быть заменена множеством коротких фрагментов такой же суммарной продолжительности. Следовательно, можно установить некоторую стандартную длительность для каждого фрагмента, проанализировать на уровень шумов и выбрать наименее зашумленные с точки зрения отсутствия на них интенсивных импульсных выбросов. Таким образом минимизируются наиболее интенсивные помехи, в частности, имеющие техногенную природу. Пример этой процедуры приведен на фиг. 1. На фиг. 1А показана обзорная сейсмограмма записи микроколебаний, на которой пунктирной линией выделен один из наименее зашумленных фрагментов, а на фиг. 1В приведена развертка этого фрагмента.

В дальнейшем обработка сейсмических материалов проводится с применением известного метода Накамуры (H/V Nakamura's ratio) [4], в основе которого лежат представления о том, что влияние «тонкого слоя», расположенного непосредственно под сейсмическим датчиком на изучаемом объекте, в большей степени способствует усиливанию поперечной волны (S) и практически не изменяет продольную волну (Р). Исходя из этого положения, отношение результирующего спектра 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 как среднее квадратичное спектров компонент X и Y, а вертикальная V соответствует спектру компоненты Z.

Далее вычисляется непосредственно отношение H/V

Спектры рассчитываются для каждого выбранного фрагмента сейсмограммы, после чего определяется среднее арифметическое результирующего спектра горизонтальных компонент и среднее арифметическое спектра вертикальной компоненты и по формуле (2) вычисляется коэффициент усиливаемости поперечных колебаний в каждой точке измерения. Из полученного банка данных находится - максимальные значения передаточной функции для точек наблюдения, расположенных на исследуемых грунтах, и - максимальное значение передаточной функции для точки наблюдения, расположенной на эталонных грунтах. Приращения балльности определяются из соотношения:

В качестве примера на фиг. 2 приведен график передаточной функции рассчитанный по описанной выше методике по сейсмограмме, зарегистрированной с помощью 3-канального регистратора сейсмических сигналов и 3-компонентного сейсмоприемника. Точка наблюдения - лесопарковая зона вблизи Института геофизики в г. Екатеринбурге. На графике четко выделяется пиковое значение соответствующее частоте колебаний 1,9 Гц.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1А - Обзорная сейсмограмма записи микроколебаний, на которой пунктирной линией выделен один из наименее зашумленных фрагментов.

Фиг. 1В - Развертка фрагмента сейсмограммы, выделенного пунктирной линией на Фиг. 1А.

Фиг. 2 - Пример графика передаточной функции H/V, рассчитанной по описанной в предполагаемом изобретении методике. Исходная сейсмограмма зарегистрирована с помощью 3-канального регистратора сейсмических сигналов и 3-компонентного сейсмоприемника.

Источники информации

1. Никитин С.Н., Погребченко В.В., Никитина И.А. Способ сейсмического микрорайонирования инженерно-геологическим методом. Инженерные изыскания. 2017; (6-7): С. 118-132.

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

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

4. 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. №1. P. 23-33.

Способ сейсмического микрорайонирования, включающий регистрацию микросейсмических колебаний грунтов с помощью сейсмических регистраторов и сейсмоприемников, установленных на участках с различными инженерно-геологическими условиями, выделение максимальных амплитуд на сейсмограммах и суждение о нелинейно-упругих свойствах грунтов на основе отношения максимальных амплитуд сейсмических сигналов на исследуемых и эталонном грунтах, отличающийся тем, что регистрация микроколебаний грунтов производится трехкомпонентными сейсмоприемниками, полученная сейсмограмма разбивается на короткие фрагменты с минимальным уровнем зашумленности, для каждого фрагмента вычисляются амплитудно-частотные спектры горизонтальных (X, Y) и вертикальной (Z) компонент, после чего рассчитывается результирующий спектр поперечных колебаний Н как среднее квадратичное спектров компонент X, Y и находится среднее арифметическое спектров всех выделенных фрагментов, вычисляются передаточные функции для исследуемых грунтов и - для эталонного грунта, из полученных спектральных соотношений выделяются максимальные значения и рассчитываются приращения балльности с помощью соотношения:

где - максимум передаточной функции в точках измерения на исследуемых грунтах;

- максимум передаточной функции в точке измерения на эталонном грунте.