Способ сейсмического микрорайонирования с использованием коэффициента уязвимости

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 сейсмическими событиями естественного или искусственного происхождения, на участке исследований с помощью трехкомпонентных сейсмоприемников, установленных на грунтах с разными инженерно-геологическими условиями, производится запись микроколебаний, по полученным сейсмограммам рассчитываются амплитудно-частотные спектры горизонтальных (X, Y) и вертикальной (Z) компонент, после чего рассчитывается результирующий спектр поперечных колебаний Н и вычисляются передаточные функции для исследуемых грунтов и - для эталонного грунта. Из полученных спектральных соотношений выделяется максимальное значения амплитуды А и соответствующая ей частота f, использование которых позволяет рассчитать коэффициент уязвимости:

который, в свою очередь, позволяет рассчитать приращение сейсмической интенсивности ΔI в каждой точке наблюдения по формуле:

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

- максимальное значение коэффициента уязвимости в точках измерения на эталонных грунтах;

А - максимальное значение амплитуды передаточной функции H/V;

f - частота, соответствующая максимуму H/V.

Технический результат предлагаемого изобретения - повышение стабильности и точности определения приращений сейсмической интенсивности. 2 ил.

 

Область применения

Предлагаемое 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 стабильности 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)_о - 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.

Технический результат предполагаемого изобретения - повышение производительности и точности определения балльности (интенсивности) - достигается за счет использования при реализации способа так называемого коэффициента уязвимости. Остановимся на этом понятии более подробно.. Понятие коэффициент (индекс) уязвимости (К_у) было введено известным японским исследователем И. Накамурой в 1997 г. [6]. В 1989 г. им 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 (S) 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. Горизонтальная компонента Н при этом определяется любым из следующих соотношений:

среднее арифметическое

среднее геометрическое

векторная сумма

среднее квадратическое

поскольку в работе [4] эти соотношения были подвергнуты статистическому анализу, в результате которого выяснилось, что вычисление результирующего значения горизонтальной составляющей спектра практически не зависит от выбора варианта расчета.

Возвращаясь к понятию коэффициента уязвимости, заметим, что этот параметр успешно описывает динамические характеристики верхней части исследуемых грунтов, при этом отмечает самые слабые участки, которые в наибольшей степени подвержены воздействию 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, f - соответствующая этому значению частота.

В качестве примера рассмотрим обработку одной сейсмограммы с записью микросейсмических колебаний по описанной методике. На фиг. 1 приведен фрагмент сейсмограммы длительностью 8 секунд. Для компонент X, Y и Z был произведен расчет спектров (фиг. 2а) и далее вычислена передаточная функция H/V (фиг. 2б). Из рисунка на фиг. 2б видно, несмотря на то, что спектры всех компонент имеют максимум в высокочастотной области (19,2 Гц), коэффициент усиления H/V достигает максимального значения 8 у.е. на частоте 1,8 Гц. Таким образом, в данной точке наблюдения коэффициент уязвимости исследуемых грунтов будет равен 35,6 у.е. Используя данную методику, рассчитываются К_у для всех точек наблюдения на исследуемых и эталонных грунтах, а полученный банк данных позволяет рассчитать приращение сейсмической интенсивности в каждой точке наблюдения по формуле:

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

- максимальное значение коэффициента уязвимости в точках измерения на эталонных грунтах;

А - максимальное значение амплитуды передаточной функции H/V;

f - частота, соответствующая максимуму H/V.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 - Фрагмент сейсмограммы записи микроколебаний, длительность записи 8 секунд.

Фиг. 2а - Амплитудно-частотные спектры сейсмограммы в компонентах X, Y, Z.

Фиг. 2б - Спектральное отношение H/V (передаточная функция) для фрагмента сейсмограммы, приведенного на фиг. 1.

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. Lunedei Е, Malishewsky Р., 2015. A Review and some new issues on the theory of the H/V technique for ambient vibrations. In: (Eds Ansal A.) Perspectives on European Earthquake Engineering and Seismology, Geotechnical and Earthquake Engineering, vol. 39. Springer, Cham. P. 371-394.

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. №1. P. 23-33.

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

Способ сейсмического микрорайонирования с использованием коэффициента уязвимости, 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, по полученной сейсмограмме вычисляются амплитудно-частотные спектры горизонтальных (X, Y) и вертикальной (Z) компонент, после чего рассчитывается результирующий спектр поперечных колебаний Н по формуле:

тогда как спектр вертикальных колебаний V рассчитывается по вертикальной компоненте Z, вычисляются передаточные функции для исследуемых грунтов и для эталонного грунта, из полученных спектральных соотношений выделяется максимальное значения амплитуды А и соответствующая ей частота ƒ, использование которых позволяет рассчитать коэффициент уязвимости:

который позволяет рассчитать приращение сейсмической интенсивности ΔI в каждой точке наблюдения по формуле:

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

- максимальное значение коэффициента уязвимости в точках измерения на эталонных грунтах;

А - максимальное значение амплитуды передаточной функции H/V;

ƒ- частота, соответствующая максимуму H/V.