Фізичні явища в породах, що відбуваються під час землетрусів

Пружні хвилі, які виникають в осередку і поширюються в товщах Землі, називаються сейсмічними хвилями. Спочатку від гіпоцентру землетрусу в усі боки розходяться так звані глибинні хвилі. Вони мають два види: поздовжні хвилі (вони викликають послідовне розширення і стискання часток вздовж радіусів, по яких розповсюджуються хвилі) і поперечні хвилі (викликають зрушення тих же часток у поперечному напрямку). Поперечні хвилі розповсюджуються повільніше, ніж поздовжні. Ці дві групи хвиль називають попередніми.

За ними йдуть так звані поверхневі хвилі, які утворюються внаслідок інтерференції поздовжніх і поперечних хвиль і поширюються від гіпоцентру до поверхні Землі. Під час великих землетрусів ці хвилі мають вигляд валу, що біжить по поверхні Землі як хвиля в морі.

Описана картина ускладнюється явищами відбивання, заломлення та розсіювання хвиль, які створюють нові системи хвиль і значно ускладнюють хвильовий спектр. Коливання часток грунту під час землетрусу є неперіодичним і утворює хаотичну криву. Величини її амплітуди під час сильних землетрусів змінююється від 2-5 мм у скельних гірських породах до 25-50 мм в ущільнених пухких породах і до 100 мм в недоущільнених пухких породах. Довжина хвиль коливається в межах від 10 до 100 км, висота гребеня досягає 10 см.

Енергія землетрусу оцінюється в ергах і джоулях (1 ерг = 1 дж/см; 1 дж = 10⁷ ерг). При землетрусах, які викликають руйнування, енергія оцінюється в 10¹²–10¹³ дж, а при катастрофічних досягає 10¹⁷–10²⁰ дж. Така енергія в декілька мільйонів разів перевищує енергію атомного вибуху. Оскільки енергію, яку виділяє осередок землетрусу, визначити важко, то на сьогодні у світовій практиці її оцінюють умовною енергетичною характеристикою, яку називають магнітудою (М).

сейсмограмою при даному землетрусі, мкм;

А* - амплітуда зміщення частинки породи при деякому дуже слабкому землетрусі,

обраному за еталон або стандарт, мкм.

Магнітуда змінюється від 0 при слабких землетрусах до 8,8 при дуже сильних, катастрофічних.

Інтенсивність землетрусу на поверхні Землі оцінюється в балах. Для її визначення користуються спеціальними класифікаціями – шкалами сейсмічної інтенсивності. На сьогодні в Україні застосовують 12-бальну шкалу MSK-64, розроблену групою вчених. В ній використовують декілька ознак. Головними з них є: ступінь пошкодження будівель і споруд, залишкові явища в гірських породах, зміна режиму поверхневих і підземних вод, порушення рельєфу. Для землетрусів низьких балів, коли пошкоджень споруд немає, основними ознаками стають відчуття людей. У районах із сейсмічністю 6 балів і менше пошкодження будівель і споруд безпечні для життя людей і не знижують міцності споруд. При землетрусах 7 балів і вище у багатьох спорудах з‘являються різноманітні, в тому числі й значні, пошкодження і руйнування.

а) місця зчленування великих геологічних структурних комплексів, що піддаються вертикальним рухам різної інтенсивності;

б) периферійні частини геологічних структур, які витримують вертикальні рухи з великими швидкостями;

в) місця неодноразової зміни спрямування вертикальних зміщень;

г) зони інтенсивних тектонічних рухів вздовж розломів, що виходять на поверхню або виявлені на великій глибині.

Такі ділянки є небезпечними для будівництва. При сейсмічному мікрорайонуванні міст можуть виділятися ділянки, які відрізняються між собою на один і більше балів. Зустрічаються випадки, коли відмінності в балах між окремими частинами міста становлять всього 1 бал. Тоді вся територія міста оцінюється одним балом, але на ній виділяють більш-менш сейсмонебезпечні ділянки. Карти сейсмічного мікрорайонування дозволяють правильно планувати забудову міських територій, обираючи для будівництва цінних споруд найбезпечніші місця.

Руйнування споруди при землетрусі починається в результаті вертикальних коливань, що викликаються глибинними поздовжніми хвилями стискання. Ці коливання найсильніше впливають на жорсткі споруди (наприклад, цегляні будинки), вони порушують їх монолітність, викликають появу тріщин. Подальше руйнування відбувається під впливом коливань, викликаних приходом довгоперіодичних глибинних поперечних і поверхневих хвиль. Ці коливання спричиняють руйнування і гнучких споруд.

Найменше руйнуються підземні споруди (резервуари, тунелі, колодязі). Інерційні сили, які в них утворюються, передаються навколишнім гірським породам, що зменшує напруження в таких спорудах. У надземних спорудах найменше піддаються руйнуванню фундаменти, значно легше руйнуються стіни. Найслабкішими місцями є кути, примикання і перетинання стін.

Застосування таких заходів вимагає значних додаткових економічних витрат. Тому вибір заходів робиться залежно від призначення будівлі та її довговічності. Монументальні будівлі, особливо капітальні, споруди громадського призначення є спорудами найвищої категорії складності, тому їх бальність підвищується на одиницю. Інші споруди віднесені до середніх категорій, а тимчасові споруди і полегшені господарські споруди – до найнижчої категорії. Всі споруди останньої категорії, незалежно від бальності району будівництва, мають розрахункову сейсмічність 6 балів і тому застосування антисейсмічних заходів не потребують.

1. 
   Чим викликаються землетруси?
   
2. 
   Охарактеризуйте плутонічні і тектонічні землетруси.
   
3. 
   Поясніть механізм утворення землетрусів (за Г.О.Гамбурцевим).
   
4. 
   Поясніть терміни «гіпоцентр» і «епіцентр» землетрусу.
   
5. 
   Яким чином оцінюється сила землетрусів? Що таке магнітуда?
   
6. 
   Як виконується сейсмічне районування територій?
   
7. 
   Назвіть інженерні заходи, що застосовуються для підвищення сейсмостійкості споруд.
   

Величина осідання і його розвиток у часі залежить від двох груп чинників. Перша група чинників належить до особливостей власне споруди (вага споруд, розміри і тип фундаментів, глибина їх закладення). Друга група стосується геологічної будови основи (умови залягання порід, їх склад, фізичний стан і властивості порід). Вивчення першої групи належить до галузі механіки грунтів і науки про основи і фундаменти. Вивченням другої групи займаються грунтознавство, інженерна геологія і механіка грунтів.

Осідання природних основ споруд становить собою зовнійшній прояв внутрішніх деформацій, що відбуваються в гірських породах при передачі на них тиску. Такі деформації поділяються на три види: пружні, структурно-адсорбційні і структурні.

Пружні деформації пов‘язані з переміщенням вузлів кристалічної решітки в мінералах, з яких складаються гірські породи. Ці деформації характеризуються незначними величинами і великого практичного значення не мають.

Структурно-адсорбційні деформації пов‘язані зі зміною товщини водних плівок у місцях контакту між частками гірської породи. При збільшенні зовнішнього тиску товща водних плівок зменшується, при зменшенні тиску – збільшується. У першому випадку відбувається стискання породи, у другому – набрякання. Такі деформації мають практичне значення в породах, де плівки адсорбційної води досягають значної потужності (глини).

Структурні деформації пов‘язані з переміщенням часток гірських порід у напрямку пор, що їх відокремлюють. В результаті відбувається зменшення об‘єму гірських порід і одночасно збільшення їх щільності й міцності. Цей вид деформацій є основним у пухких породах всіх типів. Розвитку структурних деформацій перешкоджають сили тертя між частками, сили молекулярного притягання і різноманітні структурні зв‘язки.

Абсолютна величина і відносне значення вказаних видів деформацій і осідання, які ними викликаються, залежать від типу порід. У скельних і напівскельних породах спостерігаються два види деформацій: 1) пружні і 2) деформації, пов‘язані із закриттям тріщин. Останні в більшості випадків переважають. Величини деформацій таких порід від впливу промислових і цивільних споруд дуже невеликі і практичного значення не мають. Тому ці породи оцінюються як такі, що практично не стискаються. Деформації піщаних порід належать в основному до типу структурних і пов‘язані з переміщенням часток у бік пор. Завдяки наявності між піщаними частками сил тертя, структура піщаних порід важко перебудовується під час статичного навантаження. Тому стисливість піщаних основ під спорудами зазвичай є незначною і не перевищує, як правило, декількох сантиметрівм (при тиску 0,2-0,5 МПа). Дещо підвищеною стисливістю наділені слабко ущільнені піски (тонкі й пилуваті).

Піщані основи значно чутливіші до динамічних навантажень (особливо неущільнені дрібнозернисті водонасичені піски). Пояснюється це тим, що при струсах у пісках виникають висхідні течії води, які підважують тверді частки. При цьому різко знижується внутрішнє тертя між частками піску, яке пропорційне нормальному тиску. В результаті відбувається перебудова структури піску, що супроводжується його ущільненням. Динамічні впливи можуть проявлятися при забиванні паль, дії вибухових хвиль, ударних і вібраційних навантаженнях, швидкому підйомі і спаді рівнів грунтових вод. Ознаками, що вказують на небезпеку розрідження піску при динамічних навантаженнях, вважаються: дрібнозернистий склад, його однорідність і пухка будова зі щільністю, меншою від 1,55 г/см³, водонасичений стан і мале привантаження.

Глинисті породи мають набагато більшу стисливість у порівнянні з попередніми. Деформації в цих породах належать в основному до типу структурних і структурно-адсорбційних. Осідання природних основ з глинистих порід коливається від кількох сантиметрів (діагенетичні глинисті породи, морські суглинки) до кількох десятків сантиметрів (лиманні і озерні відклади, сучасні алювіальні відклади). Під гідротехнічними та іншими масивними спорудами сумарна величина осідання може становити до кількох метрів. Прогнозні розрахунки осідань споруд виконуються методами механіки грунтів.

Велике практичне значення має розвиток осадки споруд в часі. Цей процес отримав назву консолідації. Практика показує, що тривалість осідання залежить від будови, літологічного складу і стану гірських порід. У більшості випадків вона завершується в будівельний період, але інколи розтягується на роки і навіть десятиліття. Найшвидше завершуються деформації у скельних породах. Порівняно швидко завершується консолідація піщаних порід, а у глинистих затягується на місяці і роки. Існує так звана теорія фільтраційної консолідації, згідно з якою головну роль відіграє відтискання води, що заповнює поровий простір, оскільки без такого відтискання ущільнення порід стає практично неможливим.

Великі осідання не становлять безпосередньої небезпеки для споруди, якщо вони цілком рівномірні. В цьому випадку у тілі споруди не виникає небезпечних розтяжних і згинаючих напружень, які погано витримує цегляна кладка, бетон та інші будівельні матеріали. Однак на практиці рівномірна осадка спостерігається як рідкісний випадок і лише при невеликих її значеннях. Пояснюється це, з одного боку, особливостями напружень під фундаментами споруд, а з іншого – неоднорідністю товщі гірських порід в основах.

Нормальні стискаючі напруження під фундаментом концентруються в його основній, центральній частині. Тому навіть при цілком рівномірному навантаженні поверхня основи повинна прийняти форму чаші, ввігнутої в центрі і піднятої по краям. Вирівняти осадку могли б або нерівномірне завантаження фундамента із збільшенням навантаження по краях, або застосування ідеально жорсткого фундаменту. Але ці заходи практично нездійсненні. Тому навіть при цілком однорідній основі нерівномірність осадок є неминучою. Під граничною деформацією природної основи розуміють деформацію, яка приводить надфундаментну будову в такий стан, що не задовольняє експлуатаційним вимогам.
3.12.2. Деформації, пов‘язані зі зміною побутового тиску.
Зміна побутового тиску в природних умовах відбувається в міру накопичення чи знесення товщ пухких відкладів. Ці процеси відбуваються повільно, вимірюються геологічними відрізками часу і з точки зору інженерної практики значення не мають. Велике практичне значення має зміна побутового тиску, пов‘язана з влаштуванням глибоких котлованів, будівництвом каналів, розробкою корисних копалин. Глибини котлованів досягають інколи значних розмірів (до 100-200 м). Видалення порід на такі глибини викликає значне розвантаження порід, що залягають на дні котлованів. При глибині котлованів 30-40 м розвантаження складає 0,6-0,8 МПа, а при глибині розрізу в 100-150 м – 2-3 МПа.

Якщо на дні котловану чи розрізу залягають піщані або скельні породи, то навіть значне розвантаження викличе тільки невеликі за розмірами пружні деформації. Якщо ж породи глинисті, то зменшення побутового тиску викличе розвиток адсорбційно-структурних деформацій, які призведуть до набрякання глинистих порід. Спостереження показують, що одночасно відбувається міграція води до місця зняття побутового тиску із сусідніх, більш завантажених ділянок. Тому в області розвантаження часто спостерігається збільшення вологості породи. вода, що надходить, сприяє подальшому розростанню водно-адсорбційних плівок, які розсувають мінеральні частки, викликаючи структурні деформації породи і подальше її набрякання.

Наслідком набрякання є підняття дна котлованів і розрізів, що може досягати від кількох до 20-30 см. Саме по собі таке підняття великого практичного значення не має. Небезпека явища полягає в тому, що під час набрякання відбувається поступове розущільнення глинистих грунтів, яке супроводжується зниженням їх міцності і збільшенням стисливості. В результаті властивості порід стануть вже іншими, ніж були до початку будівництва. Тому і всі розрахунки можуть виявитися помилковими. Це стосується як розрахунків кінцевих осідань споруд, так і розрахунків стійкості природної основи. Для уникнення вказаних помилок слід виконати лабораторне вивчення розпушування глинистих грунтів і встановити його вплив на показники міцності і стисливості грунтів в умовах, що максимально моделюють природну обстановку.
3.12.3. Гірничий тиск.
Під час будівництва підземних споруд виникає необхідність розрахунку стійкості покрівлі і стін закладених в товщу порід гірничих виробок. Це пов‘язано з визначенням напруженого стану товщі гірських порід, який виникає внаслідок утворення в масиві породи порожнин (гірничих виробок) і носить назву гірничого тиску.

Один із проявів гірничого тиску – переміщення гірських порід над виробленим простором, що називається зрушенням гірських порід. Воно може досягати денної поверхні і тоді говорять про зрушення земної поверхні. В районах, де над гірничими виробками розташовані населені пункти, ці явища можуть викликати деформації споруд, а інколи й їх руйнування. Змінюється природний напружений стан масиву гірських порід. Виникає досить складна картина розподілу напружень поблизу гірничої виробки: стискаючі напруження концентруються по бокових стінках виробки і розвантажуються в покрівлі, де стискаючі напруження змінюються розтягуючими.

Зміни напруженого стану тягнуть за собою деформації товщі гірських порід поблизу виробки. Якщо вони не виходять за межі пружних деформацій чи мають вигляд повільних пластичних деформацій, то порушення стійкості не відбувається, і підземні виробки можуть існувати без кріплення (наприклад, виробка невеликого перетину в скельних породах не вимагає кріплення). Однак у більшості випадків напруження перевищують межі міцності порід, через що починається їх руйнування, з‘являються тріщини, відбувається обрушення окремих брил чи всієї покрівлі виробки. Основною причиною, що викликає гірничий тиск, є сила тяжіння, тобто вага товщі порід. Виникнення гірничого тиску пов‘язане також зі зміною фізичного стану порід (набрякання і усадка, температурні коливання, тектонічні напруження та ін. чинники).

В початковий період розвитку гірничої справи і будування тунелів вважалося, що гірнича виробка, на якій би глибині від поверхні вона не була закладена, завжди перебуває під тиском, що дорівнює вазі товщі порід, які залягають над нею. Це було як аксіома. Але пізніші спостереження і досвід показали, що тиск, який передається на кріплення гірничих виробок, є значно меншим, ніж вага всього стовпа порід, що залягають над цією виробкою. Для пояснення цього явища були висунуті гіпотези про “склепіння природної рівноваги”, про розвантажуючу арку тиску, про консольну плиту (балку) та ін.

Гіпотеза про “склепіння природної рівноваги” була розроблена одним із основоположників теорії гірничого тиску професором М.М.Протодьяконовим. Згідно з цією гіпотезою, над виробленим простором утворюється склепіння природної рівноваги, що має форму параболи. Величина тиску на кріплення виробки дорівнює вазі породи, яка знаходиться всередині цього контура. Відповідно до цього, тиск гірських порід на кріплення з боку покрівлі, віднесений до 1 м довжини виробки, може бути обчислений за формулою:
Р = 4/3 ав , (3.2)
де  – щільність породи, т/м³;

а – напівпроліт виробки (половина її ширини у верхній частині), м;

в – висота склепіння природної рівноваги, м.

Величина в приймається залежно від коефіцієнта міцності порід f (за М.М.Протодьяконовим).

Дослідження показали, що утворення висота склепіння природної рівноваги спостерігається тільки при порівняно невеликій (відносно глибини залягання) ширині виробок. При великій ширині склепіння обрушується і починаються переміщення гірських порід від контура виробки до денної поверхні.

4. 
   Осідання земної поверхні під впливом відкачувань підземних вод або рідких чи газоподібних корисних копалин.
   

Особливо часто осідання поверхні викликається штучним зниженням рівня грунтових вод або зниженням напору артезіанських вод внаслідок довготривалої експлуатації водоносних горизонтів. Тверді мінеральні частки нижче рівня підземних вод перебувають у підваженому стані і втрачають у своїй вазі стільки, скільки важить витіснена ними вода (закон Архімеда). В результаті щільність підваженої породи виявляється меншою, ніж у породи, яка залягає вище рівня підземних вод. Величина зваженої щільності _зв може бути обчислена так:

_зв = (_s – _в)/ (1+ ) , (3.3)
де _s – щільність часток породи, г/см³;

_в – густина води (1г/см³);

 - коефіцієнт пористості.

Зменшення величини щільності породи тягне за собою зменшення побутового тиску.

При зниженні рівня грунтових вод на h збільшення побутового тиску дорівнює:
Р_поб = h ( - _зв). (3.4)
Різницю ( - _зв) можна орієнтовно прийняти рівною одиниці (_зв 1,0-1,1 т/м³). Тоді можна вважати, що збільшення побутового тиску (в т/м²) чисельно дорівнює величині зниження рівня грунтових вод (в м): Р_поб h.

Під час довготривалих відкачувань з метою водопостачання зниження рівня грунтових вод вимірюється в окремих випадках десятками метрів, а збільшення побутового тиску досягає кількох десятків тон на м². Таке значне збільшення побутового тиску може викликати значні і нерівномірні (у відповідності з формою депресійної поверхні) осіданння.

Осідання поверхні можуть бути викликані також відкачуванням напірних підземних вод, нафти, тому що в цьому випадку знижується тиск на підошву пласта, який перекриває водоносний чи продуктивний горизонт.

Завдяки зваженому тиску порода, яка вміщує нафту, газ чи напірні води, приймає на себе не всю вагу товщ, що залягають вище, а вагу цих товщ, зменшену на розмір зваженого тиску. Зниження напору в результаті довготривалих відкачок води, нафти чи випуску газу тягне за собою зменшення зваженого тиску і рівне за величиною збільшення тиску на вмісні породи.

1. 
   Як відбувається стискання ґрунтів в основах споруд та їх випирання?
   
2. 
   Якими бувають деформації гірських порід під впливом тиску?
   
3. 
   Дайте характеристику процесу осідання для різних геологічних типів гірських порід.
   
4. 
   Поясніть суть процесу фільтраційної консолідації порід.
   
5. 
   Як відбуваються деформації, пов‘язані зі зміною побутового тиску на породи?
   
6. 
   За яких умов і де виникає гірничий тиск?
   
7. 
   Поясніть суть гіпотези про «склепіння природної рівноваги».
   
8. 
   Чому відбувається осідання гірських порід внаслідок відкачувань підземних вод?