Возбуждение сейсмических волн взрывом скважинных зарядов

УДК 622.215
С.В. Цой, д-р техн.наук, проф
Ш.В.Ниязова
КазНТУ
ВОЗБУЖДЕНИЕ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛН ВЗРЫВОМ
СКВАЖИННЫХ ЗАРЯДОВ
Көлқабатты тұрғын үй ғимараттарының іргетасындағы топырақтың күшті
тербелісін тудыру мəселелері шешілуде. Оқтам массасының жəне оқтамды
орналастыру тереңдігінің серпімді толқындар амплитудасына əсері қарастырылған.
Жұмыста аттыру орнынан ұзақ қашықтықта топырақтың толқуына Рэлея
тербелісінің маңызы көрсетілген.
The problem of strong ground motions generation at the basements of multi-store
apartment buildings with the purpose of their seismic stability test is being resolved. The
influence of the charge weight and depth on the elastic waves magnitude is examined. This study
shows the role of Rayleigh waves in generating ground motions at long range from the site of
explosion.
Строительство высотных зданий и сооружений в сейсмических зонах требует
разработки системы активной сейсмозащиты, позволяющей во время землетрясения
существенно снизить нагрузки на конструкции. Существенная часть колебаний на них
передается через фундамент здания.
Для испытания элементов конструкций высотного здания на сейсмостойкость
требовалось создать колебания грунта, максимально приближенных к естественным
условиям возникновения землетрясения, чего можно добиться путем моделирования
землетрясения взрывным способом.
Была поставлена задача:
провести в условиях полигона г. ПетропавловскКамчатского предварительные испытания различных систем, встроенных в жилые здания
повышенной этажности.
Участок полигона в районе взрывного поля представляет собой поросшую
кустарником местность, поверхность которой избыточно увлажнена с признаками
заболачивания. Крепость верхних слоев составляет 0,8 по шкале М.М. Протодьяконова.
На глубину до 30 м этот участок сложен крупнообломочными грунтами с крепостью 2.
Грунты с глубиной 0,1–2,5 м обводнены. В верхней части разреза до глубины 3–7 м в
рыхлых грунтах сейсмические волны имеют скорость 270–670 м/с, плотность от 1,6 *103
до 1,9 *103 (кг/м3), ниже по разрезу скорость лежит в пределах 800–2 500 м/с, плотность
от 2,02*103 до 2,36 *103 кг/м 3.
При изучении распространения сейсмических волн в таких грунтах наиболее
приемлема модель нелинейно-упругой среды /1/. В водонасыщенных грунтах после
снятия нагрузки среда возвращается в исходное состояние, остаточные деформации не
сохраняются. На фронте ударных волн в нелинейно-упругих средах имеют место
тепловые потери. Угасание плоских волн связано только с потерями на фронте.
Для исследуемых условий значения упругих характеристик и их перерасчет для
нелинейно-упругой сред принимают следующие значения: коэффициент Пуассона
n 1 = 0,413,n 2 = 0,198 для упругой среды и для нелинейно-упругой n 3 = 0,315 , модуль
Юнга для упругой среды Е1=1,053*104МПа, Е2=0,513*104МПа и для нелинейно-упругой –
Е3= 0,669*104МПа /2/. Распространение сейсмических волн в грунте представляет собой
передачу возмущений частиц друг другу. Эти возмущения вызывают движение частиц
около своего положения равновесия вдоль распространения волны или перпендикулярно к
этому направлению. Таким образом, происходит деформация элемента грунта (среды) в
разные моменты времени. Смещение частицы грунта можно описать дифференциальным
уравнением. Это уравнение представляет собой неоднородное волновое уравнение
¶ 2u ¶ 2u ¶ 2u 1 ¶ 2u
(1)
+
+
= F ( x, y, z , t ),
¶x 2 ¶y 2 ¶y 2 c 2 ¶t 2
где u = u ([ x, y, z , t ) – смещение частицы, зависящее от координат x,y,z и времени t;
с – скорость распространения волны; F ( x, y, z , t ) – функция возмущения седы. Решением
этого уравнения является гармоническая функция.
При рассмотрении взрывных волн на средних и дальних расстояниях большую роль
играют поверхностные волны. Максимум энергии взрывных волн несет поверхностная
волна – 68 % /3/. Это связано с тем, что поверхностные волны (волны Рэлея) имеют самое
маленькое угасание с расстоянием. Амплитуда волны убывает обратно пропорционально
корню квадратному от расстояния. Поэтому на значительных расстояниях она
значительно интенсивнее других волн. Приведем пример расчета для таких волн.
Смещение при распространении поверхностной волны c учетом коэффициентов
поглощения и затухания с расстоянием решение волнового уравнения имеет вид виде /4/
e -ar -dt / T
r
cos{w (t - )} ,
(2)
u = A0
e
c
r
где Ao – первоначальная амплитуда колебания частицы; e – основание натурального
логарифма; a – коэффициент поглощения волн средой; ; r – расстояние, пройденное
волной (место регистрации смещения); d – коэффициент затухания; t – время
прохождения волны от места возникновения до точки регистрации; c – скорость
распространения волны в среде; w = 2p / T – циклическая частота волны; T – период
волны.
Теоретически нами подсчитаны возможные смещения с расстоянием для первичных
амплитуд смещения 20 см. Были приняты следующие параметры: коэффициент поглощения
a =-0,006 м-1, r=100 м – расстояние, пройденное волной (место регистрации смещения);
d =0,22 – коэффициент затухания; t=1,2 с – время прохождения волны от места
возникновения до точки регистрации; c=692 м/с – скорость распространения волны в среде;
w = 2p / T – циклическая частота волны; T =0,24 с – период волны. Значение смещения
равно 3,6 мм.
Рассмотрим влияние массы заряда и глубины его заложения на амплитуду и
частотный спектр упругой волны. Для изучения влияния массы заряда G на амплитуду А
и частотный спектр упругой волны проводилось довольно большое количество
экспериментальных и теоретических работ /4, 6/. По мнению большинства
исследователей, амплитуда упругой волны при взрывах в скважинах изменяется по закону
A = kG 1 / l ,
(3)
где k – коэффициент, определяемый условиями возбуждения и регистрации;
величина l зависит от состояния грунта и, по данным различных авторов, меняется от 1
до 3. Эти изменения в столь больших пределах связаны с тем, что избыточное давление
ΔP волны сжатия в ближней зоне по-разному растет с массой заряда в зависимости от
водонасыщенности грунта. Для грунта, все поры которого полностью заполнены водой
ΔP~G1/3, по мере уменьшения водонасыщенности давление возрастает с массой заряда
все быстрее и в пределе
ΔP~ m для грунта, не содержащего воды в порах. Это
обусловлено сильными затуханиями высокочастотных гармоник
Таким образом, случай l = 1 , наиболее выгодный с точки зрения роста амплитуды с
массой заряда, не выгоден экономически. При обычно принятых условиях взрывания
l > 1 , т. е. амплитуда сейсмического сигнала, нарастает медленнее, чем масса заряда.
При взрывах зарядов вблизи от свободной поверхности, когда образуются воронки
выброса, на характер нарастания амплитуды влияет соотношение между массой заряда G
и глубиной его заложения, Чтобы учесть глубину заложения заряда в формуле (3),
вводится дополнительный множитель f(n)
A = f (n)kG 1 / l .
(5)
Экспериментально установлено, что f (n) = 3 n при n> 1 и f (n) = 1 , когда n<1, т. е.
в случае нормального, а тем более и ослабленного выброса потери, связанные с
преждевременным прорывом продуктов взрыва в воздух, достаточно малы, и ими можно
пренебречь. Для пористых мягких грунтов происходит нормальный выброс, амплитуда
волны очень слабо растет с увеличением G.
С целью определения оптимальной глубины заложения зарядов для данных
гидрогеологических условий нами были произведены три независимых взрыва зарядов
одинаковой массы. Заряды располагали на разных глубинах, расстояние между зарядами
выбрали по 15 м. Скважины были расположены по определенной схеме. Cейсмоприемники
ВБП-3, ОСП-2М устанавливали на бетонном постаменте высотой 30 см, а постаменты
заглубляли в грунт на 20 см. В пункте Т5 рядом с постаментом был вырыт приямок, в
котором разместили сейсмоприемники ВБП -2З, ОСП-2М, АТП и СПЭД. Приборы засыпали
грунтом и утрамбовывали. Такая установка сейсмоприемников была выполнена для
сравнительной оценки формы и амплитуды колебаний, зарегистрированных приборами на
постаменте с формой и амплитудами колебаний на грунте. Значения максимальных
амплитуд горизонтальной составляющей скорости колебания были зарегистрированы по
двум каналам сейсмоприемника (ОСП22М-гальванометром М012 с собственной частотой
10 Гц) в 0,029 и 0,031 м/с. В этом же пункте зарегистрировано максимальное ускорение
(по каналу сейсмоприемника АПТ – гальванометр М012) в 0,48 м/с 2 с периодом 0,4 с.
Расчетная скорость колебаний составляет 0,033 м/с. На расстоянии 96,6 м в точках Т5 и
Т5А зарегистрированы следующие максимальные амплитуды колебаний по
составляющим Х: смещения от 2*10 -3 м до 3,2*10 -3 ; скорости от 0,29 до 0,45 м/с;
ускорения от 0,419 до 0,659 м/с 2 .Средние значения экспериментальных данных занесены
в табл. 1.
Результаты сейсмических измерений при взрыве заряда на глубине 19,0 и 15,7 м
показали, что при первом взрыве интенсивность колебаний в волне Рэлея выше по всем
составляющим. Из табл. 1 видно, что скорость колебания при глубине заложения в 19 м
выше на 3–8 % , чем на глубине 15,7 м. Тем самым подтверждено предположение, что при
глубине заложения в 20 м доля энергии заряда, переходимая в энергию сейсмических
волн, увеличивается по сравнению с меньшими глубинами заложения заряда.
Таблица 1
Скорость колебания грунта в волне Рэлея, мм/с
Скорость колебаний грунта по трем направлениям, мм/с
Глубина заложения, м
15,7
19,0
*
*
X
Y
28,7
29
13,6
17,8
*
Z
45,5
50,7
Были произведены измерения смещений и скоростей по направлениям X,Y,Z на
различных расстояниях от места производства взрыва. Результаты средних значений
экспериментов приведены в табл. 2 и 3.
Таблица 2
Смещение частиц грунта при взрывах
Смещение, мм
Расстояние от пункта
взрыва до точки
наблюдения, м
Период, с
75,5
95,5
115
248
400
0,43
0,43
0,36
0,43
0,42
По оси X
По оси У
По оси Z
3,8
2,5
1,3
1,1
0,42
1,9
0,4
0,5
0,3
0,2
4,3
3,0
2,4
1,3
0,4
Таблица 3
Скорость колебания частиц грунта при взрывах
Скорость, мм/с
Расстояние от пункта
взрыва до точки
наблюдения, м
Период, с
75,5
95,5
115
248
400
По оси X
По оси У
По оси Z
0,43
0,43
0,36
0,43
55
29
19
16
29
18
17
6,3
75
55
34
23
0,42
8
4,2
8
На рис. 1 и 2 приведены графики зависимости смещения и скорости смещения от
расстояния по оси Z. На этих же рисунках написаны уравнения экспериментальных
кривых.
Z,мм
5
4
y = 469,99x-1,0973
3
2
1
0
0
100
200
300
400
r,м
500
Рис. 1. Зависимость смещения грунта по оси Z от расстояния между пунктом
взрыва и точкой наблюдения
Из графика видно, что амплитуда смещения частиц убывает по экспоненте,
параметры которой определены из экспериментального графика.
Сравнение данных табл. о скорости колебания частиц грунта со шкалой балльности
землетрясения /7/ показывает, что можно достичь колебаний порядка 6 баллов
соответствующему скорости колебаний 3–6 см/с, 7 баллов – скорости колебаний от 6 до
12 см/с. Это даст возможность испытывать строительные конструкции на
сейсмостойкость.
V,мм/с
80
60
y = 13170x
-1,2081
40
20
0
0
100
200
300
400
r, м 500
Рис. 2. Зависимость скорости колебания грунта по оси Z от расстояния между
пунктом взрыва и точкой наблюдения
Экспериментально для условий полигона была установлена оптимальная глубина
заложения для получения камуфлетного взрыва скважинных зарядов.
При выбранных параметрах взрыва скорость смещения соответствуют требованиям
к испытаниям строительных конструкций на сейсмостойкость.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ляхов Г.М., Полякова Н.И. Волны в плотных средах и нагрузка на сооружения.
М.: Недра,1967. 232 с.
2. Батугин С.А., Ниренбург Р.Х. Приближенная зависимость между упругими
константами анизотропных горных пород и параметры анизотропии //ФТПРПИ. 1972. №1.
С. 7–12 .
3. Миронов П.С. Взрывы и сейсмобезопасность сооружений. М.: Недра, 1973. 168 с.
4. Саваренский Е.Ф., Кирнос Д.П. Элементы сейсмологии и сейсмометрии. М, 1965. 180
с.
5. Рулев Б.Г., Харин А.Д. О направленном сейсмическом действии рассредоточенных
однорядных взрывов //Взрывное дело. Вып.64/21. М.: Недра, 1968.
6. Джуркашев М.Н., Ниязова Ш.В., Цыбин М.А. Разработка методики испытаний
зданий с целью обеспечения их сохранности при производстве массовых взрывов на
карьерах //Охрана окружающей среды при эксплуатации месторождений. Алма-Ата:
КазПТИ, 1966. С. 74–80.
7. Кутузов Б.Н. Разрушение горных пород взрывом. М.: МГИ, 1992. 516 с. С.405.
Статья рекомендована акад. НАН РК, д-ром техн.наук, проф. Алтаевым Ш.А.
22. 08. 2004 г.