критерии и параметры нелинейного деформирования горных

Потапов В.А., Джурик В.И., Иванов Ф.И. КРИТЕРИИ
И
ПАРАМЕТРЫ
НЕЛИНЕЙНОГО
ДЕФОРМИРОВАНИЯ
ГОРНЫХ
ПОРОД
И
СЕЙСМИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ // Геологическая
среда
и
сейсмический
процесс:
Материалы
Всероссийской
межрегиональной
конференции,
Иркутск, 2-5 сентября 1997 г. - Иркутск, 1997. - С.
135-137.
КРИТЕРИИ И ПАРАМЕТРЫ НЕЛИНЕЙНОГО
ДЕФОРМИРОВАНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД
И
СЕЙСМИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ
В.А. Потапов, В.И. Джурик, Ф.И. Иванов
Институт земной коры СО РАН, г.Иркутск
Основу общепризнанной в настоящее время динамической теории
очагов
землетрясений
составляет
моделирование
пространственно-временного
распределения (в объемах среды
ограниченных размеров) напряжений и сил, наиболее полно
соответствующих параметрам сейсмических волн в ближних зонах.
Однако, математические построения в явном или неявном виде
проводятся с использованием линейной теории упругости - закона Гука.
Нелинейность в физическом смысле (Николаев, 1987), т.е. нелинейность
связи напряжений и деформаций, имеющая место при разрушении
материалов, в том числе и горных пород, не учитывается.
Количественный прогноз сейсмической интенсивности для
обеспечения динамической устойчивости систем грунт-сооружения или
оценок риска по сути своей является задачей из класса нелинейных.
Экспериментальные
данные свидетельствуют о том, что в
плейстосейстовых областях землетрясений нарушается линейность связи
плотности потока энергии (и напряжений) с деформациями.
Опасность землетрясений является величиной многопараметрической,
которую оценивают, используя различные критерии и подходы. Это
связано с зависимостью макросейсмических проявлений от амплитудного
уровня сейсмических волн и других параметров воздействий, от
прочности оснований (грунтов) и сооружений. Состояние грунтов, как и
прочностные характеристики сооружений, изменяются во времени,
особенно на урбанизированных территориях. Если в расчетах риска после
сильного землетрясения или при его прогнозе на урбанизированных
территориях важен совокупный купный результат потери прочности
оснований и материалов конструкций, то для планирования
превентивных мероприятий и задания сейсмических воздействий при
проектировании необходим раздельный учет динамичес135
кого уровня колебаний и возможной потери несущей способности
оснований,
Нами проведена систематизация деформационных свойств горных
пород в зависимости от литологического состава, генезиса, степени
пористости и обводненности в Прибайкалье. Определено, что значения
скоростей упругих волн в породах различного генезиса и литологии,
близких по
степени сохранности к монолитным, перекрываются.
Установлены взаимо-связи скоростей упругих волн в породах, как двух- и
трехкомпонентных средах, с фиксированной пористостью при переходе в
разные состояния. Выявлено повышение коэффициента Пуассона с ростом
пористости пород и определена его количественная зависимость от скорости
упругих волн в породах.
Исходя из экспериментальных данных, свидетельствующих о
сопоставимости (в первом приближении) статических и динамических
модулей упругости и эквивалентных напряжений пределов прочности
(эффективных значений при циклических нагрузках), определены
энергетические параметры
прочности (колебательные скорости кластеров частиц пород скелета). В
соответствии с билинейной теорией деформирования определено, что
разрушение горных пород протекает при сдвиговых напряжениях в
кластерах частиц скелета пород в пределах значений колебательных
скоростей 0.8 м/с3.3 м/с. Нижний уровень соответствует упругим волнам
сдвига, верхний - упругопластическим волнам.
Изучены прочностные характеристики пород Прибайкалья при
одноосном сжатии образцов, в естественных условиях с применением
импульсных источников, выполнена систематизация литературных данных
по прочностным свойствам пород разного генезиса и литологии.
Если рассматривать двухкомпонентные горные породы, то
эффективные значения волновых сопротивлений (и скоростей волн) в
упругой и упругопластической стадиях деформирования с повышением
трещиноватости сближаются. В этих условиях верхний предел
колебательной скорости уменьшается, приближаясь к величине 0.8 м/с.
Гистерезисное трение с
повышением пористости пород снижает и нижний предел прочности.
Особый случай представляют обводненные рыхлые грунты, в которых
продольная и объемная сжимаемости в предельном случае становятся
равными. Получена аналитическая зависимость предела прочности
обводненных рыхлых грунтов от отношения скоростей продольных и
поперечных волн. Экспериментальные данные при использовании
импульсных источников для оценки предельных колебательных скоростей в
обводненных грунтах подтверждают тенденцию экспоненциальной
зависимости предела
прочности обводненных рыхлых грунтов от коэффициента Пуассона.
Шкала интенсивности, таким образом, по колебательным
(динамическим напряжениям в элементах сооружений) распадается на две
ветви. В плейстосейстовых областях (при иS>0.8 м/с) колебательные
нагрузки падают с понижением деформационных модулей грунтов, а при
иS<0.8 м/с
возможны интерференционные явления и увеличение амплитуд колебаний
слоями грунтов. Обводненные рыхлые основания зданий, насыпные грунты,
снижают уровень колебательных нагрузок в сравнении с аналогичными
136
воздушно-сухими грунтами. Усиления конструкций зданий и сооружений
в условиях нелинейного деформирования оснований неэффективны и не
обеспечивают сейсмическую безопасность. Необходимо упрочнение
основаий сооружений.
Показана
принципиальная
возможность
расчета
сейсмостойкостиконструкций зданий по предельным колебательным
скоростям, предложен расчет коэффициентов динамичности на основе
колебательных скоростей.