Сейсмостойкое строительство и поведение грунтов при землетрясениях.

Все строительство в сейсмоопасных районах осуществляется по специальным

требованиям, направленным на повышение прочности зданий. Это и специальные фундаменты; и способы крепления стен зданий; и металлические «обручи», которыми, как бочку, опоясывают здание, предотвращая, тем самым, развал панелей стен дома; это и ограничение этажности и еще много других специальных антисейсмических приемов, направленных на усиление конструкции в уязвимых местах. Колебание сооружения зависит от многих факторов: от формы и глубины заложения фундамента, от жесткости конструкции, от типа грунтов, от резонансных частот и пиковых амплитуд предельно допустимого смещения. Дело в том, что возникновение резонансных колебаний влияет на контакт фундамента с грунтом. По мнению Е.А.Вознесенского, особую опасность представляют маятниковые колебания, резонансное усиление которых, при расположении

у центра тяжести сооружения далеко от его фундамента, например, трубы, высотные здания, высокие мостовые опоры, телебашни и др. Раскачивание таких сооружений приводит к их разрушению (рис. 18.4.1; 18.4.2). Чрезвычайно важно знать некоторые важные характеристики грунтов, такие как модуль сжатия, модуль сдвига, коэффициент затухания колебаний, вязкость грунтов, их слоистость, степень изотропности, влажность. Рыхлые увлажненные грунты – глины, пески, суглинки меняют свои механические свойства, когда через них проходят упругие сейсмические волны. Особенно опасно разжижение водонасыщенного грунта, когда при колебаниях исчезают контакты между

зернами, слагающими грунт, и последние оказываются как бы «взвешенными» в воде, которая содержалась в порах (рис. 18.4.3).

При этом прочность грунта резко снижается и сооружения либо разрушаются, либо наклоняются, перекашиваются или даже «тонут». Подобное катастрофическое разжижение грунтов наблюдалось во время землетрясений 1964 г. 27 марта у берегов Аляски около г.Анкоридж (М=8,4) и 16 июня в Ниигате, Япония (М=7,5).

Землетрясения приводят к активизации оползней и оползней-потоков в горных районах. Во время Хаитского землетрясения в Таджикистане в 1949 г. с М=8,0, сорвавшиеся со склонов гор оползни-обвалы привели к гибели 25000 человек.

Таким образом, избирательное усиление колебаний грунта определенных частот, потеря прочности грунтов и их разжижение, а также возникновение оползней – потоков и обвалов – вот что приводит к разрушению жилых зданий и промышленных сооружений во время землетрясений.

Рис. 18.4.1. Землетрясение 1954 г. Алжир

Рис. 18.4.3. Разжижение грунта

при землетрясении ( по Е.А.Вознесенскому). а – рыхлые водонасыщенные пески с крупными порами до землетрясения, б – фрагмент сейсмограммы, в – момент разжижения ( связи между частицами грунта разорваны и они оказываются взвешенными в воде), г - уплотненный песок после отжатия воды и оседания частиц

Цунами

Термин «цунами» в переводе с японского означает «большая волна в заливе». В нашей стране он стал известен после трагедии на Курильских островах, когда в 1952 г. в результате огромной волны до 12 м высотой, был полностью разрушен г.Северо-Курильск на о.Парамушир.

В результате подводного землетрясения, происходящего в открытом океане, возникает зона локального возмущения уровня водной поверхности, как правило, над эпицентральной областью. Это возмущение обусловлено быстрым поднятием или опусканием морского дна, которое приводит к возникновению на поверхности океана длинных гравитационных волн, называемых волнами цунами. Длина волн цунами определяется площадью эпицентральной области и может достигать сотни и даже больше км. Если где-то в океане происходит мгновенное поднятие дна, то на поверхности воды возникает как бы водяная «шляпка гриба» высотой в 5-8 м. Затем она распадается с образованием круговых волн, разбегающихся в разные стороны. Иногда в этой водяной «шляпе» наблюдаются всплески, небольшие фонтаны, брызги, появляются кавитационные пузырьки. Если какое-нибудь судно попадает в такую зону, то оно подвергается мощным ударам, вибрации и звуковому воздействию, причиной которой являются сейсмоакустические волны сжатия с амплитудой до 15 Мпа.

Рис. 18.5.1. Образование цунами. 1 – до землетрясения, светлое – вода, точки – океаническое дно; 2 – землетрясение вследствие сброса на дне, на поверхности океана возникает впадина; 3 – на месте впадины образуется купол воды; 4 – купол распадается на круговые волны

Распространяясь во все стороны от эпицентральной области, волны проходят очень большие расстояния. Например, после сильного землетрясения 4 октября 1994 г. вблизи

о.Шикотан Курильской островной дуги с М=8,0 по шкале Рихтера, волны достигали побережья Южной Америки через 20-21 час. Чаще всего скорость распространения волн цунами не превышает 200 км/час, в то время как скорость сейсмических волн составляет несколько км/сек, что позволяет выдать прогноз возникновения цунами после землетрясения, которое регистрируется почти мгновенно, и оповестить население о приближающейся опасности. Скорость, с которой волна цунами подходит к берегу равна:

С = gH

где Н – глубина океана g = 9,81 м/сек² - гравитационное ускорение. Например, если землетрясение происходит вблизи Курильской гряды и Восточной Камчатки, то время пробега волны цунами составляет всего 10-60 минут, что очень мало для принятия срочных мер по эвакуации населения.

Когда волна цунами высотой в 5-6 м подходит к отмелому берегу, ее высота начинает возрастать до нескольких десятков метров в силу различных причин. Явление увеличения высоты волны на пологом берегу хорошо известно, особенно любителям поплавать на доске перед гребнем волны. «Выросшая» в своей высоте волна цунами всей мощью обрушивается на пологий берег, сметая все на своем пути и проникает вглубь побережий иногда на десятки км.

Цунами чаще всего происходят в Тихом океане, где за последние 10 лет их произошло более 70. Так, 02.09.1992 волна высотой в 10 м на побережье Никарагуа привела к гибели около 170 человек. 12.12.1992 г. цунами высотой до 26 м в Индонезии погубило более 1000 человек. 17.08.1998 г. цунами высотой до 15 м обрушилось на Папуа-Новую Гвинею, во время которого более 2000 человек оказались смытыми волной в лагуну, в которой они утонули или были съедены крокодилами.

На Тихоокеанском побережье России цунами за последние 300 лет наблюдались 70 раз, причем самое разрушительное цунами произошло 04.11.1952 г.. когда волной около

10 м был сильно разрушен г.Северо-Курильск на о.Парамушир. Остальные цунами, хоть и вызывали сильные разрушения, но человеческих жертв не было.

Цунами возникают не только в результате землетрясений. Известен случай на Аляске 09.07.1958 г., когда в бухту Литуя со склонов горы Фейруэзер сошел огромный

оползень в 80 млн. м³, вызвавший волну в 524 м высотой, что почти равно Останкинской телевизионнной башне в Москве! Такая высота установлена по заплеску волн на склонах гор.

К появлению цунами приводят и взрывы вулканических островов. Например, цунами, возникшее при гигантском взрыве вулкана Кракатау в Зондском проливе 26 августа 1883 г., привело к гибели 36 000 человек, а волны достигли Африки и обогнули ее,

так какв Англии был зарегистрирован подъем воды на 15 см. Под воздействием цунами, по-видимому, погибла Минойская цивилизация на о.Крит в Эгейском море, когда в XV в. до н.э. произошло мощное взрывное извержение вулкана Санторин.

В очаге цунами нередко происходит быстрый подъем к поверхности холодных глубинных вод и при этом температура поверхностной воды в диаметре до 500 км понижается на 5-6°С и подобная аномалия держится более суток. Такие аномалии уже много раз зафиксированы со спутников в океанах вблизи Тихоокеанского побережья Америки, в Охотском море и других местах.

Существует специальная служба оповещения о приближающемся цунами. Однако,

ее эффективность не очень высока, т.к. не каждое землетрясение в океане вызывает цунами. Поэтому большой процент ложных тревог. На побережье Японии вдоль дорог установлены плакаты, на которых написано: «Путник, помни о землетрясении; услышав землетрясение, помни о цунами; увидев цунами, беги в гору». И это, нередко, единственная возможность спастись от разрушающей волны.

Сейсмические колебания океанического дна вызывают такое явление, как моретрясение,при котором море мгновенно«вскипает»,образуются стоячие волнывысотой до 5-6 м, водяные бугры, остающиеся на одном месте. Все это напоминает кипящее масло на сковородке. Нередко моретрясение сопровождается сильным гулом. Это явление зафиксировано экипажами кораблей, подвергавшихся жуткой тряске, ударам по корпусу и вибрации, вызывавших даже разрушения на палубах. Моретрясения возникают при особом типе колебания океанического дна, когда образуются высокоэнергетические акустические волны. Если колебания дна происходят со скоростью 1 м/с, то на фронте волны сжатия скачок давления достигает 15 атмосфер. Именно такая волна воспринимается судном как удар.