Параметры колебаний различных категорий грунтов при разрушительных землетрясениях с магнитудой М-8

Категория грунта	В 85 км от гипоцентра	В 100 км от гипоцентра	Видимый период ускорения, с	Видимый период скорости, с
Ускорение сдвига грунта см/с2	Скорость сдвига грунта см/с	Ускорение сдвига грунта см/c2	Скорость сдвига грунта см/с
Скальный		7,5		6,5	0,2	1,3
Средний					0,3	1,1
Рыхлый					0,5	1,1

Таблица 11

Обобщенные оценки воздействия землетрясений

Диапазон магнитуды землетрясения по Рихтеру	Среднее число землетрясений на Земле в год	Длительность сильных сотрясений грунта, с	Радиус района сильного сотрясения грунта, км
4,0-4,9		0-5	0-15
5,0-5,9		2-15	5-30
6,0-6,9		10-30	20-80
7,0-7,9		20-50	50-120
8,0-8,9	-	30-90	80-160

Таблица 12

Расчетные значения параметров смещения грунта при землетрясениях

Интенсивность землетрясения в баллах (шкала MSK-64)	Ускорение смещения грунта, см/с2	Скорость смещения грунта, см/с	Горизонтальное смещение грунта, мм
VI	30-60	3-6	1,5-3
VII	61-120	6,1-12	3,1-6
VIII	121-240	12,1-24	6,1-12
IX	241-480	24,1-48	12,1-24

Результатом записи сейсмических колебаний является сейсмограмма, на которой записываются продольные и поперечные волны. Наблюдения над землетрясениями осуществляются сейсмической службой страны. Некоторые данные о физических параметрах прошедших землетрясений приведены в таблицах9, 10, 11, 12.

Энергия землетрясения Е связана с магнитудой М соотношением вида:

lg E = 4 + l,6 M или (по другим авторам)

lg E=11,4 + 1,5 М.

Величину К = lg E называют энергетическим классом. При землетрясении, для которого М = 5, из очага выделяется энергия Е == 10¹² Дж, К = 12; при М = 8 Е = 10¹⁷ Дж, К = 17. В Ашхабаде в 1948 г. энергия землетрясения составила Е = 10¹⁵ Дж, в Сан-Франциско в 1906 г. – Е = 10¹⁶ Дж, на Аляске в 1964 г. – Е = 10¹⁸ Дж. По статистике землетрясения с магнитудой 8 происходят каждые 102 года.

Магнитуда М, интенсивность землетрясения в баллах и глубина очага h связаны между собой (см. табл.13).

Таблица 13

Примерное соотношение магнитуды М и балльности в зависимости от глубины очага h

h, km	Магнитуда М
5	6	7	8
	VII	VIII-II	X	XI-XII
	VI	VII-VIII	IX	X-XI
	V	VI-VII	VIII	IX-X

Примерное соотношение Между магнитудой и интенсивностью землетрясений показано в таблице 14.

Землетрясения распространены по земной поверхности очень неравномерно. Анализ сейсмических, географических данных позволяет наметить те области, где следует ожидать в будущем землетрясений и оценить их интенсивность. В этом состоит сущность сейсмического районирования.

Таблица 14

Зависимость между магнитудой и интенсивностью землетрясений

Магнитуда	Интенсивность
	I-II
	II
	V
	VI-VII
	VII-VIII
	IX-X
	XI

Карта сейсмического районирования – это официальный документ, которым должны руководствоваться проектирующие организации.

Пока не решена проблема прогноза, т. е. определения времени будущего землетрясения. Основной путь к решению этой проблемы – регистрация «предвестников» землетрясения: слабых предварительных толчков (форшоков), деформации земной поверхности, изменений параметров геофизических полей и др. Знание временных координат потенциального землетрясения во многом определяет эффективность мероприятий по защите во время землетрясений.

В районах, подверженных землетрясениям, осуществляется сейсмостойкое, или антисейсмическое строительство. Это значит, что при проектировании и строительстве учитываются возможные воздействия на здания и сооружения сейсмических сил. Требования к объектам, строящимся в сейсмических районах, устанавливаются строительными нормами и правилами и другими документами. По принятой в России 12-балльной шкале опасными для зданий и сооружений считаются землетрясения, интенсивность которых 7 баллов и более. Строительство в районах с сейсмичностью, превышающей 9 баллов, неэкономично. Поэтому в правилах и нормах указания ограничены районами 7-9-балльной сейсмичности. Обеспечение полной сохранности зданий во время землетрясений обычно требует больших затрат на антисейсмические мероприятия, а в некоторых случаях практически неосуществимо. Учитывая, что сильные землетрясения происходят редко, нормы допускают возможность повреждения элементов, не представляющих угрозы для людей. Наиболее благоприятными в сейсмическом отношении считаются скальные грунты. Сейсмостойкость сооружений существенно зависит от качества строительных материалов и работ. Методы расчетной оценки сейсмостойкости сооружений имеют приближенный характер. Поэтому нормы вводят ряд обязательных, конструктивных ограничений и требований. К их числу относится, например, ограничение размеров строящихся зданий в плане и по высоте. Для уточнений данных сейсмического районирования проводится сейсмическое микрорайонирование, с помощью которого интенсивность землетрясений в баллах, указанная на картах, может быть скорректирована на + 1...2 балла в зависимости от местных тектонических, геоморфологических и грунтовых условий.

Землетрясение – грозная стихия, не только разрушающая города, но и уносящая тысячи человеческих жизней. Так, в 1908 г. землетрясением с магнитудой 7,5 разрушен г. Мессина (Италия), погибло более 100 тыс. человек. В 1923 г. катастрофическое землетрясение (магнитуда 8,2) с эпицентром на острове Хонсю (Япония) разрушило Токио, Иокогаму, погибли около 150 тыс. человек. В 1948 г. землетрясением разрушен Ашхабад, магнитуда 7, сила – IX баллов.

Иногда землетрясениям предшествуют грозовые разряды в атмосфере, выделения метана из земной коры. Это так называемые «предвестники» землетрясений. Возникающие при землетрясении колебания могут быть причиной вторичных эффектов в виде оползней и селевых потоков, цунами (сейши), снежных лавин, наводнений, разломов в скальных породах, пожаров, коробления земной поверхности.

Проблема защиты от землетрясений стоит очень остро. В ней необходимо различатьдве группы антисейсмических мероприятий:

а) предупредительные, профилактические мероприятия, осуществляемые до возможного землетрясения;

б) мероприятия, осуществляемые непосредственно перед, во время и после землетрясения, т. е. действия в чрезвычайных ситуациях.

К первой группе относится изучение природы землетрясений, раскрытие его механизма, идентификация предвестников, разработка методов прогноза и др.

На основе исследований природы землетрясений могут быть разработаны методы предотвращения и прогноза этого опасного явления. Очень важно выбирать места расположения населенных пунктов и предприятий с учетом сейсмостойкости района. Защита расстоянием – лучшее средство при решении вопросов безопасности при землетрясениях. Если строительство все-таки приходится вести в сейсмоопасных районах, то необходимо учитывать требования соответствующих правил и норм (СНиПов), сводящиеся в основном к усилению зданий и сооружений.

Эффективность действий в условиях землетрясений зависит от уровня организации аварийно-спасательных работ и обученности населения, эффективности системы оповещения.

СЕЛИ

Сели – кратковременные бурные паводки на горных реках, имеющие характер грязекаменных потоков.

Причинами селей могут явиться землетрясения, обильные снегопады, ливни, интенсивное таяние снега.

Основная опасность – огромная кинетическая энергия грязеводных потоков, скорость движения которых может достигать15 км/ч.

По мощности селевые потоки делят на группы: мощные (вынос более 100 тыс. м³ селевой массы), средней мощности (от 10 до 100 тыс. м³), слабой мощности (менее 10 тыс. м³). Селевые потоки происходят внезапно, быстро нарастают и продолжаются обычно от 1 до 3 ч, иногда 6-8 ч. Сели прогнозируются по результатам наблюдений за прошлые годы и по метеорологическим прогнозам.

К профилактическим противоселевым мероприятиям относятся: гидротехнические сооружения (селезадерживающие, селенаправляющие и др.), спуск талой воды, закрепление растительного слоя на горных склонах, лесопосадочные работы, регулирование рубки леса и др. В селеопасных районах создаются автоматические системы оповещения о селевой угрозе и разрабатываются соответствующие планы мероприятий.

СНЕЖНЫЕ ЛАВИНЫ

Лавина - это снежный обвал, масса снега, падающая или сползающая с горных склонов под влиянием какого-либо воздействия и увлекающая на своем пути новые массы снега.

Одной из побудительных причин лавины может быть землетрясение. Снежные лавины распространены в горных районах.

По характеру движения лавины делятсяна склоновые, лотковые и прыгающие.

Опасность лавины заключается в большой кинетической энергии лавинной массы, обладающей огромной разрушительной силой. Лавины образуются на безлесных склонах крутизной от 15° и более. Оптимальные условия для образования лавин на склонах в 30-40°. При крутизне более 50° снег осыпается к подножию склона и лавины не успевают сформироваться. Сход лавины начинается при слое свежевыпавшего снега в 30 см, а старого более 70 см. Скорость схода лавины может достигать 100 м/с, а в среднем 20-30 м/с. Точный прогноз времени схода лавины невозможен.

Имеются сведения о том, что в Европе ежегодно лавины разного вида уносят в среднем около 100 человеческих жизней.

Противолавинные профилактические мероприятия делятся на 2 группы: пассивные и активные.

Пассивные способы состоят в использовании опорных сооружений, дамб, лавинорезов, надолбов, снегоудерживающих щитов, посадках и восстановлении леса и др. (рис.15).

Активные методы заключаются в искусственном провоцировании схода лавины в заранее выбранное время и при соблюдении мер безопасности. С этой целью производится обстрел головных частей потенциальных срывов лавины разрывными снарядами или минами, организуются взрывы направленного действия, используются сильные источники звука.

В лавиноопасных регионах могут создаваться противолавинные службы, предусматривается система оповещения и разрабатываются планы мероприятий по защите от лавин.

ИЗВЕРЖЕНИЕ ВУЛКАНОВ

Совокупность явлений, связанных с перемещением магмы в земной коре и на ее поверхности, называется вулканизмом.

Магма (от греч. magma – густая мазь) – это расплавленная масса преимущественно силикатного состава, образующаяся в глубинных зонах Земли. Достигая земной поверхности, магма изливается в виде лавы.

Лава отличается от магмы отсутствием газов, улетучивающихся при извержении. Вулканы (по имени бога огня Вулкана) представляют геологические образования, возникающие над каналами и трещинами в земной коре, по которым извергается на земную поверхность магма. Обычно вулканы представляют отдельные горы, сложенные продуктами извержений (рис. 16).

Вулканы разделяются на действующие, уснувшие и потухшие.

К уснувшим относятся вулканы, об извержениях которых нет сведений, но они сохранили свою форму и под ними происходят локальные землетрясения.

Потухшие – это различные вулканы без какой-либо вулканической активности.

Магматические очаги находятся в мантии на глубине 50-70 км или в земной коре на глубине 5-6 км.

Извержения вулканов бывают длительными и кратковременными. Продукты извержения (газообразные, жидкие и твердые) выбрасываются на высоту 1-5 км и переносятся на большие расстояния. Концентрация вулканического пепла бывает настолько большой, что возникает темнота, подобная ночной. Объем излившейся лавы достигает десятков км³.

Известно извержение вулкана Везувия в августе 79 г., в результате которого погиб город Помпеи. Толщина слоя вулканического пепла, покрывшего этот город, составляет 8м.

Существуют следующие типы извержений: эффузивный (гавайский), смешанный (стромболианский), экструзивный (купольный).

Замечена взаимозависимость между вулканической деятельностью и землетрясениями.

Основой прогноза извержения являются сейсмические толчки, характеризующие начало извержения.

Основные опасности – лавовые фонтаны, потоки горячей лавы, раскаленные газы. Взрывы вулканов могут инициировать оползни, обвалы, лавины, а на морях и океанах – цунами.

Профилактические мероприятия состоят в изменении характера землепользования, строительстве дамб, отводящих потоки лавы, в бомбардировке лавового потока для перемешивания лавы с землей и превращения ее в менее жидкую и др.

ОПОЛЗНИ

Оползень – скользящее смещение вниз по уклону под действием сил тяжести масс грунта, формирующих склоны холмов, гор, речные, озерные и морские террасы (рис. 17).

По механизму оползневого процесса выделяют такие типы оползней: сдвиг, выдавливание, гидравлический вынос и др.

По глубине залегания поверхностного скольжения различают оползни: поверхностные – до 1 м, мелкие – до 5 м, глубокие – до 20 м, очень глубокие – свыше 20 м.

По мощности, вовлекаемой в процесс массы горных пород, оползни распределяют на: малые – до 10 тыс. м³, крупные – от 101 до 1000 тыс. м³, очень крупные – свыше 1000 тыс. м³.

Таблица 15

Классификация оползней по мощности

Наименование групп оползней	Масса пород, вовлеченных в оползневый процесс
Малые	до 10 тыс. м3
Средние	от 11 до 100 тыс. м3
Крупные	от 101 до 1000 тыс. м3
Очень крупные	свыше 1000 тыс. м3

Таблица 16

Результаты влияния основных природных факторов на оползневые процессы

Природные факторы	Характер воздействия факторов на пласты земных пород
Обводнение пород пластов	Подмыв основания пластов	Перегрузка пластов	Подсечка пластов	Выветривание и рыхление	Толчки и сотрясения
Атмосферные осадки	В	В	В	Сп	Сп	-
Подземные воды	В	В	В	В	В	-
Вода водотоков и водоемов	В	В	В	В	В	В
Температура породы	Сп	Сп	Сп	Сп	В	-
Растительность на поверхности	Сп	Сп	Сп	Сп	В	-
Сейсмичность района	Сп	Сп	В	В	В	В

Примечание:В – влияет; Сп – способствует

По скорости движения оползни бывают: быстрые (время развития измеряется секундами или минутами), средней скорости (минуты, часы), медленные (дни, годы).

Оползни формируются, как правило, на участках, сложенных чередующимися водоупорными и водоносными породами грунта. Оползни возникают вследствие нарушения равновесия пород. Когда силы сцепления на поверхности скольжения становятся меньше составляющей силы тяжести, масса начинает движение. Опасность оползней заключается в том, что огромные массы почво-грунтов, внезапно смещаясь, могут привести к разрушению зданий и сооружений и большим жертвам.

Таблица 17

Активные противооползневые мероприятия

Причины, вызывающие оползни	Меры борьбы
Мероприятия	Виды работ
Изменение напряженного состояния глинистых пород (перепад давления)	Уполаживание склонов или откосов	Срезка земляных масс в верхней части откоса и укладка их у подножия для погрузки в месте ожидаемого выпирания
Подземные воды	Перехват подземных вод выше оползня	Горизонтальный и вертикальный дренаж, сплошная прорезь, дренажная галерея, горизонтальные скважины-дрены. Вертикальный дренаж – забивные и сквозные фильтры, колодцы, дренаж
Поверхностные воды	Защита берегов от абразии (соскабливания). Защита берегов от эрозии (разъедания)	Волноотбойные стены. Волноломы подвижные и подводные. Буны. Завоз пляжного материала. Мощение откоса. Туфяки. Каменная наброска. Струенаправляющие сооружения.
Атмосферные осадки	Регулирование поверхностного стока	Микропланировка. Лотки, кюветы, каналы, быстротоки, дорожки
Выветривание	Защита грунтов поверхности склона	Одерновка, посев трав, древесные насаждения. Замена грунта (планировка). Изоляция поверхности.
Совокупность ряда природных причин	Механическое сопротивление движению земляных масс. Изменение физико-технических свойств грунтов	Подпорные стены. Свайные ряды, шпунты. Земляные контрбанкеты (небольшие валы). Замена грунтов поверхности скольжения. Подсушка и обжиг глинистых грунтов, электрохимическое закрепление грунтов
Некоторые виды деятельности человека	Специальный режим в оползневой зоне	Сохранение склонов в устойчивом состоянии. Ограничение в производстве строительных работ. Строгий режим эксплуатации различных сооружений.
Утечка водопроводных и канализационных вод	Обеспечение повышенной надежности.	В оползневой зоне трубопроводы устраиваются из труб более прочных материалов или в «рубашке»

Побудителями оползневых процессов являются землетрясения, вулканы, строительные работы и др.

Предупреждение и защита от оползней предусматривает ряд пассивных и активных мероприятий.

К пассивным относят мероприятия охранно-ограничительного вида: запрещение строительства, производства взрывных работ, надрезки оползневых склонов.

К активным мероприятиям относят устройство различных инженерных сооружений: подпорных стенок, свайных рядов и т. п. В опасных местах предусматривается система наблюдения и оповещения населения, а также действия соответствующих служб по организации аварийно-спасательных работ.