О причинах роста техногенных катастроф и многое другое...
О нас Услуги Оборудование Книги по теме Примеры Связь Карта Форум Видео En

О причинах роста техногенных катастроф

Гликман А.Г.
НТФ "ГЕОФИЗПРОГНОЗ"
2 января 2010, Санкт-Петербург

     Внезапные разрушения инженерных сооружений происходили всегда. Одно из самых первых упоминаний об этом относится к XV веку, когда во время строительства Успенского собора в Москве  разрушились его опоры. Но процент таких разрушений был невелик, и каждый раз удавалось объяснить их недочетами при строительстве либо другими причинами, обычно неопределенными, но кажущимися достоверными.
     Первое резкое увеличение количества разрушений приходится на период развития железных дорог - на середину XIX века, и связан с возникшим в связи с этим увеличением объемов строительства. Процент разрушений, возможно, остался прежним, но количество возводимых сооружений возросло, строились они кучно, и разрушения стали виднее. А главное, что начались разрушения самого железнодорожного полотна. Причем зачастую, в одних и тех же местах.
     Вот эти повторы разрушений в одном и том же месте привели к тому, что возникло подозрение в том, что причина внезапных разрушений - геологическая. В результате, была создана новая ветвь геологии - подповерхностная геология. Согласно этому предмету, на строительной площадке, на предпроектной стадии осуществлялось разведочное (керновое) бурение на глубину 6-10м с тем, чтобы попытаться найти признаки будущего внезапного разрушения. То есть, иначе говоря, для осуществления прогнозирования разрушений инженерных сооружений. В дальнейшем эти исследования стали называться инженерно-геологическими изысканиями.
     Однако с помощью этих исследований признаки предстоящих разрушений не обнаруживались, и с помощью инженерно-геологических изысканий за все время их существования не было сделано ни одного прогноза разрушения инженерных сооружений. Таким образом, наличие инженерных изысканий на разрушения сооружений не оказало никакого влияния.
     Не имея представлений, почему зачастую разрушаются недавно возведенные дома, строители пошли по пути усиления фундамента и применения технологии монолитного строительства. Однако вопреки всяческой логике, с увеличением прочности конструкций количество разрушений ощутимо увеличилась. И это можно назвать вторым этапом увеличения разрушений инженерных сооружений.
     Третий и самый мощный этап увеличения разрушающихся сооружений приходится на период, начавшийся где-то в середине ХХ века. Рост разрушений третьего этапа можно проиллюстрировать следующими цифрами. За вторую половину ХХ века потери от техногенных катастроф на Земле возросли примерно в 10 раз - с 60 до 700млрд долларов в год.
     Вызывает удивление тот факт, что рост разрушений, который достиг такого уровня, что уже ощутим в глобальном масштабе, не вызвал соответствующего увеличения интереса к причинам этого явления. Невольно напрашивается сравнение с медициной. Нельзя представить себе, чтобы рост каких-либо заболеваний не вызвал увеличения соответствующих усилий медиков на то, чтобы с этим справиться...
     Если у лечащего врача или хирурга произошло какое-то осложнение при лечении больного, то это будет доложено на конференции и не останется без внимания. У строителей же наоборот, что бы ни случилось, первая задача - скрыть все, что могло бы свидетельствовать о разрушении. Поэтому зачастую в однотипных инженерных сооружениях происходят одинаковые разрушения, но сделать никакие выводы из этого нельзя, потому что это тщательно скрывается.
     Так сложилось, что обнаружить некоторые причины техногенных катастроф удалось с помощью геофизического метода спектрально-сейсморазведочного профилирования (ССП) [1]. При этом оказалось, что геологическая причина развития разрушений инженерных сооружений все-таки существует, и состоит она в следующем.
     Центрами разрушения инженерных сооружений являются зоны тектонических нарушений (ЗТН). Однако прежде, чем приступить к рассказу о ЗТН и механизмах разрушений, необходимо рассказать о том физическом эффекте, использование которого позволило создать исследовательский инструмент, с помощью которого оказалось возможным обнаруживать и исследовать эти зоны.
     В основе метода ССП лежит физический эффект, который заключается в следующем. Как удалось обнаружить еще в 1977 году, при ударном (в общем случае, импульсном, широкополосном) воздействии на земную толщу, реакция на него, то есть, сейсмосигнал, имеет вид одного или нескольких (одновременно существующих) затухающих гармонических (синусоидальных) составляющих. Уточним: если реакция на удар представляет собой несколько гармонических затухающих процессов, то начинаются они одновременно, практически в момент удара. На рис.1 приведен сейсмосигнал, иллюстрирующий этот эффект.

сейсмосигнал
Рис. 1

     В момент удара возникает два гармонических затухающих процесса. Высокочастотный затухает быстрее, и остается только низкочастотный.
     Частично о значении этого эффекта написано в работе [2]. Но на самом деле, значение этого эффекта значительно шире. Как я понимаю сейчас, сам путь развития акустики твердых сред и основной ее ветви - сейсморазведки - сложился так, как он сложился потому, что ученые не смогли распознать в сейсмосигнале совокупность гармонических затухающих колебаний.
     Для сравнения, направление развития электротехники резко изменилось именно в тот момент, как лорд Кельвин обнаружил, что реакция LC-контура на импульсное воздействие имеет вид гармонического затухающего процесса.
     Из общефизических представлений известно, что если реакция на удар имеет вид гармонического затухающего процесса, значит, объект, по которому ударили, является колебательной системой. Именно в соответствии с этой логикой лорд Кельвин в 70-х годах XIX века понял, что LC-контур является колебательной системой.
     Таким образом, обнаружив, что сейсмосигнал представляет собой совокупность гармонических составляющих, ничего не оставалось, как признать, что земная толща представляет собой совокупность колебательных систем.
     Восприятие этого момента в массовом сознании очень сложно. Дело в том, что общепринятой является кажущаяся абсолютно очевидной точка зрения, согласно которой земная толща по акустическим характеристикам представляет собой совокупность отражающих границ. Эта модель является основой самой мощной в геофизике отрасли - сейсморазведки. И именно ошибочность исходного постулата оказалась причиной нулевой эффективности сейсморазведки [3].
     Любой исследовательский метод должен быть сориентирован на изучение основных характеристик исследуемого процесса. Поскольку предполагалось, что земная толща представляет собой совокупность отражающих границ, то для исследования колебательных систем при этом не было оснований. И обнаружив, что именно колебательные системы (с позиций акустики) составляют земную толщу, мы столкнулись с полным, по сути, отсутствием представлений о физических свойствах этих объектов.
     Любая одночастотная колебательная система обладает двумя основными характеристиками - собственной частотой f0 и добротностью Q. Определение колебательной системы в механике и акустике довольно размыто. Поэтому не остается ничего другого как прибегнуть к аналогии с электротехникой, где изученность колебательных систем весьма высока. В самых общих чертах, можно дать такое определение колебательной системы1:

колебательная система - это устройство, реакция которого на ударное воздействие представляет собой гармонический затухающий процесс.

     Наличие колебательной системы предполагает возможность возникновения резонансных явлений. Резонанс - это ситуация, когда воздействие на колебательную систему не ударное, а вибрационное (динамическое), и при этом частота вибрации равна собственной частоте колебательной системы.
     Начиная с момента возникновения резонанса происходит рост амплитуды вибрации, который продолжается вплоть до увеличения амплитуды колебаний в Q раз большее, чем исходная вибрация. Отсюда, еще одно определение:

колебательная система - это устройство, которое на резонансе
увеличивает амплитуду колебаний внешнего воздействия в Q раз.

     Одна и та же величина добротности характеризует как колебательную систему, так и гармонический затухающий сигнал, возникающий при ударном возбуждении этой колебательной системы.
     Теперь можно вернуться к рассмотрению причин разрушений инженерных сооружений.
     При проведении спектрально-сейсморазведочного профилирования обнаружилось, что наряду с прослеживанием субгоризонтальных границ, соответствующих обычной слоистости осадочного чехла, иногда на ССП-разрезе прорисовывается специфическая V-образная (воронкообразная) структура или одна ее образующая.
     Некоторое время было непонятно, что это за объекты. Когда удалось выяснить, что в пределах V-образных объектов имеет место весьма высокая концентрация радона, то стало понятно, что таким образом проявляются зоны тектонических нарушений (ЗТН). Возможно, этим зонам следовало дать какое-то другое название, так как они, как правило, имеют небольшую протяженность - единицы-десятки метров, тогда как зоны тектонических нарушений, рассмотренные в литераторе - это многокилометровые структуры.
     На рис.2 приведен ССП-разрез, полученный при исследовании территории будущей стройплощадки в СПб. Участок 40-120м этого профиля пересек ЗТН.

ССП-разрез, полученный при исследовании территории будущей стройплощадки в СПб. Участок 40-120м этого профиля пересек ЗТН
Рис. 2

     Каждый вертикальный объект ССП-разреза представляет собой спектральное изображение сейсмосигнала в каждой конкретной точке профиля. Ось глубин h получается путем пересчета частот f спектра сейсмосигнала в глубины с помощью следующего соотношения:

h = k / f        (1),

где k - некий (в рамках настоящей статьи) коэффициент, численно равный 2500.
     Величина раздутия каждого из утолщений пропорциональна добротности соответствующей гармонической составляющей.
     На основании опыта исследования с применением метода ССП можно сказать, что ЗТН разбросаны на поверхности Земли хаотично, местами очень часто, а местами - редко. Так, в городе Оренбурге, находящемся по обе стороны реки Урал, различие концентрации этих зон просто поразительно. На территории старого Оренбурга, на одном берегу Урала, ЗТН встречаются очень редко, а на другом берегу они разбросаны очень густо.
     Главное же здесь заключается в том, что выявилась следующая закономерность. Наличие ЗТН вблизи с любым инженерным сооружением является устойчивым признаком разрушения этого сооружения. Первые несколько лет осуществлялась только констатация и перепроверка этого признака. Эти работы велись в двух направлениях. Первое направление заключалось в том, что исследование методом ССП осуществлялось около сооружений с видимыми признаками разрушения. А второе - на территориях будущих стройплощадок, и попытки прогнозирования разрушений на основании этого признака. Этот признак разрушения работает отлично.
     При изучении визуально наблюдаемых трещин в кладке домов как признаков разрушений, было обнаружено, что большинство трещин субвертикальны, а также косые, соединяющие углы оконных переплетов. Как оказалось, в лабораториях строительных НИИ нет технических средств для получении при моделировании подобных трещин. Более того, нет даже представлений, какого рода нагрузка могла бы привести к подобным разрушениям.
     Пример вертикальных трещин приведен на рис.3, на фотографии дома №8 по ул. Бумажной, СПб.

Пример вертикальных трещин приведен на рис.3, на фотографии дома №8 по ул. Бумажной, СПб
Рис. 3

     Метки внизу поставлены там, где прослеживаются вертикальные трещины снизу доверху.
     При полном отсутствии понимания механизмов, которые приводят к разрушениям в зонах тектонических нарушений, метод ССП использовался, тем не менее, весьма успешно как инструмент для оценки и прогнозирования состояния инженерных сооружений, в течение нескольких лет. Это все продолжалось до 1998 года, когда появилась информация об открытии Сашуриным А.Д. явления планетарной пульсации [4].
     Как оказалось, на Земле есть зоны, в которых грунт подвижен. Подвижность эта представляет собой колебания, частота которых настолько мала, что без специальной аппаратуры не может быть выявлена. Период этих колебаний составляет минуты и более. При этом амплитуда пульсации может достигать колоссальных значений - вплоть до 10см. А самое главное заключается в том, что зонами, в которых имеет место планетарная пульсация, являются зоны тектонических нарушений, выявляемых с помощью метода ССП. Оказавшись одним из свойств ЗТН [5], это явление позволило понять механизм разрушения инженерных сооружений в этих зонах.
     Допустим простейший для понимания вариант, когда фундаментом сооружения является железобетонная плита. Допустим далее, что часть этой плиты оказалась на неподвижном грунте, а часть - в ЗТН, в условиях планетарной пульсации. Тогда получается, что плита оказывается в условиях периодического усилия на изгиб. Но железобетон является хрупким материалом, и не может работать на изгиб. В результате, неизбежным становится излом плиты на границе, где неподвижный грунт переходит в подвижный.
     При всех кажущихся упрощениях и допущениях, приведенный случай оказался весьма частым. Трещина в железобетонной плите (т.н. плавающее основание) - совсем нередкий случай. Так, хорошо всем известное разрушение аквапарка «Трансвааль» в Ясенево началось с трещины в находящейся под ним плите. Далее, новый дом №31, корп.4, по ул.Замшина, СПб, построенный по технологии монолитного строительства, не имеет равных себе по степени разрушения. Причина его разрушения - также трещина в плите. На рис.4 приведена фотография этого дома.

новый дом №31, корп.4, по ул.Замшина, СПб, построенный по технологии монолитного строительства, не имеет равных себе по степени разрушения. Причина его разрушения - также трещина в плите
Рис. 4

     Поскольку фундамент и несущие конструкции при монолитном строительстве связаны жесткими связями, трещина в плите и взаимные перемещения отдельных участков расколовшейся плиты влечет за собой развитие трещин в стенах. Огромное количество стяжек и анкеров предназначены залечить образующиеся трещины. Однако поскольку части плиты-основания колеблются друг относительно друга, то остановить трещинообразование анкерами либо стяжками невозможно. В настоящее время возникает большое сомнение, являются ли столь нарушенные трещинами стены несущими конструкциями. Понятно, что при подвижном грунте технология монолитного строительства оказывается крайне ненадежной.
     Кирпичные дома в этом отношении более предпочтительны. Там трещины в фундаменте, возникшие в результате изгибных напряжений приводят к развитию в стенах субвертикальных трещин. Кирпичный дом с такими разрушениями за счет гибкости кирпичной кладки может эксплуатироваться много лет.
     Очень часто страдают от влияния ЗТН разного рода длинномерные объекты. Скажем, такие как трубы различного назначения, дамбы, железнодорожные пути. Имея значительную длину, эти объекты обязательно время от времени пересекают ЗТН, и в них возникают переменные изгибные напряжения, приводящие к развитию трещин. Длинные причалы, кроме того, подвергаются дополнительным периодическим нагружениям со стороны причаливающих судов. Очень важно для понимания то, что разрушения в длинномерных объектов происходят в одних и тех же местах.
     Изучение вопросов, связанных с разрушениями различных сооружений, иногда дает совершенно неожиданную информацию. Так, рост потребления нефтепродуктов неизбежно связан с ростом количества разного рода хранилищ, и в частности, большеобъемных (2000м3 и больше) цистерн. По данным топливных компаний, чуть ли не половина этих цистерн течет. Казалось бы, какое это имеет отношение к рассматриваемой здесь проблеме? Однако как оказалось, текут именно те цистерны, которые оказались в ЗТН. Характерный признак - это то, что заварить эти цистерны не удается. Спустя некоторое время после сварочных работ цистерна опять теряет герметичность.
     Многолетние исследования влияния зон тектонических нарушений на состояние инженерных сооружений позволяет считать, что исследование методом ССП позволяет прогнозировать считавшиеся раньше внезапными разрушения инженерных сооружений.
     Однако, как оказалось, зоны тектонических нарушений обладают не единственным механизмом разрушения инженерных сооружений. И если первый, рассмотренный механизм есть следствие подвижности грунта (планетарной пульсации), то второй является следствием наличия вибрации самого инженерного сооружения. Для рассмотрения этого механизма следует вернуться к колебательным свойствам земной толщи.
     То, что земная толща по акустическим характеристикам является совокупностью колебательных систем, стало понятно еще в 1977 году, но вначале это использовалось и учитывалось только в информационных целях, для разработки спектральной сейсморазведки. Однако осуществление метода ССП вывело на получение принципиально новой информации.
     Дело в том, что прорисовка воронкообразных объектов, сигнализирующих о пересечении профилем ЗТН, происходит за счет того, что в этих зонах гармонические составляющие имеют добротность, существенно более высокую, чем вне этих зон. Зачастую добротность гармонических составляющих достигает очень больших значений. Иногда даже больше 100. Наличие столь высокодобротных колебательных систем, залегающих в земной толще, неизбежно имеет своим следствием возможность опасных резонансных явлений.
     Собственно, возможность резонанса не зависит от добротности колебательной системы. Но при незначительной величине добротности увеличение амплитуды на резонансе будет также незначительным. Скажем, увеличение уровня вибрации в 5 раз (при Q=5) может остаться вовсе незамеченным. Совсем другое дело, если Q=100. Стократное увеличение амплитуды вибрации, скорее всего, просто недостижимо, поскольку разрушение произойдет уже при меньших амплитудах.
     Резонансное разрушение подготавливается следующим образом. При вхождении в резонанс, то есть когда наступает равенство частоты вибрации с собственной частотой колебательной системы, на которую воздействует некий вращающийся механизм, начинается рост вибрации. Здесь следует понимать, что полного отсутствия вибрации вращающегося механизма быть не может при как угодно тщательной балансировке. Рост вибрации на резонансе идет плавно, от периода к периоду, и продолжается до тех пор, пока не окажется превышен предел прочности самого слабого звена агрегата. Это могут оказаться болты, которыми механизм прикреплен к железобетонному основанию или само основание, или устройство, с помощью которого крепится основание к грунту (разного рода сваи), а то и просто грунт, на который опирается вибрирующее сооружение.
     Для каждого случая наиболее вероятны свои особенности разрушения. Так, на Саяно-Шушенской ГЭС рост вибрации шел до тех пор, пока не порвались болты, которые крепили агрегат ГА-2 к железобетонному телу плотины. Точно такое же событие произошло в 1983 году на Нурекской ГЭС. Происходящие время от времени аварии на разного рода насосных станциях обычно заключаются в том, что в момент резонансного разрушения мгновенно проваливается в грунт укрепленное сваями основание станции.
     Характерные железнодорожные аварии, вызванные этим эффектом, выглядят следующим образом. Поезд без всяких видимых причин рвется на две части. В месте и в момент разрыва мгновенно, взрывоподобно образуется воронка, в которую проваливаются столь же мгновенно разрушившиеся шпалы, и рвутся рельсы. Весь процесс разрушения настолько быстропротекающий, что зачастую его принимают за последствие взрыва. На самом деле, такие железнодорожные аварии представляют собой комбинированные аварии. Происходят они в ЗТН. В течение длительного времени участок пути в ЗТН разрушается под воздействием планетарной пульсации и проходящих поездов. Рельсы и шпалы, если они железобетонные, пронизываются микротрещинами. Далее, если в данной конкретной ЗТН присутствует высокодобротная колебательная система с собственной частотой, близкой к возможной частоте вибрации, возникающей при прохождении поезда, то при строго определенной его скорости возможно возникновение резонанса. При этом от вагона к вагону будет увеличиваться амплитуда вибрации, которая, достигнув некоторой предельной величины, оборвется взрывоподобным разрушением. Поскольку рельсы и шпалы к этому моменту могут оказаться уже в состоянии высокой микронарушенности, то они могут в момент аварии разлететься на множество частей, что еще больше увеличит подозрение в теракте.
     Таким образом, непременным признаком резонансного разрушения является рост вибрации до очень большого уровня непосредственно перед ударом.
     При небольших значениях добротности колебательной системы явление резонанса может быть и стационарным, что может проявляться, скажем, постоянно повышенной вибрацией. В случае высокой добротности стационарным резонанс быть не может, а происходит исключительно как переходный процесс. С поездами все понятно, там резонансный процесс начинается с момента пересечения локомотивом зоны тектонического нарушения. Что же касается постоянно действующих установок - разного рода турбин, насосов и пр., то там высокодобротный резонанс возникает при изменении по каким-то причинам обычной, штатной скорости вращения механизмов. Так произошло, например, на Саяно-Шушенской ГЭС, когда агрегат ГА2 стали выводить из штатного режима, и он при плавном замедлении вошел в высокодобротный резонанс.
     Аварии, спровоцированные высокодобротным резонансом, практически всегда являются комбинированными. Как и в случае железнодорожных катастроф, планетарная пульсация длительно разрушает оказавшееся в ЗТН сооружение, и когда возникает разрушительный резонанс, объект уже готов для окончательного разрушения.
     Вначале, при исследовании влияния ЗТН на инженерные сооружения сложилось впечатление, что если площадь ЗТН под фундаментом существенно меньше, чем площадь фундамента, то влияние ЗТН будет незначительным. Однако оказалось, что это не так. Чрезвычайно интересен в этом смысле оказался случай с домом №11 по ул.Шпалерной, СПб. Это большой, что называется доходный 6-этажный дом 1900-го года постройки. Дом находится в настолько разрушенном состоянии, что раскрыв отдельных трещин в стенах достигает 12см. во многих местах кладка и проемы окон скреплены стяжками и анкерами.
     В поисках причин столь сильных разрушений был сделан профиль ССП в подвале этого дома. Это исследование выявило наличие под домом очень узкой (всего 6м) ЗТН с добротностью, доходящей до 200. Казалось бы, можно было ожидать, что столь небольшой величины зона для такого большого дома может считаться несущественной. Однако следствием большой добротности являются следующие эффекты. Дом откликается повышенной вибрацией на все воздействия. Будь то проходящий по ул. Шпалерной транспорт или работа бытовой техники. В том же случае, если бытовая техника (например, стиральная машина) окажется непосредственно над выявленной колебательной системой, то во время отжима, из-за характерной вибрации, дом может разрушиться. Что чуть было и не произошло однажды. Вибрация всего дома достигла такого уровня, что жители выскочили на улицу. Хорошо, что машину успели выключить.
     Таким образом, стало понятно, что даже очень небольшая ЗТН при наличии высокодобротной колебательной системы может явиться причиной разрушения дома. А признаком ее наличия является реакция дома на прохождение мимо него транспорта и прочие непрямые воздействия.
     Подводя итог, можно сказать, что причиной подавляющего большинства разрушений инженерных сооружений является их взаимодействие с зонами тектонических нарушений, и приостановить их рост можно, если учитывать при строительстве наличие и местонахождение этих зон.
     Далее, обратимся еще раз к цифрам роста потерь от техногенных катастроф в течение второй половины ХХ века. Рост потерь совпадает с ростом энергетической оснащенности в планетарном масштабе. Так, если в середине ХХ века энергетическая оснащенность на душу населения в развитых странах превышала то же самое в странах развивающихся в 25 раз (по оценкам Курчатовского института), то в начале XXI века это отношение уменьшилось примерно в 5 раз. Рост абсолютного значения энергии можно представить себе, учитывая, насколько население развивающихся стран больше, чем население в развитых странах.
     Такой рост энергетических установок на Земле - это рост количества инженерных сооружений, оказывающих на грунт динамическое воздействие. И сразу становится понятным, как связаны между собой рост количества энергетических установок с ростом потерь от техногенных катастроф.
     Таким образом, геологический фактор увеличения количестве техногенных катастроф является реальным тормозом энергооснащенности нашей цивилизации.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Гликман А.Г. "Спектральная сейсморазведка - это тоже довольно просто"
  2. Гликман А.Г. "Гимн синусоиде"
  3. Гликман А.Г. "Сейсморазведка - это очень просто"
  4. Sashourin A.D., Panzhin A.A., Kostrukova N.K., Kostrukov O.M. Field investigation of dynamic displacement in zone of tectonic breaking. /Rock mechanics - a challenge for society: Proceedings of the ISRM regional symposium EUROK 2001. Espoo, Finland 3-7 June 2001/ Balkema 2001. p. 157-162.
  5. Гликман А.Г. "Планетарная пульсация как механизм формирования тектонических процессов"

  1. Об этом говорилось выше, но для нас это настолько важно, что я позволю себе повторить.


Обсудить статью 



При использовании материалов сайта ссылка на www.newgeophys.spb.ru обязательна Публикации о нас

Начало | О нас | Услуги | Оборудование | Книга 1 Книга 2 Книга 3 |  Примеры | Связь | Карта сайта | Форум | Ссылки | О проекте | En

Поддержка и продвижение сайта "Геофизпрогноз"


Rambler's Top100 Rambler's Top100

Реклама на сайте: