О комплексном характере воздействия зон тектонических нарушений на инженерные сооружения и многое другое...
О нас Услуги Оборудование Книги по теме Примеры Связь Карта Форум Видео En

О комплексном характере воздействия зон тектонических нарушений на инженерные сооружения

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

     Настоящая работа является последней и как бы итоговой в цикле статей, посвященных изучению механизмов формирования техногенных катастроф [1, 2, 3, 4].
     В 1993 году было обнаружено, что инженерные сооружения, оказавшиеся в зонах тектонических нарушений (ЗТН), имеют повышенную вероятность внезапного разрушения. Объяснений этому не было, и изучение этого феномена велось на чисто экспериментальном уровне. Однако постепенно, шаг за шагом картина стала проясняться.
     Первоначально выяснилось, что горные породы в ЗТН находятся в весьма нарушенном состоянии. В пользу этого свидетельствовало следующее:

  1. Многочисленные случаи, когда в ЗТН проявляется существенно пониженная несущая способность грунта. А именно, проваливающиеся крылечки, веранды, наклон домов за счет ухода в грунт фундамента в ЗТН.
  2. Часто встречающиеся лужи, которые не поддаются засыпке и выравниванию поверхности грунта.
  3. По признанию буровиков, в ЗТН при керновом бурении выход керна существенно снижается, часто до нуля.

     Далее, на пахоте, в ЗТН, зачастую весной появляются камни, которых не было осенью. Эти камни выходят из глубины, как бы всплывают. То есть, получается, в ЗТН в горных породах работает закон Архимеда. Следовательно, горные породы в ЗТН нельзя относить к твердым средам. Это состояние было названо твердой жидкостью.
     Справедливость такого подхода подтверждается явлением, известным как пучение. Пучение пород возникает не только на дневной поверхности, но и в подземных выработках. Понятно, что если бы горные породы находились в полноценно твердом состоянии, пучение было бы невозможным. То есть, горные породы в ЗТН могут находиться как бы в пластилинообразном состоянии.
     В 1997 году было обнаружено, что ЗТН являются зонами водопритока. При заглублении в этих зонах зачастую поступает напорная вода. Эта вода поступает не из водоносных горизонтов, описанных в гидрогеологической литературе, а поднимается по разрушенным (как и быть должно в ЗТН), а следовательно, водопроницаемым породам с больших глубин.
     Водоприток в ЗТН используется с тех пор при необходимости добыть воду, но в случае, если она поступает в строительный котлован, то это явление становится дополнительным фактором разрушения инженерного сооружения.
     Поступление глубинной воды в ЗТН в разрушенные глиносодержащие породы приводит к их размягчению, что делает понятным явление пучения.
     В 1998 году поступила информация о том, что для ЗТН характерно наличие колебаний поверхности грунта. Это явление получило название планетарной пульсации [5]. Ранее она оставалась незамеченной из-за крайне низких значений ее частоты. Период планетарной пульсации составляет минуты и более. Амплитуда же планетарной пульсации может достигать огромных величин, вплоть до 10см.
     Наличие планетарной пульсации позволило понять механизм разрушения инженерных сооружений в ЗТН. Так, если частично фундамент сооружения опирается на неподвижный грунт, а частично, в ЗТН, на пульсирующий, фундамент испытывает усилия на изгиб и на срез, и в результате происходит его разрушение. Характерным проявлением такого воздействия со стороны ЗТН является возникновение субвертикальных и косых трещин в кирпичной кладке стен.
     Воздействие планетарной пульсации в ЗТН приводит к разрушению стальных длинномерных объектов типа трубопроводов и рельсовых путей, которые в отсутствии пульсации испытывали бы только прогиб и провисали бы при пересечении ЗТН.
     В результате обследования подземных выработок стало понятно, что планетарная пульсация является причиной разрушения не только инженерных сооружений, но и самих горных пород. То есть повышенная нарушенность горных пород есть следствие воздействия на них планетарной пульсации.
     Разрушенные в ЗТН горные породы представляют собой строго вертикально сориентированные структуры. Это обнаружено в результате спектрального сейсмопрофилирования (ССП) по дневной поверхности вдоль находящихся на большой глубине подземных выработок. При этом зоны вывалообразования в подземных выработках в точности соответствовали подсеченной на поверхности ЗТН.
     Рассматривая угольную шахту как инженерное сооружение, имеем весьма разностороннее воздействие на нее со стороны ЗТН:

  1. Как уже было сказано выше, подземная выработка, оказавшаяся в ЗТН, характеризуется повышенным вывалообразованием. При залегании в кровле выработки прочных пород, вывалообразование имеет вид либо вываливающихся блоков (сундуков), либо высыпающихся плиточек. В случае слабых пород происходит так называемая сыпучка.
  2. В случае залегания в почве подземной выработки глиносодержащей породы, возможно пучение. Пучение почвы в подземной выработке по интенсивности многократно превышает пучение пород на дневной поверхности. Если на дневной поверхности амплитуда пучения не превышает единиц сантиметров, то в подземной выработке возможно заполнение породой выработки до самой кровли в течение всего лишь одной смены.
  3. При попадании выработки в ЗТН, вместе с вывалообразованием происходит ее обводнение.
  4. В случае угленосной толщи, разрушаются не только породные слои, но и угольные пласты. При этом растворенный в угле метан оказывается в свободном состоянии, причем под высоким давлением. При приближении забоя к ЗТН, метан выходит в подземную выработку.

     Особый случай, если инженерное сооружение, оказавшееся в ЗТН, содержит вибрирующее устройство. Иначе говоря, если сооружение оказывает на свою опору динамическое воздействие. В этом случае вероятность разрушения сооружения возрастает многократно. Наиболее страшное и катастрофичное при этом - резонансное разрушение. Его еще называют резонансным техногенным землетрясением или резонансным горным ударом. Подробно это явление рассматривается в статьях [6, 7].
     Обязательным признаком того, что разрушение произошло по причине резонансного горного удара является наличие непосредственно перед ударом плавно и быстро возрастающей амплитуды вибрации до колоссальных значений.
     Здесь, в этой статье важно показать, что последствия техногенной катастрофы, обусловленной резонансом, усугубляются предварительной, возможно, многолетней подготовкой этого разрушения планетарной пульсацией. То есть, ЗТН оказывает на инженерное сооружение, содержащее вибрирующий механизм, двоякое воздействие.
     Под воздействием пониженной несущей способности грунта и планетарной пульсации в несущих конструкциях и опорах инженерного сооружения развиваются микротрещины, а возможно, дело доходит и до мактротрещин. Сооружение при этом оказывается как бы в состоянии неустойчивого равновесия. В результате, вибрационное резонансное воздействие на такое сооружение вызывает не просто его разрушение, но именно взрывоподобное разрушение, с множественными разделениями на мелкие части.
     Первый пример - разрушение железнодорожного пути в случае резонансного горного удара [8].
     При анализе причин аварий Невского Экспресса, которые произошли в 2007 и 2009 годах основным аргументом того, что это был теракт, являлось то, что при ударе образовалась воронка, и что как шпалы, так и рельсы разрушились на несколько отдельных частей. Рассмотрим пошагово подготовку к этой аварии. К сожалению, в точках этих эпизодов нам работать не удалось, но на основании имеющегося опыта картину представить возможно.
     Главным доказательством того, что авария 2007 года произошла в результате резонансного удара являются показания проводников вагона, от которого отцепились из-за аварии все последующие вагоны. ...[9].
     Эти люди не знали, что они описали признак резонансного удара, и это делает их показание особенно убедительным.
     Столько лет, сколько существовал этот участок дороги, происходило медленное разрушение в этом месте как насыпи, так и рельсового пути (рельсы и шпалы). В рельсах и шпалах в этой ЗТН накапливались микронарушенности, и когда амплитуда вибрации достигла уровня, превышающего допустимые упругие деформации, разрушение прошло по уже подготовленным трещинам. Поэтому при таких авариях, как правило, рельсы не просто рвутся, а разлетаются на отдельные куски.
     Не сомневаюсь, что насыпь в этом месте постоянно проседала и время от времени ремонтировалась, подсыпалась и утрамбовывалась. Трамбовка в ЗТН, которая всегда осуществляется, кстати, и в местах порыва трубопроводов, к сожалению, приводит не к уплотнению грунта, а наоборот, к увеличению его нарушенности. Таким образом, воронка, образовавшаяся в насыпи, также была подготовлена длительной эксплуатацией.
     Мне приходится часто ездить в поездах, и нередко на отдельных участках пути ощущается значительная вибрация. Понятно, что скорость поезда в этих местах соответствует не резонансу, а околорезонансной ситуации. В любом из этих мест существует вероятность того, что если скорость поезда окажется несколько иной, то произойдет резонансное разрушение. При высоких значениях добротности колебательной системы, залегающей в ЗТН, достаточным может оказаться 0,5-процентное изменение скорости движения поезда, чтобы от частоты, соответствующей резонансу, уйти в околорезонансную, безопасную область. Чем выше добротность, тем выше разрушительное действие резонанса, но зато тем меньше вероятность попасть в резонанс.
     Второй пример - Саяно-Шушенская ГЭС.
     Из многократных заявлений первого директора СШГЭС Брызгалова известно, что его очень беспокоила проблема балансировки турбин. Он заметил, что любая турбина, отбалансированная на заводе-изготовителе, при установке на ГЭС обязательно на каких-то скоростях вращения дает вибрацию. Сейчас этот феномен стал понятен [7, 10]. Ощутимая вибрация возникает в результате усиления начальной вибрации колебательной системой, находящейся в земной толще в точке установки вибрирующего механизма.
     Любая ГЭС находится в русле реки, и следовательно, неизбежно находится в ЗТН. Поэтому увеличение амплитуды вибрации на скоростях вращения, соответствующих собственным частотам залегающих в земной толще колебательных систем неизбежно.
     Поместив тело плотины в русло реки, этот объект заведомо обрекают на разрушение под воздействием планетарной пульсации. И действительно, трещины в железобетонном теле плотины обнаружились сразу после ввода станции в эксплуатацию. Не сомневаюсь, что этому соответствовало увеличение количества запрещенных частот. Трещина в железобетонном теле плотины не может иметь правильную форму плоскости, и обязательно оперяется большим количеством микротрещин. Развитие этой трещиноватости привело к возрастанию количества резонансных частот (запрещенных частот вращения), а также к тому, что рабочая скорость вращения стала также запрещенной. Об этом свидетельствует возросшая вибрация в рабочем режиме.
     В данном случае, комплексный характер воздействия ЗТН на СШГЭС проявился таким образом, что разрушение тела плотины планетарной пульсацией привело к формированию новых собственных частот опоры гидроагрегата, вызвало увеличение вибрации в рабочем режиме, что, в свою очередь, привело к необходимости остановить гидроагрегат. Слишком плавная остановка привела к тому, что на одной из запрещенных скоростей возник высокодобротный резонанс, в результате чего вибрация возросла до запредельного уровня, что и сорвало гидроагрегат с креплений.
     Третий пример. Жилые дома.
     В жилых дома, оказавшихся частично или полностью в ЗТН, отсутствуют вибрирующие механизмы, и они разрушаются только за счет планетарной пульсации. При этом возможно разрушение как на микроуровне, так и на макроуровне. Возникают субвертикальные и косые трещины в стенах, выходят из зацепления балки. Возникает вопрос, насколько вероятно окончательное, бурное разрушение такого дома. Как показывает опыт, обычно дома, пронизанные множеством трещин, служат долгие годы. Но бывают и внезапные бурные разрушения. О вероятности такого разрушения сказать ничего нельзя, потому что объективных, аппаратурных методов оценки и прогнозирования состояния инженерных сооружений не существует1.
     На основании многолетних наблюдений, можно сказать, что инженерное сооружение, подвергшееся разрушению со стороны ЗТН, находится как бы в состоянии неустойчивого равновесия, и при любом воздействии на него может произойти обрушение. Таким воздействием может оказаться, например, удаление соседних домов, как это произошло на Невском пр. в СПб. Так же произошло и с домом №24 по Литейному пр. (СПб).
     Установка в доме, находящемся в ЗТН, бытовой вибрирующей техники типа, скажем, стиральной машины, может привести к внезапному разрушению. Как показали наблюдения, внезапное разрушение дома при установке столь незначительных по массе вибрирующих приборов происходит в том случае, если точка их установки приходится на вертикаль, проходящую через центр ЗТН.
     Именно такой случай имеет место в доме №11 по ул. Шпалерной, СПб. Этот дом уже много лет находится в весьма разрушенном состоянии. Однажды уже удалось приостановить его бурное разрушение [7]. Но ситуация может повториться, и дом рухнет на жителей.
     Количество техногенных катастроф за последние полвека выросло во много раз. Причины этого роста удалось обнаружить - это разностороннее, комплексное воздействие на инженерные сооружения зон тектонических нарушений. Поскольку теперь существуют технические средства обнаружения зон тектонических нарушений, то появились возможности не только прогнозировать, так и предотвращать техногенные катастрофы.

Количество информации, приведенное в статьях, перечисленных в списке литературы, является достаточным, чтобы не только существенно уменьшить количество техногенных катастроф, но и остановить их рост.

     Однако наличие технических возможностей - это еще не все. Для того, чтобы уменьшилось количество техногенных катастроф, необходима перестройка сознания, необходимо, чтобы возникла потребность в их уменьшении. К сожалению, в настоящее время потребности в уменьшении аварийности нет.
     Строители считают, что чем больше ремонтных работ на возведенном ими сооружении, тем лучше, потому что это - наличные или, как говорят, неучтенка. Люди, обслуживающие трубопроводы, практически открыто заявляют, что только аварии на трубопроводах (нефте и газопроводах, на городских канализационных, водопроводных и теплопроводных коммуникациях) позволяют им «сводить концы с концами». Железнодорожные власти не заинтересованы в том, чтобы принять прогноз аварий, потому что он создан не железнодорожными НИИ. Работники МЧС не стесняются отказываться от средств прогноза, поскольку их бюджет определяется количеством аварий, а не количеством прогнозов.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Гликман А.Г. Инженерные изыскания и техногенные катастрофы.
  2. Гликман А.Г. Сейсморазведка как средство для прогнозирования разрушений и землетрясений или приглашение к новоселью.
  3. Гликман А.Г. О прогнозировании техногенных катастроф с позиций спектральной сейсморазведки.
  4. Гликман А.Г. Сваи - это хорошо или плохо?
  5. Сашурин А.Д. "Современная геодинамика и техногенные катастрофы." Сб. докладов международной конференции "Геомеханика в горном деле - 2002" Екатеринбург, Игд УрО РАН 19-21 ноября 2002 г, http://igd.uran.ru/geomech/.
  6. Гликман А.Г. О некоторых механизмах техногенных катастроф.
  7. Гликман А.Г. Вибрация и резонансные явления в нашей жизни (что произошло на Саяно-Шушенской ГЭС).
  8. Гликман А.Г. О некоторых разновидностях аварий на железных дорогах.
  9. Свидетельства очевидцев. http://www.newsru.com/russia/14aug2007/train.html
  10. Гликман А.Г. Авария на Саяно-Шушенской ГЭС - это очень просто (лабораторный практикум).


[1] Описанная в рекламных источниках аппаратура типа «Стрела» и «Струна» за все время своего существования ни разу не спрогнозировала разрушение инженерного сооружения и поэтому не может считаться пригодной для этих целей.


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: