Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

Исследования, осуществленные авторами, базируются на материалах геофизических и инженерно-геологических исследований при проведении проектных и инженерно-геологических работ для объектов строительства на территории Забайкалья.

Допустимость прогноза влияния приповерхностной зоны инженерно-геологического разреза на уровень проявления сейсмических свойств отдельных групп рыхлых и скальных образований обусловлена многообразием параметров геофизических полей непосредственно на территории расположения объектов промышленного и гражданского назначения, расположенных в пределах различных климатических зон региона.

Целью исследований является анализ геофизических и инженерно-геологических данных для территории Забайкалья с последующей возможностью прогнозировать уровень сейсмической опасности на объекты промышленного и гражданского назначения на стадии проектирования, строительства и эксплуатации. Необходимость исследований обусловлена широким диапазоном изменения уровня сейсмической опасности для региона. В пределах исследуемой территории она изменяется от 6 до 10 баллов [1]. Исходными данными для этого исследования послужили материалы инструментальных сейсморазведочных измерений на площадках 15 проектных инфраструктурных комплексов на территории Забайкалья. Участки строительства расположены в широком диапазоне географических и геоморфологических особенностей региона: от степных (юг края) до таежных, горно-таежных и горных (центр и север).

Материал и методы исследований

Авторами рассмотрена возможность прогнозирования влияния приповерхностной зоны геологического разреза на уровень проявления сейсмической опасности отдельных групп рыхлых и скальных образований, вероятность их трансформаций, которая базируется на изучении основных параметров геофизических полей непосредственно на территории расположения объектов и региона в целом.

Обзорная карта региона исследований: 1 – талые грунты (сезонное промерзание); 2 – переходная зона от талых к мерзлым грунтам; 3 – мерзлые грунты (сезонное оттаивание)

Исходные данные для обоснования инженерно-сейсмологических условий и влияния комплекса грунтов на основные параметры сейсмических воздействий на возводимые сооружения представлены на участках строительства, охватывающих весь спектр инженерно-геологических условий: от талых грунтов (с вариантом сезонного промерзания) до районов распространения вечномерзлых грунтов (с вариантом сезонного оттаивания). По материалам экспериментальных методов получены все необходимые сведения (представлены в табличной форме) о состоянии и мощности рыхлых отложений, основных сейсмических параметрах грунтов, скоростях распространения в них сейсмических волн. В итоге зафиксированные результаты геофизических исследований, выполненные на участках строительства, и создание обобщенной базы основных инженерно-сейсмологических параметров дают возможность прогнозирования на этапе оценки уровня сейсмической опасности для промышленных и гражданских объектов Забайкалья.

Результаты исследования и их обсуждение

На первом этапе рассмотрим южный сектор региона. Исследования по изучению инженерно-сейсмологических параметров проводились на уже существующих и проектируемых объектах транспортной инфраструктуры и промышленного строительства. Участок от ст. Карымская до ст. Забайкальск Забайкальской железной дороги является основой изучения уровня сейсмической опасности территории. Для этого авторами подготовлен обзор инженерно-сейсмологических особенностей наиболее распространенных грунтов.

В изучаемом районе коренные породы представлены песчаниками, глинистыми сланцами, известняками и конгломератами. Каждая разновидность горных пород по состоянию различается по своей прочности (прочные, средней и низкой прочности), что отражается на скоростях сейсмических волн. Необходимо отметить, что при низком уровне прочности грунтов первостепенным фактором в нашем исследовании является степень водонасыщения коренных пород. При натурных измерениях в отмеченных разновидностях мы наблюдаем следующее: при низком уровне прочностных характеристик грунтов (разрушение) скорости достигают 900 м/с (Vp), при переходе их в состояние к средней прочности – скорости увеличиваются до 1600-2500 м/с (Vp) и 700-1300 (Vs). Далее с глубиной, средние значения P и S волн близки к 3000 и 1600 м/с соотвественно.

Рыхлые грунты представлены суглинками, глинами, супесью, песками, гравием с галькой и дресвой. Во всех этих разновидностях средние значения скоростей сейсмических волн в верхнем 10-метровом слое перекрываются. Специально были проведены измерения скоростей в коренных и средних грунтах, которые согласно нормативным документам [2; 3] могут быть приняты за эталон. В нашем случае средние грунты – это неводонасыщенная толща рыхлых грунтов мощностью не менее 10 м, в этом состоянии скорости меняются от 400 до 900 м/с – Vp и от 180 до 440 м/с – Vs. Участки с такими значениями скоростей будут иметь сейсмическую опасность, соответствующую исходной. В грунтах в водонасыщенном состоянии скорости меняются в диапазоне 1520–2300 м/с. Максимумы распределения приходятся на значения, равные 1650 и 1950 м/с. Физически это объясняется тем, что при переходе неводонасыщенных рыхлых грунтов верхней части разреза до 4-6 м со скоростями Р-волн, равными 450 м/с, в водонасыщенное состояние скорости увеличиваются до 1650 м/с. При водонасыщении нижележащих слоев со значениями Vp в воздушно-сухом состоянии, равными 650 м/с, скорость продольных волн увеличивается до 1950 м/с. Средние значения для южного фрагмента Забайкалья представлены в таблице 1.

Основными проблемными участками при мониторинге сейсмической опасности являются области распространения водонасыщенных грунтов. В таблице 2 представлены основные варианты грунтов, их состояние и расчет сейсмической опасности через анализ зафиксированных скоростей при сейсмическом зондировании.

Эта закономерность достаточно наглядно подтверждается данными выполненных нами 44 зондирований на участках распространения водонасыщенных грунтов.

Таблица 1

Средние значения скоростей сейсмических волн и приращение балльности для южного фрагмента региона

Таблица 2

Расчет сейсмической опасности для основных типов грунтов в водонасыщенном состоянии

Таблица 3

Инженерно-сейсмологические параметры опорных пунктов

Таблица 4

Обзор инженерно-сейсмологических характеристик основных разновидностей грунтов в разрезе

Примеры детальных инженерно-сейсмологических параметров опорных пунктов по трассе ст. Карымская – ст. Забайкальск представлены в таблице 3.

Северный фрагмент южной зоны можно представить на материалах исследования промышленного комплекса, расположенного в пределах горного сооружения (табл. 4). Мы представляем детальный вариант сейсмозондирования на конкретном объекте по площади.

Таким образом, дана характеристика основных разновидностей грунтов. По их составу и состоянию, по величинам скоростей сейсмических волн и получены наиболее вероятные их значения, необходимые для оценки инженерно-сейсмологических условий юга Забайкалья.

Центральная часть региона – это сочетание различных морфоструктурных особенностей предгорных и горных сооружений. Необходимо отметить, что объекты промышленного и гражданского строительства на исследуемой территории расположены вдоль Транссибирской железнодорожной магистрали. Ее северо-восточный фрагмент мы считаем основной переходной зоной в развитии многолетнемерзлых грунтов. Инженерно-сейсмологический обзор перехода от талых грунтов к переходной зоне к мерзлым грунтам мы рассмотрим на участке от ст. Могзон до ст. Могоча. Если на юго-западном фрагменте инженерно-сейсмологические материалы (в том числе и г. Чита) сравнимы с параметрами юга региона, то в северо-восточном направлении в структуре инженерно-геологических показателей грунтов появляется многолетнемерзлая составляющая часть [4].

Район ст. Могзон рассматривается как пример сочетания грунтов в переходной зоне от талого к мерзлому состоянию. При проведении необходимых расчетов использовались данные бурения и сейсморазведки [5-7]. В скоростном отношении, в границах станции, участок представлен до глубины 20 м трехслойным разрезом. Здесь мы впервые сталкиваемся со слоем сезонного оттаивания и промерзания мощностью до 2 м, имеющим диапазон изменения скоростей от 420 до 1100 м/с – Vp и от 230 до 510 м/с – Vs. Необходимо отметить, что для дальнейших расчетов сейсмической опасности промышленных объектов взяты значения скоростей сейсмических волн для средних грунтов этого района, равные 600 м/с – Vp и 300 м/с – Vs. Это оправдано тем, что при строительстве верхний почвенно-растительный слой в основании сооружений будет снят и заменен более плотными грунтами и будет нарушено естественное состояние грунтов. Второй слой (2 м) представлен водоносным горизонтом, приуроченным к аллювиальным отложениям. Водовмещающие породы – в основном это пески гравелистые со значениями Vp=1600-1900 м/с и Vs = 430-500 м/с. Расчетными взяты значения Vp=1800 м/с и Vs=460 м/с. Далее идут мерзлые грунты. Криогенная текстура их массивная (суглинки, супеси), слоисто-сетчатая (песок, суглинок, глина), гнездовидная (суглинок, супесь). Суммарная льдистость составляет 0,140-0,431 д.е., льдистость за счет ледяных включений – 0,134 д.е. Температура мерзлых грунтов на глубине годовых нулевых амплитуд составляет минус 0,3-0,4°С. Мерзлые грунты, с указанными выше физическими показателями, характеризуются относительно невысокими значениями скоростей, близкими к 2400 м/с – Vp и Vs = 1280 м/с. Ниже 20 м скорости продольных волн приняты равными 2800 м/с и поперечных – 1600 м/с.

Инженерно-сейсмологическая ситуация северо-восточного фрагмента зоны рассматривается в пределах границ поселка и ст. Могоча. Необходимо отметить, что населенный пункт (включая станцию) находится на двух геоморфологических уровнях (относительно р. Могоча), что прослеживается на инженерно-геологических разрезах.

Скорости сейсмических волн рыхлых отложений измерялись на площадках строящихся объектов, а в «эталонных» и коренных породах измерялись на их обнажениях и в карьерах.

Температура мерзлых грунтов на глубине ее нулевых колебаний бралась по данным мерзлотного районирования, проведенного ранее [8; 9].

Обобщенные значения скоростей для естественного состояния грунтов сведены в таблицу 5. Верхний слой мерзлых грунтов до 11 м имеет скорости продольных волн, в естественном мерзлом состоянии равные 2200 м/с и поперечных 1200 м/с. В подстилающих коренных породах эти величины равны 3400 и 1780 м/с соответственно. В случае деградации мерзлоты, а такой вариант при строительстве возможен, в таблицу введены прогнозируемые макеты инженерно-сейсмологического развития состояния грунтов, необходимые при детальном анализе уровня сейсмической опасности.

Таким образом, выше полученные сведения позволяют нам просчитать варианты приращения сейсмической опасности в баллах. Результаты расчетов приводят к значениям приращений балльности, для исследуемой территории, и в среднем для восточного фланга центральной зоны Забайкалья. Изменения оцениваются следующим образом: 0,1 балла – с учетом осреднения, в верхнем 10-метровом слое по отношению к коренным породам; 0,7-0,8 – когда температура грунтов больше –1°С. Вариант приращения балльности до 1 балла и более (при неблагоприятных геологических условиях) исключать не надо.

Таблица 5

Обобщенные значения скоростей для естественного состояния грунтов (мерзлые грунты)

Таблица 6

Оценка сейсмической опасности наиболее распространенных вариантов объединений мерзлых грунтов

Практически все типы распространения мерзлых грунтов зафиксированы на северных территориях Забайкалья. В процессе строительства и эксплуатации промышленных и гражданских объектов инфраструктуры закладываются риски на случай опасных геологических процессов и уровня сейсмичности региона [10], здесь же необходимо отметить, что основная часть объектов расположена в пределах пониженных форм рельефа (впадины, долины крупных рек). Инженерно-геологический разрез представлен образованиями современного и четвертичного времени формирования и представлен литологическими комплексами, залегающими на скальных грунтах. Основные из них следующие: комплекс поймы и низких надпойменных террас, комплекс высоких надпойменных террас, комплекс делювиальных склонов, комплекс конусов выноса. Именно в границах этих формирований находятся практически все населенные пункты, промышленные объекты, железнодорожные и автомобильные дороги.

При изучении инженерно-геологических особенностей конкретных участков проектирования и строительства сооружений различного назначения использовались данные бурения, геофизических и вскрышных работ. Полученные сведения позволили осуществить мониторинг сейсмической опасности наиболее распространенных вариантов объединений грунтов, который представлен в таблице 6.

Таблица 7

Образец показателя мощности слоя рыхлых отложений и обобщенных данных по скоростному режиму (сейсмозондирование) и расчет сейсмической опасности (отношение скоростей Vp/Vs) для участков Чинейских месторождений

Для объектов северного фрагмента территории, но уже в границах высокогорья, мы представляем пример населенного пункта (вахтовый режим) Чинейского ГОКа (хр. Удокан). На стадии инженерно-геологических изысканий, помимо инженерно-механических свойств, отслеживались результаты измерений сейсмологических границ при сейсмическом сейсмозондировании. С учетом инженерно-геологических факторов прослеживаются ситуации, когда границы рыхлых отложений и коренных пород для объекта изменяются в диапазоне 1-15 м и более. В таблице 7 представлены материалы по сейсмозондированию в 14 пунктах (площадь поселения), что отражено как показатели мощности слоя рыхлых отложений до скальных грунтов и обобщенные данные по скоростному режиму (сейсмозондирование) и материалы расчета сейсмической опасности (отношение скоростей Vp/Vs).

Выводы

По данным полевых экспериментальных методов получены все необходимые сведения о состоянии и мощности рыхлых отложений, основных сейсмических параметрах эталонных и исследуемых грунтов, скоростях распространения в них сейсмических волн для большого количества участков инфраструктурных объектов Забайкалья. При использовании отмеченных данных и реализации расчетных методов дана оценка сейсмической опасности ответственных сооружений, рассмотрена возможность подготовки обобщенной базы данных, влияния комплекса параметров физических свойств приповерхностных грунтовых слоев на установленный уровень исходных сейсмических воздействий.

В итоге представленные результаты комплексных геофизических исследований, выполненные на участках ответственных сооружений, показали возможность их использования для проектных и инженерно-сейсмологических изысканий и оценки уровня сейсмической опасности в параметрах сейсмических воздействий для промышленных и гражданских объектов во всем разнообразии климатических условий территории Забайкалья.

Исследования выполнены при поддержке РФФИ и МОКНСМ в рамках научного проекта № 20-55-44011.