Сейсмостойкое строительство и поведение грунтов при землетрясениях

Все строительство в сейсмооиасных 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 резонансные колебания влияют на контакт фундамента с грунтом. По мнению Е. А. Вознесенского, осо­бую опасность представляют маятниковые колебания, резонансное уси­ление которых происходит при расположении центра тяжести соору­жения далеко от его фундамента, например у труб, высотных зданий, высоких мостовых опор, телебашен и др. Раскачивание таких сооруже­ний приводит к их разрушению. 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. 18.12). 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 сорвавшиеся со склонов гор оползни-обвалы привели к гибели 25 тыс. 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. 18.12. 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 ночь с 4 на 5 ноября 1952 г. в результате огром­ной волны до 12 м высотой был полностью разрушен г. Северо-Ку- рильск на о. Парамушир и смыты поселки по берегам 2-го Курильского пролива на самом севере островной дуги.

В результате этой катастрофы, вызванной землетрясением в океане с магнитудой 8,5 ± 0,3, погибло более 2 тыс. человек. Япония часто подвергается воздействию цунами, от которых стали жертвами в 1771 г. 8400 человек, в 1792 г. — 10 500, в 1896 г. — более чем 23 тыс. Земле­трясения происходят в океане к востоку от Японии, а высота волн цунами достигает 30 м. 26 декабря 2004 г. в Индонезии и во всем Индийском океане прошло цунами, унесшее более 300 тыс. жизней.

В результате подводного землетрясения в открытом океане возни­кает зона локального возмущения уровня водной поверхности, как правило, над эпицентральной областью (рис. 18.13). 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 километров и даже больше. Если где-то в океане происходит мгновенное поднятие дна, то на поверхности воды воз­никает водяная «шляпка гриба» высотой 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 которых являются сейсмоакустические волны сжатия с амплитудой до 15 МПа.

_______ Z __________________

------------------------ ^-jp, -----------------------

З

Рис. 18.13. 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 по шкале Рихтера волны достигали побережья Южной Америки через 20-21 час. Чаще всего скорость распространения волн цунами не

превышает 200 км/ч, хотя бывает и больше, в то время как скорость сейс­мических волн составляет несколько километров в секунду, 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:

где Н — глубина океана, g = 9,81 м/с² — гравитационное ускорение. Например, если землетрясение происходит вблизи Курильской гряды и Восточной Камчатки, то время пробега волны цунами составляет всего 10-60 мин., что очень мало для принятия срочных мер по эвакуации населения.

Когда волна цунами высотой 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 волна цунами всей мощью обрушивается на пологий берег, сме­тая все на своем пути, и проникает вглубь побережий иногда на десятки километров.

Цунами чаще всего происходят в Тихом океане, где за последние 10 лет их произошло более 70. Так, 2 сентября 1992 г. волна высотой 10 м на побережье Никарагуа привела к гибели около 170 человек. 12 декабря 1992 г. цунами высотой до 26 м в Индонезии погубило более 1000 человек. 17 августа 1998 г. цунами высотой до 15 м обрушилось на Папуа-Новую Гвинею, во время которого более 2 тыс. 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, как уже говорилось выше, произошло 4 ноября 1952 г., когда волной 10-14 м был почти полностью смыт г. Северо-Курильск на о. Парамушир. Остальные цунами, хоть и вы­зывали сильные разрушения, но человеческих жертв не приносили.

Цунами возникают не только в результате землетрясений. Известен случай на Аляске 9 июля 1958 г., когда в бухту Литуя со склонов горы Фейруэзер сошел огромный оползень в 80 млн м³, вызвавший волну в 524 м высотой, почти такой же, как у Останкинской телевизионнной башни 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 тыс. чело­век, а волны достигли Африки и обогнули ее, так как в 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 велик 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 волны высотой 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, вызывавшим 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 атм. Именно такая волна воспринимается судном как удар.