Инженерная сейсмология

ИНЖЕНЕРНАЯ СЕЙСМОЛОГИЯ, раздел сейсмологии, изучающий процессы воздействия землетрясений на инженерные сооружения и грунты в их основаниях. К задачам инженерной сейсмологии относятся: уточнение шкалы интенсивности землетрясений; определение параметров сильных сейсмических воздействий и методов их прогнозирования с учётом свойств грунтов; изучение опасных для сооружений процессов, возникающих в грунтах под влиянием сейсмических колебаний; разработка способов повышения сейсмоустойчивости грунтов и сооружений; сейсмическое микрорайонирование. Исследования инженерной сейсмологии учитывают достижения общей сейсмологии, сейсмотектоники, инженерной геологии и гидрогеологии, строительной механики и механики грунтов.

Инженерная  сейсмология возникла в начале 20 века в результате изучения последствий катастрофических землетрясений. Было обнаружено влияние свойств грунтов на интенсивность землетрясения: здания, расположенные на рыхлых аллювиальных отложениях, повреждаются сильнее, чем аналогичные постройки на выходах скальных пород. Законченное описание этого эффекта дано в работе японского исследователя К. Сюэхиро. В середине 20 века российский геофизик С. В. Медведев и его последователи провели экспериментальные исследования влияния свойств грунтовых массивов на сейсмические колебания зданий и сооружений, расположенных на них. Медведев также разработал сейсмическую шкалу и систему сейсмического микрорайонирования. Российский геофизик Н. В. Шебалин в 1960-х годах исследовал закономерности сейсмического волнового поля и его особенности в ближней от очага зоне. Во 2-й половине 20 века работы французского физика М. Био, американского инженера Дж. У. Хаузнера, российских учёных С. В. Полякова, Я. М. Айзенберга и др. привели к разработке методов сейсмостойкого строительства.

Развитие инженерной сейсмологии (в особенности сейсмического микрорайонирования) на рубеже 20-21 веков связано с задачами строительства особо важных объектов: крупных гидротехнических сооружений, атомных электростанций и др. При строительстве данных объектов проводится комплекс сейсмологических и геолого-тектонических исследований. Изыскания проводятся на значительной глубине и включают такие сложные виды работ, как межскважинные геофизические исследования (просвечивание), вертикальное сейсмическое профилирование и др.

В конце 20 века научные представления о сейсмических процессах при сильных движениях грунтового массива претерпели серьёзные изменения. Установлена нелинейная зависимость между величиной ускорения частиц грунта и интенсивностью сейсмических колебаний, а также между напряжениями, создаваемыми сейсмической волной, и деформациями в грунтовом массиве. Большой научный и практический интерес вызывают исследования процессов потери устойчивости рыхлых грунтов при сильных сейсмических воздействиях. Развиваются также методики искусственного упрочнения грунтов и повышения их сейсмостойкости.

В инженерной сейсмологии применяется аппаратура (преимущественно цифровая), работающая в широком частотном и динамическом диапазонах: сейсмометры, регистриры, обрабатывающая техника. При сейсмическом микрорайонировании используются следующие методы:

1)макросейсмического исследования последствий землетрясений высокой интенсивности (оценивается степень повреждений определённых категорий зданий и сооружений, а по ней - интенсивность землетрясения в баллах);

2) сейсмотектонический метод выделения зон возможных ощутимых землетрясений;

3) сейсмологические методы исследования параметров сейсмического режима региона и определения приращения интенсивности на районируемой площадке;

4) инженерно-геологические изыскания на районируемой площадке (как основа для сопоставления с данными других методов);

5) методы сейсмической разведки (для построения скоростной модели грунтового массива);

6) расчётный метод определения параметров сейсмического волнового поля с учётом грунтовых условий.

Перечисленные методы наиболее эффективны при комплексном использовании.

Регламентация сейсмостойкого строительства в Российской Федерации осуществляется по данным карты общего сейсмического районирования России масштаба 1:5 000 000. Для учёта локальных грунтовых и гидрогеологических особенностей проводится сейсмическое микрорайонирование (как правило, для территорий городов, населённых пунктов или участков перспективного строительства). Соответствующие карты выполняются в масштабах 1:25 000, 1:10 000, 1:5000 и служат базой для определения типа застройки. Основными источниками информации о сейсмических свойствах грунтов являются данные регистрации взрывов и землетрясений малой магнитуды, а также изучение микросейсмических скоростей распространения и декрементов поглощения упругих волн в горных породах. По результатам исследований составляется прогноз возможной интенсивности сейсмических колебаний в данной среде и влияния их на инженерные объекты.

При расчёте сейсмических нагрузок в инженерной сейсмологии применяются статические и динамические методы. В первом случае здание или сооружение рассматривается как абсолютно жёсткий объект: все его точки колеблются так же, как основание, на которое воздействуют сейсмические нагрузки, определяемые величиной максимального ускорения. Во втором случае считают, что сооружение имеет конечную гибкость и сейсмические нагрузки характеризуются максимальным ускорением и коэффициентом динамичности. Наиболее сложные расчёты проводятся с использованием акселерограмм землетрясений, описывающих зависимость от времени ускорений, приобретаемых точками оснований зданий и сооружений. Сейсмическое воздействие на здание или сооружение моделируется в спектральном виде как реакция системы осцилляторов одинаковой массы с различными собственными частотами и затуханием на воздействие, заданное в виде акселерограммы.

Исследования, проводимые инженерной сейсмологией, позволяют снизить сейсмическую опасность (т. е. уменьшить человеческие и материальные потери при землетрясениях) за счёт оптимального выбора участков строительства, а также повышения сейсмостойкости зданий и сооружений.

Лит.: Медведев С. В. Инженерная сейсмология. М., 1962; Сейсмическое микрорайонирование. М., 1977; Ньюмарк Н., Розенблюэт Э. Основы сейсмостойкого строительства. М., 1980; Природные опасности России. М., 2000. Т. 2: Сейсмические опасности.