Схема прогноза изменения мерзлотных условий включает:
прогноз изменения основных геокриологических характеристик мерзлой толщи (изменение температуры, влажности или льдистости, мощности мерзлой толщи), геокриологических процессов и явлений;
прогноз изменения скоростей распространения сейсмических волн при новом температурно-влажностном режиме грунтов и расчет новых приращений балльности по спрогнозированным значениям сейсмических жесткостей;
прогноз спектров колебаний грунтов при ожидаемом сильном землетрясении, осуществляемый путем построения математических моделей и расчет на их основе синтетических акселерограмм и теоретических спектров.
Прогноз изменения мерзлотных условий осуществляется в процессе инженерно-геологической съемки, проводимой в соответствии с требованиями пп. 3.95 - 3.106 СНиП 1.02.07-87. При интерпретации получаемых результатов следует учитывать требования табл. 1 СНиП II-7-81 к выделению категорий грунтов по сейсмическим свойствам.
В результате мерзлотной инженерно-геологической съемки должны быть определены:
закономерности распространения вечномерзлых толщ, характер сезонного протаивания и промерзания;
особенности криогенного строения мерзлых толщ, криогенных текстур, влажности и льдистости рыхлых и коренных пород;
закономерности формирования температурного режима мерзлых и талых грунтов (с учетом требований табл. 1 СНиП II-7-81);
особенности формирования и разлития таликов в зависимости от их генезиса, распространения и характера проявления;
закономерности распространения и динамики мерзлотных процессов;
особенности взаимодействия мерзлых толщ с поверхностными и подземными водами.
Итогом проведенных работ является комплект вспомогательных карт (согласно требованиям п. 2.17 РСН 65-87) и карта инженерно-геологического районирования, содержащая прогнозную оценку мерзлотных условий в зависимости от природных условий и от характера существующей и проектируемой застройки, с учетом изложенных выше рекомендаций.
Прогноз изменения скоростей сейсмических волн от температуры и влажности мерзлых грунтов осуществляется по результатам полевых и лабораторных исследований. Для изучения динамики сейсмических свойств мерзлых грунтов при нарушении равновесного состояния и обоснования методики расчета их сейсмической опасности необходимо установить определенные взаимосвязи между физико-механическими свойствами (объемный вес, пористость, влажность (льдистость), температура, динамические модули упругости, коэффициент Пуассона, пределы прочности при кратковременном сжатии и растяжении) и сейсмическими параметрами (скорости распространения сейсмических волн).
Прогноз спектров колебаний грунтов проводится с помощью математических моделей. В качестве модельных сред выбираются грунты разновидностей, находящихся в мерзлом и талом состоянии. Расчеты приращения балльности проводятся относительно эталонных грунтов. Для эталонных грунтов составляется самостоятельная модель.
Расчеты выполняются по способу сейсмических жесткостей для слоистой толщи многолетнемерзлых нескальных отложений общей мощностью до 100 м. Приращения балльности рассчитываются для дневной поверхности и для мерзлой толщи со снятым слоем сезонного промерзания-протаивания.
В целях оценки преобладающих периодов колебаний грунтов, их спектрального состава и интенсивности колебаний при возможных сильных землетрясениях выполняются теоретические расчеты для описанных выше моделей. Как показывает опыт выполнения подобных расчетов, различие в плотности песков и разная степень обводнения грунтов в расчетном 10-метровом слое практически не оказывают влияния на частотный состав и амплитуду горизонтальной составляющей колебаний грунтов. Разница в спектральном составе колебаний грунтов наблюдается при различной мощности нескальных отложений. При мощности нескальных отложений 100 м собственные периоды колебаний грунтов составляют 0,64 - 1,12 с, при мощности нескальных отложений 50 м - 0,24 - 0,54 с. Амплитуда горизонтальной составляющей колебаний грунтов как для 50 м, так и для 100 м составляет 4 - 4,6 усл. ед.
При подтоплении таких типов грунтов как пески, супеси, суглинки, когда уровень подземных вод выше 5 м и мощность нескальных отложений 10 м, частотный состав их также практически не меняется: собственные периоды колебаний грунтов составляют 0,16 - 0,24 с, амплитуда горизонтальной составляющей - 4,7 - 5,5 усл. ед. При понижении уровня подземных вод до 10 м амплитуда горизонтальной составляющей остается практически такой же - 4,8 - 5,7 усл. ед., а диапазон собственных периодов колебаний грунтов несколько расширяется и составляет 0,14 - 0,26 с.
Частотные характеристики крупнообломочных грунтов несколько отличаются от песчано-глинистых. При уровне подземных вод 5 м и выше их периоды собственных колебаний составляют 0,18 - 0,2 с, а амплитуда горизонтальной составляющей - 3,3 усл. ед. Для маловлажных крупнообломочных грунтов их период собственных колебаний незначительно сдвинут в сторону высоких частот и составляет 0,16 - 0,18 с.
Все виды твердомерзлых грунтов не имеют четко выраженных резонансных пиков. Максимальные значения горизонтальной составляющей такие же, как у скальных грунтов, а собственные периоды колебаний находятся в диапазоне 0,3 - 0,46 с. С повышением температуры многолетнемерзлых грунтов диапазон периодов собственных колебаний увеличивается, а резонансные периоды сдвигаются в сторону низких частот.
Для сыпучемерзлых песчано-глинистых грунтов период собственных колебаний в 1,7 - 2 раза больше по сравнению с пластичномерзлыми. При одинаковой мощности нескальных отложений сыпучемерзлые и оттаявшие многолетнемерзлые грунты, а также многолетнемерзлые грунты мощностью 25 м, подстилаемые водонасыщенными грунтами, имеют одни и те же периоды собственных колебаний, причем диапазон их достаточно широкий - 0,6 - 0,9 с на периодах 0,7 - 1,85 с.
Исходя из опыта использования расчетного метода сейсмического микрорайонирования для обводненных разрезов при уровне подземных вод 5 м и выше, сейсмическую балльность, полученную по максимальным ускорениям расчетных акселерограмм, необходимо увеличивать на 1 балл. Поэтому с учетом введенной поправки сейсмическая балльность, полученная по расчетному методу и по способу сейсмических жесткостей, совпадает для всех моделей, кроме пластичномерзлых и сыпучемерзлых грунтов, для которых сейсмическая балльность по расчетному методу на один балл выше.
3.3. Прогноз изменения инженерно-геологических и сейсмических свойств грунтов
Подтопление. В наибольшей степени инженерно-геологические условия территории меняются в результате развития процессов подтопления. При этом происходит ухудшение условий строительства и эксплуатации зданий и сооружений, связанное с изменением свойств грунтов.
Наиболее устойчивыми к техногенным изменениям под воздействием процесса подтопления являются скальные и крупнообломочные грунты. Изменение сейсмических свойств этих грунтов при водонасыщении незначительно меняются при любом их петрографическом и гранулометрическом составе.
Пески пылеватые и мелкие, рыхлые и средней плотности при обводнении могут переходить в категорию динамически неустойчивых, то есть приобретать способность к разжижению при сильных динамических воздействиях. Для изучения возможности развития этих явлений, при наличии в разрезе изучаемой территории песков, необходимо проведение динамического зондирования.
Влияние подтопления на изменение свойств глинистых грунтов существенно шире. Происходит изменение их прочностных и деформационных свойств. Интенсивность этих изменений зависит от состава, строения, напряженного состояния грунтов, а также от состава и минерализации техногенных вод.
В наибольшей степени эти изменения выражены в лёссовых грунтах. При обводнении они утрачивают просадочные свойства, приобретают текучепластичную и текучую консистенцию и переходят в категорию слабых грунтов. Одновременно зафиксировано уплотнение грунтов даже в условиях I типа просадочности. Происходит разбухание глинистых минералов, отложение солей в макропорах и кольматация части пор в результате переноса глинистых частиц.
В самом начале развития процесса подтопления изменяется консистенция грунтов, а спустя 3 - 5 лет с момента обводнения начинаются изменения в минералогическом составе, пористости и плотности грунтов.
Изучение сейсмических свойств грунтов инструментальными методами показало, что скорости поперечных сейсмических волн в просадочных породах несколько выше скоростей в аналогичных породах, находящихся в замоченном состоянии. Сейсмологические наблюдения за колебаниями грунтов от взрывов показывают наибольшие приращения сейсмической интенсивности на водонасыщенных грунтах и просадочных суглинках. Приращения на этих грунтах составляют от + 0,5 до 1 балла по отношению к грунтам II категории по сейсмическим свойствам. После подтопления лёссовых пород отмечаются изменение частотных характеристик и смещение максимумов частотных спектров в область более низких частот.
Установлено, что при подтоплении лессовых пород самым неблагоприятным периодом, когда приращение сейсмической интенсивности имеют наибольшие значения, является период неустановившегося значения влажности. В это время отсутствует термодинамическое равновесие между влажностью породы и окружающей средой. Даже незначительная примесь пузырьков воздуха, исчезающих с течением времени, сильно влияет на сейсмические характеристики воды и заключающей ее породы. Поэтому режимные наблюдения за влажностью лёссовых пород могут являться важной составной частью исследований по прогнозу сейсмических свойств лессовых грунтов.
Прогнозные свойства грунтов в зоне подтопления, граница которых определяется прогнозно-оценочной картой грунтовых вод, с достаточной точностью могут быть получены экстраполяцией свойств аналогичных грунтов, замоченных в исходном состоянии.
В случае, если подтопление в начале прогнозного периода отсутствует и прямая аналогия невозможна, свойства грунтов в замоченном состоянии определяются расчетными методами. При строительстве на лёссовых грунтах, характеризующихся фильтрационной анизотропией (проницаемость в вертикальном направлении может быть в 5 - 6 раз больше, чем в горизонтальном), под зданиями образуются «купола» инфильтрационных вод. Изменение свойств грунтов здесь может носить локальный характер, что также следует учитывать при сейсмическом микрорайонировании. При выявлении такого «дискретного» подтопления этот факт необходимо оговаривать в тексте отчета и показывать условным знаком на карте инженерно-геологического районирования.
Осушение. Для территорий, сложенных гравийно-галечниковыми грунтами, осушение является благоприятным процессом, так как при общем улучшении условий застройки происходит также быстрое улучшение сейсмических свойств грунтов.
Улучшение сейсмических свойств пролювиально-делювиальных суглинков и глин при осушении происходит значительно медленнее вследствие невысокой проницаемости.
При осушении лёссов, подвергавшихся длительному увлажнению, вследствие изменения их минералогического состава и разрушения структурных связей могут происходить значительные деформации, носящие в ряде случаев «провальный» характер. Строительные свойства осушенных грунтов при этом не улучшаются, а сейсмические характеристики в течение длительного (до 15 - 20 лет) периода сохраняются такими же, как и при подтоплении. После полного оттока подземных вод и консолидации грунта в новом состоянии - более плотном и менее пористом -сейсмические свойства улучшаются. Прогноз инженерно-геологических свойств таких грунтов весьма проблематичен и их оценка может проводиться только по аналогии.
Изменение свойств грунтов в результате планировочных работ прогнозируется наиболее однозначно. При понижении отметок рельефа на поверхность выходят грунты, залегающие на планировочных отметках, свойства которых изучались при проведении изысканий на этих площадках до их планировки.
В случае, если при планировке территорий происходит поднятие отметок рельефа, проектами обычно предусматривается доведение плотности отсыпаемых грунтов до определенных параметров. Именно эти значения и принимаются в качестве расчетных при проведении дальнейшей обработки материалов. Такой подход полностью оправдан в случае проведения работ по сейсмическому микрорайонированию на территориях, где планировочные работы только проектируются.
Обычно планировочные работы носят локальный характер и выражаются в засыпке балок, оврагов и других понижений в рельефе грунтов из отрываемых котлованов строительным мусором и пр. Уплотнение отсыпаемого грунта при этом, как правило, не производится. Прогнозирование свойств таких грунтов практически невозможно, однако их обнаружение и оконтуривание весьма важно, учитывая, что насыпные грунты, согласно РСН 60-86, РСН 65-87, являются неблагоприятными в сейсмическом отношении.
Нарушение природной обстановки под влиянием инженерно-хозяйственной деятельности активизирует процессы химического и физического выветривания, что приводит к увеличению мощности элювиального слоя и соответственно к изменению инженерно-геологических и сейсмических свойств грунтов.
Как показали специальные исследования, начальная скорость выветривания в основном контролируется петрографическим типом и генезисом пород и колеблется от 0,2 м/год у известковистых мергелей до 0,6 м/год у глин морского генезиса, причем со временем процесс затухает. Эти процессы чаще носят локальный характер и связаны только с неудовлетворительной организацией строительства. Поэтому прогноз изменения свойств грунтов под воздействием выветривания вряд ли осуществим, хотя аналогия с существующим разрезом кор выветривания вполне допустима. Из-за неопределенности развития процесса, отражение его на картах нецелесообразно, но в тексте отчета необходимо оговаривать возможность изменения свойств грунтов в котлованах, длительное время находящихся в открытом состоянии.
