РАЗЖИЖЕНИЯ  ГРУНТОВ  ПРИ  СИЛЬНЫХ  ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯХ

Константинова  Тамара  Георгиевна

ст.  науч.  сотр.  камчатского  филиала  Геофизической  службы  РАН,  Петропавловск-Камчатский.

E-mail: 

LIQUEFACTION  OF  SOILS  DURING  STRONG  EARTHQUAKES

Konstantinova  Tamara

A  senior  fellow  of  the  Kamchatka  branch  of  the  Geophysical  Service  RAS,  Petropavlovsk-Kamchatsky.

АННОТАЦИЯ

В  городе  Петропавловске-Камчатском  подвержены  разжижению  грунты,  слагающие  лагунные  отложения,  о  чем  свидетельствуют  макросейсмические  обследования  последствий  сильных  землетрясений  и  лабораторные  испытания. 

ABSTRACT

In  the  city  of  Petropavlovsk-Kamchatsky  susceptible  to  liquefaction  of  soils,  make  up  the  atoll  lagoon  sediments,  as  evidenced  by  makrosejsmičeskie  of  strong  earthquakes  impact  survey  and  laboratory  tests.

Ключевые  слова:  разжижение  грунтов,  Петропавловск-Камчатский,  лагунные  отложения,  землетрясения.

Key  words:  liquefaction  of  soils,  Petropavlovsk-Kamchatsky,  lagoonal  sediments,  earthquake.

Часть  1.  Разжижение  грунтов  в  городе  Петропавловске-Камчатском 

В  городе  Петропавловске-Камчатском  разжижению  подвержены  преимущественно  грунты,  полностью  или  частично  слагающие  разрез  лагунных  отложений  четвертичного  периода.  В  большей  степени  эти  свойства  проявляются  в  тонкозернистых  грунтах  на  участках  лагунных  отложений,  в  которых  присутствуют  переотложенные  пеплы,  преобразованные  до  илистого  состояния.  Лагунные  отложения  представлены  чередованием  илов,  супесей  и  песков  разной  крупности.  В  условиях  делювиально-пролювиальных  склоновых  фаций  лагунные  отложения  подвергаются  последующим  процессам  диагенеза  и  переотложения.  В  этих  случаях  они  не  теряют  способности  к  разжижению,  что  возможно  во  многом  связано  с  дополнительным  привносом  вулканического  пепла. 

При  землетрясении  22  августа  1792  года  в  пониженных  местах  на  первой  надпойменной  террасе  реки  Паратунка  в  земле  во  многих  местах  образовались  трещины,  из  которых  извергалась  на  значительную  высоту  вода  и  песок.  «Все  дома  в  селении  были  повреждены  в  большей  или  меньшей  степени,  несколько  печей  из  кирпича  разрушены…  Землетрясение  продолжалось  около  часа,  в  некоторых  местах  почва  дала  трещины,  а  в  других  осела»  [4,  с.  182]. 

В  1923  году:  «В  ночь  с  4  на  5  февраля  в  2  часа  55  мин.  в  Петропавловске  началось  сильное  и  продолжительное  колебание  почвы.  Старожилы  вспоминают,  что  таких  колебаний  на  Камчатке  не  было.  Замечено,  что  из  малого  Халахтырского  озера  выпучило  много  земли  и  ила.  В  Петропавловске  разрушений  не  было»  [Газета  Полярная  звезда,  №  14,  от  5  февраля  1923  г.].

Позднее  при  сильных  землетрясениях  на  Камчатке  выявлены  случаи  разжижения  грунтов  на  территориях,  которые  были  расширены  с  помощью  засыпки  прибрежной  части  бухты.  В  сейсмическом  отношении  эти  грунты  неблагоприятны. 

4  ноября  1952  г.  произошло  разрушительное  землетрясение  у  берегов  Южной  Камчатки  и  Северных  Курильских  островов. 

При  землетрясении  выявилось  неравномерное  распределение  силы  сотрясения  в  пределах  территории  города.  Кое-где  были  полностью  разрушены  дымовые  трубы  и  повреждены  печи,  наблюдались  деформации  отдельных  зданий.  Почти  во  всех  домах,  расположенных  в  районе  бухты  Раковой,  разрушены  внутренние  стены,  примыкающие  к  печам  и  дымовые  трубы.  Колебания  почвы  проявились  здесь  с  большей  силой,  чем  в  других  частях  города.  В  некоторых  подпорных  стенках  при  землетрясении  возникли  трещины.  Территория  двора  жестяно-баночной  фабрики  в  г.  Петропавловске-Камчатском  была  расширена  засыпкой  и  рефулированием  прибрежной  части  бухты.  Котельный  цех  жестяно-баночной  фабрики  был  построен  в  10  м  от  берега  моря  на  насыпном  грунте.  Из-за  подвижек  грунтов  при  землетрясении  образовались  большие  трещины,  часть  стен  и  фундаментов  пришла  в  негодность.  Из-за  трещин  в  насыпных  грунтах  разрушена  недостроенная  часть  котельного  цеха.  Аналогичные  повреждения  наблюдались  в  других  корпусах  фабрики  и  в  цехе  №  10  судоверфи.  Волной  была  размыта  территория  рядом  с  цехом,  в  результате  чего  образовались  оползни,  разорвавшие  северную  стену  цеха  в  двух  местах.  Произошли  размывы  берега  по  трещинам,  возникшим  в  результате  землетрясения.  Некоторые  здания  на  берегу  были  частично  затоплены  и  деформированы  в  результате  оползней.  Одноэтажный  барак,  стоящий  на  территории  жестяно-баночной  фабрики,  сполз  в  воду  [5,  с.  10]. 

4  мая  1959  года  северо-восточнее  мыса  Шипунский,  в  зоне  Шипунского  глубинного  разлома  произошло  сильное  землетрясение.  На  восточном  побережье  Камчатского  полуострова  разрушены  жилые  здания,  промышленные  и  гидротехнические  сооружения,  приведшие  к  частичному  или  к  полному  выходу  объектов  из  эксплуатации.  При  этом  землетрясении  жители  Петропавловска-Камчатского  ощутили  сильный  толчок.  Вслед  за  толчком  последовало  колебание  почвы,  длившееся  не  более  минуты,  при  котором  люди  с  трудом  могли  передвигаться.  В  деревянных  зданиях  образовались  трещины  в  штукатурке  на  стенах  и  потолках,  произошло  массовое  нарушение  кладки  дымовых  труб  и  печей.  В  большинстве  каменных  зданий  произошел  перекос  дверных  и  оконных  рам,  образовались  трещины  в  междуоконных  и  междуэтажных  простенках,  в  карнизах  и  фронтонах,  разрушены  отдельные  участки  кровли,  стропил  и  потолочных  перекрытий  при  падении  массивных  труб. 

Наиболее  сильные  разрушения  в  черте  города  произошли  в  районе  областной  больницы.  Постройки  из  мелких  бетонных  блоков  пришли  в  аварийное  состояние,  в  них  нарушена  кладка,  стены  сдвинуты  в  горизонтальном  и  вертикальном  направлениях.  Повреждены  капитальные  стены,  разрушены  карнизы,  произошел  раскол  стены  на  всю  высоту  здания.  Обрушен  фронтон  над  центральным  входом  главного  корпуса  и  произошла  деформация  венчающего  карниза  в  торце  здания. 

В  сильной  степени  пострадали  сооружения,  построенные  вдоль  береговой  полосы  города,  в  районе  рыбного  и  морского  порта,  жестяно-баночной  фабрики  и  судоверфи  на  насыпных  и  рефулированных  грунтах.  Произошли  нарушения  и  разрушения  магистралей  теплофикации,  водопровода,  канализации.  На  насыпных  грунтах  прибрежной  части  территории  судоверфи  вдоль  уреза  берега  появилась  трещина  протяженностью  до  километра,  шириной  до  50  см  и  вертикальной  осадкой  грунта  до  70  см.  Большое  количество  гидротехнических  сооружений  в  районе  Авачинской  бухты  пришло  в  аварийное  состояние  в  результате  потери  общей  устойчивости  грунтов  и  разрушения  несущих  элементов  строений.  Повреждения  были  вызваны  динамическим  уплотнением  рыхлых  насыпных  грунтов  и  связанными  с  ними  осадками  территории,  сопровождавшимися  повреждениями.  Грунт,  просевший  на  1,3  м,  вызвал  разрушение  бетонных  плит  и  инженерных  сетей.  Характер  повреждений  свидетельствует  о  преобладающей  роли  осадки  грунта.  На  некоторых  участках  образовались  воронки.  На  озере  Култушном  в  течение  минуты  наблюдалось  около  30  гейзерообразных  выбросов  высотой  до  3  метров  [7,  с.  8].

Петропавловское  землетрясение  25  ноября  1971  г.  произошло  в  70  км  от  города,  на  глубине  100  км,  с  магнитудой  7,2  по  данным  станций  Единой  сейсмической  службы  [8,  с.  7].

На  территории  города  это  событие  проявилось  с  интенсивностью  от  6  до  8  баллов.  На  насыпных,  намывных  и  грунтах,  подверженных  разжижению,  оно  ощущалось  с  силой  8  баллов  [1,  с.  60].

Подробное  макросейсмическое  обследование  территории  города  охватило  около  30  %  всех  городских  строений.  Образовались  трещины  в  мерзлом  грунте  морского  порта  шириной  до  1  см  и  в  асфальте  длиной  до  20  м.  Лед  толщиной  порядка  30  см  на  Култушном  и  Халактырском  озерах  и  других  водоемах  разбит  трещинами,  иногда  со  слабым  торошением  и  с  выплескиванием  воды. 

В  зданиях  главного  и  инфекционного  корпуса  областной  больницы  произошел  частичный  отрыв  карниза  от  кладки,  повреждены  несущие  стены,  нарушена  штукатурка  потолков,  со  стен  обвалилась  облицовочная  плитка.

В  намывных  грунтах  образовалась  система  трещин  шириной  до  10  см,  произошли  осадки  грунта  до  0,5  м.  В  городе  в  21  месте  произошел  разрыв  водопроводной  сети  и  канализации,  50  разрывов  радио,  телефонных  и  телеграфных  линий  [1,  с.  50]. 

Наиболее  повреждены  здания,  основаниями  фундаментов  которых  служили  супесчаные  грунты  пластичной  и  текучей  консистенции  и  водонасыщенные  пески,  склонные  к  разжижению  [2,  с.  284].

В  районе  центрального  рынка  в  1990  г.  выполнены  работы  по  определению  изменения  свойств  грунтов  в  состоянии  их  разжижения.  Площадка  изысканий  представлена  делювиальными  супесчаными,  песчаными  и  дресвяными  грунтами  разной  консистенции  и  влажности. 

Результаты  испытаний  грунтов  показали,  что  наблюдалась  потеря  прочностных  свойств  исследуемых  грунтов.  Удельное  сцепление  супесей  пластичных  после  испытания  уменьшилось  более  чем  в  4  раза  (0,003  МПа  до  испытания,  0,0007  МПа  —  после  вибрации),  угол  внутреннего  трения  уменьшился  с  38°  до  30°.  В  течение  30  секунд  после  начала  вибрации  произошла  осадка  песков  дресвянистых  и  дресвяного  грунта  с  супесью  пластичной  консистенции,  сопровождающаяся  оттоком  воды,  а  в  супесях  пластичных  произошло  разжижение  и  незначительный  отток  воды.  Есть  основание  считать,  что  в  этом  грунте  довольно  значительная  часть  влаги  находится  в  связанном  состоянии.

При  лабораторных  испытаниях  измерены  амплитуды  колебаний  в  пересчете  на  1  метр  грунтового  основания  на  частотах  колебаний  5  и  10  Гц. 

Результаты  выполненных  работ  свидетельствуют  о  том,  что  исследуемые  грунты  имеют  коэффициенты  пористости  почти  в  2  раза  ниже  приведенных;  значения  естественной  влажности  сопоставимы  для  супеси  текучей  и  пылеватого  песка.  Это  можно  объяснить  тем,  что  исследуемые  грунты  большей  частью  состоят  из  вулканических  пеплов  и  пепловых  частиц.  Они  довольно  плотные,  имеют  значительную  часть  воды  в  связанном  состоянии  и  при  вибрации  отдают  ее  [3,  с.  133].

Итак,  приведенные  сведения  показывают,  что  результаты  макросейсмических  обследований  последствий  сильных  землетрясений  на  грунтах,  способных  разжижаться,  и  лабораторные  испытания  этих  грунтов  подтвердили  увеличение  сейсмической  опасности  этих  площадок. 

Желательно  не  застраивать  территории,  на  которых  грунты  подвержены  разжижению.  При  острой  необходимости  строительства  необходимо  провести  укрепление  подобных  грунтов,  а  так  же  возможно  применение  свайных  фундаментов.  Свайные  фундаменты  необходимо  использовать  в  случаях,  когда  нагрузки  от  здания  передаются  на  более  плотные  грунты,  залегающие  ниже  способных  разжижаться. 

Значительные  финансовые  затраты  на  усиление  зданий,  возведенных  на  этих  грунтах,  могут  быть  безрезультатны  без  усиления  самих  грунтовых  оснований.  Примером  тому  служат  два  усиленных  корпуса  областной  больницы,  где  даже  при  5  балльном  землетрясении  обнаружены  повреждения  главного  и  акушерско-гинекологического  корпусов.

Грунты,  подверженные  разжижению,  в  г.  Петропавловске-Камчатском  протягиваются  от  областной  больницы  в  направлении  Култушного  озера.  Это  подтверждено  выполненным  работами  по  определению  изменения  свойств  грунтов  в  состоянии  их  разжижения  на  территории  центрального  рынка  и  изысканиями,  проведенными  на  участке  автомагистрали  в  районе  стадиона  «Спартак»,  где  грунты  представлены  линзами  торфа  и  слабоструктурными  пучинистыми  грунтами,  которые  даже  при  работе  бурового  станка,  переходят  в  разжиженное  состояние  [6,  с.  67].

Таким  образом,  результаты  макросейсмических  обследований  землетрясений  1959  г.  и  1971  г.  показали,  что  на  грунтах,  склонных  к  разжижению,  на  которых  размещены:  здание  главного  и  инфекционный  корпуса  краевой  больницы,  поликлиника  5,  медицинское  училище,  комплекс  зданий  Камчатского  университета  имени  Витуса  Беринга,  дома  в  пределах  улиц  Пограничная,  Максутова  и  Комсомольской  площади  получили  наибольшие  повреждения.  Это  подтвердило  усиление  сейсмического  эффекта  сильных  землетрясений  на  таких  грунтах  и  позволило  оконтурить  ареал  распространения  грунтов,  способных  разжижаться.

Список  литературы

1. Баранников  Л.Б.,  Борисова  Н.С.,  Ершов  И.А.,  Константинова  Т.Г.,  Медведев  С.В.,  Федотов  С.А.,  Федякова  С.Н.,  Штейнберг  В.В.,  Шумилина  Л.С.  Макросейсмическое  обследование  последствий  землетрясения  24(25)  ноября  1971  г.  на  территории  г.  Петропавловска-Камчатского.  В  кн.:  Сильные  камчатские  землетрясения  1971  года.  Владивосток,  «Наука»,  1975.  С.  15—62.
2. Константинова  Т.Г.  Зависимость  степени  повреждения  зданий  от  положения  УГВ  и  мощности  рыхлых  отложений  в  Петропавловске-Камчатском  при  землетрясении  24(25)  ноября  1971  г.  —  В  кн.:  Сейсмическое  микрорайонирование.  Кишинев,  «Штиинца»,  1979,  с.  278—285.
3. Константинова  Т.Г.  «Особенности  грунтов,  обладающих  свойствами  тиксотропии  (на  примере  Петропавловска-Камчатского,  Кировакана,  Нефтегорска).  Память  и  уроки  Нефтегорского  землетрясения.  Южно-Сахалинск,  2000.  С.  133—136.
4. Мушкетов  И.В.  и  Орлов  А.П.  Каталог  землетрясений  Российской  империи.  «Записки  Русского  Географического  Общества»,  т.  XХVI,  СПб.,  1893.  580  с. 
5. Саваренский  Е.Ф.,  Тищенко  В.Г.,  Святловский  А.Е.,  Добровольский  А.Д.,  Живаго  А.В.  Цунами  4—5  ноября  1952  г.  Бюлл.  Совета  по  сейсм.,  №  4,  1958.  С.  62.
6. Тараканов  А.И.  Зоны  разуплотнения  горных  пород  и  их  влияние  на  сейсмическую  балльность  //  Инженерно-строительные  изыскания.  1979,  №  3(55).  С.  65—69.
7. Черемных  Г.П.  Землетрясение  у  берегов  Камчатки  4  мая  1959  года  //  Бюллетень  Совета  по  сейсмологии  АН  СССР.  М.,  1960.  №  11.  С.  6—17. 
8. Штейнберг  В.В.,  Фремд  В.М.,  Феофилактов  В.Д.  Колебания  грунта  при  сильных  землетрясениях  на  Камчатке  в  1971  г.  В  кн.:  Сильные  камчатские  землетрясения.  Владивосток,  «Наука»,  1975.  С.  7—14.