Математическое моделирование

Данное исследование проводится согласно следующим нормативным документам:

• СП 14.13330.2018 («Строительство в сейсмических районах»).
• СП 286.1325800.2016 («Объекты строительные повышенной ответственности. Правила детального сейсмического районирования»)
• СП 47.13330.2016 («Инженерные изыскания для строительства»).
• СП 11-105-97 («Инженерно-геологические изыскания для строительства») части I и II.
• СНиП 22-01-95 («Геофизика сейсмоопасных районов»).

Основные направления изучения сейсмотектоники:

• Изучение строения земной коры и процессов, происходящих внутри нее.
• Анализ исторических движений литосферных плит и формирования рельефа.
• Определение активных разломов и зон тектонических напряжений.
• Уточнение границ сейсмоактивных территорий с использованием современных методов дистанционного зондирования Земли.
• Картирование и моделирование напряженно-деформационного состояния геологической среды.

Таким образом, сейсмотектонические исследования играют ключевую роль в обеспечении безопасности и надежности строительных объектов в регионах с высоким уровнем тектонической активности.

Проведение таких исследований является обязательным этапом в проектировании и возведении объектов повышенной ответственности или расположенных в областях, подверженных сейсмическим нагрузкам. Это позволяет снизить риски разрушения конструкций, минимизировать последствия стихийных бедствий и обеспечить безопасность эксплуатации сооружений. При разработке проектной документации необходимо учитывать возможные подвижки почвы, деформационные напряжения и особенности поведения грунтов при воздействии подземных толчков. От качества проведенных инженерных изысканий зависит надежность конструкции и устойчивость объекта в экстремальных ситуациях.

Сейсмотектонические исследования обязательны для всех строительных проектов в зонах повышенной сейсмоактивности и сейсмоопасных территориях России, особенно для сооружений высокой ответственности — гидротехнических плотин, атомных электростанций, магистральных трубопроводов нефти и газа, промышленных предприятий и жилых зданий.
Основные случаи обязательного проведения исследований:

Основы нормативно-правовой базы
Требования по изучению динамики грунтов и разжижаемости содержатся в ряде российских нормативных документов:

• СП 14.13330.2018: «Строительство в сейсмических районах».
• ГОСТ Р 57839-2017: «Грунты. Метод полевых испытаний динамическим зондированием».
• ГОСТ Р 56353-2022: «Грунты. Методы лабораторного определения динамических свойств дисперсных грунтов».

Для адекватного понимания поведения грунта в условиях динамических нагрузок применяются геофизические исследования (сейсморазведка, электроразведка) и лабораторные испытания образцов грунтов.
Электроразведка помогает определить электропроводность, влажность и состав грунтов, влияющие на прочность и сопротивление разжижению. Сейсморазведка определяет упругие модули грунтов, которые необходимы для точного расчета реакции на сейсмические волны.
Благодаря таким работам удаётся создать полноценную картину сейсмогеологических условий площадки, повышая точность прогнозов и минимизируя риски при строительстве.
Одним из ключевых аспектов анализа разжижения является оценка вероятности этого явления с разными периодами повторяемости:

• Период повторяемости 500 лет соответствует сильным землетрясениям, встречающимся редко, но имеющим значительные последствия;
• Период повторяемости 1000–5000 лет охватывает редкие катастрофы, но крайне важные для долгосрочного планирования.

Эта информация важна для проектирования устойчивых объектов, способствующих снижению риска аварий и гибели людей.
Проведение исследований по разжижению грунтов необходимо для всех значимых строительных объектов в сейсмоопасных регионах России. Использование комплексного подхода, сочетающего лабораторные испытания, геофизические исследования и моделирование, гарантирует надёжность и долговечность конструкций. Особенно важно проводить подобные исследования в сложных геологических условиях и зонах обводнения, где риск разжижения значительно возрастает.

Разжижение грунтов — явление, при котором насыщенный водой песчаный грунт теряет свою несущую способность вследствие динамических нагрузок, например, землетрясений. Такое состояние опасно для фундаментов зданий и сооружений, особенно в сейсмоопасных регионах, так как может привести к серьезным повреждениям и даже катастрофическим последствиям.
Исследования по разжижению грунтов обязательны при проектировании объектов строительства в сейсмопасных регионах России, особенно для объектов повышенной ответственности (гидротехнические сооружения, АЭС, жилые комплексы, промышленные предприятия):

• Проектирование новых объектов.
• Реконструкция или капитальный ремонт существующих объектов.
• Капитальное строительство вблизи водоемов, водохранилищ, озёр и болотистых земель.
• Строительство в регионах с активными тектоническими структурами.

• ГОСТ Р 57546-2017 («Землетрясения. Шкала сейсмической интенсивности»);
• РБ 006-98 («Определение исходных сейсмических колебаний грунта для проектных основ»).
• Моделирование акселерограмм особенно важно для:
• Объектов повышенной ответственности (АЭС, плотины, мосты, высотные здания);
• Районов с высокой степенью риска землетрясений (Крым, Камчатка, Курилы, Кавказ, Алтай, Байкал).

Это связано с необходимостью учета специфики распространения волн землетрясений в конкретных условиях местности, включая рельеф, грунты и инженерные конструкции.
Основные направления моделирования сейсмических воздействий включают изучение влияния различных факторов на формирование амплитудно-частотных характеристик среды, и как следствие, на волновые формы и частотный состав акселерограмм:

• Геологическое строение региона;
• Типология грунтов и их механические свойства;
• Геометрия, глубина, структура, расположение разломов и очагов землетрясений относительно площадки строительства.

Создание моделей грунтов осуществляется на основе комплексных подходов, включающих:

• Полевые геологические и геофизические исследования (сейсмозондирование, электроразведка, каротаж скважин и т.д.);
• Лабораторные испытания образцов грунтов (определение модуля деформации, коэффициента Пуассона, плотности и влажности и т.д);
• Анализ полученных данных с использованием численных методов и специализированных программных комплексов.

Основными динамическими параметрами акселерограмм, которые оказывают негативное влияние на устойчивость строительных конструкций, являются:

• Амплитуда ускорения (или пиковые ускорения 𝑎ₘₐₓ);
• Частота колебаний (например, доминирующая частота спектра реакции);
• Длительность интенсивных фаз землетрясения (продолжительность активной фазы землетрясения 𝑇ₐ);
• Формы спектров реакций и форм сигнала (акселерограммы, интегральные скорости и перемещения).

Эти параметры необходимы для расчета резонансных частот и формы колебаний строительных конструкций.
Таким образом, моделирование акселерограмм необходимо для повышения безопасности и надежности проектов в сейсмоопасных регионах. Оно должно проводиться с учетом всех особенностей местных условий и включать детальное исследование геологии района, свойств грунтов и типа инженерных сооружений. Качественное моделирование акселерограмм является ключевым фактором снижения рисков разрушения объектов строительства в сейсмоопасных регионах России.

Моделирование акселерограмм является важным этапом проектирования объектов строительства в сейсмоопасных регионах, поскольку оно позволяет учесть реальные воздействия землетрясений на сооружения.
Основными нормативными документами, определяющими порядок моделирования акселерограмм, являются:

• СП 14.13330.2018 («Строительство в сейсмических районах»): устанавливает требования к проектированию и строительству зданий и сооружений в сейсмоактивных зонах;
• СП 20.13330.2016 («Нагрузки и воздействия»): определяет нагрузки и воздействия, включая расчетные значения для проектирования конструкций;
• ГОСТ 34660-2019 («Землетрясение. Параметры ускорения земной поверхности»): регламентирует параметры записи ускорений при землетрясениях и правила обработки данных;

Существует ряд программных продуктов, позволяющих проводить расчеты устойчивости склонов различными методами, однако одной из самых распространенных программ для расчета устойчивости склонов является Geo5, созданная чешской компанией GEO-SOFTWARE. Программа Geo5 представляет собой набор модулей, объединяющих различные аспекты расчета оснований и склонов. Для расчета устойчивости склонов используются модули Slope Stability Analysis и Excavation Design.
Возможности:

• задания многослойных геологических разрезов с учетом реальных физических и механических свойств каждого слоя.
• использование метода конечных элементов для решения дифференциальных уравнений равновесия.
• реализация нескольких аналитических методов расчета устойчивости (метод круглоцилиндрической поверхности скольжения, метод Шенли-Питера, метод Янбуха-Шейденара и др.).
• модуль проверки совместной прочности материалов (расчеты проводятся одновременно для грунтов и бетона).
• интеграция с модулем трехмерного анализа (Geo5 Soil Models) для детализированного представления поведения системы.
• возможность импорта исходных данных из сторонних программ, таких как AutoCAD и Google Earth.

Нашей организацией применяются различные методы расчетов устойчивости склона, такие как:

• Метод круглоцилиндрической поверхности скольжения (Method of Circular Surface);
• Метод Тэйлора–Шенли (Taylor-Schneeli Method);
• Метод Янбуха-Шейденара (Janbu's Generalized Procedure of Slices);
• Метод Фелленауса (Fellenius' Method).

Рассматриваемые методы расчетов имеют большое значение для обеспечения безопасной эксплуатации объектов в сейсмоопасных регионах. Особенно это актуально для крупных инфраструктурных объектов и местностей со сложными условиями (склоны с уклоном более 15°). Эти расчеты помогают предотвратить возможные аварии и повысить надежность и безопасность сооружений, обеспечивая защиту населения и минимизацию экономических потерь.

Устойчивость склонов имеет важное значение при проектировании объектов строительства в сейсмоопасных регионах России. Она необходима для предотвращения возможных деформаций и разрушений, вызванных сдвиговыми силами и колебаниями грунта при землетрясении. Такие расчеты позволяют определить степень устойчивости склона и принять меры по предотвращению оползней и эрозии почвы.
Основной нормативный документ, регламентирующий выполнение расчетов устойчивости склонов, — это СП 116.13330.2012 ("Инженерная защита территорий, зданий и сооружений от опасных геологических процессов"). Данный свод правил определяет общие принципы и подходы к оценке устойчивости склонов и выбору мер защиты территории от природных угроз. Кроме того, при расчете устойчивости склонов учитывают положения следующих документов:
СП 14.13330.2018 ("Строительство в сейсмических районах")
СП 22.13330.2016 ("Основания зданий и сооружений")
СП 20.13330.2016 ("Нагрузки и воздействия")

Пример основных этапов исследований по общему сейсмическому районированию Каспийского региона.

На основании изучения представленных материалов отчета Заказчиком выдается заключение и, в случае необходимости, выполняется сопровождение отчета до момента прохождения экспертизы любого уровня Заказчиком.
Заказчик привлекает научные институты к научно-техническому сопровождению в ряде случаев, когда необходимы дополнительные специализированные знания и экспертиза для повышения качества и точности выполняемых работ. Вот наиболее распространенные ситуации:

• Высокая сложность проекта: если объект находится в сложных геологических условиях, имеет нестандартную конструкцию или расположен в зоне повышенной сейсмичности, привлечение научных институтов позволяет учесть специфику условий и минимизировать риски.
• Необходимость уникальных решений: для реализации инновационных технологий, высотного строительства, протяженных линейных объектов, новых строительных материалов или методов строительства заказчики обращаются к научным институтам за консультациями и экспертизой.
• Обеспечение нормативной базы: научные организации проводят исследования и разрабатывают методологии, соответствующие современным стандартам и нормам, обеспечивая выполнение требований законодательства и технических регламентов.
• Улучшение качества инженерных изысканий: научно-техническое сопровождение помогает повысить качество выполненных работ путем внедрения передовых методик и инструментов контроля.

Таким образом, научно-техническое сопровождение является важным этапом выполнения инженерных изысканий, обеспечивающим учет всех аспектов безопасности и надежности возводимых объектов в условиях повышенной сейсмоактивности.
В кооперации с этими научными организациями наша организация выполняет исследования по следующим направлениям:

• Оценка сейсмической опасности. Этот вид деятельности включает в себя ряд мероприятий, направленных на определение вероятности возникновения сильных землетрясений и их последствий для населенных пунктов и инфраструктурных объектов городов и целых регионов.
• Сейсмотектонические исследования. Сейсмотектоника изучает связь между движениями земной коры и проявлениями сейсмической активности.
• Мониторинг землетрясений. Система мониторинга предназначена для постоянного наблюдения за сейсмическими процессами, оперативного оповещения и анализа зарегистрированных колебаний земли.

Совместная деятельность нашей организации и государственных институтов сейсмологии и геодинамики, свидетельствует о продуктивном партнерстве, направленном на повышение эффективности и качества оказываемых услуг в области инженерно-геологического изучения и оценочных работ, связанных с обеспечением сейсмобезопасности объектов капитального строительства.Научно-техническое сопровождение инженерно-геологических изысканий в части оценки сейсмической опасности представляет собой комплекс мероприятий, направленных на изучение, оценку возможных землетрясений и связанных с ними рисков в пределах исследуемого участка строительства.

Наша организация тесно сотрудничает с рядом научных институтов, в содействии с которыми предоставляет услуги по научно-техническому сопровождению. Это такие институты как:

• Институт сейсмологии и геодинамики ФГАОУ ВО «КФУ им В.И. Вернадского» (Сайт Института сейсмологии);
• Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта Российской академии наук (ИФЗ РАН) (Сайт Института физики Земли).

Научно-техническое сопровождение инженерно-геологических изысканий в части оценки сейсмической опасности представляет собой комплекс мероприятий, направленных на изучение, оценку возможных землетрясений и связанных с ними рисков в пределах исследуемого участка строительства.
Основная цель — дать независимую оценку корректности выполнения инженерных расчетов Подрядчиком в части оценки сейсмической опасности, для обеспечения надежности проектируемых сооружений и инфраструктуры, минимизируя потенциальные риски разрушения объектов вследствие сейсмических воздействий.