Известно, какими последствиями чреваты сильные землетрясения: разрушенные дома, вышедшие из строя линии электропередачи, мосты… Все это — на виду. Но не менее опасны они и для того, что находится не на поверхности земли, а под ней. А это может быть транспортный тоннель, имеющий стратегическое значение, водовод гидроэлектростанции, да мало ли что еще. Чтобы не допустить беды, нужно многое предусмотреть, произвести тщательные расчеты. Заметных успехов в этом деле добился доцент кафедры механики материалов Тульского государственного университета доктор технических наук Петр ДЕЕВ. Наш корреспондент в беседе с ним попытался докопаться до глубины проблемы.
— Что грозит подземным сооружениям при землетрясении?
— Сейсмические волны, распространяясь от эпицентра, вызывают в массиве пород периодические деформации растяжения и сжатия (так называемые продольные волны) или сдвига (поперечные волны), — рассказывает Петр Вячеславович. — Это может привести к серьезным повреждениям и даже полному разрушению того, что построено под землей. Чтобы оценить возможные последствия землетрясений и обеспечить сохранность конструкций, нужно знать, как при сейсмических воздействиях в массиве пород и подземных сооружениях формируется поле напряжений.
Есть два основных подхода к моделированию напряженного состояния массива при прохождении через него сейсмических волн. Первый — это решение динамических задач о распространении гармонических волн в упругой среде. Имея решение, можно вычислить деформации, создаваемые сейсмической волной определенного направления в любой точке массива в любой момент времени. Обычно рассматривают самые простые случаи. Такой метод применяют наши коллеги из Казахской школы геомеханики.
Второй подход основан на следующей закономерности: при больших длинах волн результаты решения динамических задач практически не отличаются от тех, что получают при решении задач в квазистатической постановке (в них время учитывается, только когда задают условия бесконечности). Длины сейсмических волн во много раз превышают размеры поперечного сечения подземного сооружения, поэтому для оценки прочности конструкций достаточно определить напряжения лишь в те моменты, когда воздействие волны на исследуемую область массива максимально.
Получается, для каждой точки массива пород можно определить пределы изменения напряжений за один период колебаний. Эти данные позволяют выявить области массива, в которых возможно разрушение пород, а также оценить прочность подземных конструкций.
При расчете их характеристик следует принимать во внимание, что положение очага землетрясения и направление сейсмических волн заранее неизвестны. Если мы захотим с помощью первого подхода определить, выдержит ли подземное сооружение землетрясение определенной интенсивности, то нам нужно рассмотреть различные направления прихода сейсмических волн, оценить результаты расчета и выбрать вариант, наиболее опасный для подземной конструкции. Еще более сложная ситуация возникает, когда надо рассчитать действия продольной и поперечной волн, приходящих с разных направлений (например, при отражении волн от границ раздела пород или земной поверхности). Для выполнения даже одного динамического расчета требуется много времени, поэтому оценка прочности подземной конструкции с перебором вариантов может применяться только в исключительных случаях.
При использовании решений квазистатических задач для оценки влияния землетрясений на подземные сооружения хорошие результаты приносит подход, предложенный доктором технических наук профессором нашего университета Ниной Наумовной Фотиевой. Он позволяет аналитически определить наихудшее напряженное состояние, которое может возникнуть в подземной конструкции при землетрясении определенной интенсивности. Такой подход был положен в основу расчетов подземных сооружений на стойкость к сейсмическим воздействиям.
Зарубежные специалисты пользуются приближенными методами, применяя известные решения задач о круговом отверстии, подкрепленном упругим кольцом. Но бывают ситуации, когда надо исследовать подземные сооружения, форма поперечного сечения которых отличается от круговой, и взаимовлияющие конструкции, расположенные на небольшой глубине. В таких случаях результаты, получаемые при использовании приближенных методов, могут сильно отличаться от точных решений.
Еще один подход к исследованию напряженного состояния массива и подземных конструкций при землетрясении — численное моделирование с использованием специализированных программных комплексов, позволяющих рассматривать достаточно сложные объекты. Но и этот подход не лишен недостатков, основные из них — невозможность оценки достоверности получаемых результатов и большое время, затрачиваемое на расчет.
— Насколько актуальна проблема? Для каких территорий она важна? Где в России есть такие территории?
— Статистика последствий землетрясений показывает, что практически каждое сильное землетрясение сопровождается повреждением объектов, расположенных под землей, несмотря на то что они в меньшей степени страдают от сейсмических воздействий, чем те, что находятся на поверхности. С другой стороны, существует достаточно много подземных сооружений, разрушение которых может привести к катастрофическим последствиям. Это тоннели и машинные залы гидроэлектростанций, военные объекты, нефте- и газопроводы, транспортные тоннели, стволы и капитальные выработки шахт и рудников. При проектировании таких ответственных сооружений, безусловно, необходимо учитывать возможность землетрясений и принимать меры, снижающие вероятность их выхода из строя.
По данным сейсмического районирования, значительная часть территории России находится в зонах, где возможны землетрясения интенсивностью семь баллов и выше. Это Кавказ, южная и восточная части Сибири, Дальний Восток. Землетрясение такой интенсивности в определенных условиях может вызвать повреждения проложенных в толще земли сооружений.
В своих работах я продолжаю развивать научное направление, основанное видными учеными профессорами нашего университета Ниной Наумовной Фотиевой и Николаем Спиридоновичем Булычевым, в основе которого лежит использование аппарата математической теории упругости и теории аналитических функций комплексного переменного для исследования напряженного состояния подземных сооружений и окружающего массива пород. Большая часть выполненных исследований посвящена разработке методов расчета взаимовлияющих подземных сооружений, в том числе расположенных на небольшой глубине.
Моделированием сейсмических воздействий на массив пород и находящиеся в нем подземные сооружения мне приходилось заниматься и раньше, при выполнении работ по грантам РФФИ, государственному контракту и хоздоговорам. Также в течение нескольких лет я разрабатывал методы расчета обделок параллельных тоннелей, в том числе и на сейсмические воздействия землетрясений, для ЗАО “НИПИИ Ленметрогипротранс” (Санкт-Петербург).
Исследования, которыми я занимаюсь сейчас, поддержаны грантом Президента России. Это позволит усовершенствовать существующие методы расчета, а также изучить поведение массива пород и подземных сооружений в более сложных ситуациях. Например, при проектировании транспортных тоннелей в Сочи в 2006 году были сложности с расчетом прочности обделок припортальных участков, так как известные методы не позволяли учесть влияние особенностей земной поверхности. Государственная поддержка поможет разработать для специалистов в этой области новые подходы.
— Как вы решаете задачи?
— Этот процесс можно представить в виде последовательных этапов: формирование расчетной схемы, постановка соответствующей задачи теории упругости, постановка краевой задачи теории аналитических функций комплексного переменного, решение задачи, разработка алгоритма расчета, разработка и отладка программного обеспечения, сопоставление результатов с данными, полученными другими методами и другими авторами, исследование изучаемого явления с помощью разработанного метода.
Хотелось бы отметить, что наш коллектив работает в тесном контакте с коллегами из Белгородского национального исследовательского университета, институтов горного дела Уральского и Сибирского отделений РАН, Московского государственного горного университета, уже упоминавшегося Научно-исследовательского и проектно-изыскательского института “Ленметрогипротранс”, со специалистами из Белоруссии, Украины, Португалии, Швейцарии и других стран.
— Расскажите немного о коллективе. Кто и за что отвечает?
— Помимо меня в коллектив, выполняющий работу по гранту Президента РФ, входят кандидат наук Ольга Тормышева, два аспиранта — Оксана Левищева и Вадим Богданов, три студента Тульского государственного университета — Максим Петрухин, Максим Миндрин и Никита Тужилкин. Мы с Ольгой и Оксаной, можно сказать, костяк рабочей группы — составляем план исследований, устанавливаем контрольные сроки и выполняем основную часть намеченного. Вадим со студентами — наши помощники, они делают расчеты, обрабатывают результаты вычислений, готовят таблицы. Для аспирантов участие в работе по гранту позволяет представить результаты своих исследований на конференциях, получить опыт практических выступлений, который пригодится им в дальнейшем. Для студентов это возможность попробовать себя в научной работе и, может быть, сделать первый шаг к серьезной исследовательской деятельности.
— Какие практические приложения получат ваши разработки?
— Понятно, что результаты нашей работы могут быть в первую очередь использованы при проектировании подземных сооружений в зонах сейсмической активности. Я думаю, что многие проектные организации не отказались бы иметь в своем распоряжении метод расчета комплексов подземных сооружений на сейсмические воздействия землетрясений. Уверены, что наши разработки принесут реальную пользу ЗАО “НИПИИ Ленметрогипротранс”, со специалистами которого мы давно сотрудничаем. И конечно, результаты исследований найдут отражение в курсах по дисциплинам “Геомеханика”, “Механика подземных сооружений”, “Математическое моделирование геомеханических систем”, “Современные аналитические методы расчета подземных сооружений”, которые читают специалистам и магистрам.
Беседовал
Василий ЯНЧИЛИН
Фото предоставлено П.Деевым
Нет комментариев