Характеристика разрушения зданий

При проведении расчетов по прогнозированию разрушений и людских потерь при воздействии взрывных нагрузок обычно рассматривают четыре степени разрушения зданий – слабую, среднюю, сильную и полную. При землетрясениях принято рассматривать пять степеней разрушения зданий. В международной модифицированной сейсмической шкале MMSK - 86 предлагается следующая классификация степеней разрушения зданий:

d=1 – слабые повреждения. Слабые повреждения материала и неконструктивных элементов здания: тонкие трещины в штукатурке; откалывание небольших кусков штукатурки; тонкие трещины в сопряжениях перекрытий со стенами и стенового заполнения с элементами каркаса, между панелями, в разделке печей и дверных коробок; тонкие трещины в перегородках, карнизах, фронтонах, трубах. Видимые повреждения конструктивных элементов отсутствуют. Для ликвидации повреждений достаточно текущего ремонта зданий.

d=2 – умеренные повреждения. Значительные повреждения материала и неконструктивных элементов здания, падение пластов штукатурки, сквозные трещины в перегородках, глубокие трещины в карнизах и фронтонах, выпадение кирпичей из дымовых труб, падение отдельных черепиц. Слабые повреждения несущих конструкций: тонкие трещины в несущих стенах; незначительные деформации и небольшие отколы бетона или раствора в узлах каркаса и в стыках панелей. Для ликвидации повреждений необходим капитальный ремонт зданий.

d=3 – тяжелые повреждения. Разрушения неконструктивных элементов здания: обвалы частей перегородок, карнизов, фронтонов, дымовых труб; значительные повреждения несущих конструкций: сквозные трещины в несущих стенах; значительные деформации каркаса; заметные сдвиги панелей; выкрашивание бетона в узлах каркаса. Возможен восстановительный ремонт здания.

d=4 – частичные разрушения несущих конструкций: проломы и вывалы в несущих стенах; развалы стыков и узлов каркаса; нарушение связей между частями здания; обрушение отдельных панелей перекрытия; обрушение крупных частей здания. Здание подлежит сносу.

d=5 – обвалы. Обрушение несущих стен и перекрытия, полное обрушение здания с потерей его формы.

Характер разрушения зданий в значительной степени зависит от их конструктивной схемы.

В каркасных зданиях преимущественно разрушаются узлы каркаса, вследствие возникновения в этих местах значительных изгибающих моментов и поперечных сил. Особенно сильные повреждение получают основания стоек и узлы соединения ригелей со стойками каркаса.

В крупнопанельных и крупноблочных зданиях наиболее часто разрушаются стыковые соединения панелей и блоков между собой и с перекрытиями. При этом наблюдается взаимное смещение панелей, раскрытие вертикальных стыков, отклонение панелей от первоначального положения, а в некоторых случаях обрушение панелей.

Для зданий с несущими стенами из местных материалов (сырцовый кирпич, глиносаманные блоки, туфовые блоки и др.) характерны следующие повреждения: появление трещин в стенах; обрушение торцовых стен; сдвиг, а иногда и обрушение перекрытий; обрушение отдельно стоящих стоек и особенно печей и дымовых труб.

Наиболее устойчивыми к сейсмическому воздействию являются деревянные рубленные и каркасные дома. Как правило, такие здания сохраняются и только при интенсивности 8 баллов и более наблюдается изменение геометрии здания, а в некоторых случаях – обрушение крыш.

Разрушение зданий в полной мере характеризуют законы разрушения. Под законами разрушения зданий понимается зависимость между вероятностью их повреждения и интенсивностью проявления землетрясения в баллах. Законы разрушения зданий получены на основе анализа статистических материалов по разрушению жилых, общественных и промышленных зданий от воздействия землетрясений разной интенсивности.

Для построения кривой, аппроксимирующей вероятности наступления не менее определенной степени повреждения зданий, используется нормальный закон. При этом учитывается, что для одного и того же здания может рассматриваться не одна, а пять степеней разрушения, т.е. после разрушения наступает одно из пяти несовместимых событий. Значения математического ожидания М, интенсивности землетрясения в баллах, вызывающего определенные степени разрушения зданий, приведены в таблице 1.17.

Таблица 1.17

Математическое ожидания М интенсивности землетрясения,

вызывающего определенные степени разрушения зданий

Классы зданий по MMSK-86	Степени разрушения зданий
Легкая d=1	Умеренная d=2	Тяжелая d=3	Частичное разрушение d=4	Обвал d=5
Математические ожидания М законов разрушения
А1, А2	6,0	6,5	7,0	7,5	8,0
Б1, Б2	6,5	7,0	7,5	8,0	8,5
В1, В2	7,0	7,5	8,0	8,5	9,0
С7	7,5	8,0	8,5	9,0	9,5
С8	8,0	8,5	9,0	9,5	10,0
С9	8,5	9,0	9,5	10,0	10,5

 

 

Средние квадратические отклонения интенсивности землетрясения для законов разрушения принимаются равными 0,4.

 

Оползни

Оползень – это смещение на более низкий уровень части горных пород, слагающих склон, в виде скользящего движения, в основном без потери контакта между движущимися и неподвижными породами. Движение оползня начинается вследствие нарушения равновесия склона и продолжается до достижения нового состояния равновесия.

Оползни могут разрушать отдельные объекты и подвергать опасности целые населенные пункты, губить сельскохозяйственные угодья, создавать опасность эксплуатации карьеров, повреждать коммуникации, туннели, трубопроводы, телефонные и электрические сети, угрожать водохозяйственным сооружениям (плотинам).

Оползни, образующиеся на естественных склонах и в откосах выемок, принято подразделять на две группы.

1-я группа. Структурные оползни (структура – однородные связные глинистые породы: глины, суглинки, глинистые мергели).

Основными причинами образования структурных оползней являются:

чрезмерная крутизна склона (откоса);

перегрузка верхней части склона различными отвалами и инженерными сооружениями;

нарушение целостности пород склона траншеями, нагорными канавами или оврагами;

подрезка склона и его подошвы;

увлажнение подошвы склона.

Характерными местами (условиями) возникновения структурных оползней могут быть:

искусственные земляные сооружения с крутыми откосами;

выемки, образующиеся в однородных глинистых грунтах на водораздельных участках возвышенности;

глубокие разрезы для открытой разработки месторождений полезных ископаемых;

насыпи, отсыпанных такими же породами при переувлажнении почвенно-растительного покрова и глинистых пород, залегающих у поверхности.

2-я группа. Контактные (соскальзывающие, срезающие, скалывающие) - связные глинистые породы, залегающие в виде пластов с хорошо выраженными плоскостями напластования (глины, суглинки, мергели, неплотные известняки, некрепкие глинистые сланцы, лесс, лессовидные суглинки и др.).

Основными причинами образования контактных оползней являются:

чрезмерное крутое падение слоев;

перегрузка склона отвалами или различными земляными сооружениями;

нарушение целостности пород на склоне траншеями или нагорными канавами;

подрезка склона;

смачивание плоскостей напластывания (контактов) подземными водами.

Характерными местами (условиями) возникновения оползней могут быть: естественные склоны возвышенностей и долин рек (на косогорах), откосы выемок, состоящих из слоистых пород, у которых падение слоев направлено в сторону склона или по направлению к выемке.

 

Сели

 

Селевой очаг – участок селевого русла или селевого бассейна, имеющий значительное количество рыхлообломочного грунта или условий для его накопления, где при определенных условиях обводнения зарождаются сели.

Селевым потоком (селем) называют стремительные русловые потоки, состоящие из смеси воды и обломков горных пород, внезапно возникающие в бассейнах небольших горных рек.

Непосредственными причинами зарождения селей служат ливни, интенсивное таяние снега и льда, прорыв водоемов, землетрясения, извержения вулканов. Несмотря на разнообразие причин, механизмы зарождения селей имеют много общего и могут быть сведены к трем главным типам: эрозионному, прорывному и обвально-оползневому.

При эрозионном механизме зарождения идет насыщение водного потока обломочным материалом за счет смыва и размыва селевого бассейна и затем - формирование селевой волны в русле.

При прорывном механизме зарождения водяная волна за счет интенсивного размыва и вовлечения в движение обломочных масс сразу превращается в селевую волну, но с изменчивой насыщенностью.

При обвально-оползневом механизме зарождения, когда происходит смыв массива водонасыщенных горных пород (включая снег и лед), насыщенность потока и селевая волна формируются одновременно (насыщенность сразу практически максимальна).

Селевые потоки бывают: водно-каменными; водно-песчаными и водно-пылеватыми; грязевыми; грязекаменными; водно-снежно-каменными.

Водно-каменный сель – такой поток, в составе которого преобладает крупнообломочный материал. Формируется, в основном, в зоне плотных пород.

Водно-песчаный – такой поток, в котором преобладает песчаный и пылеватый материал. Возникает, в основном, в зоне лессовидных и песчаных почв во время интенсивных ливней, смывающих огромное количество мелкозема.

Грязевой сель близок к водно-пылеватому. Формируется в районах распространения пород преимущественно глинистого состава.

Грязекаменный сель характеризуется значительным содержанием в твердой фазе глинистых и пылеватых частиц с явным их преобладанием над каменной составляющей потока.

Водно-снежно-каменный сель – переходная стадия между, собственно, селем, в котором транспортирующей средой является вода, и снежной лавиной.

Формирование селей обусловлено определенным сочетанием геологических, климатических и геоморфологических условий: наличием селеформирующих грунтов, источников интенсивного обводнения грунтов, а также геологических форм, способствующих образованию достаточно крутых склонов и русел.

Источниками питания селей твердыми составляющими являются ледниковые морены с рыхлым заполнением, рыхлообломочный материал осыпей, оползней, обвалов, смывов, русловые завалы и загромождения, образованные предыдущими селями, древесно-растительный материал. Источниками питания селей водой являются дожди и ливни, ледники и сезонный снежный покров, воды горных рек.

Наиболее часто образуются сели дождевого питания, основным условием формирования которых является количество осадков, способных вызвать смыв продуктов разрушения горных пород и вовлечь их в движение (таблица 1.20).

Формирование селей происходит в селевых водосборах, наиболее распространенной формой которых является грушевидная с водосборочной воронкой и веером ложбинных и долинных русел, переходящих в основное русло. Селевой водосбор включает три основные зоны, в которых формируются и протекают селевые процессы:

зона селеобразования (питания селей водой и твердой составляющей);

зона транзита (движение селевого потока);

зона разгрузки (массового отложения селевых выносов).

Площади селевых водосборов колеблются от 0,05 до нескольких десятков квадратных километров. Длина русел колеблется в пределах от 10-15 м (микросели) до нескольких десятков километров, а их крутизна в транзитной зоне колеблется от 25°-30° (в верхней части) до 8°-15° (в нижней части). При меньших уклонах начинается процесс отложения селевой массы. Полностью движение селя прекращается при крутизне 2°-5°.

Результат воздействия селевого потока на различные объекты зависит от его основных параметров: плотности, скорости продвижения, высоты, ширины, расхода, объема, продолжительности, размеров включения и вязкости.

Таблица 1.20

Условия формирования дождевых селей

 

Районы России	Суточные максимумы ливневых осадков в мм при 20%-ной обеспеченности	Минимальные суммы селеформирующих осадков, мм/сут.
Северный Кавказ	50-70
Центральный Кавказ	50-70
Урал	30-40
Тянь-Шань	30-60	30-40
Памир-Алтай	30-60
Алтай и Саяны	30-50
Предбайкалье и Забайкалье	40-70
Горы северо-востока	30-60	-
Приморье	74-130	-
Приамурье	60-80
Камчатка	40-90	-
Сахалин	40-100

 

 

Плотность селевого потока зависит от состава и содержания твердой составляющей. Обычно она составляет не менее 100 кг в одном кубическом метре воды, что при плотности породы 2,4-2,6 г/см³ приводит к плотности селевых потоков примерно 1,07-1,1 г/см³. Как правило, плотность селевого потока колеблется в пределах 1,2-1,9 г/см³.

Скорость движения селевого потока в транзитных условиях (в зависимости от глубины потока, уклона русла и состава селевой массы) составляет от 2-3 до 7-8 м/с, а иногда и более. Максимальная скорость может превышать среднюю в 1,5-2 раза.

Высота селевого потока варьируется в значительных пределах и может составлять: для мощных и катастрофических селей – 3-10 м, для маломощных – 1-2 м.

Ширина селевого потока зависит от ширины русла и в большинстве горных бассейнов на транзитных участках колеблется от 3-5 м (узкие каньоны, горловины, глубоко врезанные русла небольших бассейнов) до 50-100 м.

Максимальный расход селя колеблется от нескольких десятков до 1000-1500 м³/с.

Объем селевых отложений (объем рыхлообломочной породы в естественном залегании, вынесенный из селевого очага и русла) определяет зону воздействия селя. Как правило, суммарный объем селевого выноса определяет тип селя и его разрушительное действие на сооружение. Для большинства селевых бассейнов России характерны сели малой и средней мощности.

Продолжительность селей колеблется от десятков минут до нескольких часов. Большинство зарегистрированных селей имели продолжительность 1-3 часа. Иногда сели могут проходить волнами по 10-30 минут с неселевыми промежутками между ними до нескольких десятков минут.

Максимальные размеры крупнообломочных включений характеризуются размерами отдельных глыб и валунов скальных и полускальных пород и могут быть 3-4 м в поперечнике. Масса таких глыб может составлять до 300 т.

Вязкость связных селей колеблется от 3-4 пуаз (единица динамической вязкости (П). 1П=0,1 Нс/м³=0,102 кгс ) до нескольких десятков, а иногда и сотен пуаз. При значительной вязкости сель напоминает густой бетонный раствор. Вязкость при переходе от несвязного селя к связному примерно равна 2,5-4,0 пуаза.

Таким образом, основные параметры селевых потоков следует принимать в следующем диапазоне:

плотность – (1,2-1,9)×10³ кг/м³;

вязкость – 4-20 пуаз;

скорость движения в транзитных условиях:

– для уклонов – 10°-27° – 2,5-7,5 м/с;

– максимально возможная – 14-16 м/с;

предельная крутизна прекращения движения – 2-5°;

высота селевого потока: катастрофического – до 10 м;

мощного – 3-5 м;

среднего» 2,5 м;

маломощного» 1,5 м;

ширина потока на транзитных участках – 5-70 м;

расход (диапазон) – 30-800 м³/с, возможный максимум 2000 м³/с;

продолжительность – 0,5-3 ч;

повторяемость –15-20 лет;

размер крупных включений – 3-4 м;

масса включений – 200-300 т.

Снежные лавины

 

Лавина (от латинского labina – оползень) – снежный обвал массы снега на горных склонах, пришедшей в интенсивное движение. Снежные лавины представляют серьезную опасность. В результате их схода гибнут люди, разрушаются спортивные и санаторно-курортные комплексы, железные и автомобильные дороги, линии электропередач, объекты горнодобывающей промышленности и другие объекты экономики, блокируются целые районы, а также могут вызываться наводнения (в том числе прорывные) с объемом подпруженного водоема до нескольких миллионов кубометров воды. Высота прорывной волны в таких случаях может достигать 5-6 метров. Лавинная активность приводит к накоплению селевого материала, так как вместе со снегом выносятся каменная масса, валуны и мягкий грунт.

Возникновение лавин возможно во всех горных районах, где устанавливается снежный покров. Возможность схода лавин обусловливается сочетанием лавинообразующих факторов, а также наличием склонов крутизной от 20 до 50° при толщине снежного покрова не менее 30-50 см. К лавинообразующим факторам относятся:

высота снежного покрова;

плотность снега;

интенсивность снегопада;

оседание снежного покрова;

температурный режим воздуха и снежного покрова;

метелевое распределение снежного покрова.

В отсутствии осадков сход лавин может быть следствием интенсивного таяния снега под воздействием тепла, солнечной радиации и процесса перекристаллизации, приводящих к разрушению снежной толщи (вплоть до образования мелкодисперсной снежной массы в глубине этой толщи) и ослаблению прочности и несущей способности отдельных слоев.

Формирование лавин происходит в лавинном очаге, представляющем собой участок склона и его подножия, в пределах которого движется лавина. Лавинный очаг принято характеризовать тремя зонами:

зоной зарождения (лавиносбор);

зоной транзита (лоток);

зоной остановки (конус выноса) лавины (рис.1.15).

Классификация лавин по природе их формирования представлена в таблице 1.22.

До 70% всех лавин обусловлены снегопадами. Эти лавины сходят во время снегопадов или в течение 1-2 суток после их прекращения.

По частоте схода (повторяемости) различают:

систематические лавины (сходят каждый год или один раз в два года);

спорадические лавины (сходят 1-2 раза в 100 лет и реже, место схода трудно определить).

 

Таблица 1.22

Классификация снежных лавин

Тип лавин	О с о б е н н о с т и
Лотковая	Движение по фиксированному руслу
Осов (склоновая)	Отрыв и движение по всей поверхности склонов
Прыгающая	Свободное падение с уступов склонов
Пластовая	Движение по поверхности нижележащего слоя снега
Грунтовая	Движение по поверхности грунта
Сухая	Сухой снег в лавинном очаге
Мокрая	Мокрый снег в лавинном очаге

а) План горного склона

б) Расчетные параметры

Рис. 1.15. Схема лавинного очага:

(L_max – дальность выброса лавины; В – ширина лавиносбора; b – ширина выброса; a₁ – средний угол наклона площади лавиносбора; a₂ – средний угол наклона лотка; DН – превышение лавинного очага (разность максимальной и минимальной высот склона в пределах лавинного очага); L – длина лавиносбора; F – площадь лавиносбора)

 

Условия, способствующие образованию лавин, при различных превышениях лавинного очага приведены в табл.1.23.

 

Таблица 1.23

Характеристика лавиноопасных территорий при различных

превышениях DН лавинного очага

Тип территорий	DН, м	Условия лавинообразования
среднее	максимал.
Низкогорный			Образование лавин ограничено величиной снегонакопления. Могут формироваться небольшие лавины. Большинство лавин останавливается на склонах
Среднегорный лугово-лесной			Формирование лавин ежегодное. В нижней части пояса, а также на залесенных склонах образуются, как правило, малые лавины. На безлесных склонах активность лавинообразования быстро увеличивается с высотой
Среднегорный луговый			В нижней части пояса у границы леса ежегодно формируются мощные лавины. Лавины обычно достигают дна долин
Высокогорный приледниковый			Формирование лавин ежегодное, в большинстве очагов в холодный сезон возможен неоднократный их сход. Большинство лавин лотковые или склоновые, как правило, достигают дна долин
Высокогорный ледниковый			Ежегодный многократный сход лавин в большинстве очагов. Большинство лавин лотковые или cклоновые. Лавины достигают дна долин

Наиболее распространенные признаки лавинной опасности территорий представлены на схеме 1.7.

 

 

Признаки лавинной опасности

Резкие изменения погоды

Сильные снегопады

Продолжительные метели

Дожди в горах

Оттепели

Ясная солнечная погода

Наличие воды в снежном покрове

Наличие горизонтов разрыхления в снежном покрове

Прирост высоты снега 30-50 см

Образование снежных карнизов, скопления снега

Скатывание со склонов снежных комьев

Появление пустот в снегу

 

Схема 1.7. Признаки лавинной опасности

 

Таблица 1.24

Количественная характеристика лавинной опасности территории

в зависимости от DН, м

 

Характеристика
Коэффициент лавинной активности, кs	0,35	0,55	0,7	0,8	0,9	0,95	1,0	1,0	1,0	1,0
Доля очагов лотковых лавин в общей площади лавиноопасных склонов	0,05	0,15	0,25	0,35	0,5	0,65	0,75	0,8	0,85	0,9
Средняя ширина зоны выброса лотковых лавин, м.	-
Средняя площадь лавино- сборов, Га
Количество лавинных очагов на 1 км долины								1,5	1,5	1,5
Количество лавинных очагов на 1 км^2долины

 

Таблица 1.25

Основные характеристики снежных лавин

 

Показатели	Диапазоны изменений
Масса (m), т	от единицы до 10^7
Объем (V), м^3	от единицы до 10^7
Скорость движения (V), м/с: мокрые	10-20
сухие	20-100
Динамическое давление (rn), мПа	до 2
Дальность выброса (Lmax), м	до 2000
Плотность лавинного снега (r), т/м^3: сухая	0,2-0,4
мокрая	0,3-0,8
Высота фронта лавины (Нл), м	до 10
Площадь сечения лавинного потока, м^2	до 10^3
Коэффициент лавинной активности, кs *	0,3-1,0
Коэффициент поражения дна долины, кдн **	0,2-1,0
Объем лавинных завалов на дне долин и дорогах, м^3	до 10^7

* отношение лавиноактивной площади к суммарной.

** отношение поражаемой длины дна долины ко всей длине на данном участке.