Підвищення надійності оцінки сейсмобезпеки будівель різного технічного стану при техногенних вибухах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний технічний університет України

Київський політехнічний інститут

УДК 622.083+721.011

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Підвищення надійності оцінки сейсмобезпеки будівель різного технічного стану при техногенних вибухах

05.15.03 - Відкрита розробка родовищ корисних копалин

Хлевнюк Тамара Вікторівна

Київ - 2009

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті гідромеханіки Національної академії наук України

Науковий керівник - доктор технічних наук, старший науковий співробітник Бойко Віктор Вікторович, Інститут гідромеханіки НАН України, завідувач науково-дослідної лабораторії

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Воробйов Віктор Данилович, Національний технічний університет України "КПІ" Міністерства освіти і науки України, професор кафедри;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Воротеляк Гарольд Андрійович, «НДГРІ» , завідувач лабораторії

Захист відбудеться 09.06. 2009 р. о 14.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.22 Національного технічного університету України «КПІ» за адресою: 03056, Україна, м. Київ, просп. Перемоги 37, корп. 22, ауд. 510 б; тел. (044) 241-96-32.

З дисертацією можна ознайомитись у науково-технічній бібліотеці Національного технічного університету України «КПІ» за адресою: 03056,Україна, м. Київ, просп. Перемоги, 37.

Автореферат розісланий 07.05.2009 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради докт.техн.наук, професор І.А. Лучко

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. На густозаселеній території України особливо гостро постає проблема сейсмобезпечної експлуатації будівель, що розташовані поблизу місць проведення підривних робіт,оскільки недостатня вивченість негативних динамічних впливів, що виникають від дії сейсмічних імпульсів на будівлі різного технічного стану, не дає можливості прогнозувати їх реальну сейсмобезпечність до і після проведення підривних робіт. Це пов'язано з тим, що оцінка сейсмічної дії на різні будівлі й споруди, відповідно до існуючої нормативної документації, проводиться тільки за допустимою масовою швидкістю коливань незалежно від їх технічного стану й амплітудно-часових складових "грунт-будівля", без урахування наявності в них тріщин і, як показала практика, не в повній мірі корелює з розвитком існуючих чи утворенням нових тріщин в будівлях різного технічного стану, що призводить до значної похибки при оцінці інтенсивності сейсмічних коливань під час вибухів.

У зв'язку з цим дослідження параметрів сейсмовибухових хвиль, які впливають на сейсмостійкість будівель різного технічного стану, для встановлення гранично допустимих норм не лише за критерієм масової швидкості, а й з урахуванням амплітудно-часових складових сейсмічних коливань і охоронних об"єктів, необхідних для розрахунку сейсмобезпечних параметрів підривних робіт, являє собою актуальну наукову задачу.

Зв'язок роботи з науковими програмами , планами, темами. Робота пов'язана з Указом Президента України від 04.02.2003 р. за № 76/2003 "Про стан техногенної та природної безпеки в Україні" і виконана автором згідно з планами НДР Інституту гідромеханіки НАН України 2001-2009 рр. "Розробка сейсмобезпечних методів ведення вибухових робіт в умовах сучасних інтенсивних засобів видобутку корисних копалин" (№ДР 0105U001717), "Розробка методики розрахунку впливу динамічної дії на шаруваті середовища з елементами конструкцій" (№ДР 0106U000512), "Розробка методики сейсмічного районування території України, на яку впливають технологічні вибухи" (№ДР 0103U000097), в яких автор була співвиконавцем.

Мета роботи - опрацювання надійних оцінок сейсмобезпеки будівель різного технічного стану з урахуванням частоти їх власних коливань і коливань ґрунтової основи, які збуджені сейсмічною дією промислових вибухів, і розробка рекомендацій з сейсмобезпечного проведення підривних робіт у кар'єрах.

Для досягнення поставленої мети сформульовані такі завдання:

- установити основні параметри вибухових хвиль, які будуть прийняті за критерій сейсмобезпеки при визначенні допустимої інтенсивності коливань грунту в основі будівлі різного технічного стану ;

- розробити методику сейсмічних замірів для вибору необхідних структурних схем апаратурної реєстрації коливань в умовах проведення промислових вибухів;

- установити закономірність взаємодії сейсмовибухових хвиль системи "грунт-будівля" на основі існуючого критерію, з урахуванням частотних характеристик коливань грунту і власних коливань будівель, для визначення в різних діапазонах частот, у тому числі резонансних, допустимих швидкостей коливань в будівлях різного технічного стану;

- розробити комплексну методику визначення допустимих норм сейсмоколивань будівель різного технічного стану і опрацювати рекомендації з сейсмобезпечного ведення підривних робіт у кар'єрах.

Об'єкт дослідження - процес взаємодії з однорідними грунтовими основами будівель сейсмовибухових хвиль, викликаних дією промислових вибухів у кар'єрах.

Предметом дослідження є : параметри сейсмовибухових хвиль та їх взаємодії в грунтових основах будівель різного технічного стану, з урахуванням послабленості їх капітальних стін тріщинами та частотних характеристик коливань системи "грунт-будівля" для визначення допустимих швидкостей коливань і масштабів промислових вибухів.

Методи дослідження. У дисертаційній роботі використано комплекс методів досліджень, а саме: наукове узагальнення та аналіз відомих наукових результатів і практичний досвід прогнозування сейсмобезпечного проведення промислових вибухів у кар'єрах і при виконанні спеціальних робіт (руйнації шахт пускових установок (ШПУ) ), аналітичне та експериментальне дослідження сейсмічної дії вибуху на будівлі, у тому числі ослаблені тріщинами, аналітичне та експериментальне визначення параметрів сейсмічної хвилі, що найкраще корелюють з пошкодженнями об'єктів і впливають на їх стійкість, аналітичні розрахунки сейсмобезпечних параметрів підривних робіт для будівель масової забудови, методи математичної статистики при обробці експериментальних даних.

Основні наукові положення, які виносяться на захист:

- максимальна амплітуда швидкості коливань й частота на якій сейсмічні хвилі діють на будівлі, у тому числі ослаблені тріщинами - прийняті за критерій допустимих норм на охоронні об'єкти при техногенних вибухах;

- ослабленість будівлі залежить від об'ємної кількості тріщин в її капітальних стінах й оцінюється коефіцієнтом ослабленості, який входить в формулу по визначенню допустимої швидкості коливань в залежності від частотного спектру коливальної системи «грунт-будівля»;

- сейсмобезпечність масового вибуху забезпечується обмеженням максимально-допустимої маси заряду ВР при миттєвому підриванні в максимальній групі, що дозволяє створити умови збудження сейсмовибухових хвиль з параметрами (швидкістю коливань грунтової основи будівлі і на частоті),у межах допустимо встановлених норм.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що вперше:

- встановлено співвідношення частоти коливань сейсмічної хвилі, спричиненої короткосповільненими вибухами системи свердловинних зарядів ВР та частоти охоронного об"єкта, як доповнення до існуючого критерія (допустимої швидкості коливань) і безпечної норми на будівлі різного технічного стану;

- в різних діапазонах приведених відстаней одержано закономірність зміни допустимої швидкості коливань будівлі в залежності від діапазону частотного спектра, на якому сейсмічна хвиля діє на цю будівлю;

- для характеристик будівель з ослаблюючими тріщинами визначено коефіцієнт послаблення міцності в залежності від об"ємної тріщинної порушеності капітальних стін; одержано залежності по визначенню масштабів вибухів, які не викликають перевищень допустимих коливаннь масової швидкості для таких будівель, з урахуванням амплітудно-часових складових системи "грунт-будівля".

Практичне значення отриманих результатів:

- розроблено комплексну інженерну методику визначення масштабів вибухів, які не викликають перевищень допустимої швидкості коливань частинок для будівель різного технічного стану на основі врахування, крім існуючого критерію сейсмобезпеки за масовою швидкістю, параметра частот коливань сейсмічної хвилі та об"єкту ;

- розроблено методику визначення допустимої масової швидкості коливань будівель в різних діапазонах частот і в залежності від кількісного врахування тріщин в капітальних стінах;

- розроблено відповідний алгоритм для вироблення рекомендацій з сейсмобезпечного проведення масових вибухів на кар'єрах, які не викликають перевищень допустимої швидкості коливань частинок для будівель різного технічного стану.

Результати роботи щодо оцінки допустимих норм на типові будівлі масової забудови, що розташовані поблизу місць проведення підривних робіт, впроваджені при: ліквідації ШПУ (біля 15 населених пунктів, акт додається), а також при проведенні масових вибухів на кар'єрах ДП "Кримвибухпром" ( Шарха, Старий Крим,) де використані рекомендації з сеймобезпечного проведення масових вибухів на кар'єрах і результати розрахунків параметрів підривних робіт, які вносились в проекти масових вибухів, й які забезпечили оптимальні масштаби вибухів та безпечну експлуатацію всіх будинків на прилеглих територіях.

Особистий внесок здобувача в роботи, які опубліковані в співавторстві : [1]- проведення експериментальних робіт, формулювання висновків; визначення критеріїв оцінки небезпечності дії вибухових хвиль на ослаблені тріщинами будівлі; [2]- проведення експериментальних робіт, формулювання висновків, визначення рівнів сейсмічної дії в різних умовах; [3]- постановка задач, виконання чисельних розрахунків; [4] - виконання аналітичних і експериментальних досліджень щодо визначення коефіцієнта ослабленості та проведення аналізу отриманих результатів;[5]- розробка методики визначення допустимих норм сейсмоколивань на будівлі, експериментальні дослідження; [6]- розробка методики прогнозної оцінки допустимої швидкості коливань для будівель, у тому числі послаблених тріщинами, і визначення сейсмобезпечних параметрiв масових вибухів для вироблення рекомендацій з сеймобезпечного виконання масових вибухів у кар'єрах; [7] -[9]- розробка методики оцінки сейсмобезпеки, практичне впровадження.

Апробація результатів дисертаційних досліджень. Основні положення дисертаційної роботи та окремі її результати обговорювались на: 11-ій Всеукраїнській науково-практичній конференції "Охорона праці в Україні" (Київ,1998); Х-ій Ювілейній міжнародній науковій конференції (Польща, Глівіца,2002), Міжнародній конференції VI Szkola geomechaniki (Польща,2003), сьомій Всеукраїнській науково-технічній конференції "Будівництво в сейсмічних районах України" ( Ялта ,2008); науково-технічних семінарах ІГМ НАН України (Київ, 2005-2009 ) і кафедр НТУУ "КПІ" (Київ, 2009 ).

Публікації. За результатами виконаних дисертаційних досліджень опубліковано 9 друкованих праць, в тому числі - 6 у наукових фахових виданнях, затверджених ВАК України.

Структура і об'єм роботи. Дисертаційна робота викладена на 101 сторінці тексту комп'ютерного набору, складається з вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел з 90 найменувань, 4 додатка на 10 сторінках, містить 12 рисунків, 16 таблиць. Загальний обсяг роботи становить 121 сторінок.

Основний зміст роботи

У вступі визначена актуальність теми дисертації, сформульована мета і задачі роботи. На основі аналізу основних результатів, які увійшли до дисертації, обґрунтовано їх наукову новизну та практичне значення. Розкрито особистий внесок автора у наукові праці, які опубліковані разом із співавторами. Наведені дані про зв'язок дисертаційної роботи з науковими темами і про апробацію результатів досліджень.

У першому розділі дисертації виконано критичний аналіз відомих досліджень з проблеми застосування енергії вибуху для руйнування скельних гірських порід і при проведенні технологічних вибухів у кар'єрах і спеціальних роботах (ліквідації ШПУ) з одночасним забезпеченням сейсмобезпеки навколишнього середовища.

Відзначено, що в розвиток теорії і практики з цієї проблеми внесли великий вклад відомі вітчизняні і зарубіжні вчені:В.В. Бойко, О.О. Вовк, В.Д. Воробйов, В.В. Воробйов, Г.А. Воротиляк, М.Ф.Друкований, А.Ю.Дриженко, Е.І.Єфремов, В.М. Комір, В.Г. Кравець, М.В.Крівцов, А.О. Кузьменко, П.З.Луговий, І.А.Лучко, Н.С.Ремез, Ю.С. Мец, В.Н. Мосинець, В.Д. Петренко, В.С. Прокопенко, М.О. Садовський, А.М.Самедов, В.М.Сеймов, К.Н. Ткачук, П.Й.Федоренко, Я.І.Цейтлін, І.Лангефорс та багато інших. Проте є задачі загальної проблеми сейсмобезпеки підривних робіт, які залишаються ще далеко від свого вирішення.

Із аналізу практики проведення підривних робіт встановлено, що такі роботи не здійснюються без розрахунку сейсмобезпечних відстаней та оцінки допустимого рівня сейсмічного впливу (швидкості коливань грунту в основі об'єкту) на навколишні промислові, цивільні або природні об'єкти. Такі оцінки проводяться відповідно до існуючих нормативних документів: Єдині Правила Безпеки при підривних роботах, СНіП-ІІ-7-81, Шкали інтенсивності сейсмічних коливань під час вибухів і інших. Використання їх приводить до помилкового визначення (зазвичай до завищення) гранично-допустимих норм. Це пов'язано з тим, що основний параметр вибухової хвилі, який прийнятий за критерій сейсмобезпеки - допустима інтенсивність коливань грунту в основі будівлі, визначається для будівель і споруд, які мають порушення (тріщини різного походження), без урахування їх технічного стану. Завищення граничних норм ведуть до помилкового визначення сейсмобезпечних параметрів масових вибухів у кар'єрах, що призводить до не прогнозованої бальності та сприятливих умов подальшого розвитку існуючих та утворенню нових тріщин для навколишніх будівель.

На основі аналізу літературних джерел за станом проблеми в промисловій сейсміці, автором дисертаційної роботи були поставлені названі вище мета і завдання досліджень.

У другому розділі викладені результати аналітичних досліджень інтенсивності сейсмовибухових хвиль з визначення критерію безпеки будівель, у тому числі ослаблених тріщинами, від дії на них сейсмічних хвиль з різним діапазоном частот і величиною амплітуди коливань, які найбільш корелюють з пошкодженнями, що виникають у будівлі.

Коли ґрунт, на якому зведена будівля, починає рухатися під дією сейсмічних хвиль, то він розгойдує її як в цілому, так і окремі її частини. Разом із вимушеними коливаннями, що відповідають характеру сейсмічних сил, у будівлі виникають власні коливання, які залежать від її форми, геометричних розмірів, фізичних властивостей будівельного матеріалу і її ослабленості тріщинами. Накладення цих рухів викликає в будівлі динамічні зусилля, які можуть стати загрозою для цілісності, розвитку існуючих та утворення нових тріщин в будівлі. Інтенсивність динамічних зусиль у конструкціях будівлі залежить від потужності вибуху, відстані від місця вибуху до неї, тобто від зони впливу хвилі на ґрунт, а також від характеристик будівлі (ослабленості її тріщинами). В залежності від епіцентру вибуху (приведених відстаней) поширення різних типів її хвиль можна розділити на три характерні зони: ближня, перехідна та дальня. Відносно сейсмобезпечності впливовими є дві: перехідна й дальня зони (розташування об'єктів, що охороняються). Останні й були розглянуті в даному розділі для обґрунтування вибору критерія впливу сейсмовибухових хвиль на будівлі. Для перехідної зони вибуху (границі приведених відстаней від 6 до 16 м/кг), яка характеризується наявністю поздовжніх, поперечних та поверхневих хвиль, й представлена у вигляді загасаючих коливань, в розділі, розв"язуючи диференціальне рівняння коливань будівлі, визначена величина сейсмічної сили, яка діє на будівлю. Це дозволило сформулювати висновок, що величина сейсмічної дії на будівлю прямо пропорційна швидкості зміщення частинок грунту та її частоті. А для дальньої зони (зона пружних деформацій грунтів, границі приведених відстаней від 16 м/кг^1/3) , розглядаючи коливання грунту у вигляді коливання сталого типу, та розв'язуючи диференціальне рівняння коливань системи «грунт-будівля» з урахуванням затухання в ній хвиль, коли частота коливань в хвилі більша частоти власних коливань будівлі (що частіше всього спостерігається в практиці), визначена величина швидкості коливань будівлі. Підтверджена пряма пропорційність швидкості коливань частинок грунту біля будівлі швидкості коливань у сейсмічній хвилі, оскільки являє собою швидкість коливання грунту. Таким чином, основними параметрами, що визначають сейсмічну дію вибухової хвилі на будівлі та які корелюють з пошкодженнями, є швидкість коливань частинок ґрунту й частота коливань ґрунтової основи Т і власна частота будівлі Т₀ ( тобто відношення ). Останні не враховуються в існуючих нормативах і тому потребують їх удосконалення. Тому для розрахунку будівель на допустимі сейсмонавантаження (сейсмостійкість), а також прогнозування маштабів (сейсмічного впливу) вибухів на них, у даному розділі виконані дослідження щодо оцінки змін інтенсивності сейсмічних коливань при їхньому переході від ґрунтової основи фундаменту будівлі й далі на саму будівлю з урахуванням спектральних характеристик такої системи.

Визначення допустимої швидкості коливань грунту біля фундаменту будівлі проводилось за двома методами : перший - з використанням частотного спектру дії струсів на будівлі; другий - з урахуванням міцнісних властивостей матеріала будівлі та ослабленості її тріщинами.

Для розв'язання задачі з визначення швидкості коливань грунту біля фундаменту будівлі з урахуванням частотних характеристик системи "грунт-будівля" (перший метод) була використана відома в інженерній сейсмології залежність, яка враховує зміни амплітуди швидкості коливань при переході їх від ґрунту в будівлю та амплітудно - частотна характеристика (АЧХ) цієї коливальної системи, а для оцінки сейсмостійкості будівлі були визначені максимальні значення динамічних впливів, які діють на будівлю. Останні оцінювались за допомогою установленого на конструкції будівлі стандартного сейсмометра СБМ з такими постійними характеристиками : період коливань стандартного сейсмографа Т_СБ=0,25 с, декремент його затухання . Оскільки величина швидкості коливань будівлі u_зд. являє собою амплітуду коливань маятника, підстава якого рухається за законом швидкості коливань грунту u_гр.= u_гр.(t), то максимальні значення u_гр. будуть різні при різних значеннях періода коливань й декрементів затухання . Отже, максимальна амплітуда коливання маятника u_гр. є функцією періоду затухання при даному динамічному впливові і є спектром дії на будівлі даного конкретного коливання грунту. У діапазоні періодів коливань 0,5...0,7 с, які характерні кар'єрним вибухам, одержана залежність для визначення допустимої швидкості коливань ґрунту біля фундаменту охоронної споруди [6]:

(1)

де u_о - допустима швидкість коливань грунту (см/с) біля фундаменту будівлі, що охороняється, без урахування частотної характеристики коливальної системи "грунт-будівля" і визначається згідно з існуючими нормами; Т - період коливань грунту біля фундаменту будівлі, с; Т₀ - період власних коливань будівлі, с; u₀ - максимальні значення швидкості коливань будівлі, що відповідає допустимим значенням при деяких фіксованих значеннях [] й декремента затухання будівлі [].

Розроблено також інший спосіб визначення допустимої швидкості зміщення грунту (см/с) біля фундаментів будівель різного технічного стану, з урахуванням частотних характеристик коливань грунту, власних коливань, міцнісних властивостей і ослабленості будівлі тріщинами [6]:

(2)

де - допустиме напруження ( для цегельної кладки на цементі М50 - 7,0 10⁵ Па, для кладки із крупних шлакоблоків - 23 10⁵ Па, для штукатурки - 0,9 10⁵ Па) для будівельного матеріалу або між окремими елементами будівлі, для яких визначається допустима швидкість зміщення; - коефіцієнт ослаблення тріщинами несучих стін будівлі; - коефіцієнт втрати енергії при поширенні по будівлі коливального процесу (для будівлі з цегли =0,6, для будівлі з крупних шлакоблоків =0,7); - щільність грунту в основі будівлі; - швидкість поширення повздовжньої хвилі в грунті, см/с; - коефіцієнт передачі коливань в сейсмічній хвилі від грунту до будівлі

=(1,5 (3)

де - приведена до маси заряду відстань від місця вибуху , м/кг; К_П - коефіцієнт врахування частотних характеристик , - частота коливань грунту, - частота власних коливань будівлі.

Приведена відстань в формулі (3) обирається по сейсмічній Шкалі для вибухів відповідно до бальності, яка не викликає порушень і пошкоджень тих елементів будівлі, для яких за формулою (2) визначається допустима швидкість коливань.

Коефіцієнт ослаблення тріщинами несучих конструкцій визначається на основі коефіцієнта тріщинуватості несучих стін [6]:

=(1-А) (4)

де А - коефіцієнт, який враховує форму деформації (для деформації типу тріщини А=300);- коефіцієнт тріщинуватості будівлі (визначається на основі інвентаризації охоронної будівлі ),

= (5)

сейсмічний промисловий вибух грунт

де - об'єм тріщин (=. де l, d, h - середня довжина, ширина і глибина тріщини відповідно, м), м; - об'єм несучої стіни, м.

Період власних коливань будівлі визначається за формулою:

=0,265(,с (6)

де - висота будівлі, м; - ширина, м.

Період коливань грунту, для різних типів хвиль визначають за осцилограмою, або за такими формулами :

під час вибуху свердловинних зарядів в повздовжній пружній хвилі

, с (7)

у поверхневій хвилі

, с (8)

де , , - експериментальні коефіцієнти; - питома лінійна маса свердловинного заряду, кг/м; - довжина свердловинного заряду, м; r - відстань від місця вибуху до пункту спостереження, м; - маса одного свердловинного заряду, кг.

Виконані в даному розділі аналітичні дослідження щодо впливу сейсмовибухових хвиль на будівлі також показали, що, крім величини відношення ( - період коливання ґрунту, - період власних коливань будівлі), важливим показником у спільному коливальному процесі є логарифмічний декремент загасання .

Використовуючи значення допустимої швидкості коливань ґрунту в фундаменті будівлі ( см/с), за формулою (2) визначаються сейсмобезпечні параметри масових вибухів у кар'єрах - максимально-допустима величина маси свердловинного заряду ВР в групі (Q_доп,кг) для одночасного підривання згідно з методом розосереджених зарядів [6]:

Q = (9)

де - коефіцієнт, який враховує умови вибуху і поширення сейсмовибухових хвиль (СВХ); - кількість свердловинних зарядів в одному ступені уповільнення; - показник затухання СВХ на відстані; - відстань від місця вибуху до об'єкта, що охороняється, м.

Наведені в даному розділі аналітичні дослідження потребували перевірки і були доповнені в промислових умовах проведенням масових вибухів на гірничо-видобувних підприємствах України.

Третій розділ присв'ячений встановленню закономірностей взаємодії сейсмовибухових хвиль системи "ґрунт-будівля" з урахуванням частотних характеристик коливань ґрунту й власних коливань будівлі. Дослідження діапазону ймовірних резонансних явищ при взаємодії сейсмовибухових хвиль із охоронними об'єктами, для типових будівель масової забудови в промислових умовах, проводилось з застосуванням методики багатоканальної реєстрації коливань. Реєстрація сейсмоколивань від вибухів зарядів ВР та обробка інформації (аналіз амплітудно-частотних параметрів сейсмовибухових хвиль) по профілю установки стандартних сейсмоприймачів, кількість яких встановлювалась в залежності від поставлених задач, проводилась з застосуванням швидкодіючих аналогово-цифрових перетворювачів (АЦП), типу Е-140 та Е-440, підключених до персональних комп'ютерів , типу ноутбук.

Розроблені до початку проведення підривних робіт комплексні методики визначення допустимого рівня швидкості коливань для конкретних будівель, які розташовані поблизу місця проведення підривних робіт, основані на використанні аналітичних розрахунків, наведених у другому розділі та експериментальних досліджень виявлення причин утворення нових і розвитку існуючих тріщин в кожній окремій будівлі. Наявність в будівлях порушень тріщинного характеру враховувалась в методиках, з застосуванням наведеного в другому розділі методу визначення допустимої швидкості коливань грунту біля фундаменту будівлі через врахування коефіцієнта ослаблення міцності матеріалу капітальних стін будівлі (4)-(5). Для сейсмічної оцінки технологічних вибухів безпосередньо на будівлю, в залежності від матеріалу, з якого вона побудована, в методиці використовувались експериментальні дані з сейсмо- та частотограм за параметрами сейсмовибухових хвиль, тобто амплітуди, періоди коливання й швидкості, які пов'язані з пошкодженнями, розвитком існуючих і утворенням нових тріщин, або повною цілісністю будівлі, в залежності від масштабу вибуху та відстаней.

З метою вивчення дії сейсмовибухових хвиль від короткосповільненого вибуху (КСВ) системи свердловинних зарядів ВР на будівлі, у тому числі й ослаблені тріщинами, в роботі розроблені методи оцінки їх технічного стану з визначенням коефіцієнтів тріщинуватості несучих стін , основних параметрів сейсмічних хвиль (з осцилограм вибуху), які згідно з результатами досліджень другого розділу (, см/с та ) прийняті за критерій сейсмобезпеки, а також розроблено метод розрахунку допустимої для одночасного підривання маси заряду.

У четвертому розділі наведені результати дослідження сейсмічної дії вибуху зарядів ВР на будівлі різного технічного стану, які розташовані на територіях, прилеглих до кар'єрного поля. Тут використані результати аналітичних досліджень, виконаних в другому розділі, а саме: розрахунків щодо корегування масштабів вибухів, що забезпечують допустимі величини швидкості коливань в різних діапазонах частот. Ці величини швидкості оцінені до вибуху та підтверджені сейсмовимірами з використанням методик розділу 3.

Велике значення для оцінки динамічної стійкості будинку, на відміну від існуючих норм, при дії на нього СВХ має взаємозв'язок між частотними характеристиками будинку й вибухової хвилі, що було обгрунтовано в другому розділі. Задачою експериментальних досліджень була перевірка результатів аналітичних досліджень та одержання нових результатів при проведенні апаратурних замірів безпосередньо в будівлях різного технічного стану і вплив на них СВХ, викликаних короткосповільненими вибухами зарядів різної приведеної маси. Одержані з осцилограм період Т та швидкості коливань ґрунту в фундаменті будівлі , см/с використовувалися для визначення експериментальних коефіцієнтів , , в формулах (7)-(8), значення яких для граніту 0,01, 0,012, 0,38 відповідно. Періоди власних коливань будівлі То визначалися з осцилограми, яка одержана при сейсмометричних замірах, або в залежності від висоти будівлі і ширини згідно з формулою (6). З амплітудно-частотних характеристик одержували періоди максимальних амплітуд сейсмовибухових хвиль, аналіз яких показав, що в основному періоди максимальних амплітуд перебувають у діапазоні 0,025-0,2 (частота 5...40 Гц), а власні періоди коливань й коефіцієнт демпфірування відповідно 0,2-0,4 с (2,5-5,0 Гц) і 0,3. Ці дані відповідають більшості будівель масової забудови території України.

Одержані з осцилограм експериментальних вибухів значення швидкості ґрунту у фундаменті будівлі, та перераховані з урахуванням частотних характеристик коливання об'єктів згідно з аналітичними дослідженнями зображені на рис.1.



Рис. 1. Графіки для перерахування існуючої нормативної допустимої швидкості коливань будівель (для ІІІ класу) в значення з урахуванням величини відношення: а - =0,2 с; б - =0,3 с; в - =0,4 с. 1 - 6 - уточнені з урахуванням значення U_доп відповідно 0,5; 1; 2; 3; 5; 7 см/с, які наведені в нормативних документах для будівель ІІІ класу

Із аналізу рис.1 видно, що ці результати (наприклад, в резонансній області коливань =0,5...1,0) значно відрізняються від даних існуючої Шкали інтенсивності сейсмічних коливань від вибухів, де не враховується частотний фактор, а також, що для одного і того ж значення =1,0 см/с, яке прийнято відповідно до існуючої Шкали, залежно від величини й коефіцієнта демпфірування -0,3, може змінюватися від 1,5 до 5 разів, що переконливо підтверджує необхідність врахування амплітудно-частотної характеристики коливальної системи "ґрунтова основа-будівля".

Для будівель різного технічного стану (ослаблених тріщинами) допустима швидкість, крім оцінювання її в різних діапазонах частот, ще встановлювалась з урахуванням коефіцієнта тріщинуватості (5), який визначався на основі обстеження конкретних будівель та коефіцієнта ослаблення, розрахованого за формулою (4). Експериментально досліджувався вплив швидкостей коливань ґрунту в основі будівель на її стійкість в різних діапазонах частот коливань, одержаних із осцилограм і спектрограм короткосповільнених вибухів системи свердловинних зарядів ВР різної маси. На основі узагальнення результатів досліджень в промислових умовах, з урахуванням аналітичних і експериментальних досліджень щодо визначення головних критеріїв впливу сейсмовибухових хвиль на об'єкт, в дисертаційній роботі розроблені сейсмічні норми оцінки сейсмобезпеки підривних робіт для будівель з різним технічним станом(рис.2).

Рис. 2. Залежності допустимої швидкості зміщення ґрунту в основі будівлі від частоти коливань в СВХ: 1, 2 - цегляна (f = 4 Гц) і саманна (f = 5,5 Гц) будівлі відповідно, що не мають залишкових деформацій; 3,4 - те ж саме, ослаблені тріщинами (К_осл= 0,8); 5, 6 - допустимий рівень інтенсивності коливань для цегляної і саманної будівель згідно з існуючими нормативними даними відповідно

Для оперативного визначення масштабів промислових вибухів з допустимою швидкістю коливань ґрунту в основі охоронної будівлі, з урахуванням двох методів оцінки, розроблена комплексна номограма рис.3.

Рис. 3. Комплексна номограма для визначення масштабів вибухів та допустимих величин швидкості коливань з урахуванням частотних характеристик коливань ґрунту й будівлі та її послабленості тріщинами

Проведені експериментальні дослідження впливу СВХ на будівлі масової забудови (саманні, цегельні, у тому числі послаблені тріщинами) дозволили одержати такі величини швидкостей коливань в різних частотних діапазонах, які забезпечують повну цілісність будівель зазначених типів.

У п'ятому розділі висвітлено впровадження результатів дослідження, які виконувалися в два етапи - до і після проведення вибуху. Результатом І-го етапу є визначення допустимої швидкості коливання ґрунту в фундаментах для різних типів будівель і різного технічного стану, з урахуванням частотних характеристик споруд за номограмою. Після технічного обстеження будівель і розрахунку коефіцієнта ослаблення, згідно з розробленими автором нормами, виконані аналітичні розрахунки параметрів підривних робіт експериментального вибуху. Результатом ІІ-го етапу є проведення сейсмовимірів і одержання осцилограм і спектрограм , із яких визначені параметри хвилі порівнювались з нормами, що одержані за результатами І-го етапу, і в випадку, якщо вони не перевищують допустимих величин, їх використовували для розробки рекомендацій з сейсмобезпечного проведення підривних робіт.

Результати наукових досліджень автора були впроваджені в багатьох кар'єрах України: при виконанні підривних робіт Філією "Кримвибухпром" ДП "НВО Павлоградський хімічний завод" на кар'єрах ВАТ "Шархінський кар'єр", ВАТ "Старокримський кар'єр", ВАТ "Кар'єр Мраморний" була використана методика автора по визначенню допустимої швидкості коливань грунту біля фундаментів будівель з тріщинами населених пунктів Шарха, Старий Крим та Мраморне. На основі врахування до існуючого критерія сейсмобезпеки параметра частоти коливань сейсмічної хвилі були видані рекомендації щодо сейсмобезпечних параметрів масових вибухів в цих кар'єрах ВАТ "Шархінський кар'єр", ВАТ "Старокримський кар'єр" та ВАТ "Кар'єр Мраморний".

Підтверджена достовірність рекомендацій, оскільки за весь період не тільки не було зафіксовано будь-яких пошкоджень будівель (осипання штукатурки і таке інше), але й нормалізувався психологічний стан у місцевих жителів. Це дало змогу отримати очікуваний економічний ефект для ВАТ „Шархінський кар'єр” 500 тис.грн, для ВАТ "Старокримський кар'єр" - 400 тис. грн за рахунок неперервного виймання вапняків на дільницях, наближених до охоронних будівель і на яких робота була раніше призупинена органами „Держгірпромнагляд”. ВАТ "Кар'єр Мраморний" отримав очікуваний економефект - 100 тис. грн. за рахунок зменшення витрат на капітальні ремонти будинків та проведення масових вибухів з масштабами, необхідними для забезпечення виходу якісної гірничої маси (вихід негабаритних фракцій зменшився з 15% до впровадження рекомендацій до 5% після провадження їх ).

При виконанні робіт з ліквідації ШПУ по програмі „Старт І” організації, які проводили підривні роботи - це Первомайська філія "ОІК" та ВАТ "Шахтоспецбуд", в Хмельницькій, Миколаївській і Кіровоградській областях при ліквідації БРК-6 ШПУ і антенної брущатки. По кожній із 30-ти ліквідованих ШПУ, які розташовані поблизу 15-ти населених пунктів, були використані результати дисертаційної роботи автора, а саме :

1) проведено обстеження технічного стану житлових будівель, розташованих поблизу ШПУ, з наступним визначенням допустимої швидкості коливань на небезпечній частоті. При цьому ураховувалася ослабленість сейсмічної стійкості будівлі наявністю тріщин в капітальних стінах, за допомогою введеного автором коефіцієнта К_осл. ;

2) з використанням розробленої автором методики, на підставі обстежень для кожної забудованої території, розташованої поблизу проведення спеціальних підривних робіт, видані дані по допустимій швидкості коливань на небезпечній частоті для споруди, яка перебуває в найгіршому технічному стані. Виконані також контрольні сейсмовиміри і видані висновки щодо сейсмобезпечного або небезпечного ведення підривних робіт, а у випадку перевищення норм по 1-му вибуху проводилося корегування параметрів вибуху на руйнування наступних конструкцій шахти;

3) обробка результатів сейсмовимірів по всіх п'ятнадцяти населених пунктах показала вірогідність оцінки технічного стану житлових будинків, у тому числі ослаблених тріщинами і прийнятого критерію сейсмічної безпеки по допустимій швидкості коливань грунту біля фундаментів будівель з урахуванням їх частотних характеристик.

У даному розділі наведена методика розрахунку економічної ефективності результатів впровадження, по якій розраховано очікуваний економічний ефект від впровадження результатів досліджень і який становить 1,0 млн. грн.

Висновки

Дисертація містить нове рішення актуальної наукової задачі по удосконаленню методики оцінки сейсмобезпеки ослаблених тріщинами будівель шляхом доповнення існуючого критерію сейсмічної безпеки по допустимій швидкості коливань грунту в підвалинах будівель, з урахуванням їх частотних характеристик для розробки рекомендацій з сейсмобезпечного ведення підривних робіт.

Основні наукові висновки і практичні рекомендації базуються на результатах аналітичних і експериментальних досліджень і їх можна звести до таких положень.

1. Проведений аналіз теоретичних і експериментальних досліджень вітчизняних та зарубіжних авторів, а також узагальнення досвіду з гірничої сейсміки свідчать, що масштаби промислових вибухів орієнтовані на існуючу Шкалу інтенсивності сейсмічних хвиль від вибухів стосовно оцінки сейсмостійкості по допустимій швидкості коливань грунту в підвалинах будівель, у тому числі ослаблених тріщинами, не враховують не тільки ослабленість їх по відношенню до первинного стану, але й частотних характеристик СВХ і власних коливань конструкцій будівлі .

2. Вперше аналітично обґрунтовані і експериментально підтверджені допустимі значення швидкості коливань грунту в підвалинах будівель і скорегована існуюча Шкала інтенсивності сейсмічних коливань під час вибухів (бальності) та масштаби вибухів, з урахуванням частотних характеристик коливань частинок ґрунту й власних коливань будівель.

3. Вперше аналітично і експериментально проведена оцінка хвильових процесів в умовах виконання промислових вибухів для одержання початкових розрахункових даних, на основі яких з урахуванням наявності тріщин у несучих стінах будівлі та властивостей ґрунтів, по яких поширюється сейсмовибухова хвиля й на яких розташовані будинки, розраховуються параметри підривних робіт, які не перевищують установлені допустимі норми по швидкості коливань частинок ґрунту в їхній основі.

4. Встановлені критерії сейсмічних хвиль, викликані промисловими вибухами різного масштабу, і рівнем їх негативного впливу, що найкраще корелюють з пошкодженнями будівель, у тому числі ослаблених тріщинами, й установлені для них допустимі значення (норми) з урахуванням часового параметру хвилі, власних коливань будівлі, фізичних властивостей матеріалу забудови й ступеню ослабленості тріщинами.

5. Вперше за результатами досліджень в промислових умовах, з урахуванням результатів аналітичних та експериментальних досліджень щодо визначення головних критеріїв впливу сейсмовибухових хвиль на будівлі, розроблені та перевірені на практиці сейсмічні норми оцінки сейсмобезпеки підривних робіт для будівель різного технічного стану масової забудови (саманні, цегельні, у тому числі ослаблені тріщинами). Установлено, що максимальна амплітуда швидкості коливань отримана із сейсмограми вибуху зі збільшенням її частоти приводить до збільшення допустимої норми сейсмоколивань на будівлі, що дозволяє збільшити масштаби вибухів.

6. Вперше розроблена та перевірена в промислових умовах комплексна методика розрахунку масштабів вибухів, які не створюють перевищень визначених автором допустимих зусиль на конструкції будівель,у тому числі ослаблених тріщинами, з урахуванням частотних характеристик коливань ґрунту й будівлі.

7. Реалізація результатів дослідження при проведенні підривних робіт з застосуванням прийнятого критерію оцінки сейсмобезпеки і норм для будівель масової забудови, розташованих поблизу границь кар'єрного поля, підтвердили їх достовірність, оскільки за весь період не тільки не було зафіксовано будь-яких пошкоджень в найслабших житлових будівлях (осипання штукатурки та ін.), але й нормалізувався психологічний стан місцевих жителів. Це дало змогу отримати очікуваний економічний ефект за рахунок забезпечення роботи підприємства без зупинок у розмірі 1,0 млн. грн.

Основні положення і результати дисертації опубліковані у роботах

1. Критерії оцінки небезпечності дії вибухових хвиль на будівлі ослаблені тріщинами / В. В. Бойко, Т. В. Хлевнюк, К. Н. Ткачук, Л. О. Мітюк // Проблеми охорони праці в Україні. - 2003. - № 7. - С. 97-104.

2. Динамическое поведение слоистой цилиндрической оболочки в грунтовом массиве при взрывном нагружении / В. В. Бойко, Н. С. Ремез, Т. В. Хлевнюк, Ю. В. Шевченко // Акустичний вісник. - 2003. - № 2. - С.10-16.

3. Ремез Н. С. Взаимодействие сейсмических волн с трубопроводом при взрыве сферического заряда / Н. С. Ремез, Т. В. Хлевнюк // Будівельні конструкції. - 2004. - № 60. - С. 401-406.

4. Бойко В. В. О критериях сейсмической опасности промышленных взрывов / В. В. Бойко, А. А. Кузьменко, Т. В. Хлевнюк // Вісник Національного технічного університету України "КПІ". Серія "Гірництво": Зб. наук. праць. - 2005. - № 12. - С. 45-52.

5. Бойко В.В. Оценка допустимой сейсмобезопасности зданий, ослабленных трещинами, при техногенных взрывах / В. В. Бойко, А. А. Кузьменко, Т. В. Хлевнюк //: зб. наук. праць / наук. ред. П. І. Кривошеєв. - К. : НДІБК, 2008. - 772 с.

6. Бойко В.В. Оценка сейсмобезопасности сооружений при воздействии на них взрывных волн с учетом их спектральных характеристик / В. В. Бойко, А. А. Кузьменко, Т. В. Хлевнюк // Вісник Національного технічного університету України НТУУ "КПІ". Серія "Гірництво". - 2008. - № 16. - С. 3-13.

7. Методика определения допустимого уровня сейсмоколебаний для жилых строений и промышленных сооружений : труды 11 Всеукраинской науч.-практ. конф. [''Охрана труда в Украине''] / М-во труда и соц. политики Украины. - К. : ННИИОТ, 1998. - С. 317-320.

8. Обеспечение условий безопасного ведения специальных взрывных работ : сб. мат. 11 Всеукраинской науч.-практической конференции по охране труда [''Охрана труда в Украине''], / М-во труда и соц. политики Украины. - К. : ННИИОТ, 1998. - С. 311-313.

9. Особенности разрушающего и сейсмического действий взрыва ВВ в анизотропных массивах территории Украины. : сб. мат. X Юбилейной международной научной конференции / ZESZYT SPECJALNY WYDZIALU GORNICTWA I GEOLOGII POLITECHNIKI SLASKIEJ. - Гливица, Республика Польша. - 2002. - С. 43-51.

Анотація

Хлевнюк Т.В. Підвищення надійності оцінки сейсмобезпеки будівель різного технічного стану при техногенних вибухах. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.03 - “Відкрита розробка родовищ корисних копалин”. Національний технічний університет України „КПІ”, Київ, 2009.

Дисертація присвячена удосконаленню методики прогнозування сейсмобезпеки будівель різного технічного стану для розрахунку сейсмобезпечних параметрів підривних робіт. Наукова новизна: встановлені закономірності зміни допустимої швидкості коливань будівлі в залежності від діапазону частотного спектра дії сейсмічної хвилі; встановлений коефіцієнт послаблення міцності для оцінки послаблених тріщинами будівель в залежності від об'ємної тріщинної порушеності капітальних стін; одержані залежності по визначенню допустимої масової швидкості коливань для таких будівель та розрахунки сейсмобезпечних параметрів підривних робіт на кар'єрах з урахуванням амплітудно-часових складових системи "грунт-будівля".

У роботі використовується сучасна система контролю і апаратура для сейсмовимірювальних досліджень при виконанні промислових вибухів.

Виконано оцінку впливу сейсмовибухових хвиль через ґрунтову основу на інженерні будівлі. Встановлено, що критеріями оцінки сейсмобезпеки вибуху для охоронних будівель є амплітуда масової швидкості коливань та її частота. Отримано залежності, які дозволяють оцінити допустимі норми сейсмічних коливань для цегляних та глинобитних будівель, в тому числі ослаблених тріщинами. Досліджено спільне коливання системи "грунт-будівля", у тому числі вплив частотних характеристик будівель на їх сейсмостійкість також під час підривних робіт. Обгрунтовані сейсмобезпечні параметри промислових вибухів у кар"єрах.

Ключові слова: сейсмобезпека, будівлі, вибухи, кар'єр, швидкість коливань, амплітудно-частотний спектр, сейсмовибухові хвилі, грунт.

Аннотация

Хлевнюк Т.В. Повышение надежности оценки сейсмобезопасности строений разного технического состояния при техногенных взрывах - Рукопись.

Диссертация на соискания ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.03 - открытая разработка месторождений полезных ископаемых.- Национальный технический университет Украины „КПИ”, Киев, 2009.

Диссертация посвящена усовершенствованию методики прогнозирования сейсмобезопасности зданий разного технического состояния для расчета сейсмобезопасных параметров взрывных работ. Научная новизна работы заключается в: установлении сейсмостойкости зданий по допустимым параметрам колебаний грунта в основании здания, с учетом частотных характеристиках СВВ и собственных частотных характеристик объекта, в том числе с количественным учетом ослабленности здания трещинами; разработке способов определения допустимой интенсивности (скорости) колебаний грунта в основании здания с учетом частотных характеристик волны и здания и количественного учета ослабления здания трещинами; разработке рекомендаций по расчету максимально допустимой массы заряда ВВ, взрываемой мгновенно в одной группе, которая обеспечит установленные сейсмодопустимые параметры колебаний грунта в основании здания в зависимости от наличия трещин в капитальных их стенах.

Приводится современная система контроля и аппаратура для сейсмоизмерительных работ при выполнении промышленных и специальных взрывов. Рассматриваются вопросы, связанные с сейсмическим проявлением взрыва взрывчатого вещества (ВВ) в блочных скальных средах. Приведены результаты аналитических и экспериментальных исследований…

Полученные результаты послужат основой дальнейших исследований параметров движения сейсмовзрывных волн в реальных горно-геологических условиях и их взаимодействия с фундаментами строений различного технического состояния, включая совершенствование методик оценки их сейсмобезопасности при выполнении промышленных взрывов, а также для разработки промышленных стандартов в горнодобывающей промышленности. Определение допустимой скорости колебания грунта в основании здания в дисертационной работе проводилось двумя методами - первый с использованием спектра действия сотрясений на здания; второй с учетом прочностных свойств и ослабленности здания трещинами.

Практическое значение полученных результатов :разработаны инженерные методы расчета предельно-допустимых норм на сооружения, ослабленные трещинами к проведению взрывных работ; разработаны технологические методы снижения уровня сейсмического влияния специальных и технологических взрывов к установленным границам; разработаны методы определения необходимых параметров взрывных работ для обеспечения предельно-допустимой величины сейсмобезопасного уровня колебаний на здания, ослабленные трещинами.

Ключевые слова: сейсмобезопасность, строения, промышленные, массовые, техногенные взрывы, взрывчатые вещества, карьер, амплитудно-частотнй спектр, сейсмовзрывные волны, скорость колебаний, "строение-грунт", короткозамедленные схемы взрывания.

Abstract

Khlevnuk T.V. Rise reliability estimate of the seismic effective of buildings with different tactical state. - Manuscript.

Thesis for a Candidate's Degree in technical sciences on specialty 05.15.03 - openwork of deposits of minerals. National Technical University of Ukraine is the “Kyiv polytechnic institute”, Kyiv, 2009

The dissertation is devoted to the improvement of prognoses method of the seismic effective of buildings with different tactical state for the calculation of seismic safe parameters at explosive works. The scientific novelty consists in establishment of conformities of admissible velocity building oscillation change in dependence of the frequent spectrum range from seismic wave; establishment of the strength relaxation coefficient for estimate of buildings reduced by cracks in dependence of main wall volumetric breaking. They are given the dependences for determination of mass velocity of oscillation for that buildings and calculations of explosive work parameters at the quarry with consideration amplitude and frequency in the system ground - object.

In the work it is use a modern control system and equipment for seismic measuring investigations at the industrial explosions.

The estimate of influence of seismic explosive wave on engineering structure cross ground is made. It is established that the criteria estimate of the seismic effective of explosive for protected building is amplitude of mass velocity of oscillation and frequency. It was given dependences for admissible norm of the seismic oscillations for brick and adobe buildings with cracks.

It was investigated common oscillation of the system ground - building and influence of frequent characters of buildings on seismic effective at the explosive works. Seismic save parameters of technical explosions at the quarry are substantiated.

Keywords: seismic safety, buildings, technical explosion, explosions, quarry, amplitude frequent spectrum, seismic explosive waves, ground. Размещено на Allbest.ru

...