Общий вид экспериментальной площадки

Рис. 1. Общий вид экспериментальной площадки, на которой компания Menard изучала экранировку выбранного участка поверхности от вибрационных волн, расходящихся от источника. На фотографии видны скважины и блоки с датчиками скорости. Изображение из обсуждаемой статьи

Теоретические расчеты и проведенные по их результатам реальные эксперименты продемонстрировали, что экранировка участков земной поверхности от сейсмических волн и вибрационных воздействий техногенного происхождения вполне достижима. Простейший «сейсмокристалл» с тремя рядами скважин позволил в несколько раз снизить вибрации земной поверхности в выбранной области.

Распространением волн — будь то свет, звук или другие типы волн — можно управлять. Это можно, конечно, делать «жестким» способом, например отражая или поглощая волну — именно так работают зеркала и экраны. Но для многих задач более выгодным оказывается плавное управление волнами, когда волну направляют , а не ставят на ее пути препятствия. В оптике, например, очень удобны фотонные кристаллы и оптические метаматериалы — специально изготовленные прозрачные среды с регулярно чередующимися оптическими характеристиками. Пространственный период чередования очень маленький: он либо сравним с длиной волны света (фотонные кристаллы), либо много меньше ее (оптические метаматериалы). Свет в такой среде может вести себя совершенно необычно, и, более того, его поведением можно управлять, настраивая свойства среды. Пожалуй, самым впечатляющим примером здесь является «плащ-невидимка» — оболочка, которая плавно обводит лучи света вокруг тела, не внося в них практически никакого искажения. Спрятанное внутри такой оболочки тело невидимо для внешнего наблюдателя, и, кроме того, на него не воздействует внешняя световая волна.

Успехи в создании и применении оптических метаматериалов уже давно навели физиков на мысль: а что если использовать аналогичные идеи и для экранирования тел от звуковых и сейсмических волн? Что касается звука, то тут за последнее десятилетие произошел существенный прогресс. Физики научились изготавливать фононные кристаллы и акустические метаматериалы, причем для самого широкого диапазона частот: от обычного звука и ультразвука вплоть до гиперзвуковых частот и даже до тепловых колебаний. Подробный обзор технологий и применений можно найти в нашей новости Фононика открывает новые возможности для управления звуком и тепловыми потоками; более серьезное обсуждение дано в статье Metamaterials beyond electromagnetism, опубликованной в журнале Reports on Progress in Physics полгода назад.

А вот что касается экранировки зданий от сейсмических волн (то есть упругих волн изгиба, бегущих по поверхности земли), то эта область исследования, несмотря на очевидную практическую пользу, находится пока в зачаточном состоянии. Главная трудность тут — большие пространственные масштабы явления. Сейсмические волны, а также упругие вибрации почвы техногенного происхождения (взрывы, технические работы, строительство) являются низкочастотными колебаниями. Частоты здесь составляют от нескольких десятков герц и ниже, вплоть до долей герца, а длины волн — от метров и до километров. Контролируемые эксперименты должны иметь сравнимый масштаб, то есть как минимум десятки метров. Кроме того, возведение соответствующих конструкций, влияние на которые мы хотим изучить, требует денег и времени. Принципиальных проблем это всё, конечно, не представляет, однако из-за естественных организационных трудностей тема эта развивается очень медленно.

Чтобы избежать недопонимания, подчеркнем, что сама по себе виброустойчивость зданий — очень старая, даже древняя тема. Главная задача здесь всегда заключалась в том, чтобы путем подбора материалов и конструкционных особенностей обеспечить устойчивость постройки под действием сотрясений разумной интенсивности. Описанная выше задача имеет совсем иную цель — не сопротивляться, а избегать . Исследователям хочется научиться так структурировать грунт вокруг здания (например, пробурив скважины, создав полости или внедрив в почву периодические включения с другими механическими свойствами), чтобы сейсмические волны и прочие вибрации почвы сами собой огибали защищаемое здание.

В недавнем выпуске журнала Physical Review Letters появилась статья французских исследователей, в которой описываются результаты первого эксперимента, нацеленного на разработку методов экранировки зданий от низкочастотной вибрации почвы. Исследования проводились строительной компанией Menard (чьи сотрудники тоже были среди авторов этой работы) летом 2012 года под Греноблем на специально выделенной для этих экспериментов площадке с мягким, довольно однородным глинистым грунтом. Мощность осадочного слоя составляла как минимум 200 метров, что позволяло избежать отражений вибраций от скальных пород и сделать эксперимент более чистым.

Общая схема эксперимента по изучению «сейсмокристалла»

Рис. 2. Общая схема эксперимента по изучению «сейсмокристалла». Изображение из обсуждаемой статьи

Общий вид и схема эксперимента показаны на рисунках 1 и 2. В грунте было пробурено 30 скважин глубиной 5 м и диаметром 0,32 м. Они располагались в виде прямоугольной решетки из трех рядов по 10 скважин с шагом решетки 1,73 м. Рядом с длинной стороной решетки располагался источник вибраций с частотой 50 Гц; горизонтальная амплитуда колебаний почвы вблизи источника составляла 14 мм. Между скважинами, а также вокруг всего участка были установлены чувствительные велосиметры — датчики скоростей во всех трех направлениях, — чьи показания пересчитывались в вибрационную энергию в данном месте. Вибрация от источника расходилась по поверхности грунта, вызывала сотрясения велосиметров, и тем самым исследователям становилась доступна карта распределения вибрационной энергии почвы.

Подчеркнем, что этот эксперимент вовсе не сводится к тому, что «где-то что-то пробурили, а где-то что-то измерили». Непосредственно эксперименту предшествовала стадия измерений и теоретических расчетов. Вначале были определены упругие характеристики грунта и скорость бегущих по его поверхности волн Рэлея (поверхностных упругих волн) — она оказалась равной 78 м/с. Затем было записано уравнение распространения упругих волн в этой среде. Эта задача может показаться примитивной, но не стоит забывать, что каждый участок среды не просто смещается в разные стороны, но и сжимается и проворачивается. В результате имеются колебания сжатия, изгиба и скручивания, которые в анизотропной упругой среде взаимодействуют друг с другом очень нетривиальным образом. Для реального грунта сюда надо еще добавлять вискоэластичные свойства — то есть способность пластически деформироваться под нагрузкой (эти свойства в данной работе не учитывались).

Наконец, эти уравнения численно решались. Сначала — для однородного грунта, а потом для грунта с пробуренными скважинами, причем при различных наборах скважин. При этом подбирался такой режим, при котором сеть скважин существенно изменяла карту сотрясения почвы в области эксперимента. Параметры реального эксперимента были выбраны не наобум, а специально подбирались по результатам этого расчета. Конкретно, исследователи добились того, чтобы частота 50 Гц попадала в запрещенную область частот — это означает, что «сейсмокристалл» (то есть периодическая решетка из скважин) такую волну не пропускает, а отражает обратно.

Коэффициент усиления/ослабления локальной вибрационной энергии в эксперименте со скважинами по сравнению с однородным грунтом

Рис. 3. Коэффициент усиления/ослабления локальной вибрационной энергии в эксперименте со скважинами по сравнению с однородным грунтом. Красным показаны области с коэффициентом > 1 (усиление вибраций), синим — с коэффициентом < 1 (ослабление вибраций). Красным крестиком показано местоположение источника вибраций. Изображение из обсуждаемой статьи

Наконец, после всех этих приготовлений на площадке была установлена сеть велосиметров, проведен первый эксперимент без скважин и зафиксирована карта распределения вибрационной энергии. Затем в расчетных точках были пробурены скважины, эксперимент был повторен, и новая карта вибраций сравнивалась со старой. Отношение новой энергии к старой приведено на рис. 3. Красным цветом здесь показано усиление вибраций почвы по сравнению с исходным экспериментом, синим — ослабление. Видно, что в окрестности источника вибраций сотрясение почвы усилилось, однако в районе третьего ряда скважин сотрясение, наоборот, значительно ослабло. Энергия вибрационных колебаний здесь упала в 3–4 раза по сравнению с первоначальной. Это свидетельствует о том, что даже такой примитивный трехрядный «сейсмокристалл» успешно отражает значительную часть волн обратно к источнику и экранирует выбранную область.

Конечно, до непосредственных практических применений тут пока далеко, однако одну важную вещь эта работа точно продемонстрировала. Распространение вибраций в почве вполне поддается количественному расчету даже на таких небольших масштабах, несмотря на сложность самих волн и неоднородность грунта. Разработанная на основе расчетов и реализованная на практике небольшая сеть из специально подобранных скважин сразу же продемонстрировала хорошее экранирование некоторой области поверхности от вибраций определенной частоты. Таким образом, концепция упругих метаматериалов вполне адекватна, ее можно развивать и дальше, включая всё более тонкие характеристики явления. На основании теоретических расчетов можно теперь искать такие «сейсмокристаллы», которые смогли бы обеспечить еще большую вибрационную защиту зданий, причем не только для выбранной частоты, но и в широком диапазоне частот, включая самые низкие.

Источник: S. Brule, E. H. Javelaud, S. Enoch and S. Guenneau. Experiments on Seismic Metamaterials: Molding Surface Waves // Phys. Rev. Lett. 112, 133901 (2014).

elementy.ru/news/432230