Файл: Пучков, С. В. Закономерности колебаний грунта при землетрясении.pdf

стороне р. Сурхоб, в районах Калай-Ляби-Об, Сарыджаз и Новабад, микрогеологические условия были такие же, как и в окрестностях Ха­ ита. Степень разрушения построек в этих местах не уступает той, ка­ кая была в Сакове близ Хаита. Сила сотрясения оценивалась в 9 -1 0 баллов.

На северной окраине Хаита сохранилось несколько построек, распо­ ложенных на плотных породах у подножья гор. Селение Сайрон, распо­

соответствии со шкалой балльности сила сотрясений в этих местах не превосходила 7 -8 баллов [60 ].

И если встречаются данные, которые как будто бы говорят об об­ ратной закономерности, необходимо тщательно провести обследование и выяснить причины.

Например, по данным И. Мушкетова [32 ] при Ахалкалакском зем­ летрясении 1899 г. средняя часть населенного пункта Азаврети, в ча­ стности церковь, стоящая на наносах, пострадала меньше, чем окраи­ ны, расположенные на сильно выветрившейся и разбитой трещинами скале. Однако повторное инженерно-геологическое обследование этого селения, проведенное А.П. Сафаряном tl9 , 5 б ], показало, что церковь стоит не на наносах, как это предполагал Мушкетов, а на огромных глыбах базальта на глубине 2 м от поверхности земли. Этим и объяс­ няется, что она уцелела при указанном землетрясении.

Нами проведен анализ большого числа описаний других разрушитель­ ных землетрясений. Можно отметить, что во всех случаях оказывалось аналогичное распределение интенсивности сейсмических колебаний в за­ висимости от микрогеологических условий. Все эти данные являются убедительным доказательством того, что предельная сила разрушитель­ ного землетрясения на скальных плотных породах не превышает 7 бал­ лов. Увеличение силы сотрясения происходит за счет эффекта, вызыва­ емого рыхлыми песчано-глинистыми отложениями.

1.2. Оценка силы землетрясений на скальных породах .

Рассмотрим распространение сейсмической энергии от очага земле­ трясения к поверхности земли методом геометрической сейсмики [40 , 45 ]. Предположим, что земная кора в окрестности очага землетрясе­ ния является однородной и изотропной, а вблизи поверхности земли встречаются зоны скальных пород и зоны песчано-глинистых отложений. Энергия, идущая от очага землетрясения вдоль сейсмических лучей, может прийти к поверхности или только по скальным породам, или по­ сле скальных пород через слой песчано—глинистых отложений. В этом случае на границе слоя и полупространства поток энергии претерпева­ ет изменение. Его можно учесть, используя законы преломления и от­ ражения сейсмических волн.

9

С помощью метода геометрической сейсмики можно установить, что интенсивность распространения волны F, идущей водоль сейсмическо­ го луЧа, оценивается

Если откладывать по оси абсцисс акустические жесткости грунтов, а по оси ординат — квадраты скоростей колебаний частиц, то графиком этой зависимости будет гиперболическая кривая (рис. 4 ). Согласно этой кривой на слабых грунтах с малыми значениями акустической жесткости сейсмические колебания будут обладать большими скоростя­ ми колебаний частиц. По мере перехода к плотным породам акустиче­ ская жесткость увеличивается, а скорость колебаний частиц уменьша­ ется. В пределе, когда акустическая жесткость стремится к наиболь­ шему значению, скорость колебаний частиц стремится к некоторой по­ стоянной величине. Тогда можно записать

По современным воззрениям напряжения в земной коре распределя­ ются неравномерно. В районах будущих сильных землетрясений проис­ ходит процесс постепенного накопления напряжений, которые, достигая предела временного сопротивления, доводят материал земной коры до разрушения, сопровождающегося землетрясениями. Сейсмические волны, образующиеся в результате землетрясения в этих породах, по своей природе не могут вызвать напряжений выше прочности материала, в котором они распространяются.

В то же время мы имеем график повторяемости сильных землетря­ сений (рис. 5 ), составленный Б.А. Гутенбергом и К. Рихтером [1 8 ), для глубин от О до 60 км. Здесь по оси ординат отложена частота N землетрясений в год, а по оси абсцисс - интенсивность землетрясений, или магнитуда М. В области сильнейших землетрясений график накло­ няется внутрь к направлению, параллельному оси ординат. Он стремить­ ся как бы отсечь на оси абсцисс предельную величину энергии сильно­ го землетрясения, выше которой она не бывает.

Таким образом, можно считать, что энергия землетрясения, опре­ деляемая предельными разрушающими напряжениями горных пород, не увеличивается беспредельно. Поэтому сила землетрясения не превос­ ходит определенного предела, а плотность петока энергии не может выть выше наперед заданной величины, хотя от одного землетрясения к дру­

10

V-

j.Р и с. 4. Изменение скорости колебаний частиц в зависимости от акус­ тической жесткости среды

Ри с . 5. Кривая повторяемости сильных землетрясений земного шара

Напряжение в проходящей сейсмической волне равно

Для того чтобы при знакопеременных динамических напряжениях порода не разрушалась, необходимо ввести известный запас прочности п.

Тогда будем иметь

где п для плотных пород обычно бывает порядка 5 -1 0 .

Так как правая часть выражения (1 ,5 ) не может быть выше разру­ шающего напряжения от материала породы, то получаем

При этом мы не учитываем возможные случаи преломления и отра­ жения потока энергии, идущего от очага землетрясения к поверхности земли, и поглощения энергии с расстоянием, ибо оно, как известно, мало но сравнению с расхождением, которое оценивается формулой (1 ,8 ), и не может существенно изменить результата. Здесь имеется в виду наименьшая прочность при динамическом разрушении породы.

Величина ее оценивается следующим образом. В результате землетря-

11

сения возникают сейсмические волны, которые распространяются от источника в окружающую среду и создают в ней ряд перемен давления ограниченной продолжительности, число которых обычно исчисляется от 100 до 1000. Из-за отсутствия опытных данных о пределе проч­ ности скальных пород при действии сейсмических нагрузок мы отож­ дествим его с пределом прочности при статическом разрушении. По некоторым косвенным опытным данным отклонение в этом случае сос­ тавляет около 20%.

Объяснение, по-видимому, надо искать в том, что продолжитель­ ность нарастания максимального давления при прохождении сейсмиче­ ской волны значительно больше периода собственных колебаний скалы. Действие этого давления можно расценивать как статическое, и, сле­ довательно, разрушающее динамическое напряжение можно отождест­ вить со статическим напряжением.

Формула (1 ,7 ) применима не только к скальным, но и к другим более слабым грунтам с устойчивой величиной предельного разрушаю­ щего напряжения. Так как поток сейсмической энергии в эпицентральной зоне или двух близких пунктах наблюдения на различных грунтах остается постоянным, то выражение (1 ,7 ) в координатах (v, стг ) пред­ ставляет собой гиперболу. Она показывает, что при малых разруши­ тельных напряжениях, которые соответствуют слабым грунтам, ско­ рость колебаний частиц будет наибольшей. По мере перехода к боль­ шим напряжениям, соответствующим более плотным и скальным грун­ там, скорость уменьшается, и в пределе, когда о г -* «л >она становится почти постоянной и наименьшей скоростью колебания частиц на различ­ ных грунтах при сильных землетрясениях. Таким образом, при выборе площадок для строительства можно заранее оценивать возможные со­ трясения при будущих сильных землетрясениях. Но для этого необхо­ димо иметь достаточно точные данные о разрушающем напряжении грунта под будущим сооружением.

Принимая наименьшую прочность для скалы, равной 50 кг/см^, раосчитаем предельную величину скорости колебания частиц на поверхно­ сти скальных пород достаточно большой мощности при разрушительном землетрясении. По данным инструментальных измерений наиболее часто

= ^ Т j _ продолжительность колебательного процесса в точке наблюде- i

ния в результате последовательных толчков сильного землетрясения. Пусть R =3 0 км, а Т при сильном землетрясении - 5 мин. Такая

продолжительность колебательного процесса наиболее часто встречается

12

Глава 2

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СИЛЫ СОТРЯСЕНИЯ НА РАЗЛИЧНЫХ ГРУНТАХ

2.1. Шкала балльности сильных землетрясений

Инженерно-сейсмологический анализ последствий большого числа сильных землетрясений, происшедших на земном шаре в различное вре­ мя, и инструментальные исследования по сейсмическому микрорайони­ рованию позволяют сделать выводы относительно влияния различных грунтовых условий на интенсивность сейсмических колебаний при зем­ летрясениях:

1 ) приращение силы сотрясений на поверхности земли в зависимо­ сти от грунтовых условий не превышает 2 -3 баллов;

2 ) изменения балльности для сходных грунтов как при слабых, так и сильных землетрясениях между собою оказываются приблизительно одинаковыми (рис. 6 ).

Кривые спектров скоростей даны для сильного и слабого землетря­ сений. Сильное землетрясение записывалось приборами без затухания на эпинентральном расстоянии 40 км, а слабое - 16 км. Графики по­ казывают, что максимумы скоростей колебаний частиц приходятся на близкие периоды колебаний грунта.

Эти выводы позволяют составить обобщенную таблицу приращения балльности в зависимости от различных грунтовых условий и использо­ вать ее для построения шкалы балльности землетрясений, отнесенной к различным грунтам. Такая таблица может быть составлена на осно­ ве инструментального сейсмического микрорайонирования 130, 42, 4 6 ]. В этом случае данные записей сейсмических колебаний на раз­

личных грунтах при слабых землетрясениях обрабатывают с помощью одной из формул приращения балльности [7 9 ]. Приведем выводы неко­ торых из этих формул.

Как известно, при изменении силы землетрясения на один балл ус­ корение колебательного движения увеличивается по закону геометри­ ческой прогрессии со знаменателем 2. Опытные данные, полученные за последние годы, подтверждают эту точку зрения. Поэтому мы мо­ жем написать, что приращение балльности при переходе от одних грун­ товых условий к другим определяется формулой

wгр

wск ( 2, 1)

14