Содержание к диссертации
Введение
1 Аналитический обзор литературных данных 14
1.1 Параметризация сейсмических колебаний 14
1.2 Амплитуды сейсмических колебаний 17
1.3 Преобладающий период колебаний 42
1.4 Частотный состав колебаний 52
1.5 Продолжительность сейсмических колебаний 53
1.6 Инструментальные шкалы сейсмической интенсивности 62
1.6.1 Корреляция сейсмической интенсивности с ускорением грунта.., 62
1.6.2 Корреляция сейсмической интенсивности со скоростью колебаний грунта 69
1.6.3 Корреляция сейсмической интенсивности с амплитудами смещения грунта 73
1.6.4 Многопараметрические инструментальные шкалы сейсмической интенсивности 74
1.7 Нелинейные явления в эпицентральной зоне 77
1.7.1 Поглощение сейсмических волн 77
1.7.2 Стоячие волны в сейсмологии 79
1.8 Выводы 79
2 Оценка параметров сейсмических колебаний 81
2.1 Параметризация сейсмических колебаний 81
2.2 Использованный материал и методика обработки данных 86
2.3 Оценка амплитуд колебаний 91
2.3.1 Зависимость амплитуды сейсмических колебаний от глубины 91
2.3.2 Методы оценки амплитуд 93
2.3.3 Соотношения уровней амплитуд ускорения на различных компонентах 96
2.4 Оценки периода сейсмических колебаний 100
2.5 Частотный состав колебаний 107
2.6 Продолжительность колебаний 108
2.7 Картирование параметров сейсмического движения грунта 118
2.8 Генерация искусственных акселерограмм методом масштабирования основных параметров сейсмических колебаний 133
2.9 Выводы 139
3 Инструментальная шкала сейсмической интенсивности 140
3.1 Оценка факторов, влияющих на точность построения инструментальных шкал сейсмической интенсивности 142
3.2 Основные принципы построения инструментальной шкалы сейсмической интенсивности 146
3.3 Теоретическая форма распределения амплитуд колебаний грунта при фиксированной сейсмической интенсивности 149
3.4 Коррекция результатов обработки непредставительных выборок.. 152
3.5 Эмпирическое соотношение ускорения фунта и сейсмической интенсивности 157
3.6 Инструментальная шкала сейсмической интенсивности по скорости колебаний грунта 177
3.7 Инструментальная шкала сейсмической интенсивности по смещениям грунта 180
3.8 Многопараметрические шкалы. Учет продолжительности колебаний 184
3.9 Выводы 188
4 Нелинейные явления в эпицентральных зонах 190
4.1 Модель очага и прилегающих зон 190
4.2 Распространение сейсмических волн в поглощающей среде 195
4.3 Стоячие волны в эпицентральных зонах взрывов 198
4.4 Экспериментальные данные об эффектах стоячих волн при землетрясениях 205
4.5 Оценка расстояний до пучностей и узлов стоячих волн 216
4.6 Выделение стоячих волн статистическими методами 224
4.7 Выводы 226
Заключение 227
Список использованных источников 233
- Частотный состав колебаний
- Использованный материал и методика обработки данных
- Основные принципы построения инструментальной шкалы сейсмической интенсивности
- Инструментальная шкала сейсмической интенсивности по скорости колебаний грунта
Частотный состав колебаний
Частотный состав колебаний наилучшим способом можно описать спектром. С инженерной точки зрения целесообразно рассматривать спектр реакции (спектр ответа). Зависимость уровня спектральной составляющей на частоте /сложным образом зависит от магнитуды землетрясения и расстояния [Халтурин и др., 1975]. Для сильных движений Ю.К.Чернов (1989) описал зависимость спектральной составляющей A(J) от магнитуды следующим образом: Заметим, что угловая частота зависит от магнитуды. Ю.К.Чернов считает этот метод прогноза спектрального состава весьма перспективным. Нам же кажется, что спектр следует описать с помощью нескольких параметров и рассматривать зависимости этих параметров от различных факторов независимо. Зависимость спектра от расстояния по модели, принятой многими исследователями, основана на предположении о том, что высокие частоты затухают более интенсивно. Однако экспериментальные показали [Аптикаев, 19646; 1969], что с одной стороны декремент поглощения не является величиной характеризующей только свойства среды, а определяется уровнем колебаний. С другой стороны, вследствие нелинейных явлений спектр колебаний в ближней зоне в процессе распространения волны обогащается высокими частотами.
Все это чрезвычайно затрудняет прогноз сильных движений грунта. Поэтому автор предложил раздельно рассматривать преобладающий период колебаний и форму спектра [Аптикаев и др., 1976]. При этом форму спектра рекомендуется в первом приближении характеризовать его логарифмической шириной. Идеи автора в разных регионах применяли его последователи [Зайнутдинова, 1988; Ли, 1990; Михайлова, 1996]. Заметим, что типовые спектры, применяемые в строительных нормах многих стран, являются не средними спектрами, а огибающими множества спектров. Применение таких спектров при расчете синтетических акселерограмм ведет к существенному расширению полосы частот и увеличению продолжительности колебаний до значений, редко встречающихся на практике. Интуиция и здравый смысл подсказывают, что при равных уровнях амплитуд более продолжительные колебания должны вызывать более серьезные повреждения зданий и инженерных сооружений. При составлении шкалы MSK-64 были получены отзывы, советы, рекомендации ведущих специалистов различных стран, в которых предлагалось при определении сейсмической интенсивности учитывать продолжительность колебаний [Медведев, 1968]. Предлагалось также учитывать продолжительность колебаний при сейсмическом районировании [Proceedings..., 1989]. Однако долгое время экспериментально доказать наличие такого эффекта никому не удавалось. Вот что написано по этому поводу в работе [Медведев, 1968]: "Нельзя не согласиться с тем, что продолжительность колебаний основания вообще может влиять на степень повреждения сооружений.
Однако дать указание в шкале об учете продолжительности колебаний затруднительно, хотя бы в виду грубейших ошибок при оценке продолжительности колебаний на основе ощущения людей. Кроме того, есть указания на то, что продолжительность колебаний мало зависит от эпицентрального расстояния (при расстояниях менее 500 км) и в основном зависит от энергии очага. Следовательно, в пределах одной и той же интенсивности продолжительность варьирует не столь сильно". Это высказывание как нельзя лучше характеризует полную не изученность вопроса. Отсутствует даже четкая постановка задачи об учете длительности колебаний при инструментальной оценке сейсмической интенсивности. Отказ от использования длительности при оценке интенсивности мотивируется трудностями оценки этого параметра по ощущениям людей. Но ведь и оценка уровня амплитуды по ощущениям людей также затруднительна, что не помешало производить такую оценку по записям сейсмических колебаний и составить на основании таких оценок инструментальную шкалу. Кстати, по ощущениям людей вполне можно разделить продолжительность колебаний, по крайней мере, на три класса удары (продолжительность менее секунды), кратковременные колебания (ощущение нескольких колебаний общей продолжительностью около 5 с) и продолжительные колебания более 10 секунд. Далее, из посылки о слабой зависимости длительности колебаний от эпицентрального расстояния и наличия зависимости интенсивности от энергии очага нельзя сделать вывода ни о постоянстве продолжительности в пределах одной и той же интенсивности, ни об отсутствии влияния длительности на сейсмическую интенсивность. Скорее наоборот, поскольку и сейсмическая интенсивность и длительность колебаний возрастают с энергией источника, можно предположить, что сейсмическая интенсивность может быть скоррелирована с длительностью колебаний. А если верно утверждение, что в пределах одной и той же интенсивности продолжительность варьирует не столь сильно, и в то же время известно, что продолжительность колебаний при различных землетрясениях не является величиной постоянной, то остается придти к выводу, что при разных продолжительностях должна наблюдаться различная интенсивность. В других работах [Лятхер, Фролова, 1983; Trifunac, Brady, 1975] обнаружена корреляция сейсмической интенсивности от продолжительности колебаний, но ... коэффициент корреляции оказался отрицательным! Это значит, что более продолжительные колебания вызывают более слабый эффект по сравнению с кратковременными.
В работах автора (1981; 1985) было показано, что такой парадокс связан с нарушениями правил параметризации. Существует несколько различных по физическому смыслу определений продолжительности колебаний. Эти различия не очевидны и поэтому различные определения часто смешивают, что ведет к существенным ошибкам [Антонова и др., 1968; Аптикаев, 1981; Trifunac, Brady, 1975; McGuire, Barnhard, 1979], и, главное, не удовлетворять принципам параметризации. В работе [McGuire, Barnhard, 1979], различают три основных определения продолжительности колебаний: Г) по Болту ( #) 2) по Ван Марке и Лаю (DVL) и 3) по Аптикаеву (d). 1. Согласно первому определению длительности (bracketed duration) концом записи считается момент снижения амплитуд колебаний до некоторого порогового значения Аи. Впервые такое определение было введено в обиход сейсморазведчиками и сейсмологами и соответствовало промежутку времени, в течение которого сейсмический сигнал превышает уровень микросейсм. Таким
Использованный материал и методика обработки данных
Фактическим материалом служили оригинальные записи станций сильных движений, регулярных станций и высокочувствительных станций для регистрации микроземлетрясений. Кроме того, использовались каталоги записей сильных движений различных стран и публикации, посвященные отдельным землетрясениям. Оценки макросейсмического эффекта в пунктах регистрации в основном также взяты из публикаций. Данные о макросейсмическом эффекте некоторых землетрясений в нашей стране и за рубежом проводились лично автором. В настоящей работе использовалась выборка данных для 3056 записей сильных движений, зарегистрированных в различных районах мира. Использовались как систематические каталоги записей сильных движений [Адылов и др., 1988; Бюллетени..., 1961-1996; Землетрясения..., 1954-1989; Кудрявцева и др., 1973; Новый ..., 1977; Рустанович, 1974; Ambraseys..., 1978; 1995; Analysis..., 1972-1975; Bulletin..., 1984; Seekins et al., 1992; Digitized..., 1972; Geological..., 1974-1992; Joyner, Boore, 1981; Lee, Trifiinac, 1987; ..., Japan, 1960-1993;..., Italy, 1972-1980; ..., Yugoslavia, 1976-1977;..., 1976-1979; ..., 1981; Trifunac, Lee, 1978; и др.], так и публикации, посвященные регистрации колебаний при отдельных землетрясениях [Дагестанское..., 1981; Иващенко и др., 1995; Агуа et al..., 1977; Brady et ah, 1980; Everingham, 1968; 1975; Prince et al...., 1977-1978; Processed..., 1979; Processed..., 1986;..., Superstition..., 1987; Strong..., Whitter..., 1987; и др.]. Копии нескольких сот неопубликованных записей сильных движений любезно были предоставлены Т. Борчердом (Геологическая служба США), Н.Н. Михайловой (НАН Республики Казахстан), В.А. Павленовым (Институт Земной коры СО РАН).
Некоторые публикации содержат оценки амплитуд ускорений, пересчитанные из амплитуд смещений или скоростей при предположении о возможности аппроксимации колебаний синусоидой. Нашими исследованиями было показано, что любые пересчеты при таких допущениях ведут к систематическому занижению оценок, которое особенно велико (в несколько раз) вблизи эпицентра [Аптикаев, 1972]. Поэтому такие оценки мы исключили из рассмотрения. В данном исследовании каталог содержал следующие сведения: дата и время землетрясения, географический район, магнитуды тьи A/s, глубина очага hy название сейсмической станции, расстояния эпицентральное, гипоцентральное и кратчайшее до поверхности разлома, тип грунта в пункте регистрации, сейсмическая интенсивность в пункте регистрации в баллах, ускорения, скорости, смещения по всем трем компонентам. Магнитуды т\ и М$ брались из сейсмологических бюллетеней и других публикаций [Бюллетени.., 1961-1996; Новый..., 1977; Geological..., 1974-1992 yrs.; Землетрясения..., 1954-1991 гг.; и др.]. В Японии используется разновидность шкалы локальных магнитуд МтА. Для слабых землетрясений оценки магнитуд за рубежом обычно приводятся по шкалам М. или MD. В странах СНГ слабые землетрясения калибруются по шкале классов К. Из литературных данных, а также из результатов, полученных автором, следует, что соотношения между различными магнитудными шкалами зависят от диапазона магнитуд, расстояний, сейсмогеологических особенностей очаговых зон и района размещения сейсмостанции [Антонова и др., 1968; Антонова и др., 1978]. Для унификации данных была проведена корреляция этих шкал с использованием разработанной нами методики, которая позволяет исключить систематические погрешности, связанные с непредставительностью данных в области малых магнитуд и рядом необоснованных допущений, свойственных методу наименьших квадратов. Под непредставительностью данных здесь понимается не количество данных, а тенденциозность подборки данных.
Ограничения выборок данных начинается уже на стадии регистрации землетрясений вследствие ограниченности частотного и динамического диапазонов регистрирующей аппаратуры. Дальнейшее ограничение выборок может произойти при составлении каталогов, если в них вносятся данные только для землетрясений с магнитудами, не ниже заданной. Например, в США по шкале А/к производятся оценки магнитуд только в диапазоне 2.5 ML 6.0. В последние годы в США практически не обрабатываются записи сильных движений с ускорениями грунта А 50 см/с .
Следовательно, в выборке акселерограмм для 5-балльных землетрясений будут преобладать аномально высокие значения ускорений. В методе медиан [Mikhailova, Aptikaev, 1996] область непредставительности по одной или двум коррелируемым величинам легко выделяется, и соответствующие данные исключаются из рассмотрения. Суть метода заключается в том, что в облаке экспериментальных данных ищутся геометрические места медиан, как по строкам, так и по столбцам. В отличие от линий регрессий линии медиан почти не расходятся, что существенно повышает точность аппроксимации. Линия, проходящая на равном расстоянии от линий медиан (строки и столбцы), аппроксимирует искомую зависимость с максимальной погрешностью, не превышающей в ряде случаев при корреляции магнитуд 0.05 магнитудных единицы. Заметим, что полученная таким образом эмпирическая аппроксимирующая функция не обязательно должна быть линейной. Проверка показала, что оценки магнитуд, определяемых по поверхностным волнам различными службами A/s (США), М$ (ISC) и MLH, в среднем совпадают. Результаты некоторых авторов, якобы обнаруживших небольшие различия между этими шкалами, вполне объясняются применением метода регрессий, дающего заниженный наклон регрессионной прямой [Аптикаев, 1969]. В качестве оценки М\м в нашей работе принималось среднее значение из A/s и A/LH с округлением с точностью до 0.05 в сторону оценки Мш. Для землетрясений, у которых отсутствуют оценки магнитуд по поверхностным волнам, в качестве оценки Ми\ принималось среднее из пересчитанных оценок по другим шкалам. Мы старались избегать расчетов с использованием традиционного метода наименьших квадратов, ибо уравнения
Основные принципы построения инструментальной шкалы сейсмической интенсивности
Ненадежность действующей шкалы сейсмической интенсивности связана, прежде всего, с бедностью использованного экспериментального материала. К моменту создания этой шкалы (1952 г.) не набиралось и полутора десятка записей сильных движений с интенсивностью, превышающей 6 баллов. Рост количества записей сильных движений, для которых имеются также оценки балльности в пункте регистрации, показан в таблице 7. Автор имел возможность осмотра мест размещения ряда станций сильных движений США, где были получены аномальные соотношения между макросейсмическими и инструментальными оценками. В некоторых пунктах размещения приборов сильных движений оценки макросейсмического эффекта при землетрясении Импириал Вэлли 1979 г. были сделаны диссертантом лично сразу после землетрясения. Обращает на себя внимание появление большого числа оценок сейсмической интенсивности с округлением до половины балла. Такие оценки получили распространение и в странах СНГ, несмотря на рекомендации округлять макросеисмические оценки до целочисленных значений. Это свидетельствует о возросшей точности макросейсмических оценок, в первую очередь, связанную с применением статистических методов обработки макросейсмической информации. По оценке китайских сейсмологов погрешность оценки макросейсмического эффекта находится в пределах 0.4 0.6 балла, что совпадает и с нашими оценками.
При обработке данных о макросейсмическом эффекте после непосредственного сопоставления уровней колебаний при фиксированных интенсивностях было установлено, что макросейсмические оценки всех модификаций шкал типа Меркалли можно считать эквивалентными. Различия между ними существенно меньше естественного разброса данных. Японские данные использовались лишь в тех случаях, когда макросейсмические оценки проводились непосредственно по шкале типа Меркалли, никакие пересчеты балльности из одной шкалы в другую не проводились во избежание дополнительных ошибок. Обрабатывались только записи, полученные на грунте и в основании зданий. Хотя по нашим оценкам уровень колебаний в зависимости от заглубления сейсмометра может существенно различаться, соответствующие поправки мы не вводили, поскольку эта проблема, во-первых, недостаточно изучена, и, во-вторых, для большинства станций отметки заглубления приборов отсутствуют. Поскольку оценки параметров землетрясений и параметров сейсмического движения грунта, приводимые в различных публикациях, часто различаются, производилось осреднение оценок. При существенном расхождении оценок различных авторов и невозможности оценить причины расхождений данные о параметрах сейсмических колебаний нами не рассматривались. При математической обработке мы не делали никаких предположений ни о равномерности шага шкалы, ни о величине этого шага. Материалы для станций, расположенных в различных сейсмотектонических условиях и на грунтах различного типа обрабатывались совместно.
По литературным данным и по нашим оценкам в ближней зоне не наблюдается повышения уровня колебаний на рыхлых фунтах и даже возможно некоторое понижение амплитуд. Во всяком случае, различия в уровне амплитуд на грунтах различной категории много меньше случайных отклонений. Заметим, что, несмотря на равенство амплитуд, сейсмическая интенсивность на рыхлых грунтах все же выше, чем на скальных. Это связано с тем, что на сейсмический эффект кроме уровня колебаний оказывают влияние и другие параметры, в первую очередь, продолжительность колебаний и остаточные деформации в грунтах. При построении новой шкалы автор руководствовался следующим: - стремление создать шкалу балльности как шкалу интервалов; - максимальное соответствие интервалов (границ) баллов шкалам MSK-64 и MMSK-92; - проверка справедливости ряда необоснованных допущений и предположений, использованных при составлении старых шкал. Поэтому при микрорайонировании следует иметь в виду тип приборов, с помощью которых ведутся оценки приращения амплитуд. Например, при регистрации колебаний в смещениях предположение об удвоении амплитуды на балл ведет к систематическому завышению приращения интенсивности более чем на балл; - исследование и обновление корреляционных соотношений между
Инструментальная шкала сейсмической интенсивности по скорости колебаний грунта
Аналогичные выкладки были проведены для скорости колебаний грунта. Отметим, что данных по скоростям намного меньше, особенно в области низкой сейсмической интенсивности. Коэффициент корреляции этих величин оказался даже выше, чем в случае ускорений. По-видимому, не зря в некоторых странах расчет сейсмостойкости зданий и инженерных сооружений производится на основе ожидаемых скоростей, а не ускорений. Поскольку в бывшем СССР велосиграфов с довольно высокой чувствительностью было установлено больше, чем акселерографов, потери данных при низких интенсивностях происходили реже, чем при регистрации ускорений. Стандартное отклонение для этого параметра колебаний существенно больше, чем в случае ускорений, но и расстояния между центрами распределений также намного больше. Можно считать, что скорость является такой же важной характеристикой сейсмических воздействий, что и ускорение. Распределения амплитуд скоростей при фиксированных баллах мы не приводим, представления о таких распределениях можно получить из графика (рис. 31). Корреляция исходных данных (400 записей) по скоростям колебаний фунта и сейсмической интенсивности приводит к соотношению: Коэффициент корреляции величин lg V и / составляет к = 0.94 - выше, чем для ускорений.
Зависимость центров распределений от сейсмической интенсивности после введения поправок принимает вид (рис. 32): Данных по смещениям грунта имеется совсем мало. Тем не менее, и по этому параметру можно составить шкалу сейсмической интенсивности. Можно считать, что ускорения грунта характеризуют воздействия в области высоких частот, скорости - в области средних частот и смещения - в области самых низких частот. Эмпирическое уравнение, связывающее амплитуду смещения грунта без введения поправок и сейсмическую интенсивность (рис. 33), имеет вид Коэффициент корреляции величин lg D и / /г = 0.81 лишь незначительно меньше, чем для ускорений, причем снижение коэффициента корреляции и увеличение стандартного отклонения связано с интенсивностями / 6. После введения поправок за непредставительность данных, уравнение, связывающее центры распределений амплитуд с балльностью (рис. 34), принимает вид: Значения амплитуд смещений грунта D при землетрясениях различной интенсивности / показаны также в таблице 12. В настоящее время мало кто сомневается в том, что амплитуда колебаний не является единственным фактором, определяющим степень повреждения зданий и сооружений. Действительно, если рассмотреть случаи, когда амплитуды ускорений явно не соответствуют наблюдаемой сейсмической интенсивности, можно заметить, что аномально высокие амплитуды сопровождаются высокой частотой преобладающих периодов и очень малой продолжительностыо колебаний. По-видимому, для повышения точности инструментальной сейсмической шкалы в нее должны быть включены и другие параметры колебаний. К сожалению, теория разрушения пока не дает нам ответа на вопрос, какие параметры следует принимать во внимание при расчете реакции зданий на землетрясения.
В последнее время все чаше появляются работы, в которых процесс разрушения зданий связывают с энергетическими характеристиками воздействий. В работе [Аптикаев, 1970] перечислены различные физические величины, которые с различных сторон характеризуют сейсмические колебания. К таким величинам относятся энергия сейсмических волн, мощность волны (количество сейсмической энергии, проходящее через данную поверхность в единицу времени), удельная энергия волны (количество энергии, проходящее через единицу площади поверхности, перпендикулярной направлению распространения волны), плотность сейсмической энергии (количество сейсмической энергии, приходящееся на единицу объема среды), удельная объемная мощность сейсмической волны (мощность волны, отнесенная к единице объема), удельная поверхностная мощность сейсмической волны (мощность волны, отнесенная к единице площади поверхности, перпендикулярной направлению распространения волны). Учитывая, что согласно нашей модели, существуют лишь четыре независимые величины, характеризующие сейсмические колебания, можно начать построение многопараметрической шкалы с учета этих величин. Наиболее естественным кажется учет продолжительности колебаний. В работе [Aptikaev, 1981; Аптикаев, Шебалин 1988] предложена методика обработки данных, позволяющая совместно рассматривать записи землетрясений с различной интенсивностью, причем интенсивность может определяться по различным шкалам. Значения амплитуд ускорений А, соответствующих выборке землетрясений с заданной интенсивностью, нормировались по среднему для данной интенсивности значению амплитуды Лсредн- Затем для каждой выборки оценивалась зависимость нормированного ускорения от ширины сейсмического импульса d.
Поскольку для каждой интенсивности получились практически одинаковые зависимости, последние были осреднены (рис. 35). Из графика следует, что при фиксированной сейсмической интенсивности амплитуда ускорений может изменяться на порядок. Действительно, анализ эмпирических соотношений между сейсмической интенсивностью и амплитудой ускорений показывает, что при малых магнитудах и расстояниях могут наблюдаться весьма высокие значения ускорения при относительно невысокой интенсивности [Аптикаев и др., 2000а; Strakhov et al., 1998]. Данные, представленные на рисунке 35 можно аппроксимировать формулой: Таким образом, в соотношения, связывающие амплитуды сейсмических колебаний с сейсмической интенсивностью следует ввести поправку за продолжительность колебаний:
Похожие диссертации на Сильные движения грунта при землетрясениях : Сейсмические воздействия
