» » Горизонтальные и вертикальные ускорения грунта

Горизонтальные и вертикальные ускорения грунта

16.08.2016

Во время землетрясений частицы грунта, находящиеся на поверхности Земли, подвергаются сложным пространственным движениям, Как уже неоднократно было отмечено в данной работе, мы преследуем цель изучения особенностей ускорения грунта при сильных землетрясениях. Современные акселерографы снабжены гремя отдельными маятниками для раздельной регистрации ускорений частиц грунта в двух взаимоперпендикулярных горизонтальных и вертикальных направлениях. По мере удаления от эпицентра значения вертикальных ускорений существенно уменьшаются по сравнению с горизонтальными. Типичная картина взаимосвязи величин горизонтальных (H) и вертикальных ускорений (V), глубины очага (h), эпицентрального расстояния (Δ) и интенсивности (I) на поверхности Земли показана на рис.2,46.
Горизонтальные и вертикальные ускорения грунта

Для получения количественных показателей отношений величин горизонтальных и вертикальных ускорении, а также их зависимости от эпицентрального расстояния необходимо на всей сейсмоактивной территории организовать плотную сеть регистрирующих пунктов (станций), оснащая их современными высококачественными акселерографами, работающими в так называемых “ждущем режиме”, т.е, автономно включающимся в работу при ускорении грунта выше определенной пороговой величины. При этом акселерографы устанавливаются не только на грунтах, но и на разных уровнях по высоте зданий, мостов и плотин. Комплекс таких регистрирующих пунктов принято называть сетью записи сильных движений грунта. В настоящее время такие сети наблюдений организованы во многих сейсмоактивных странах мира.
Наибольших достижений в организации таких сетей добились США и Япония. Вся территория Калифорнийского штата насыщена плотной сетью трехкомпонентных надежных акселерографов, установленных на сотнях свободных участков различных грунтов, на разных этажах и покрытиях зданий из кирпича» железобетона и металла, на конструкциях мостов, плотинах водохранилищ. После любого сильного землетрясения результаты регистраций акселерографов оперативно публикуются, что дает возможность их широкого использования со стороны сейсмологов и специалистов по сейсмостойкому строительству.
Горизонтальные и вертикальные ускорения грунта

В настоящее время в разных странах мира уже накоплен большой объем трехкомпонентных акселерограмм грунта. Для общего представления об их характере на рис. 2.47.1-2.47.13 приведен ряд таких акселерограмм по хронологии происшествия соответствующих землетрясений в разных странах мира. Основные параметры этих землетрясений приведены в табл. 2.16.
Как видно из таблицы, максимальные значения ускорения грунта в двух перпендикулярных направлениях для большинства землетрясений мало отличаются друг от друга. Что касается значения ускорения грунта по вертикальному направлению, то их отношения к горизонтальным могут изменяться в большом диапазоне s зависимости от эпицентрального направления
Для более детального изучения этого вопроса нами были использованы данные двух калифорнийских землетрясений - 9 февраля 1971 года в Сан Фернандо и 17 октября 1989 года в Лома Приета. При первом землетрясении трехкомпонентные акселерограммы были записаны на 125 участках, а при втором - на 112 участках грунта. С целью идентификации результатов при анализе данных были использованы только данные тех станций, грунтовые условия которых в отчетах указаны как “alluvium”. Поэтому для землетрясения в Сан Фернандо использовались данные 43 станций, а для Лома Приета — 39 станций.
Горизонтальные и вертикальные ускорения грунта
Горизонтальные и вертикальные ускорения грунта
Горизонтальные и вертикальные ускорения грунта
Горизонтальные и вертикальные ускорения грунта
Горизонтальные и вертикальные ускорения грунта
Горизонтальные и вертикальные ускорения грунта
Горизонтальные и вертикальные ускорения грунта
Горизонтальные и вертикальные ускорения грунта
Горизонтальные и вертикальные ускорения грунта
Горизонтальные и вертикальные ускорения грунта
Горизонтальные и вертикальные ускорения грунта
Горизонтальные и вертикальные ускорения грунта
Горизонтальные и вертикальные ускорения грунта

На рисунках. 2.48 и 2.49 построены зависимости максимального значения горизонтального ускорения Ah.max (независимо от компонента), отношения ускорения по двум горизонтальным направлениям Ah.max/Ah.min и отношения максимального вертикального ускорения Av.max к максимальному горизонтальному Ah.max от эпицентрального расстояния А. Как видно из рисунков, отношения Ah.max/Ah.min соответственно находились в широких диапазонах от 0.5 до 1,0 и от 0.3 до 1.0. Ho в обоих случаях среднее значение Amin/Amax для всего эпицентрального расстояния составили соответственно 0,8 и 0.78, т.е. ближе к единице. Что касается отношений вертикальных и горизонтальных ускорений эпицентрального расстояния на то, что с увеличением эпицентрального расстояния это отношение уменьшается, но четкой закономерности для обоих землетрясений так и не наблюдается. При землетрясении в Сан Фернандо это отношение Av/Ah.max изменилось от 1.2 до 0.25, а при Ломо Приетском землетрясении от 1.1 до 0.12. В обоих случаях на расстоянии 100км от эпицентра это отношение регистрировалось не ниже чем 0.5. Несмотря на резкое падение значений Av.max и Ah.max в зависимости от эпицентрального расстояния, здесь также общих четких закономерностей не наблюдается.
Статистическая обработка данных показала, что зависимость величины максимального горизонтального ускорения Ah.max в долях g от эпицентрального расстояния Δ в километрах можно интерполировать следующими выражениями:
Горизонтальные и вертикальные ускорения грунта

На основании совместного анализа результатов двух землетрясений для землетрясений с магнитудой около М=7,0 была получена следующая эмпирическая зависимость:
Горизонтальные и вертикальные ускорения грунта

Если формулу (2.121) применить для Спитакского землетрясения, магнитуда которого принимается равной 7, то для пункта Гукасян, находящегося на расстоянии Δ=30 км от эпицентра, для Ah.max получим 9g-(30)в-1*12 = 0.199g, что незначительно отличается от зарегистрированной акселерографом ССРЗ (СССР) в Гукасяне величины максимального ускорения равной 0.21 g.
Горизонтальные и вертикальные ускорения грунта
Горизонтальные и вертикальные ускорения грунта

Для города Еревана (Δ=90 км) по формуле (2.121) получим Ah.max=0.058g; зарегистрированная Ah.max=0.06g. Л.У. Кампбелл для Лома Приетского землетрясения получил следующие логарифмические зависимости (в долях g) для максимального значения горизонтального ускорения Ah.max
Горизонтальные и вертикальные ускорения грунта

Аналогичные соотношения для спектров реакции этого землетрясения были получены Е. Богозиной и М. Ниази.
По результатам анализа регистраций двух землетрясений (несмотря на большой объем информации для статистической обработки) нельзя прийти к однозначным и достоверным выводам об отношениях горизонтальных и вертикальных компонентов ускорения грунта и их зависимости от эпицентрального расстояния. Здесь немаловажную роль играют такие факторы, как геологические условия и рельеф места регистрации, расположение регистрирующего инструмента относительно эпицентра и плоскости вспарывания, глубина очага и магнитуда землетрясения и др. Исследования ведущих сейсмологов мира показывают, что эти закономерности отличаются друг от друга и дня разных сейсмогенных регионов Земли. Наибольшее прикладное значение в этих исследованиях придается закономерностям зависимости максимального горизонтального ускорения грунта от эпицентрального расстояния. Их часто называют также кривыми затухания эффекта землетрясения. О некоторых из таких кривых, предложенных разными авторами, мы уже упоминали в первой части этой работы (формулы (1.134)-(1.136)). Для Европейского континента Амбрасейсом и Боммером для 529 землетрясений с магнитудой М≥4 и глубиной очагов h≤25 км, для западных районов Американского континента Джойнером и Буром для 182 землетрясений с магнитудой М≥5 и глубиной очагов h≤20 км и для Японских островов Фукишимой и Танакой для 486 землетрясений с магнитудой М≥5 и глубиной очагов h≤25 км получены кривые затухания ускорений, которые приведены на рис. 2.50, заимствованные из работы.
Эти зависимости, согласно, в общем случае можно представить следующей формулой (в долях g):
Горизонтальные и вертикальные ускорения грунта

Горизонтальные и вертикальные ускорения грунта

В табл. 2.17 через σ обозначен стандарт функции IgAmax, P -постоянная, которая принимается равной 0 при 50%-ной обеспеченности и равной 1 при 84%-ной обеспеченности. Если формулу (2.123) для Европы применить для вычисления величины ускорения для станции Гукасян при Спитакском землетрясении 1988 года, принимая: М=6.8, Δ=30 км, P=1, получим Ah.max=0.209g, которая очень близка к регистрированной величине (0.21 g) ускорения во время землетрясения. Более упрощенные кривые затухания ускорений для землетрясений с магнитудами 5, 6, 7 и 8 были предложены Международной ассоциацией по сейсмостойкому строительству, приведенные на рис, 2.51.
Как было отмечено выше, при сильных движениях грунта удается зарегистрировать только ускорения грунта — акселерограмму. Естественное желание иметь представление также о величинах скоростей и перемещений частиц грунта возможно только путем двукратного интегрирования акселерограмм.
Для некоторых сильных землетрясений полученные путем последовательного интегрирования акселерограмм значения максимальных скоростей и перемещений грунта приведены в табл. 2.18.
Горизонтальные и вертикальные ускорения грунта

Как видно из таблицы, нет определенной закономерности между максимальными величина ускорений скоростей и перемещений грунта.
Безусловно, главную роль здесь играют грунтовые условия места регистрации. Ho даже дня одного и того же места регистрации соотношения между ускорениями, скоростями и перемещениями в двух взаимоперпендикулярных направлениях очень сильно отличаются друг от друга. Здесь трудно выяснить, это различие результат накопления ошибок в процессе численных интегрирований или это связано с анизотропностью среды в разных направлениях.
Горизонтальные и вертикальные ускорения грунта

На все эти вопросы достоверные ответы можно получить только при организации одновременной инструментальной регистрации всех трех кинематических параметров - перемещений, скоростей и ускорений частиц грунта одной и той же местности во время одного и того же сильного землетрясения.