Изложенные выше рассуждения и количественные параметры о колебаниях грунта в основном касались мест, находящихся на определенном расстоянии (10 и более километров) от эпицентра землетрясения. Ho для сейсмоактивных стран с небольшой территорией (например, Армения) имеется большая вероятность, что эпицентр землетрясения может находиться прямо у населенного пункта или на территории большого промышленного ответственного комплекса, как это случилось 7 декабря 1988 года в Спитаке. С этой точки зрения, представляют большой практический интерес сведения об особенностях проявления землетрясения в эпицентральной зоне. Наибольший интерес в этой проблеме с точки зрения обеспечения сейсмостойкости сооружений представляют величины ускорений грунта в вертикальном и горизонтальном направлениях, продолжительность интенсивных сотрясений грунта, удаленность сооружения от будущего разрыва на поверхности Земли и поведение грунта как основание для сооружения в самом прямом смысле.
Заранее отметим, что по причине исключительности рассматриваемых вопросов достаточных инструментальных сведений о них не имеется.
По данным землетрясений 50-80-х годов прошлого столетия с магнитудой до 7.5, значения ускорения грунта в эпицентральной зоне можно определить по соотношениям:
где amax и аmin - верхняя и нижняя границы ускорения для землетрясении с магнитудой М. Как было отмечено в первой главе, современные теоретические выкладки о землетрясениях, как следствие мгновенного разрыва сплошной среды, приводят к выводам, что в эпицентральной зоне максимальное ускорение грунта может достигать величины, равной до 2g, а скорость колебания грунта до 100 см/сек. Что касается характера акселерограмм грунта в эпицентральной зоне, то они обычно носят кратковременный импульсивный характер с продолжительностью 2-3 сек. Типичный пример такой записи показан на рис. 2.61, которая была зарегистрирована во время землетрясения в Паркфидде (Калифорния) 27 июня 1966 года, с магнитудой М=5.6. В эпицентральной зоне величины ускорения грунта в вертикальном направлениии сопоставимы с величиной в горизонтальном направлении, а иногда даже существенно превосходит ее. В зависимости от ориентации места регистрации к эпицентру и к направлению простирания образовавшегося разрыва на поверхности Земли значения горизонтальных и вертикальных ускорений грунта могут как увеличиваться, так и уменьшаться. В эпицентральной зоне землетрясение сопровождается значительными оползнями вдоль крутых склонов и берегов крупных рек.
На рис. 2.62 показаны различные типы сейсмограмм при землетрясениях разной интенсивности, заимствованные из работы Д.Рустановича, которые также подтверждают кратковременность интервала интенсивных сотрясений грунта в эпицентральной зоне.
На рис.2.63 показаны типичные повреждения надгробных памятников в эпицентральной зоне Спитакского землетрясения 1988 года. При землетрясении 26 мая 2003 года в Северной Японии с магнитудой М=7.0 и эпицентром в Тихом океане на суще острова Хондо в трех местах были зарегистрированы акселерограммы грунта с максимальными ускорениями грунта более одного g соответственно: 1214, 1270 и 1003 см/сек2. Преобладающая частота колебания акселерограмм была около 10 герц. Поэтому во время землетрясения в стенах начальной школы образовались только небольшие косые трещины, несмотря на то, что землетрясение вызывало крупномасштабные подвижки, оползни и разжижение грунта на обширной поверхности Земли.
Большое количество инструментальной информации в эпицентральной зоне было получено во время Сан-Сальвадорского землетрясения 10 октября 1986 года. Гипоцентр землетрясения находился в пределах города на глубине 7 км.
Магнитуда землетрясения достигала Ms=5.4, интенсивность по шкале MM VIII-IX баллов, глубина очага небольшая - 8 км. В результате землетрясения большое количество кирпичных зданий старой застройки и многоэтажных железобетонных зданий обрушилось или получило серьезные повреждения, в том числе из-за осадков грунтов. Максимальное значение ускорения грунта в горизонтальном направлении достигло до 0.72g, в вертикальном - до 0.46g. Продолжительность интенсивных колебаний грунта в пределах 2-5 сек, преобладающие периоды колебаний грунтов от 0.2 сек до 0.4 сек. Это, наверное, первое землетрясение, во время которого в нескольких местах эпицентральной зоны, на расстоянии от 0.9 км до 6.2 км от эпицентра, удалось зарегистрировать ускорение грунта. Расположение эпицентра и 7 станций, регистрирующих ускорение грунта, показано на рис. 2.64. Значение максимальных ускорений скоростей и перемещений (полученные от акселерограммы путем двойного интегрирования) для всех 7 пунктов регистрации приведены в табл.2.19. На рис.2.65 приведена терхкомпонентная акселерограмма, зарегистрированная на станции CIG.
Из табл.2.19 видно одно важное обстоятельство: преобладающие периоды колебания грунта в вертикальном значительно меньше, чем в горизонтальном. Из таблицы видно также, что наибольшее ускорение грунта регистрировано не на наиблизком расстоянии 0.9 км от эпицентра станции, а на станциях CIG и IVU, находящихся на расстоянии 4.3 и 5.3 км. Причиной такого явления, по-видимому, является ориентация регистрирующего акселерографа относительно плоскости спаривания. Это вытекает также из того факта, что для этих станций значения ускорений по двум горизонтальным направлениям почти в 2 раза отличаются друг от друга. Величина скорости колебания грунта достигла 80 см/сек, что согласуется со значениями по прогнозу скорости колебания грунта в ближайшей зоне, рассмотренного в I части книги (1.16).
Фактически акселерограммы Табасского землетрясения 16 сентября 1978 года с М=7.3, показанные на рис.2.47.6, при котором значение ускорения грунта достигло 1103 см/сек2 (по уточненным данным), были записаны в эпицентральной зоне - акселерографы были установлены на расстоянии 5км от макросейсмического эпицентра. В то же время при землетрясении в Тайване (Чи-чи) 1999 года с М=7.7, на расстоянии всего 200 метров от разрыва горизонтальное значение ускорения грунта, показанное на рис.2.66, не превосходило 470 см/сек2. Путем итерирования акселерограмм этого землетрясения были получены скорости и перемещения грунта, показанные на том же рис.2.66. Их величины оказались неожиданно большими по сравнению с ускорением: 383 см/сек для скорости и 1200 см для перемещения. Рекогносцировочные расчеты показали, что при таких значениях перемещений, скоростей и ускорений величина преобладающего периода колебания грунта могла быть около 10 сек. Нам кажется, что это не период колебания частиц грунта на поверхности Земли, а период свободных колебаний одного из блоков (на котором был установлен акселерограф) как целого твердого тела после вспарывания (землетрясения). Что касается величины перемещения 1200 см, то это, по-видимому, относительное смещение (подвижка) блоков, а ускорение 470 см/сек2 - ускорение всего блока как твердого тела. Сам импульсивный характер зарегистрированной акселерограммы (таких акселерограмм было зарегистрировано на нескольких участках) свидетельствует о правдоподобии высказанных предположений.
При сильных землетрясениях в эпицентральной области на поверхности Земли в горизонтальных и вертикальных направлениях образовываются разрывы и дислокации. Длина разрыва и величина относительной подвижки сильно зависит от магнитуды землетрясения. Их величины, как уже было сказано, можно определить по следующим эмпирическим формулам:
где L - длина разрыва (км), и - наибольшая подвижка (м). При наиболее частных землетрясениях с M=7 будем иметь L=I7.37 км, u=1.41 м. Наибольшее значение L=430 km было зарегистрировано во время Сан-Франциского землетрясения 1906 года, с магнитудой М=7.8. При сильнейшем землетрясении на территории Армянского нагорья в Ерзиндже в 1939 году с магнитудой М=7.8 длина разрыва на поверхности Земли достигла L=350 km. Во время землетрясения в Хансу (Китай) 16 декабря 1920 года с магнитудой М=8.5 величина относительной подвижки достигла u=10 метров. Для верхнего предела длины разлома Оцуки предлагает формулу:
IgL = 3.2 + 0.5М,
по которой при М=7 получим L=50 km, при М=8, L=160 км.
О величинах ускорений в ближней зоне мы уже говорили. Они могут достигнуть 1-2g. С практической точки зрения для норм сейсмостойкого строительства представляют интерес закономерности их затухания с удалением от линии разрыва или от эпицентра. Такие рекомендации содержатся в Американских нормах по сейсмостойкому строительству. Как было отмечено в этих нормах, для территории 4-й сейсмической зоны (Калифорния) с максимальным ускорением грунта z=0.4g, величина сейсмической нагрузки умножается на коэффициент Na (см.табл. 2.13), который учитывает влияние активных разломов и очаговых зон. Активные разломы и свойства очагов подразделяются на три категории А, В, С, описание и количественные параметры которых приведены в табл. 2.20. Значения коэффициента Na (near-source factor) приведены в табл. 2.21. Местоположение и тип сейсмического очага устанавливаются с учетом геотехнических данных новейших карт активных разломов, разработанных Геологической Службой Соединенных Штатов или Калифорнийским подразделением Угледобычи и Геологии.
С точки зрения сейсмостойкости подземных сооружений, большой практический интерес представляют эффекты проявления землетрясения в глубинных от поверхности Земли пространствах.
Первые такие данные были получены Д.Милнем и Ф.Омори, Т.Сахта и С.Сузаки, записав землетрясение на скважинах глубиной 3-20 метров.
Анализ результатов, полученных с помощью современных специальных подземных сейсмографов на глубинах до 150 метров, показывает, что в начальный момент землетрясения на записях на поверхности Земли и на глубинных слоях имеется небольшое смещение оси времени, но в дальнейшем моменты времени, наличие приповерхностной толщи становятся существенными, вследствие чего амплитуды сейсмограмм на поверхности Земли существенно увеличиваются, а периоды колебания частиц грунта растут. С этой точки зрения представляют значительный интерес изменения во времени ускорений на границах всех слоев (рис. 2.67), находящихся на различных глубинах от поверхности Земли, полученные Х.Кобоями по уравнениям типа (2.114)-(2.118) для воздействия типа Эль-Центро. Как видно из рисунка, падающая на глубине 62 метра волна с амплитудой 100 галов на поверхности Земли (2-м слое) вызывает почти трехкратное увеличение ускорения.
На рис. 2.68 показано 2 примера регистрации землетрясения на различных уровнях по глубине Земли. Многие специалисты, изучавшие эти вопросы, склонны считать, что как для скальных, так и для аллювиальных грунтов ускорения на глубинных слоях можно принимать в 1.5-2.5 раза меньше, чем на поверхности Земли.
- Вращательные движения грунта
- Горизонтальные и вертикальные ускорения грунта
- О сейсмическом микрорайонировании, влияние многослойной поверхностной толщи
- Задача усиления или ослабления сейсмического эффекта на поверхности земли
- Классификация грунтовых условий по сейсмическим свойствам
- Способы вычисления сейсмограммы по модели землетрясения как мгновенного разрыва сплошности
- Некоторые замечания о характере движения грунтов при землетрясении
- Приближенные способы определения первого преобладающего периода неоднородного основания
- Периоды высших порядков неоднородного основания
- Упрощенный способ определения значения основного периода свободных колебаний многослойного основания