книги из ГПНТБ / Пучков, С. В. Закономерности колебаний грунта при землетрясении

Вторая трудность состоит в том, что некоторые глубинные разры­ вы, к которым могут быть щэиурочены сильные землетрясения, не вы­ ходят на поверхность земли. Как в первом, так и во втором случаях установление этих разрывов могут дать лишь инструментальные сей­ смические наблюдения [ 59 1.

С этой точки зрения большое значение имеет выявление зон эпи­ центров сильных и слабых землетрясений. Они свидетельствуют о том, что в этих районах существуют подвижки в земной коре, происходя­ щие по плоскостям скольжения различных структур. Пока еще не уста­ новлена явная связь между сильными и слабыми землетрясениями, однако с физической точки зрения очевидно, что такая связь существу­ ет. Опыт показывает, что сильные землетрясения чаще всего возника­ ют в тех зонах, где происходят слабые землетрясения. Установление связи между сильными и слабыми землетрясениями позволило бы бо­ лее уверенно решать вопрос о месте будущего сильного землетрясе­ ния. Большую помощь в выделении сейсмически активных зон должен оказать Атлас землетрясений, составленный под руководством Е.Ф.Саваренского.

После того как установлены зоны возникновения сильных землетря­ сений, встает вторая задача сейсмического районирования - предска­ зание силы возможного сильного землетрясения. На существующих кар­ тах сейсмического районирования наивысший балл для данного района устанавливается относительно. Какая была балльность предыдущего сильного землетрясения, такая максимальная балльность устанавлива­ ется и на карте сейсмического районирования. До настоящего време­ ни других возможностей для оценки балльности не было.

В результате такого положения иногда случалось, что на основании прошлого землетрясения балльность данного района устанавливалась ниже, чем балльность возникшего землетрясения.

Некоторые геологические аспекты этой проблемы рассматривались Б.А. Петрушевским [5 3 ] и С.А. Пирюзяном [5 2 ].

Для того, чтобы найти более правильное решение этого вопроса, была предпринята попытка изучать последствия сильных землетрясений с точки зрения распределения интенсивности сейсмических колебаний на различных горных породах. В качестве материала наблюдений были в основном использованы повреждения сооружений, расположенных в различных микрогеологических условиях, и проводились сейсмические наблюдения за распределением интенсивности колебаний на различных породах при слабых землетрясениях.

В результате этих работ было выяснено, что каково бы ни было землетрясение, которое происходит в пределах земной коры, сила это­ го землетрясения на скальных породах земли не превосходит 7 баллов. Такое предсказание силы землетрясения на скальных породах вносит большую уверенность в решение задач сейсмического районирования.

Увеличение силы землетрясения до 9 баллов и выше происходит за счет рыхлых песчано-глинистых отложений [4 1 ].

Используя метод интрумвитального сейсмического микрорайониро­ вания, можно для других микрогеологических условий рассчитать до-

100

полнительное увеличение балльности, происходящее за счет развития рыхлых песчано-глинистых отложений в данном районе. Это можно сделать по методике, описанной в главе 2 , или рассчитать по форму­ лам (2 ,2 ) или (2 ,7 ).

При практическом применении сейсмического районирования часто возникают трудности при выборе площадки для возведения ответствен­ ных сооружений и определении расчетной балльности для данного рай­ она. В зависимости от того, будет ли повышена или понижена балль­ ность района, стоимость строительства может увеличиться или умень­ шиться существенно [1 9 ].

Для того чтобы правильно решать эти задачи, нужно иметь общие исходные данные, которые должны быть положены в основу выполнения поставленных требований.

Однако в настоящее время мы не имеем достаточно общих крите­ риев установления расчетной балльности и выбора площадки для стро­ ительства. Поэтому подобные задачи решаются обычно в значительной мере субъективно, хотя в некоторых случаях и с учетом всех факто­ ров, определяющих необходимые требования.

Установление предельной балльности на скальных породах указыва­ ет пути объективного решения поставленных задач.

Наконец, третья задача - оценка убывания интенсивности сейсми­ ческих колебаний от эпицентра землетрясения - решается почти про­ извольно. До сих пор не существует никаких критериев, согласно ко­ торым можно было бы установить более или менее достоверно, как отделить одну зону балльности от другой.

И только там, где произошли сильные землетрясения, имеется не­ которая основа для проведения изосейст балльности. В этих областях одна зона балльности отделяется от другой по степени разрушения построек [6 1 ]. Такие данные являются наиболее достоверными. Они должны быть обобщены и использованы для обоснования проведения изосейст различной балльности при сейсмическом районировании.

Для того чтобы применить эти изосейсты балльности сильных зем­ летрясений к построению схемы сейсмического районирования, нужно по этим изосейстам получить графики убывания интенсивности зем ле­ трясения в различных азимутах. Затем на основе этих графиков найти коэффициент затухания интенсивности с расстоянием.

В качестве иллюстрации мы приведем кривые убывания силы зем­ летрясения с расстоянием, построенные по изосейстам Ашхабадского

101

Р и с. 29. Убывание интенсивности

а - Ашхабадского землетрясения 1948 г.; б - Крымского земле­ трясения 1927 г.; в - сильных землетрясений в Японии: 1 - Санрику,

ния интенсивности землетрясения; а - коэффициент размерности. Полу­ чены следующие рассчитанные коэффициенты затухания для различных землетрясений:

102

Из приведенных данных видно, что во всех случаях коэффициент за­ тухания интенсивности землетрясения больше единицы.

5.3. Связь между напряжениями при сильных землетрясениях

и; интенсивностью сейсмических колебаний

Попытаемся установить соотношение между разрушающим напряже­ нием горных пород на глубине очагов землетрясений и скоростью коле­ баний частиц на скальных породах, выходящих на поверхность. Для этого используем энергетические представления, накопление потенциаль­ ной энергии в земной коре и разрешение ее в виде внезапного сдвига пород по плоскостям скольжения, сопровождающегося землетрясением

[7 0 ].

Рассмотрим напряженное состояние, распределенное по некоторому эффективному объему О горных пород, расположенному в земной коре на глубине h в окрестности предполагаемого очага землетрясения. Тогдаэнергия деформации, аккумулированная в горной породе, заклю­

ченной в этом объеме, может быть выражена в общем виде уравнением

103

ются и энергия их не учитывается. Кроме того, мы не будем учиты­ вать расход энергии на разрушенные породы и тепловые процессы.

Будем предполагать, что кинетическая энергия продольных волн образуется лишь за счет упругой энергии изменения объема, а кине­ тическая энергия поперечных волн получается только из упругой энер­

Таковы соотношения между скоростями колебания частиц при продоль­ ных и поперечных волнах внутри среды и действующими напряжениями в горных породах на глубине очага землетрясений.

При рассмотрении условий прочности горных пород на глубине оча­ гов землетрясений будем исходить из гипотезы наибольших скалываю­ щих напряжений, которая аналитически может быть записана так:

I ^шах “ ami-J ** стг •

При этом левая часть этого выражения представляет собой разность между максимальным и минимальным главными напряжениями, а о г - предельное нормальное напряжение при одноосном сжатии.

104

Применительно к нашим исследованиям будем предполагать, что <73 направлено по радиусу земного шара, проходящему через рассматри— • ваемый элемент объема, а и _ ему перпендикулярно.

Допустим, что по величине они удовлетворяют следующим условиям:

1

ffl = а2 =*~2°Ъ '

в принципе возможным в земной коре.

Такой выбор направления и величины главных напряжений оправды­ вается тем, что большинство разрывов в земной коре выходит на по­

ные напряжения.

В качестве примера можно указать на большой разрыв в Юго-за­ падной Туркмении, проходящий вдоль южного погружения Большого Балхана.

Многочисленные слабые землетрясения, зарегистрированные сей­ смическими станциями Геофизического института АН СССР в 1951 - 1952 гг., показывают, что по плоскостям скольжения разрыва про­ исходят подвижки земной коры в этом районе. Однако положение эпи­ центров землетрясений не совпадает с линией разрыва, видимой на по­ верхности земли, а отклоняется к северу на 15—20 км.

Если принять во внимание, что глубина очагов этих землетрясений немного больше, чем это расстояние, то угол наклона разрыва к го­ ризонту будет составлять около 5 0 -6 0 °.

Другим примером подобного наклона является Тункинский разлом, протягивающийся от оз.Косогол в направлении Баргузина. С подвижка­ ми по этому разлому связано большинство сильных землетрясений, происшедших в юго-западном Прибайкалье.

За время работы (1 9 5 7 -1 9 6 0 г г .) Прибайкальской экспедиции в этом районе произошло два 5-6-балльных землетрясений. Одно из них

Эти данные примерно соответствуют отношению величин выбранных напряжений.

Принимая коэффициент Пуассона равным 0,25, мы для рассмотрен­ ного вида напряженного состояния будем иметь:

105

(5,9)

(5 ,1 0 )

Если мы хотим выразить энергию сейсмических колебаний на по­ верхности земли через напряжения, которые вызвали землетрясение, то должны учесть убывание энергии с расстоянием до источника воз­ мущения или расходимость и потерю ее за счет поглощения в мате­ риале.

Тогда следует записать

(5 ,1 1 )

где я и Э - безразмерные величины. Коэффициенты « и /3 поназывают, какая часть энергии приносится прямыми волнами к пункту наблюдения, расположенному на скальных породах.

На основании соотношений (5 ,7 ) и (5 ,8 ) заключаем, что предель­ ная величина кинетической энергии колебаний на поверхности коренных г’ ород определяется в конечном счете предельной величиной разрушаю­

ности земли возьмем величину скорости колебаний частиц. В соответ­ ствии с предыдущими исследованиями для 7 баллов величина скорости колебаний частиц получается порядка 12 -25 см/сек.

Используя эти данные, рассчитаем порядок величины коэффициентов а и /3 для сильных землетрясений, очаги которых находятся в земной коре на глубине 10 -30 км. Согласно литературным сведениям [711 величина предельного напряжения в земной коре на глубине порядка 25 км примерно равна 2- 10® кг/см®, плотность р = 2,7 -10 -3 г. сек2/см4, а скорость распространения продольных объемных волн 5,5 км/сек. Подставляя числовые данные в формулу (5>10) будем иметь

а + /3 - ( 1,5 — 2) - 10~ 3 .

Такова доля энергии сильных землетрясений, которая приходит в виде объемных волн к скальным породам, выходящим на дневную по­ верхность вблизи эпицентра.

106

Расчет энергии землетрясения Б.Б. Голицыным, Джеффрисом и дру­ гими по записям на сейсмических станциях дает величину коэффициен­ та примерно 3 '10- 3. Из сопоставления этих коэффициентов видно, что они имеют примерно один и тот же порядок.

5.4. Принципы сейсмического районирования

Перейдем теперь к формулировке необходимых принципов, которые должны быть положены в основу сейсмического районирования.

1. Согласно современным представлениям землетрясение является следствием движения геологических структур по плоскостям скольже­ ния или разрывам, когда действующие напряжения переходят предел временного сопротивления материала горных пород [70, 7 1 ]•

Поэтому в качестве первого принципа сейсмического районирования будем считать, что сильные землетрясения приурочиваются к зонам крупных тектонических разрывов. Примерно к этому же выводу пришел и Г.А. Гамбурцев t l 2 l при рассмотрении состояния и перспектив ра­ боты в области прогноза землетрясений.

Разрывы могут выходить на поверхность земли или оставаться внутри земной коры. Видимые разрывы на поверхности земли можно наблюдать в основном на скальных породах. Они могут быть установ­ лены как геологическими приемами, так и инструментальными сейсми­ ческими наблюдениями. Невидимые разрывы чаще всего погребены под мощной толщей рыхлых песчано-глинистых отложений. В этом случае их можно трассировать-различными инструментальными сейсмическими методами. В частности, здесь могут быть использованы сейсмическая разведка и сеть временных сейсмических станций.

Но в первую очередь для этой цели должен служить Атлас земле­ трясений, сотавпенный на основе наблюдений сети сейсмической служ­ бы и временных сейсмических станций экспедиций. Его данные долж­ ны являться исходным материалом для установления сейсмической ак­ тивности отдельных районов.

Дополнительные наиболее детальные наблюдения временных сейсми­ ческих станций позволяют оконтурить малые участки, вдоль которых происходят подвижки геологических структур, вызывающие слабые зем­ летрясения.

При наличии таких данных можно ориентировочно прогнозировать места будущих сильных землетрясений.

2. Предельная сила землетрясений на скальных породах не превос­ ходит 7 баллов. При этом в оценку силы землетрясения не входят оползни, обвалы и сдвиги по разрывам на поверхности земли. Они яв­ ляются обычно следствием происшедших сотрясений.

Изучение последствий многочисленных сильных землетрясений на земном шаре показывает, что степень повреждения зданий и сооруже­ ний, расположенных на плотных скальных породах, не превышает той, которая характеризуется баллом 7. Такое явление свидетельствует о

107

том, что интенсивность сотрясений на этих породах ограничена и не может превосходить указанного предела.

Это находится в соответствии с тем, что для данного материала горных пород энергия землетрясений не может беспредельно увеличи­ ваться. Она ограничена величиной предельных напряжений горных по­ род, которые существуют в земной коре на глубине очагов сильных землетрясений. Эти напряжения обладают известной устойчивостью. По литературным данным, в земной коре предельные напряжения горных пород могут изменяться самое большее на один порядок. И, следова­ тельно, энергия сильного землетрясения может колебаться в небольших пределах.

Наблюдения показывают, что максимальная интенсивность сейсми­ ческих колебаний на поверхности скальных пород соответствует силь­ ным землетрясениям, очаги которых находятся на глубинах 10 -30 км. Для этих землетрясений расчет показывает, что доля энергии, идущая на сейсмические колебания, не превышает той, которая установлена Б.Б. Голицыным, и равна примерно (2 -3 )- 10-3 всей энергии земле­ трясения.

Очевидно, что землетрясения, очаги которых ближе к поверхности земли, обладают небольшой энергией и производят соответственно меньшие сотрясения.

Землетрясения с более глубокими очагами хотя часто и обладают большей мощностью, но вследствие значительной глубины и затухания сейсмические колебания доходят до поверхности земли сильно ослаб­ ленными и не могут произвести серьезного воздействия на сооружения.

3. Максимальная сила сотрясений приурочивается к рыхлым пес чано-глинистым отложениям и может быть выше, чем на плотных скальных породах, в среднем на 2 балла.

Оправдание этому можно найти как в многочисленных материалах последствий разрушительных землетрясений, так и в инструментальных исследованиях интенсивности землетрясений на различных породах. Очевидность этого принципа зафиксирована во многих исследованиях в этом направлении.

Более точные сведения для каждой конкретной территории могут быть получены, применяя инструментальное сейсмическое микрорайони­ рование.

4. Максимальная сила сотрясения может и не совпадать с эпице ром сильного землетрясения.

Отклонение площади максимальных сотрясений от эпицентра земле­ трясения может произойти иэ-за неравномерного распределения интен­ сивности сейсмических колебаний на поверхности эпицентральной зоны.

Бывают случаи, когда вследствие неблагоприятных микрогеологических условий в районах, отстоящих дальше от эпицентра землетрясе­ ния, интенсивность сейсмических колебаний оказывается больше, чем в тех районах, которые находятся к нему ближе.

Такие аномалии в распространении сейсмических волн не являются случайными, а зависят от сложного геологического строения поверх-

108

постных слоев земли, сейсмические свойства которых существенно от­ личаются между собой. Особенно это относится к песчано-глинистым отложениям и плотным скальным породам.

Рыхлые песчано-глинисТые отложения, покоящиеся на плотных скаль­ ных породах, при сильных сотрясениях ведут себя подобно слою сухо­ го песка, насыпанного на горизонтальнее стекло. При ударах по стек­ лу снизу песчинки будут подпрыгивать и возвращаться в исходное по­ ложение.

Если стекло будет иметь наклонное положение, то при ударе снизу песчинки подпрыгнут и при падении на стекло сдвинутся в направление уклона стекла, образуя, таким образом, большое остаточное смещение.

Нечто подобное происходит и при сильных землетрясениях, когда рыхлая песчано-глинистая среда покоится на наклонном скальном ос­ новании. В этом случае мгновенное движение по разрыву будет стал­ кивать рыхлую массу по уклону, вызывая этим большие смещения, хо­ тя эпицентр землетрясения может быть в другом месте. Это наглядно иллюстрируется на рис.30. В частности, этот чертеж фиксирует воз­ можное расположение пород при Красноводском землетрясении 1895 г. Из него видно, что эпицентр землетрясения расположен севернее от разрыва, а максимальные сотрясения получаются южнее, на рыхлых отложениях.

5. Количество сейсмической энергии, приходящее от очага земл трясения к скальным и рыхлым породам, должно быть одинаково. Пра­ ктически это сводится к тому, что внутри одной и той же изосейсты отношение площадей, содержащих разные породы, пропорционально от­ ношению их баллов.

В самом деле, мы должны помнить, что при одном и том же ко­ личестве сейсмической энергии интенсивность сейсмических колебаний на рыхлых отложениях увеличивается по сравнению со скальными по­ родами в среднем на 2 'балла. Для того чтобы этого увеличения не произошло, сейсмическая энергия на рыхлых отложениях должна рас­ пределяться на большую площадь, скажем, для 8 -балльной изосейсты в

109