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

А К А Д Е М И Я Н А У К СССР

ОРДЕНА ЛЕНИНА ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ЗЕМЛИ им. О. Ю. ШМИДТА

С. В. Пучков

Закономерности колебаний грунта при землетрясении

ИЗДАТЕЛЬСТВО «НАУКА;

МОСКВА

1974

Закономерности колебаний грунта при землетрясении. П у ч к о в С.В. Изд-во 'Н аука'. М., 19 74 г., 1—120.

В монографии развита теория предельной зоны землетрясений на скальных породах, построена шкала балльности, отнесенная к различным грунтам; рас­ считаны спектры ускорений и скоростей колебаний частиц грунта и др. Разра­ ботана методика уменьшения сотрясений зданий и сооружений при землетрясе­ ниях, показано влияние верхнего слоя на интенсивность сейсмических колеба­ ний при землетрясениях, приведены выводы из теории колебаний слоя для сей­ смического микрорайонирования. Сделана попытка наметить основные принципы комплексного сейсмического районирования.

Издание рассчитано на сейсмологов, проектировщиков и строителей, заня­ тых решением проблем строительства сооружений в зонах повышенной сейсми­ ческой опасности.

Таблиц 22, иллюстраций 31, библиогр. 88 назв.

О т в е т с т в е н н ы й р е д а к т о р

доктор технических наук А.З. К АЦ

ПРЕДИСЛОВИЕ

Многие районы нашей страны подвержены землетрясениям. Сильные землетрясения, происходящие в этих районах, где проживает свыше 30 млн. человек и ведется большое промышленное и гражданское стро­ ительство, вызывают повреждения и разрушения зданий и сооружений. Таким, например, было Ашхабадское землетрясение 1948 г. Поэтому возникает необходимость совершенствовать проектирование зданий и сооружений для сейсмических районов с учетом силы будущих земле­ трясений.

Для этой цели требуются записи колебаний грунта при сильных зем­ летрясениях, которые должны быть положены в основу расчета нагру­ зок, действующих на здания и сооружения. Получением и интерпретаци­ ей этих землетрясений занимается инженерная сейсмология.

Взадачу инженерной сейсмологии входит также установление коли­ чественных данных о колебаниях грунта при сильных землетрясениях, получение спектров смещений, величин скоростей, ускорений и преобла­ дающих периодов колебаний. Эти данные позволяют создавать и совер­ шенствовать шкалу для оценки интенсивности землетрясения в баллах. Проведение инструментального сейсмического микрорайонирования уточ­ няет распределение интенсивности сейсмических колебаний при земле­ трясениях в районах строительства в зависимости от грунтовых условий.

Внастоящей работе на основе многочисленных последствий сильных землетрясений, происшедших в различных пунктах земного шара, уста­ навливается предельная сила землетрясений на скальных породах. По­ казывается, что на скальных породах сила землетрясения является наименьшей, порядка 7 -8 баллов. Увеличение силы землетрясения на 2 -3 балла происходит за счет рыхлых песчано-глинистых отложений. Это подтверждается характером распределения интенсивности сейсми­ ческих колебаний на различных грунтах при сейсмическом микрорайо­

нировании.

В соответствии с этой теорией составлена шкала балльности земле­ трясений, отнесенная к различным грунтам, и построены спектры уско­ рений и скоростей, которые могут служить исходными данными для расчетов сейсмических нагрузок на здания и сооружения. Пример тако­ го расчета показывает, что предложенные спектры ускорений и скоро­ стей при землетрясениях находятся довольно точно и соответствуют Данным действительных наблюдений.

3

Глава 1

ОСНОВЫ ТЕОРИИ ПРЕДЕЛЬНОЙ СИЛЫ

ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ

1.1. Общие сведения о сильных землетрясениях

Многочисленные обследования последствий разрушительных земле­ трясений показывают, что интенсивность землетрясений на различных горных породах весьма разнообразна. Однако среди этого разнообразия можно выделить два класса пород, которые в этом отношении наиболее резко разделяются между собой. К числу таких пород относятся, с од­ ной стороны, плотные скальные породы - базальты, граниты, извест­ няки и песчаники, с другой - рыхлые песчано-глинистые отложения. Последние покрывают плотные породы и занимают почти 75% поверх­ ности Земли.

Инструментальные исследования, проведенные автором в Туркмен­ ской ССР, с целью изучения влияния свойств различных грунтов на интенсивность сейсмических колебаний при местных слабых землетря­ сениях свидетельствуют о том, что при переходе от плотных скальных пород к песчано-глинистым отложениям сила землетрясений может увеличиваться на 2 -3 балла. Изучение повреждений зданий и сооруже­ ний вследствие сильных землетрясений подтверждает это положение. Рассмотрим данные о некоторых разрушительных землетрясениях [4 0 ].

Землетрясение 1692 г. на Ямайке. Территория г. Порт—Рояль, расположенного в зоне этого землетрясения, в геологическом отноше­ нии делится на две части: в одной развиты известняки, а в другой - рыхлые песчано-глинистые отложения. Здания, возведенные на плотных известняках, уцелели, между тем как постройки на гравии и песке бы­ ли разрушены. Сила землетрясения на известняках была 6 -7 баллов,

положенные в восточной части города на аллювиальных отложениях, были все разрушены. Здесь сила землетрясения была 9 -1 0 баллов. Западная часть города, находящаяся на твердых базальтах, пострадала незначительно. Сила землетрясения оценивалась в 6 -7 баллов.

Калабрийское землетрясение 1783 г. L73]. Наибольшие разруше­ ния наблюдались в той части г. Реджо-ди—Калабри, которая построена на новейших рыхлых наносах моря. Другая же часть, где постройки стояли на гранитах, пострадала меньше. В первом случае сила земле­ трясений оценивалась в 9 баллов, а во втором - 6 -7 балле®.

5

Красноводское землетрясение 1895 г. относится к сильным земле­ трясениям, происшедшим на территории Советского Союза за ближай­ ший исторический период. В районах Узун—Ада и восточнее, вблизи же­ лезнодорожной станции Михайловская, преобладает мощная толща пес­ чано-глинистых отложений. По данным гидрологической экспедиции, уровень стояния грунтовых вод в этих районах порядка метра. Многие деревянные постройки были повреждены, рельсы железнодорожной вет­ ки искривлены. Сила землетрясения была 9 -1 0 баллов.

Часть Красноводска расположена на плотных породах. При земле­ трясении обрушений зданий там не было. Сила землетрясения, по-ви­ димому, была около 7 баллов.

Ахалкалакское землетрясение 19 декабря 1899 г. Полностью были разрушены все населенные пункты в аллювиальной озерной котловине. Селения, которые были расположены около ее окраины на коренных по­ родах, сохранились. В домах появились лишь трещины и осыпалась штукатурка. В поселке Хартвис школа, стоявшая на наносах, разруши­ лась, а расположенная рядом на базальтах крепость уцелела. В первом случае сила землетрясения была 9 баллов, во втором — 7 баллов.

Андижанское землетрясение 1902 г. [6 6 ]. Его эпицентр находился в районе г. Андижана, где развиты лёссовые отложения, переслоенные галечниками, и плотные третичные конгломераты - "адыры". Населен­ ные пункты, расположенные на адырах, в области наисильнейших сотря­ сений, пострадали незначительно. Сила землетрясений не превосходила 7 баллов^ Расположенные на лёссе г. Андижан и кишлаки были сильно разрушены. Сила сотрясений оценивалась в 8 -9 баллов.

Калифорнийское землетрясение 18 апреля 1906 г. [8 3 ]. Площадь сотрясения была несколько тысяч квадратных километров. По данным Вуда распределение интенсивности землетрясения между геологически­ ми средами происходит в соответствии с указанной выше закономерно­ стью. На рыхлых отложениях сила землетрясений доходила до 10 бал­ лов, а на плотных известняках была 7 -8 баллов.

Каратагское землетрясение 1907 г. [8 ]. При этом землетрясении отмечалось, что даже плохие дома, построенные на плотных песчани­ ках, сохранились, а более прочные здания, возведенные на наносах, разрушились. Сила землетрясения на плотных породах была 6-7 баллов, на рыхлых грунтах - около 9.

Землетрясение в районе Мессины 28 декабря 1908 г. [3 3 ]. Наи­ более серьезные разрушения наблюдались в пониженных частях города, рядом с морем, где развиты аллювиальные отложения. Возвышенная часть города, расположенная на кристаллических породах, была незна­ чительно разрушена. Сила землетрясения в первом случае оценивалась в 9 -1 0 баллов, а во втором - 7 -8 баллов. Характер распределения интенсивности землетрясения показан на рис. 1.

Токийское землетрясение 1 сентября 1923 г. (рис. 2 ). Верхняя часть города, называемая Ханго, расположена на плотных делювиаль­ ных породах, а нижняя часть - Хитотсубаши - на рыхлых песчано-гли­ нистых отложениях мощностью 2 0 -3 0 м.

6

Р и с. 1. Мессинское землетрясение 1908 г.

1 - современный нанос, 2 - делювий, 3 - кристаллические породы

Ри с. 2. Токийское землетрясение 1923 г.

1 - аллювий, 2 - плотные породы

Установлено, что интенсивность землетрясения в нижней части го­ рода превышала интенсивность землетрясения в верхней части в 1 ,5 - 2 раза. Судя по количеству разрушенных зданий, в верхней части го­ рода сила землетрясения была около 7 -8 баллов, а в нижней - оцени­ валась в 9 -1 0 баллов. Примерное распределение грунтовых условий представлено на рис. 2.

Тазимское землетрясение 23 мая 1925 г., побережье Японского моря. В результате этого землетрясения было разрушено 34 0 0 зданий. Сила землетрясения в эпицентре была около 9 баллов. Сильнее были разрушены постройки, возведенные на третичных и четвертичных отло­ жениях. Здания, построенные на плотных породах - гранитах и липари­ тах, были повреждены незначительно (примерно на 5%). Это соответ­ ствует силе сотрясения около 6-7 баллов.

Крымское землетрясение 1927 г. По данным В.В. Попова в г. Алуш­ та наиболее разрушены постройки на насыпных грунтах при неглубоком стоянии грунтовых вод и на современных морских водонасыщенных песчано-глинистых отложениях. Сила землетрясения на грунтах оцени­ валась в 7 -8 баллов, а на выходах скальных пород — в 5—6 баллов.

Фукуйское землетрясение 28 июня 1946 г. По данным японских исследований 185, 86] этот район сложен песчано-глинистыми отло—

7

Ри с. 3. Фукуйское землетрясение

28 июня 1946 г.

жениями и плотными породами - гранитами, известняками и песчани­ ками. Обследование последствий землетрясений показало, что 75% зданий и сооружений, расположенных на песчано-глинистых отложениях, было разрушено. По шкале балльности это соответствует примерно 9 баллам. На плотных коренных породах установлено только 5% разру­ шений, что отвечает 6—7 баллам по шкале балльности. Сопоставление разрушений с характером горных пород представлено на рис. 3.

Ашхабадское землетрясение 6 октября 1948 г. По данным работы [5 7 Г эпицентр этого землетрясения тяготеет на юго-восток от Ашха­ бада к Куру-Гаудану. В геологическом отношении область землетрясе­ ния делится на две части: горные районы Копетдага, сложенные плот­ ными породами - известняками и песчаниками, и район Прикалетдагского прогиба, где развиты мощные толщи четвертичных песчано-гли-

рактерно, что часть Ашхабада, расположенная на галечниках вблизи горного района Копетдага, пострадала меньше, чем район железнодо­ рожной станции, находящийся на толще песчано-глинистых отложений.

Хаитское землетрясение 10 июня 1949 г., сопровождавшееся об­ валом больших земляных масс, оторвавшихся от разломившейся горы. Его эпицентр находился в районе г. Хаита, расположенного в устье р. Обикабут при впадении ее в р. Сурхоб. На территории города, ос­

тавшейся свободной от завала, там, где преобладали мощные лёссовые и песчано-глинистые отложения, все здания были разрушены. На левой

8

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