Недавние исследования по сейсмостойкому строительству показали, что некоторые постройки сильно реагируют на вертикальные колебания грунта и поэтому методы проектирования, учитывающие только горизонтальные движения, страдают серьезными недостатками. Особенно важно учитывать вертикальную составляющую при расчете сейсмического воздействия на массивные плотины и основания таких поверхностных сооружений, как трубопроводы. При нескольких землетрясениях по акселерограммам сильных колебаний было установлено, что на верхних этажах ускорения значительно больше, чем в фундаментах зданий. Например, при Сан-Францисском землетрясении 22 марта
1957 г. (рихтеровская магнитуда 5,7) акселерограммы, записанные в одном из зданий Сан-Франциско, показали увеличение максимальных ускорений от фундамента к 14-му этажу в 3 раза.
Один из показателей особенно сильных вертикальных сотрясений-«подбрасывание» предметов. Сообщения о таком подбрасывании при сильных землетрясениях, поступающие со всего мира, основаны на наблюдениях очевидцев. Если эти сообщения соответствуют действительности, то они означают, что сейсмические ускорения в вертикальном направлении могут превосходить ускорение силы тяжести. До сих пор имеется только одно инструментальное измерение вертикального ускорения грунта, превышающего ускорение силы тяжести. Вблизи очага Газлийского землетрясения (Узбекистан, СССР) 17 мая 1976 г. было записано вертикальное ускорение 1,3#.
Одним из первых драматических описаний землетрясения с подбрасыванием предметов является отчет Р. Д. Олдэма о сильнейшем Ассамском землетрясении в Индии 12 июня 1897 г. Он сообщает, что в Шиллонге и других местах отдельные камни подбрасывались в воздух, «как горошины на барабане». По всем имеющимся данным в этом случае сотрясения были исключительно сильными. Они сбивали людей с ног и причиняли увечья. Подскакивали валуны, оставляя на земле лунки в тех местах, где они лежали. Выброс камней был настолько резким, что стенки образовавшихся полостей оказывались почти ненарушенными. Рассказывали также о столбах, которые выскакивали из земли, не задевая соседний грунт, а недалеко от Нонгстойна*), по сообщениям очевидцев, кусок гранита размером 0,3 х 1 м был подброшен на высоту 2,5 м.
Олдэм пишет также о нарушениях на поверхности грунта:
«В западной части южного отрога и всюду вокруг лагеря гражданских медиков на расстоянии мили от него по Нанкачарской дороге, где почва имеет песчаный состав, а поверхность довольно ровная, земля выглядит так, будто по ней прошелся паровой плуг, разворотив дерн и разбросав комья земли во все стороны вверх и вниз по склону; во многих случаях куски дерна перевернуты, так что видны только корни растений».
Некоторые землетрясения Японии также характеризуются сильными вертикальными движениями. В отчетах о двух землетрясениях (с магнитудой около 6) в Имаити 26 декабря 1949 г. упоминаются самые разные наблюдения очевидцев. Рассказывают, что около деревни Отиаи, недалеко от центра очаговой области, каменное сельскохозяйственное орудие («исиусу») диаметром около 50 см подскочило несколько раз как резиновый мяч на высоту около 20 см. В соседнем Имаити, согласно опубликованным материалам обследования, предметы не падали с полок, но железные чайники были сорваны с крюков, на которых висели.
Чрезвычайно интересные наблюдения динамического воздействия имеются в отчетах о землетрясении Канто 1 сентября 1923 г. Особого внимания заслуживают нарушения аллювиального материала: так у мыса Манадзуру мягкий грунт подвергся таким сотрясениям, что клубни картофеля были выброшены из земли. Рядом большие деревья провалились в мягкий грунт, так что были видны только их верхушки. Несомненно, главной причиной этих явлений было разжижение песчаного грунта, но эффект встряхивания грунта и выбрасывания картофеля требует объяснения.
При землетрясениях в Калифорнии также бывает, что предметы отделяются от земли. Движения в очаге землетрясения Сан-Фернандо в 1971 г. имели характер надвига, что привело к смещениям до 3 м. Такая подвижка явилась мощным генератором сейсмических волн, так как большие ускорения грунта были записаны на довольно обширной площади. На пожарной станции № 74 графства Лос-Анджелес, расположенной в районе Норт-Декстер-Парк (Сан-Фернандо), дежурный пожарник был сброшен с кровати и кровать опрокинулась на него. Трубка висевшего на стене телефона выскочила из своего гнезда, и все в здании было перевернуто. Само здание сдвинулось со своего фундамента, а вокруг него «камни выбрасывались из земли и крупные трещины появились как в почвенном слое, так и в коренных породах».
На той же самой станции Б. Дж. Моррилл описал движения пожарной машины, которые можно объяснить, по крайней мере частично, упругостью ее рессор:
«20-тонная пожарная машина, стоявшая в гараже, смещалась на 6-8 футов вперед и назад и на 2-3 фута вбок, не оставляя видимых следов скольжения на полу гаража. Машина была исправна и стояла на тормозах. Отметины, сделанные, очевидно, правой задней шиной, были найдены на дверном косяке на высоте трех футов от пола, но металлическое крыло не было повреждено. Это крыло выступает на несколько дюймов над верхней частью шины. Находившаяся в четырех футах от пола подставка для шланга была сломана задней подножкой машины. Подножка при этом согнулась, а подставка сломалась от удара сверху вниз».
Еще более наглядным свидетельством вертикального отрыва от земли было смещение здания, в котором находились пожар
ники. Как видно на рис. 4, оно сдвинулось со своего фундамента, причем нижний ряд обшивки стены, который до землетрясения закрывал верхнюю часть фундамента на 10 см, остался неповрежденным. Это невозможно объяснить тем, что здание соскользнуло с фундамента,-стало быть, оно было подброшено вверх.
При землетрясении Сан-Фернандо 1971 г. в нескольких местах наблюдалось и нарушение поверхностного почвенного слоя. Например, вдоль плоской вершины одного хребта грунт был сильно разрыхлен и казался вспаханным. Объяснением такого явления может быть перевертывание грунта в результате вертикальных ускорений, которые в нескольких циклах сейсмических колебаний превысили Iflg. Подобные же сообщения уже неодно-кратко публиковались геологами и сейсмологами, проводив
шими полевое изучение других землетрясений по всему миру.
Хотя отдельные сообщения можно и не принимать в расчет, все же несомненно, что некоторые предметы при землетрясениях действительно подбрасываются в воздух, из чего следует, что ускорения, по крайней мере в отдельных местах, превышают ускорение силы тяжести. Вероятно, для всех описанных случаев нет единого объяснения; значительную часть наблюдаемых вертикальных сотрясений и смещений определенно можно считать следствием наклонов и вращений, вызванных горизонтальными ускорениями сейсмических волн.
Обрушение земляной плотины Шеффилд, вызванное землетрясением Санта-Барба-ра 29 июня 1925 г. в Калифорнии. (Фото компании «Патнэм стьюдиос».)