Все мы ощущали ту значительную силу, которая возникает в резко трогающемся с места или тормозящем автомобиле, при взлете реактивного самолета или на «американских горах» в парках аттракционов. Некоторые испытали воздействие такой же силы в моменты пароксизмов землетрясений. Если мы хотим охарактеризовать любой тип переменного движения, такого как сильные сотрясения грунта, чрезвычайно важный смысл приобретает понятие ускорения. Действительно, как указывалось в гл. 6, мы можем считать, что сейсмические волны в любой своей фазе отражают какое-то ускорение частиц грунта.
В течение многих лет у исследователей землетрясений очень часто возникал вопрос: «Насколько быстро и намного ли смещается грунт при землетрясении?» На него трудно было дать определенный ответ, пока не появились современные сейсмографы для сильных движений, устроенные так, что их можно располагать вблизи очага землетрясения и они не зашкаливают при самых сильных колебаниях.
Наши субъективные ощущения не позволяют установить величину действующего на нас ускорения в физических единицах (например, в сантиметрах в секунду за секунду, т. е. см/с2). Поэтому ускорение удобно выражать через характеристику, которая всем знакома,-через ускорение силы тяжести. Последнее представляет собой ускорение, с которым в вакууме (т. е. без сопротивления воздуха) падает шарик, находившийся прежде в состоянии покоя. Величину такого ускорения обозначают 1,0#**). Это весьма значительное возрастание скорости. Оно соответствует, например, ускорению автомобиля, который трогается с места и проходит 100 м всего за 4х/2 с.
Хотя при сейсмических колебаниях ускорение играет важную роль, для полного понимания вибрационных эффектов необходимо иметь представление о скорости и величине смещения грунта и о свойствах самих волн. (Зависимости между ускорением, скоростью и величиной смещения, а также понятия периода, частоты и длины волны кратко объяснены в приложении И).
Чем дальше расходятся волны, тем сильнее затухают высокочастотные колебания по сравнению с длиннопериодными. Например, в 1964 г. длинные поверхностные волны с периодом 17 с, возникшие при сильнейшем землетрясении на Аляске, были записаны на сейсмологической станции в Беркли, Калифорния, с максимальным смещением грунта в 1 см. Однако расстояние между гребнями соседних волн было столь велико (приблизительно 50 км), что, конечно, никто в Беркли не заметил, что во время прохождения этих волн Земля поднимается и опускается.
С помощью приборов, называемых акселерографами, во всем мире получены уже сотни записей сейсмических колебаний-как снаружи, так и внутри зданий. Измерения, выполненные по этим акселерограммам, показывают, что ускорения при колебаниях твердого грунта во время большинства средних землетрясений на расстояниях порядка нескольких десятков километров от очага составляют от 0,05# до 0,35#.
В нескольких случаях было установлено, что отдельные пики высокочастотных волн характеризуются ускорениями, достигающими половины ускорения силы тяжести. Обычно это бывает тогда, когда измерения ведутся на твердых породах очень близко от источника сейсмических волн*). Как мы отмечали в гл. 6, во время землетрясений измеряются как вертикальные, так и горизонтальные колебания грунта. В общем случае вертикальное ускорение меньше, чем пиковое горизонтальное, и в среднем, согласно многим полученным в Калифорнии акселерограммам, вертикальная составляющая равна примерно половине горизонтальной. Наибольшее зафиксированное до сего времени горизонтальное ускорение было записано у одной из опор плотины Па-койма при землетрясении Сан-Фернандо в 1971 г; оно достигло тогда 1,15#. Наибольшее вертикальное ускорение достигало значения 0,70#.
Исследования показывают, что повреждения часто гораздо больше связаны со скоростью колебательных движений грунта, чем с пиковой величиной ускорения. Как правило, чем выше интенсивность землетрясения, тем выше средняя скорость колебаний. Тем не менее средние ускорения несомненно играют большую роль для оценки тех сил, которые воздействуют на сооружение (см. приложение В). Поэтому при разработке мер по усилению сейсмостойкости инженеры стали теперь опираться на оценки тех ускорений, которые сооружение может испытать в течение своего срока службы.
Поскольку здания должны выдерживать нагрузку собственного веса, обычно они могут противостоять и значительным ускорениям в вертикальном направлении во время землетрясений, даже если при строительстве не приняты никакие особые меры для обеспечения сейсмостойкости. Как показывает опыт, именно горизонтальные колебания грунта часто опрокидывают постройки и даже сбивают человека с ног. Как и многие другие типы построек, дома из сырцового кирпича, распространенные в Южной Америке и на Ближнем Востоке, не способны противостоять горизонтальным ускорениям величиной даже в 10% от ускорения силы тяжести.
Заслуживает внимания запись ускорений грунта, сделанная во время землетрясения Сан-Фернандо 1971 г. (рис. 3). На акселерограмме показаны три составляющие ускорений грунта. На нижней записи слева направо показаны вертикальные колебания, две верхние записи соответствуют горизонтальным составляющим движения грунта: меридиональным и широтным колебаниям. Под всеми акселерограммами дана шкала времени в СекуНдах. Ускорения даются в десятых долях ускорения силы тяжести.
Рассмотрим (на рис. 3), как меняется слева направо характер записи. Прежде всего, прибор включился в результате прихода продольной волны и в течение первых полутора секунд записывал весьма высокочастотные, но малоамплитудные продольные волны. Нижняя запись показывает, что после этого вертикальная составляющая колебаний возрастает мало, достигая в максимуме немногим больше 0,1 д. Однако горизонтальные составляющие ускорения грунта через 2 с после начала колебаний, напротив, значительно возросли, что отражает приход поперечных и поверхностных волн. Запись широтной составляющей показывает, что после первых трех секунд землетрясения горизонтальные колебания грунта достигли максимальных значений, несколько превысивших 0,2д.
Хотя «пиковые», т.е. максимальные, величины ускорений имеют большое значение, важно знать и то, что повреждение построек идет в течение всего времени сильных колебаний грунта. В самом деле, если брать причиненные повреждения в целом, то часто они в большей степени зависят от общей продолжительности сильных колебаний, чем от какого-то отдельного пика, отмеченного на записи. Поэтому второй важный параметр, снимаемый с акселерограммы,-это длительность сильных колебаний. Обычно измеряют так называемую условную длительность (bracketed duration), т.е. продолжительность колебаний, при которых ускорение превышает некоторую пороговую величину,— как правило 0,05#. Этот параметр определяется как время между первым и последним пиками колебаний, превышающими принятую пороговую величину. На рис. 3 условная длительность колебаний с ускорениями выше 0,05д составляет всего лишь около 6 с.