Ускорения при сотрясениях грунта

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.

Ускорения при сотрясениях грунта
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.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий
SQL - 49 | 1,120 сек. | 12.67 МБ