Лекции по "Сейсмике"

Глава  1. Сейсмическое районирование.

1. Строение Земли.

Земля-эллипсоид  с экваториальным радиусом 6378160м. Мировой  океан-70,8%, а суши-29,2%.

Земной шар –  напластовывание оболочек, отличающихся друг от друга мин.составом, плотностью, упругими свойствами, температурой, давлением.

Установлено, что  причиной землетрясений являются:

  - тектонические  процессы ( связанные с развитием  Земли);

   - инженерная  деятельность (водохранилища, откачка  нефти и газа, ядерные взрывы  подземные и в океане, магнитные  бури Солнца и Луны, космос).

Землетрясение- это  колебания земной поверхности, возникающие  в результате внезапных смещений и разрывов в земной коре или верхней  мантии и передающихся на большие  расстояния в виде упругих колебаний

           

1.2. Физика очага землетрясений.

 

Очаг – пространство (объем) в толще земной коры или  верхней части мантии, внутри которого происходит смещение, разрыв или вспарывание  трещин.

Гипоцентр – точка  начала вспарывания трещин. Эпицентр – проекции гипоцентра на земную поверхность.

Эпицентральная  область – проекция очага землетрясения  на земную поверхность.

Различают три  группы очагов:

      -нормальные (литосферные)- до 70км,  во  всех сейсмически активных областях  Земли, 85% энергии;

      -промежуточные (астеносферные)- от 70 до 300км, наблюдаются довольно часто, 12% энергии;

      -глубокие – от 300 до 700км, район  Тихоокеанской литосферной  плиты, 3% энергии.

Опасными считаются  землетрясения с очагами глубиной от 5 до 300км, а наиболее опасными- глубиной от 10 до 100км.

Очаг тектонического землетрясения определяется как  динамически движущийся разрыв непрерывного материала Земли, возникающий под  действием напряжений, накопленных  в процессе сдвиговых тектонических  деформаций.

Последовательный  разрыв в отдельных участках напряженной  зоны на поверхности Земли проявляется  в виде землетрясений различной  интенсивности:

   рой –  случайно возникающие в пространстве  и времени группы землетрясений  обычно умеренной величины без  явно выделяемого толчка по  силе и высвобождаемой энергии;

   форшоки  – относительно слабые сейсмические  толчки, предшествующие сильнейшему  из серии толчков- главному  удару, если разрушение в одном  или нескольких участках будет  недостаточным для снятия всех  накопившихся добавочных напряжений  и для этого требуется вспарывание  всего магистрального разрыва.  Форшоки бывают единичными и  не всегда проявляются;

   главный  удар – (основное землетрясение)  – снятие основных добавочных  напряжений при мгновенном сдвиге  по главному(магистральному) разрыву,  при этом накопившаяся кинетическая  энергия (энергия покоя) переходит  в потенциальную (энергию движения);

  афтершоки  – более слабые по отношению  к главному удару сейсмические  толчки, возникающие после основного  толчка в результате снятия  возникающих добавочных напряжений  на участках,

 ограничивающих  главный разрыв.

Расстояние от эпицентра до какой-либо точки на земной поверхности, измеряемое вдоль  поверхности Земли (дуга большого круга), часто –в градусах  1⁰=111,1км, называется эпицентральным расстоянием.

 

3. Сейсмические волны.

 

Это упругие волны, возникающие в очаге в результате подвижки, вспарывания пород или  отдельных участков между трещинами  и распространяющихся в земле. Основные типы:

 Глубинные (объемные) – продольные (Р) – образуются  зоны сжатия и растяжения, период  колебаний 0,2…0,5с- короткопериодные- первая фаза, опасные для жестких  зданий (каменных,крупнопанельных и  крупноблочных)  и  поперечные( S)  длиннопериодные 1,0…5,0с слабев 1,7раза, чем (Р), опасные для гибких каркасных и монолитных зданий, труб и башен.

Первая фаза- момент вступления продольных волн, вторая фаза – момент вступления поперечных волн. Эти фазы считаются предварительными.

 Поверхностные  – волны Релея( R) и Лява (L). Момент вступления поверхностных волн (R) – главной (основной) фазой землетрясения – основная причина интенсивных колебаний грунтов.

Почвенный слой  находится в периоде собственных  колебаний от 0,2…0,7с, а также колебания  зданий от 0,1…1,5с, возникает  резонанс во время землетрясений, что увеличивает  сейсмические воздействия при землетрясении.

 

4. Интенсивность землетрясений.

В качестве критерия Рихтер ввел понятие магнитуда землетрясения  – это условная безразмерная величина, характеризующая общую энергию  упругих колебаний, вызванных землетрясениями, и имеет значения от 0,0 до 9,0.

Классификация землетрясений  по магнитуде, балльности и их количеству. (табл.1-3)

Характеристика  землетрясений        Магнитуда(М)     Балльность(J)      Среднее число (в год) землетрясений

Катастрофическое, планетарного             8                         11…12                          1…2

Масштаба

Сильное

  Регионального масштаба                       7…8                       9…10                         15…20

  Локального масштаба                             6..7                        7…8                          100…150

Среднее                                                         5…6                        6…7                        750…1000

 Слабое                                                          4…5                        5…6                       5000…7000

Для предварительного определения максимальной интенсивности  землетрясения в эпицентре можно  использовать следующие формулы:

 -для землетрясений с внутрикоровым очагом   J_max = М + 2,5,

-для землетрясений  с очагом в мантии                J_max = М + 1,5.

Соотношение между  магнитудой и силой землетрясений (табл.1-4)

Магнитуда                               Сила землетрясений (в баллах) при  глубине очага, км

      М                                  300             150            60            40            30            15            10            5

       8                                6…7             7…8            9           9…10      10…11      -               -              -

       7                                   -                 7…8        7…8          8               8…9       9…10       -              -

       6                                   -                  -                 -            6…7           6…7         8          8…10        -

       5                                   -                  -                 -               -                -             6…7         7             8

       4                                   -                  -                 -               -                -               -              -            6…7

Магнитуда землетрясений  определяется на сейсмических станциях в зависимости от амплитуд колебаний  земной поверхности по поверхностным  или объемным волнам, и значения магнитуд одинаковы для рассматриваемого землетрясения во всех точках земного  шара, что очень удобно для определения  характеристик землетрясения. 

5. Карта сейсмического районирования.

Изучение тектонических  процессов выделяет четыре основных сейсмических пояса:

                                           Выделение энергии, %                       Количество землетрясений при  М.> 6, %

-Тихоокеанский                          87,6                                                                 82,0

-Средиземноморский                   8,5                                                                 10,5

-Атлантический                            2,2                                                                   1,7

-Арктический                                0,2                                                                   0,8

-прочие                                          0,3                                                                   2,1

Карта сейсмического  районирования содержит:

- зоны интенсивности  сотрясений в 6,7,8,9 и более баллов;

- зоны наиболее  вероятного возникновения очагов  разрушительных землетрясений (зоны  ВОЗ), делятся на три            категории: -       М₁  ≥ 8,1;    8≥ М₂≥ 7,0;     М₃≥  6,1. Зоны ВОЗ при  М₁ ≥   8,1 необходимо проводить детальные сейсмологические и инженерно-геологические исследования;

- сведения о  вероятности сотрясений с нормативной  интенсивностью 7,8 и 9 баллов в ближайшие 50лет по категориям:- 1 – 0,5; 11 – 0,05;  111- 0,005  -  (100,1000 и 10000лет) с индексами  при цифрах:

    7₁ , 7₂ ,7₃  ;   8₁ ,8₂ ,8₃  ;  9₁ ,9₂ ,9₃  ;

-   показаны  эпицентры разрушительных землетрясений  и глубина очага; а также  для хорошо изученных землетрясений  с М ≥  7,1 приведены изосеймы  9-го балла с указанием года  землетрясений.

 

табл. 1-6  Категории повторяемости землетрясений в зонах 7, 8, 9 баллов

 

Характеристика                                                                              1 категория         2 категория           3 категория

Повторяемость, год                                                                          30…300              300…3000            3000…30000

Средняя повторяемость, год                                                               100                      1000                      10000

Землетрясение произойдет с вероятностью 0,95 не

раньше, чем через  … лет                                                                      5                           50                         500

 

Глава 2.  Сейсмическое микрорайонирование.

2.1.Динамические свойства грунтов.

При использовании  грунтов в качестве оснований  или  среды для возведения зданий и сооружений в сейсмических районах  главное значение имеют как механические свойства, характеризующие

 

 

способность данного  грунта воспринимать и передавать внешние воздействия, так и сейсмические волны, возбуждаемые землетрясением.

В случае совпадения собственных периодов колебаний  грунта и здания при землетрясении  часто наблюдается увеличение сейсмических нагрузок за счет резонансных явлений. Изменение интенсивности на поверхности земли за счет резонансных явлений в основном наблюдается тогда, когда на участке имеется однородная по сейсмической жесткости толща рыхлых отложений, подстилаемая коренными скальными или полускальными породами, имеющими значительно большую по сравнению с рыхлыми отложениями сейсмическую жесткость. Кроме резонансных явлений, большое влияние на интенсивность сейсмических воздействий оказывает влажность грунтов, определяемая глубиной подземных вод от поверхности земли.

Одним из важнейших  свойств грунтов, определяющих величину сейсмических сил, действующих на здание, является динамический эффект действия перемещения основания на здание. Коэффициент динамичности β по видам трех категорий.

При землетрясении  происходит перемещение верхних  слоев грунта вместе со зданием. Произведение веса здания на ускорение дает значение силы, которая действует на здание во время землетрясения.

 

Интенсивность землетрясений  и параметры колебаний грунта (табл. 1 Приложения 1):

 

Интенсивность      Интервалы максимальных.            Интервалы максимальных         Интервалы максимальных

  баллы               ускорений грунта,см/с, при         скоростей колебаний грунта,       смещений центра тяжести 

                             периоде 0,1с и более                             см/с                                         маятникаСБМ, мм

      6                      30…60                                                 3,01…6,0                                         1,5…3,0

      7                      61…120                                               6,1…12,0                                          3,1…6,0