工程地震学

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  工程地震学汉语拼音:Gongcheng Dizhenxue;英语:Engineering Seismology),地震学中为工程建设服务的一个分支,主要研究强烈地震运动及其效应。

  早期的地震学家主要把地震当作一种自然现象来进行研究,但亦涉及强烈地震时建筑物的破坏。1891年在日本发生了浓尾地震,1906年在美国发生了旧金山地震,1920年在中国发生了海原地震,1923年在日本又发生了关东地震。这几次地震造成了巨大损失和惨重伤亡,从而使地震及其防御的研究受到了社会的高度重视。1931年日本地震学者末广恭二美国讲学,讲题为“工程地震学”,侧重强地面运动的观测和建筑物振动性能的测量,这便是工程地震学成为学科名称的起源。1962年苏联C.V.梅德韦杰夫著有《工程地震学》一书,内容包括地震区划和小区划以及结构在地震作用下的反应。1983年日本又出版了金井清著的《工程地震学》,涉及了地震观测地震活动性、地面和建筑物的振动、地震破坏现象、工程抗震设计准则等方面。由此可见,工程地震学的领域还没有明确的界限,因时因人而异。

  1956年,第一届世界地震工程会议在美国举行。以后,这样的会议每四年举行一次,确立了地震工程学(earthquake engineering)这门学科。它的领域愈来愈广,概括了工程地震学的内容。中国这方面的代表作是胡聿贤的《地震工程学》。现在工程地震学和地震工程学作为学科名称并用,两者的范围虽有重叠,但各有侧重。就现状来看,工程地震学研究的主题大致如下:

地震宏观考察

  地震宏观考察,是工程地震学的基础工作,目的在于取得强烈地震造成的实际破坏现象和震时景物等各种反应的第一手资料。这种资料既可作为研究工作的依据,又可作为研究结果的验证。地震考察有悠久历史,如在中国,几千年前便有地震现象的记载。中国地震学者凭借这些记载,经过整理、筛选和分析,编成了中国古代地震目录、中国古今地震灾情总汇、历史地震震中分布图、中国的宏观烈度表、破坏性地震的等震线图等基础资料。中国工程地震研究在很大程度上依靠了这些资料。

  在地震学已经发达、地震仪器观测已经普遍开展的今天,地震宏观考察的意义仍然不减往昔。现在强震观测台网已大力布设,但覆盖面积极为有限,地震发生时仍不能不借助于宏观考察来绘制等震线图,研究烈度分布,判别发震构造。从工程角度看,地震现场是真正的试验台。在此台上,各类工程结构和地形、地貌的影响都受到实际地震的考验,使工程的抗震性能显露无遗。所以从地震考察中获得的经验仍然是抗震设计的重要依据,也是科学研究的源泉。半个多世纪以来,中国发生了多次毁灭性大地震,充分揭示了地震灾害的严重性,也为今后抗御地震提供了丰富的资料和经验教训。1920年海原地震和1927年古浪地震发生在黄土高原;1966年邢台地震发生在华北腹地;1970年通海地震发生在横断山脉;1975年海城地震和1976年唐山地震发生在滨海平原。各个地震的震害都充分表现了地区特点,也暴露了当地建筑的弱点。尤其是唐山地震的经验,说明即使是现代建筑物,若未经抗震设计,同样会在大地震中毁灭;也说明对地震危险性估计不足会带来严重的后果。

强震观测

  早期的地震观测主要为地震学服务,目的在于确定地震发生的时间、位置和大小以及其他震源参数,通常用灵敏度较高的仪器在远场观测地面的微弱震动以达其目的。服务于工程需要的强震观测则在于取得大地震近场地面运动过程和在它作用下建筑物反应过程的准确记录。由于大地震不常发生,仪器不值得经常运转,只宜在震时触发记录,所以观测仪器比较复杂,观测工作开展较晚。首批强震仪是1932年在美国设置的,有位移仪和加速度仪两种(前者以后没有发展),可以记录地面运动的全过程。这批仪器多设置在建筑物内,同时观测地面的运动和结构的反应。设置以后,很快就取得了有用的记录。

  在20世纪50年代,日本跟着开展了这项工作。到80年代全世界约有40个国家设置了强震观测台网,总共约有5,000台仪器,几乎全是加速度仪。尽管仪器有这么多,但和世界上地震区的总面积相比,覆盖密度还很低。所以积累的记录还远远不足分析之用,有意义的系统性记录并不多。1978年在夏威夷檀香山举行了第一次国际强震观测台阵会议。会议讨论了加密观测台网的计划并把研究地面运动作为首要目的;在全世界范围选择了28个最有希望取得记录的地区,作为优先考虑布设密集台阵的地区;同时提出了观测震源机制、波传播和局部场地影响各类台阵的设计原则。这是强震观测走向国际合作和更有计划地布设台阵的新起点。1994年1月美国北岭6.7级地震造成了300亿美元的经济损失,一年后的日本阪神地震造成的经济损失更高达1,000亿美元。这促使许多国家和地区的政府和研究机构进一步加强强震观测台网建设,如美国地质调查局在城市地区布设6,000台强震仪(3,000台自由场地上、3,000台结构内);日本在中国台湾集集大地震发生后,感到已有的台网密度仍需进一步提高,于是再增加2,000台数字强震仪。中国也加大了对强震观测台网建设的投资。

强震仪

  自20世纪30年代以来也有很大发展。最初的一类是直接光记录式的,即将光点投射到拾振摆上的镜片,再反射到感光胶卷或感光纸上以记录摆的振动。这类仪器经过几十年的不断改进,目前已经达到公认的可靠适用程度。第二类是20世纪50年代在日本发展的机械式仪器,其特点是用宝石笔尖在蜡纸上刻画出分辨率极高的记录迹线。第三类是电流计记录式,即由拾振器产生电信号,通过电流计的偏转以光记录的方式显示,其优点是便于在近距离进行多点观测,苏联最先使用,中国在20世纪60年代也生产和使用了这种仪器。第四类是模拟磁带式的,它把振动信号记录在磁带上,使用时经过回放和模数转换给出数据,避免了光记录或机械记录所需要的复杂而又费时的数字化程序。第五类是数字磁带记录式的。记录信号可以直接从磁带通过回放以数字形式输出,与计算机连用,而且有动态范围较大和能够贮存触发前信息等优点,但这种仪器尚在发展阶段。在发展上述仪器的同时,也研制了若干种简单的地震计,它不记录地震运动的全过程,只记录地面运动的加速度峰值或对应于一定周期和阻尼的地震反应谱值,意在降低造价、便于管理、能够广泛设置。但地震计的推广并不如理想那样快,原因是造价与加速度仪相比还不够低,而所得信息量却远不及加速度仪。

  强震记录的积累带来了记录的处理和利用的问题。已经取得的强震记录基本上都是模拟式加速度记录。首先遇到的是如何准确地进行数字化,确定记录上的零线和通过两次积分取得速度和位移等问题。这些问题经过30年的不断努力才得到解决,其原因是来自仪器本身和记录处理各个环节的误差十分复杂。1969年美国加利福尼亚理工学院地震工程研究室开始了一项处理强震记录的研究,经过数年,成功地建立了一套标准程序。包括:

  1. 模拟记录的数字化。这是用半自动的数字化设备实现的,同时还进行迹线和时标的光滑化以及零线的初步调整。这样处理后的记录称为未校正记录。
  2. 记录的校正。有两种:一种是对未校正记录的高、低频的滤波,滤掉可靠频段以外的噪声和信息,以消除数字化过程中的随机误差;另一种是对仪器动态响应失真的校正。
  3. 反应谱分析。包括在不同阻尼下的加速度、速度和位移反应谱。
  4. 傅里叶谱分析。应用了消除泄漏效应和混淆误差的技术。数据处理的技术仍在不断发展之中。当前的趋势是采用全自动数字化技术。将所有强震记录贮存于计算机中;建立数据库,以便进行处理和提取。同时引用信息论的成果,在强震记录中提取更多的信息。

近场地面运动

  地震造成的破坏主要来自地震近场的地面运动,因此地面运动特性成为工程地震学的主要研究对象之一。从理论上说,地面可以有三个坐标方向的平动和绕着三个坐标轴的转动。但目前的观测和研究还只限于三个方向的平动(两个水平向和竖向)。

  地震破坏作用应当用什么地面运动参数来表达是首要的研究课题。由于人们长期采用宏观烈度表来衡量地震破坏作用,寻求与烈度对应的单一地面运动参数一直是研究者追求的目标。迄今研究过的参数不下十余种,它们或者是直观的地面运动的某种幅度,或者为标志地面运动总体破坏力的某种数量。这些参数与宏观烈度的统计关系已经在工程实践中应用,其缺点在于单一参数与地震烈度的相关性较差。地面运动是非常复杂的时间变化过程,其破坏作用涉及地震的强度、地震波频谱构成和地震持续时间,很难用单一的物理参数来表达。尽管人们还没有放弃这种努力,但目前的倾向是采用多种参数来表征地震破坏力。这个问题的圆满解决还有待于对地震作用下结构破坏机理的认识的深化,也有待于更多的大地震近场观测记录的积累和大比例尺模型破坏性试验的发展。

  在工程抗震设计中,通常只考虑地面运动较大水平分量的作用。很明显,另一个水平分量和竖向分量的作用有时也不可忽视。尤其在极震区,竖向分量可能会大于水平分量。所以地面运动多个分量的组合作用也逐渐为研究者所注意。由于地震波的波长通常远远超过工程结构的尺寸,在工程结构的设计中一般不考虑地面运动的相位差。但对于某些特大尺寸的结构,例如管道、长桥、大坝等,相位差的影响不能忽略。因此关于近距离地面运动的变化及其相关性的研究也在发展之中。

  近场地面运动的时间过程极不规则,通常被视为随机过程。由于地面运动的随机性,按照确定的地面运动过程进行工程抗震设计失去了意义。解决这个问题有两个途径。其一是采集在给定条件下的成组的实际地面运动记录作为设计依据;其二是用人工合成方法拟合地面运动的统计特征,产生一系列的随机的地面运动过程。常见的拟合对象是给定的地震反应谱或傅里叶谱。

  地面运动的衰减规律通常用统计方法建立。首先把地面运动参数写成震级震源距离的函数,再根据大量观测数据导出回归公式。随着观测数据不断积累,这种经验公式也不断更新。经验方法的缺点在于未能考虑震源性质、传播途径和场地条件等因素,以致观测数据相对于经验公式的离散性很大;再则由于经验公式的局限性,外推到近距离地面运动不够准确。目前的趋势是将地震学的理论研究和统计方法结合起来,建立半理论、半经验的地面运动衰减规律,已有可喜的进展。

地震区域划分和地震危险性分析

  地震区域划分和地震危险性分析,是旨在给工程场地提供在未来一定时期内可能遭受地震袭击的危险程度(简称地震危险性),以便采取适当的防御措施。地震危险性有两重意义:其一是指地震的烈度,其二是指其发生的概率

  地震危险性可以用不同的方式方法来表示。它可以按危险性高低分区的地图形式来表示,也可以用预测的地面运动参数的等值线图来表示;可以用确定性的预测数据来表示,也可以用给定的概率下的数据来表示。由于早期的工作是以地震区划图的形式出现,所以地震区域划分这个名词沿用至今。地图形式适用于大量的一般工程的抗震设计、抗震加固和规划工作。对于特别重要的工程,如大型水利工程枢纽、核电站、海洋平台,设计者往往不能满足于区划图的简单规定,而要求针对以工程场地为中心的数百千米范围内的地震活动性地震地质作特殊研究,进行地震危险性分析,最后给出作为设计标准的地震烈度(宏观烈度或地面运动参数)。设计标准通常要求分两级。高的一级为一定时期内工程场地可能遭受的最高地震烈度,在此地震下,要求工程设计保证建筑物不致倒毁和保障人身安全。低的一级为工程场地可能常遇的地震烈度,在此地震下,要求工程设计保证建筑物可以照常使用。

地震小区划

  这是相对于地震区划而言。地震区划是从大范围划分地震危险性不等的区域;地震小区划是在局部范围分清对抗震有利或不利的场地,着重研究场地条件对地震烈度(广义的)的影响。地震小区划这个词最初见于梅德韦杰夫的文章。他根据场地地基的软硬,地下水位的高低、波速的快慢,将地震区划所规定的烈度作增减的调整。场地条件对地震烈度的影响是很复杂的,这是一种简单的、纯经验的处理方法。地震小区划的意义则为国际上所公认。当前的趋势是从多方面来评价场地的优劣,绘制各种小区划图件,供抗震设计者考虑采取针对性的抗震措施和土地利用方法。

  影响地震烈度的场地条件固然复杂,但概括起来,主要有三个要素:

地基土质

  早在1906年旧金山地震和1923年关东地震之后,人们就意识到地基土质对震害的影响。日本学者注意到刚硬地基对柔性结构有利,而软弱地基对刚性结构有利;还认为在不同性质的地基土(包括土质和覆盖厚度)的情况下,地面振动有不同的卓越周期,而卓越周期又可以从平时地脉动中测出。金井清还从理论上提出,卓越周期是由于地震波在地基土层的表面和基底岩层界面之间的多次反射所形成,因而与覆盖土层的厚度有密切关系。美国自20世纪30年代以来发展了地震反应谱理论,并取得了大量的强震地面运动观测记录。在此基础上研究了地面运动峰值、地震反应谱特性、地震持续时间等要素与地基土类别的关系。通常把地基土按其坚硬程度,从基岩到软弱土层,分为3~4类,利用强震观测记录作统计分析。一般的结论是,基岩上的运动具有频率较高、频带较窄、持续时间较短的特点;而在软弱土上的情况则相反。大量的宏观现象表明基岩上建筑物的破坏要比一般土层上小得多。在理论工作方面,流行的方法是假定地震波以剪切波的形式从基岩竖直射入表土层,再根据波传播理论计算地面的运动过程及其频谱特征。这样土壤的分层及其刚度的变化都能得到反映。应用同样的理论可以根据在地面上的观测记录反演基岩界面上的运动。目前的研究已进入到地震波入射角度的影响和表面波的影响,以及土层变化的二维和三维问题。

  饱和砂土的液化是地基土质影响中的一个独特问题。砂土的稳定是依靠砂粒间的摩擦力来维持的。在地震的持续震动之下,砂土趋向密实,迫使孔隙水压力上升、砂粒间的压力和摩擦力减小,进而使砂土失去抗剪能力,形成液态,失去稳定。因此液化的形成决定于地震的强度和持续时间、砂粒的大小和密度、砂层的应力状态和覆盖厚度等因素。在宏观现象上,砂土液化表现为平地喷砂冒水,建筑物沉陷、倾倒或滑移,堤岸滑坡等。1964年美国阿拉斯加地震、1964年日本新潟地震、1975年中国海城地震和1976年中国唐山地震都有饱和砂土的液化现象。探明液化机理,寻找预测、预防措施,成为各国重视的课题。

地形

  由于一般城镇多半建设在平坦地区,地形问题不大为人重视。但中国地震区有很大部分位于崇山峻岭,地形十分复杂,城镇村落无法避开,地形的影响值得重视。中国历次大地震的经验表明,孤立的小山包或山梁顶上的烈度比山下较高。反过来,低洼地的烈度是否低则不甚明显。从地震波的传播来探讨地形影响的研究已经有人进行,但作出结论为时尚早。

局部地质

  最主要的是断层影响。地面上的断层随处皆有,但有活动与否、深浅、大小、破碎带宽窄、断面倾角陡缓等的差别。地震时断层对烈度、对震害的影响如何是不清楚的。宏观现象表明,紧靠地震断裂两侧的震害是严重的,如中国1970年通海地震、1973年炉霍地震均如此。强震观测亦表明断裂两侧的地面震动是剧烈的,如美国帕克菲尔德地震圣费尔南多地震均如此。但在一些地震时没有活动的断层上就看不出有震害或震动加剧的现象。难点在于在地震发生之前,无法预测哪些断层会在地震时活动,因而如何对有断层通过的场地进行评价还是一个悬案。此外,地震时山崩滑坡在很大程度上决定于局部地质,如岩层的形成和风化历史、岩质和倾角等。这个问题在山区很重要,但研究者甚少。

  在实践中地震小区划的方法大致有:

  1. 绘制详细的地震、地质、地形等图件作为小区划的基础资料;
  2. 测量地基土层的波速、地面脉动的频谱和卓越周期等物理参数,并参考土壤钻探资料划分地基类别,根据地基类别采用不同的设计反应谱;
  3. 根据地震危险性分析结果,在基岩界面上输入相应的地震波,考虑土壤特性和局部地形的影响,计算地面运动的过程;
  4. 根据土样试验和现场贯入试验,判别土壤液化、震陷等地基失效的可能性;
  5. 最后以地图形式在研究的小区域内将预测的烈度、地面运动以及各种震害的分布状况反映出来。

近场地震学

  传统地震学是从地震远场效应来研究震源情况和地球介质性质。这里有两个简便之处,一是震源可近似地视为点源;二是可以对震相分别进行研究。但这样做会丢掉许多近场高频信息。当地震学为工程服务的时候,这种对近场效应的忽视就不能容许,因为工程上所感兴趣的地域恰恰是逼近震源一二百千米的范围之内。强震观测工作就是针对这个范围进行的。由于工程上的需要和强震观测工作的促进,在20世纪60年代关于地震近场效应的研究日益发展,这个学科逐渐以“近场地震学”或“强震地震学”见于文献。它研究的主题是近场地面运动和震源机制的关系。

  根据研究,浅源构造地震的发生是由于地壳岩石在弹性应变积累到一定程度时,突然破裂并由点及面以波速量级的速度扩展,导致应变陡然释放,破裂面两侧相对错动,同时发射出地震波。位错理论是这一过程的数学模拟。位错应该是空间和时间的函数(称为震源函数)。位错理论在震源模式和近场地面运动之间建立了数学联系,使人们可以进一步研究两者之间的定量关系。位错模式是震源机制的运动学模式。更进一步还有动力学模式。通常假定在破裂面上,由于黏性或脆性破裂,初始的剪应力突然下降到摩擦力,相当于在破裂面上施加一定的有效应力(称为应力降),引起破裂面两侧相对滑动。近场地震学就是根据这两个一般性震源模式,进行两方面的研究:第一,建立能够解释高频地面运动观测资料的震源模式并测定其参数;第二,从震源机制预测近场地面运动。

  近场地震学最重要的进展之一是从观测和理论两方面证明了震源破裂过程的复杂性。破裂面上应力降的分布很不均匀,高应力降一般只发生在面积很小的区域内,这些小区域为大面积的低应力降区域所包围。这种复杂性是由断层面的几何不规则性和破裂强度或构造应力沿破裂面的非均匀分布所造成。它引起破裂波前的变速运动,并由此发射出高频地震波。这一认识导致一系列研究,包括:确定性的和随机的非均匀震源模式,高、低应力降区域大小之比,近源加速度与速度的上界,高频地面运动复杂性的解释,以及高频地面运动的过程和峰值的预测。

  近场地面运动的另一重要特征是它的方向性,即在断层破裂传播方向上地面运动显著增强。这个辐射能量的聚焦效应发生在一个狭窄区带内,地面运动增强程度主要取决于破裂传播速度。沿破裂长度的平均破裂速度一般小于剪切波速,但在破裂面某些部位可能接近压缩波速。此外,发震断层的类型对近场地面运动也有影响。例如,逆断层产生的加速度峰值一般大于正断层所产生的加速度峰值。