20.11.2024
Заведующая лабораторией инженерной сейсмологии и интерпретации сейсмических наблюдений ИФЗ РАН, доктор физико-математических наук Ольга Витальевна Павленко опубликовала монографию‘Seismic Waves in Soil Layers’(«Сейсмические волны в грунтовых слоях»).
Характер и распределение разрушений при землетрясениях в большой степени определяются откликом приповерхностных грунтов на сейсмические воздействия, и это издавна отмечалось сейсмологами. Локальным эффектам землетрясений, связанным с грунтовыми условиями, всегда уделялось большое внимание в практике инженерной сейсмологии, поскольку большинство урбанизированных областей на земном шаре расположены в долинах рек, на мягких осадочных отложениях.
Помимо эффектов поверхностной топографии и топографии внутренних границ установлены следующие основные механизмы преобразований сейсмических волн в грунтовых слоях: усиление сейсмических колебаний в приповерхностных слоях, характеризующихся меньшими значениями сейсмических скоростей и плотностей, резонансные явления в верхней части разреза и нелинейность связи напряжение-деформация. При сильных воздействиях поведение грунта может стать нелинейным, и оценка отклика грунта усложняется: отклик начинает зависеть не только от состава и водонасыщенности грунтовых слоев, но и от интенсивности и спектрального состава сейсмического воздействия.
Нелинейность отклика грунта приводит к изменению, иногда очень существенному, форм и спектральных составляющих, распространяющихся в грунтах сейсмических волн; резонансные частоты грунтовых слоев оказываются зависящими от интенсивности сейсмического воздействия и при сильных воздействиях заметно снижаются относительно значений, определяемых при микрорайонировании по записям сейсмического шума или слабых землетрясений. При сильных воздействиях изменяются реологические свойства грунтовых слоев, что часто связано с перемещением грунтовых вод.
Землетрясение Тохоку показало новые эффекты поведения грунтов при длительных сильных сейсмических воздействиях, связанные с отвердением грунта и генерацией аномально высоких ускорений.
В настоящее время оценивание отклика грунта при сейсмических воздействиях – один из наиболее важных и проблемных вопросов инженерной сейсмологии. Знание вероятных параметров сейсмических колебаний на поверхности грунта необходимо для расчета спектров реакции, динамических напряжений и деформаций, которые могут вызвать нестабильное поведение грунта и разрушение построек, для оценивания возможности разжижения грунта.
Поведение грунтов в условиях динамического нагружения рассчитывается на основе измерения их динамических характеристик, и к настоящему времени разработано множество полевых и лабораторных методов определения динамических параметров грунтов в области малых и больших деформаций. Однако они дают лишь ограниченную информацию: результаты измерений одних и тех же параметров одних и тех же грунтов, полученные лабораторными и полевыми методами, часто не совпадают, также остаются различия между условиями динамического нагружения грунтов в их естественном залегании,in situ, и их лабораторными и полевыми аналогами. Наиболее перспективным подходом признано изучение поведения грунтов при сейсмических воздействияхin situ,интерпретация записей вертикальных (скважинных) сейсмических групп.
С 1990-х годов для изучения отклика грунта в мире развиваются сети вертикальных сейсмических групп: Kik-Net (Япония), DART (Тайвань), SCEC (Лос-Анжелес), Bay Bridges (Сан-Франциско) и другие, создаются базы данных по сильным движениям. Вертикальные группы предназначены для детального изучения отклика верхних десятков метров грунта, наиболее важных с инженерной точки зрения. Накопленные к настоящему времени записи сильных землетрясений позволяют продвинуться в решении этой проблемы.
В монографии описана методика анализа записей вертикальных групп, разработанная в начале 2000-х автором в сотрудничестве с профессором К. Ирикурой (DPRI, Kyoto, Japan). Методика позволяет построение нелинейных изменяющихся во времени численных моделей поведения верхних десятков метров грунта (вертикальных распределений нелинейных зависимостей напряжение-деформация в грунтовых слоях)in situпри сильных землетрясениях на основе записей вертикальных сейсмических групп. Построенные модели свободны от априорных предположений о поведении грунтовых слоев и характере протекающих в них процессов; критериями их достоверности является хорошее согласие зарегистрированных и рассчитанных акселерограмм, физическая корректность полученного описания поведения грунта при сильных движениях, и подобие моделей, построенных по разным компонентам записей. Численные модели поведения грунта позволяют визуализировать колебания, возбуждаемые в грунтовых слоях при сильных движениях, и в численных экспериментах детально исследовать поведение грунтовых слоев и преобразования распространяющихся в них сейсмических волн.
Применение методики рассматривается на примере наиболее известных и изучаемых сейсмологами в последние годы сильных землетрясений. Землетрясения 1995 г. в Кобе (MW = 6.8, глубина очага 21.9 км), 2000 г. в Тоттори (Mw= 6.7, глубина очага ~10 км) и тайваньское землетрясение 1999 г. в Чи-Чи (Mw= 7.6, глубина очага ~8 км) относятся к разряду событий, обладающих большим разрушительным эффектом: их моментные магнитуды достаточно высоки при небольших глубинах очага, так что разломы практически выходят на земную поверхность.
Мега-трастное землетрясение Тохоку предоставило новые уникальные записи сильных движений на большом числе станций вблизи очага. Построенные модели поведения грунта при этом землетрясении помогли понять механизмы генерации аномально высоких ускорений при землетрясении Тохоку.
Построенные модели поведения грунта можно использовать в численных экспериментах по исследованию преобразований интенсивных сейсмических волн в грунтовых слоях. На основе развитых в системном анализе методов нелинейной идентификации, теории и методологии Вольтерра-Винера определяются типы и количественные характеристики нелинейности отклика грунта.
На основе полученных результатов и оценок сформулированы рекомендации по учету нелинейности отклика грунта для сейсмического микрорайонирования.
Основные результаты получены в ходе выполнения инновационных научно-исследовательских работ в Институте физики Земли РАН (Москва). Часть результатов получена в рамках выполнения научно-исследовательских программ JSPS (Japanese Society for the Promotion of Science) в лаборатории Сильных Движений Института по Предотвращению Стихийных Бедствий (Disaster Prevention Research Institute) Университета Киото (Япония) в соавторстве с профессором Коджиро Ирикурой и NSC (Национального Научного Совета) Тайваня, в работах в Национальном Исследовательском Центре по Инженерной Сейсмологии Тайваня (National Center for Research in Earthquake Engineering).
Дополнительная информация:
Полная версия книги‘Seismic Waves in Soil Layers’.