Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Вероятностное прогнозирование спектрально-временных параметров сейсмических воздействий

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Вероятностное прогнозирование спектрально-временных параметров сейсмических воздействий"

АКАДЕМИЯ НАУК СССР 01'ДЕНА ЛЕНИНА ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ЗЕЛШИ им. О. ГО. Ш.ПИДТЛ

На прапах рукописи СОКОЛОВ Владимир Юрьевич

УДК 550.343

ВЕРОЯТНОСТНОЕ ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СПЕКТРАЛЬНО-ВРЕМЕННЫХ ПАРАМЕТРОВ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

04.00.22 — Геофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации па соискание ученой степени кандидата физико -М ПТСМП.Т'1 чсских и о.у к

Д10СКВА— 1990 Г.

Работа выполнена в Институте сейсмологии Академии

Наук УзССР

Научный руководитель: доктор физико-математических

наук В. В. ШТЕЙНБЕРГ

Официальные оппоненты: доктор физико-математических

наук А. С. АЛЕШИН

кандидат фнзнко-математпчес-ких наук А. В. СУВИЛОВА

Ведущее предприятие: Институт Морской Геологин и

Геофизики ДВО АН СССР

Зашита диссертации состоится « 22 » ЦОЯбрЯ 1990 г. в часов на заседании Специализированного Совета

К 002.08.04 по геофизике Института физики Земли АН СССР г. Москва!, Д-242, Б. Грузинская, 10.

С днссеэтацпсй можно ознакомиться в библиотеке ИФЗ ЛИ СССР 4

Автореферат разослан " " октября 1990

Ученый секретарь совета кандидат физико-математических паук Г. Л. КОСАРЕВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы: Для проектирования здании и сооружений в сейсмоопасных районах необходима исходная информация о спектрально-временных характеристиках сейсмических колебаний в конкретном регионе с учетом повторяемости возможных землетрясений. К настоящему моменту разработали общие схемы решения задач оценки сейсмической опасности территорий, позволяющие учитывать как вероятность возникновения землетрясений в данном месте в заданный промежуток времени, так и вероятность проявления сейсмического эффекта данной силы; на основе анализа инструментальных данных проводится количественное вероятностное прогнозирование сейсмических воздействий с целью районирования территории разного масштаба, в процессе чего были получены важные с практической точки зрения результаты. Оадако, ряд вопросов, связанных, например, с вероятностным прогнозом воздействий в терминах спектральных параметров и • временных функций колебаний, учитывающим региональные и локальные особенности формирования сейсмического излучения, остаются недостаточно разработанными как в методическом отношении, так с точки зрения получения практических результатов в конкретных сейсмоопасных регионах. -1

Одним из основных природных фактороь, влияющих на спектрально-временные характеристики колебаний, являются локальные грунтовые условия , которые в ряде случаев явились основной причиной повреждения зданий и сооружений. Это в свою очередь ставит задачу изучения особенностей реакции грунта на сейсмические воздействия при всех потенциально опасных землетрясениях различных магнитуд. Особенно актуаль-. ным является рассмотрение особенностей колебаний грунта

ний грунта вблизи очагов землетрясений, где сейсмическое воздействие максимально.

Изучение этих вопросов и составляет основное содержание данной работы.

дель ксследовагош - развитие м усовершенствование существующих методов количественного прогнозирования сейсмических воздействий с учетом современных требований сейсмостойкого проектирования.

В соответствии с этим решались следующие задачи:

- изучение особенностей реакции грунта на сейсмические колебания вблизи протяженного очага землетрясения;

- разработка в задачах оценки сейсмических воздействий практических расчетных схем по учету локальных грунтовых условий при

-> наличии сложной совокупности факторов, влияющих на колебания поверхности;

- усовершенствование существующих вероятностных методик количественной оценки сейсмической опасности для прогнозирования опектрально-временных характеристик колебаний;

- практическое применение разработанных расчетных схем и методик при прогнозироваюш сейсмических воздействий в различных. сейсмогеологических условиях Узбекистана

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. На основе анализа экспериментальных данных и результатов , численного моделирования чсследована и описана зависимость упругой реакции грунта на сейсмические колебание в ближней зоне очага землетрясения от неоднородностей процесса вспарывания и геометрии очага землетрясения, а также взаимного расположения очага и точки наблюдения.

2. Предложено рассматривать функции усиления колебаний за счет локальных грунтовых условий в вероятностной форме, по-

скольку очаговые факторы наряду с зависимостью реакции грунта эт строения и свойств грунтовой толщи, амплитуды и длитель-юсти сейсмических колебаний создают физических механизм случайности.

3. Разработаны модификации общей схемы вероятностного прогнозирования сейсмических воздействий, включающие в себя : а) вероятностный учет локальных грунтовых условий, принимающий во внимание возможные вариации реакции грунта на близкие и далекие землетрясения различных магнитуд; б) оценки возможных сейсмических воздействий в спектрально-временной форью. Разработаны соответствующие вычислительные программы для ЭВМ серии ЕС ЭВМ и IBM PC.

4. Разработанные методики и расчетные схемы применены для вероятностного прогнозирования спектрально-временных характеристик сейсмических колебаний (спектры Фурье, спектры реакции, кривые динамичности н синтетические акселерограммы) в сейсмоопасных районах Узбекистана.

На защиту выносятся:

1. Выявленные особенности реакции грунтовой толщи вблизи протяженного очага сильного землетрясения.

2. Вероятностное представление параметров реакций грунта при прогнозе возможных сейсмических воздействий и5практические методы учета грунтовых условий в общей схеме оценки сейсмической опасности.

3. Расчетные схемы вероятностного прогноз!фования спектрально-временных параметров сейсмических колебаний.

4 Результаты практических оценок сейсмических воздействий на территории Узбекистана

Практическая ценность работы. Проведенные исследования и разработанные методики позволяют прогнозировать важные с точки

зрения сейсмостойкого проектирования спектрально-временные параметры сейсмических колебании с учетом локальных особенностей формирования сейсмического излучения. Преимуществом данных расчетных схем является возможность совместного учета неопределенностей, связанных со временем и местом вознигжшения землетрясения и с возникновением при этих землетрясениях сейсмического эффекта дшшого уровня. Возможность оценки параметров воздействий с определенной вероятностью непревышения позволит проектировщикам выбирать сейсмические нагрузки с учетом степени ответственности конкретного сооружения.

Разработанный способ оценки ьикросейсмического эффекта по спектру колебаний грунта внедрен в 1,!ннэнерго СССР с экономическим эффектом 39 тыс. рублей. Материалы по записям сильных землетрясений Узбекистана вошли во Всесоюзный и Международный банки геофизических данных, а такке переданы для использования в ряд научно-исследовательских н проектных организаций Минэнерго СССР. Разработанные методики ^пользованы при исследованиях по сейсмическому шфорайонированио г. г. Ахангаран, Газли, Каган, Коканд, Еекабад, Советабад и др. в Узбекистане а такие при оценке сейсмической опасности территорий строительства отдельных об&ектов в Узбекистане-, Приморье и на о. Сахалин.

Полученные результаты могут быть использованы при исследованиях по физике очага землетрясения, научных, методических ; и практических исследованиях по оценке сейсмических воздействий и сейсмической опасности, сейсмическому микрорайонирова-шсо и сейсмостойкому проектированию.

Аппробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на:

- Всесоюзном совещании "Опыт Газлийских землетрясений и

D

направления дальнейших исследований" (Ташкент, 1985);

- Всесоюзной конференции молодых ученых (Суздаль, 1985);

- Сессии КАПГ "Расчетные и статистические методы изучешм колебаний в слоистых средах" (Москва, 1907);

- Международной конференции по Вычкслительнъм наукам ICES -88 (Атланта, ОНА, 1988);

- Всесоюзной школе семинаре "Физические основы прогнозирования разрушения горных пород" (Иркутск, 1988);

- Международной конференции "Анализ сейсмичности и сейсмический риск" (ЧССР, Прага, 1989);

- научные семинары в Институте физики Земли АН СССР и в Интитуте сейсмологии АН УзССР.

В постанов.че и проведении исследований по теле диссер-тадии большую помощь сказали д. ф. -м. н. В. В. Штейнберг, д. ф. -м. н. 10. К. Чернов. В процессе работы ценные советы и замечашгя были получены от д. ф. -м. н. Н. В. Шебалина, д. ф. -м. а А. С. Бы-ковцева и к. ф. -м. il В. 1.1 Грайзера. Автор выражает км самую . глубокую благодарность.

Публикации. Основное содержанке работы отублкховано в 7 статьях.

Структура и обьем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, включающего 174 наименования, в том числе 67 на иностранном языке, общим ' обьемом 150 страниц машинописного текста. Работа иллюстрирована 46 рисунками и 10 таблицами.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ В первой главе рассматривается современное состояние вопроса по прогнозу спектральных параметров и временных функций (акселерограмм) сейсмических колебаний; рассмотрены факторы, определяющие короткопериодное излучение вблизи о^ага землетрясения; обоснован выбор основных направлений исследований, развиваемых в диссертации.

Потребности современной строительной практики обусловили появление значительного количества работ, посвященных анализу и прогнозу спектральных параметров (Ю.ЕРизниченко, В. В. Штейнберг, С. С. Сейдузова, Дж. Андерсон, II Д. Трифунас, Ю.К.Чернов, А. А.Гусев и др.) и временных функций (акселерограмм) колебаний (Я М. Айзенберг, НДженнингс, Э. X. Ванмарке, Ю. Ф. Копничев, 111 Г. !1апетваридзе, М. Д.Трифунас,А.В.Сувилова, М. П. Салганик и др.).

Разработанные методики прогноза спектров колебаний позволяют на основе экспериментальных данные о сильных движениях грунта оценивать возможные сейсмические воздействия при землетрясениях различной силы и удаленности. Однако, в большинстве случаев эти оценк>1 ограничены рядом упрощений: расчеты проводятся на среднемировом уровне и не учитываются локальные и региональные особенности излучения, не проводится совместный учет вероятностей возникновения землетрясения в пространстве и во времени и вероятности проявления Сейсмического эффекта данной силы.

Приемы моделирования акселерограмм колебаний можно разделить на два подхода: подбор реальных записей и расчет искусственных акселерограмм. Возможности первого подхода ограничены небольшим объемом (или полным отсутствием) реальных

акселерограмм сильных движений в конкретных регионах. Во втором подходе можно также условно выделить два направления - прямой детерминистский расчет колебаний от различных моделей источника и вероятностное моделирование акселерограмм при помощи квазистационарного Гауссовского процесса.

Детерминистасие модели (к которым можно отнести и подбор реальных записей) описывают лишь один конкретный очаг землет-трясения, и использование их в задачах прогноза сейсмической опасности затруднено. В то же время вероятностное моделирование акселерограмм, которое получило наибольшее распространение в практике инженерной сейсмологии и сейсмостойкого строительства, способно в той или иной степени описать возможные характеристики колебаний при всех будущих землетрясениях. Основной задачей при этом является оценка исходных параметров для генерирования акселерограмм, которые позволяли бы учитывать региональные и локальные особенности формирования сейсмического излучения и вероятность возникновения землетрясения во времени. Для практических расчетов одним из основных является требование минимального числа параметрор и простота использования, в то же время как существующие расчетные схемы не всегда полностью удовлетворяют этому.

Учитывая то обстоятельство, что прогноз возможных сейсми ческих воздействий имеет особую важность лблизи очага земле 'рясения, где воздействие максимально, больше внимание уделено рассмотрению основных факторов, определяющих высокочастотное излучение на сравнительно небольшое расстояниях от очага. Результаты численных экспериментов, лабораторное моделирование и анализ записей сильных движений свидетельствуют о том, что на характер сейсмических колебаний оказывают влияние неоднородности процесса вспарывания, распределения подвижки и геометрии

очага землетрясения (Ш.Дас, КАки, Р.Мадариага, Б. В. Костров, ИВ.Шебалин, С.Д.Виноградов, А.А.Гусев, В.М.Грайзер, А.С.Бы-ковцев, Г. И Черепанов); строение и свойства рыхлой грунтовой толщи и особенности поведения грунтов при интенсивных воздействиях (Ш. Окамото, Х.Б. Сид, И. М. Идрисс, Э. Фаччиоли, Д. Резендиц, В. В. Штейнберг, Л И. Ратнинова, А. Н. Ковшов и др.), а так ке поверхностный и погребенный рельеф местности (Д. Бур, М. Буши, В. В. Штейнберг, Я Д. Трифунас, К. Аки и др.)

Однако, в большинстве случаев влияние очаговых и локальных грунтовых факторов на сейскшчесюю колебания поверхности рассштриваются независимо друг от друга, что не всегда соответствует реальности. Ряд Зкспершзеитальных исследований свидетельствует о том, что реакции грунта на колебания в ближней зоне не всегда удается описать в рамш шдалэй, пршвшшоаук во внимание только строенлэ и свойства грунтовой толщи, а тш:-ке исгенсшюсть сейсмических воздействий. Высказываются пред-поломешы (Ю. К: Чернов, С. П. Джарпе и др.), что в ближеи зоне на формирование реакции грунта оказывают влияние очаговые фактора

Во второй главе рассмотрено влияние различны: неоднород-ностей вспаршшш и гео,\:отр;ш очага землетрясения, на дшши-чесгаш параметры колэбашв! (амплитуды, длительности, спектральный состав) поверхности и особенности реакщвг рыхлой грунтовой толщи ш сешлжсжэ колебаши вблизи протяженного очага землетрясений. Из-за ограниченного обьема ¡а,:9;вщзися ннс-* трумзнталымх данных га сильным двизхенняы грунта и ледоз.'ж-кости решшя задачи чисто экспериментальным путе;.! значительный обьеы исследований выполнен на основе численного моделирования. . ,

При анализе высокочастотных колебашй вблизи сло;шопост-роенного очага землетряссюи использовалась модель процессов

азрушения, происходящих в очагах тектощмеских землетрясешш, оторая основана на скачкообразном вспарывании системы разры ов вдоль криволинейных кусочно-глад»« траегаорий (А. С. Быков ев, Г. П.Черепанов). Для проверки адекватности данной модели еальным землетрясениям проведено моделирование колебании по-эрхности для одного из наиболее изученных очагов - землетря-энмя Сан Фернандо 1979 г', в США. Сопоетавлеюю рассчитанных «тений поверхности с аналогичными результата)-«, полученными Хеатоном и Д. Хелмбергером, показало хорошую сходимость.

Моделировались различные типы неоднородностей, присутствуйте в реальных очагах землетрясений: неплоский криволинейный 1аг, скачкообразное вспарывание и неоднородное распределение )движки по плоскости очага Рассматривались варианты с одно-двухсторонним вспарыванием.

Особенности реакции грунта на колебания в ближней зоне ютяженного очага землетрясения рассматривались при помощи тода расчета колебаний горизонталь но-слоистых толщ в упру-й стадии (Л. И. Ратникова). Выбор упругой модели определялся м, что при сравшя'ельной простоте использования она способ-удовлетворительно описывать реакцию грунта в широком диа-зоне амплитуд колебаний (максимальные ускорения до 0.7 цающий на подошву слоистой толщи сейсмический сигнал расс-гывался с использованием трех различных сложных моделей 1гов землетрясений, приближенных к реальности. Учет влияют дпа произведен путем пересчета сейсмических сигналов в фаЗУ волн от различных участков моделей протяженных очагов метрясений к точкам на поверхности грунта с последующа , {¡дарованием для получения общего колебания. В каюстве рас-гных моделей грунтовых толщ Еыбракч несколько вариантов ре-,ных разрезов (мощностью от 20 до 180 метров, число слоев

от 1 до 6).

Численное шделирование сложных протяженных очагов землетрясений показало, что динамические параметры колебаний свободной поверхности вблизи очага могут меняться в широких пределах в зависш.юсти от сложности (количества леоднороднос-тей различного типа, направлеюи вспарывания) очага землетрясения и азимутального распределения излучения. При незначительных вариаций гипоцентральных расстояний (10-15 км) максимальна амплитуды ускорений для различных моделей очагов заменялись от 0. 2 до 0. б а максимальные амплитуды смещений - от 10 до 40 см. Уровень высокочастотной части спектра повышается с увеличением числа неоднородностей на разрыве и на азимутах, близких к направлению вспарывания. Влиянием очаговых факторов наряду с локальными грунтовыми условия№1 молено объяснить существенный разброс динамических параметров колебаний в ближней зоне землетрясений одинаковых магнигуд (В. В. Штейнберг, Ю. II Чернов). В целом данные моделирования соответствует ранее полученшм результатам! (К Аки, Р. Мадариага, У. Джойнер, В. М. Грайзер, В. В. Штейнберг и др.) о зависимости короткопериоднш колебаний от особенностей распространения

разрыва и в данном случае свидетельству}!« о возможности су>

явственного'изменения параметров колебаний однородных полускальных грунтов при будуцкх землетрясениях одинаковых магни-туд.

Анализ колебаний поверхности различных моделей грунтов в упругой стада: погазал, что в ряде случаев значения максимальных амплитуд ускорений Амах на гшоцентральных расстояниях, сравщаих с размерами разрыва, в большей степени определяются взаимным расположением точки наблтдения и разрыва, а также особенностям)! вспарывания и геометрии очага, чем ло-

30-,

15

0.40

1

1.20

2.00

10 -щ

1 -

10

* о

о. г

® * х © ® ^

, * ®б »

И 1--1

6 3 10

V, Нг

Рис. 1 Гистограмма распределения увеличений максимальных амплитуд (а) и значения спектральных характеристик (б) для одной из моделей грунта. Различными символами показаны данные для разных моделей очагов.

о

калыпЛш грунтовыми условиями. При удалении от разрыва зто соотношение меняется в обратную сторону. Измэняккцийся в зависимости от особенностей вспарывашм разрыва и азтуталъкого' распределения излучения частотный состав колебаний, а та]; же сложная шперферегщия волн, излучаемых различим! участками протяженного очага, подходяща к годоаве рыхлого слоя под различными углами и временными задержками, приводят к тому, что увеличение амплитуд колебаиш за счет реакции слоя грун-.та ткет меняться в 2-3 раза, а спектральные характеристики слоя, полученные при различных ко.-эбанзгах, будут обладать разбросом до 0. 6-1. О лог. ед. (увеличение в 4 - 10 раз) (Рис.1). Следует отметить, что в данном случае разброс да"-ных обуславливается только очаговыми факторами.

В третьей главо на основе методики количественной оценки сейсмических воздействий (Ю. К. Чернов) усовершенствовали

расчетные схемы вероятностного прогноза стиральных параметров колебаний (спектры Фурье и спектры реакции), принимающие во внимание неопределенность в детальном предсказании поля сильных дыгадаш при возннкновеюш конкретного очага землетрясения и неопределенность в самом возникновении этого очага в данном месте в заданный промежуток времени. Анализируются возможности вероятностного 'описания параметров реакции грунтовой толщи для учета их особенностей при землетрясениях различной магнигуды и удаленности.

На примере сильного землетрясения в Газлийской очаговой области 19.03.84 г. (М=7.2) проведено восстановление мокро-сейсмического поля и оценка спектральных параметров колебали) на различньи грунтах (плотные глины, поверхностные отложения различной моцдоости и водонасьпденности) в п. Газли. Результир] ющие оценки давались в виде функций распределения вероятное« Г(х)1'1Х 4 х]

где X - случайная величина (значение параметра колебания грунта - спектра Фурье на определенной частоте Г или пересчитанная из нее величина балльности ] ). Учет реакции поверхностного слоя грунта осуществлялся в двух вариантах: 1 -спектральная характеристика задавалась детерминированной и рассчитывалась по вязко-упругой модели, параметры которой соответствовали физ;псо-механическим свойствам типичных грунтов в п. Газли; 2 - спектральная характеристика рассматривалась как случайная величина, характеризующаяся совокупностью функций распределения вероятности на рассматриваемых частотах. Необходимость вероятностного описания параметров реакции грунта на сейсмические колебания определяется невозможностью точного ее прогнозирования, поскольку, как показано выше, совьюстное действие очаговых факторов и неоднородное-

тей грунтовой толщи создают физический механизм случайности. Подтверждением этому может слупить большой разброс (0.2 0.6 лог. ед.) реальных спектральных характеристик грунтов, построенных по афтераокам Газлийского землетрясения 19.04.1984 г., которые были использованы для задания конкретных значений функций распределения.

Нелинейные эффекты (необратим?« пластические деформации, разрыхление и разжижение), возшскающие в мягких ¡1 водо-насыщенных грунтах при интенсивных воздействиях, приводят к изменению вида спектральных характеристик по сравнению с оценками по вязкоупругии моделям. Эти изпенения проявляются в появлении дополнительных низко и высокочастотных гармоник и постоянной составляющей в спектре сигнала (3. Фаччюли, Д. Рамирец.А. Н. Ковкюв). Количественно прогнозировать эти изменения в реальных условиях весьма трудно, однако, мокко предположить, что при возникновении нелинейных з<М>ектов повышается вероятность того, что амплитуды спектральных характеристик в определенном диапазоне примут более высокое значение, чем предсказанные по вязко-упругим моделям.

Расчеты показали, что наиболее вероятная расчетная интенсивность сотрясений J меняется в зависимости от грунтовых условий : от 8.1 до 8.6 баллов (при детерминировашгом подходе к учету грунтовых условий) и от 8.3 до 9.3 балла (при вероятностном подходе) на плотных глинах н водонасьщен-ных покровных отложениях мощностью до 15 метров, соответственно. Сопоставление с данными макросейсмнческого обследовами -последствий землетрясения (А. Дяураев и др.) показало, что детерминированный подход дает оцемси близкие к осредненным ткросейсмическим дам мм, в то же время как вероятностный учет реакции грунта позволяет оценить максимальный макро-

сейсмичесюсй эффект (более 9 баллов), имевший место на об водненных грунтах.

Прогноз вероятностных спектров Фурье на различных грунтах в п. Газли при землетрясении 19.03.84 г. показал (Ркс. 2) что уровень cneitrpa на плотных глинах в 1.3-1.6 раза ниже-, чем на таких же грунтах в ближней зоне. В то же время спектр колебаний на водонасыщекных грунтах в п. Газли на частотах ниже 3 Гц близок к уровню спектра в ближней зоне, что по видимому и обусловило приблизительно одинаковую интенсивность сотрясений (более 9 баллов) в этих районах.

Рассчитанные вероятностные спектры Фурье дают принципиальную возможность оценить спектры реакции на основе связи между этими параметрами, описанной Э. X.Ванмарке. Рассчитан • ные таким образом спектри реакции в ближней зоне Газлзшского землетрясения с М-7.0 показали хорошую сходаюсть с иезави-тьш оценками (Т.Г.Иванова, В.В.Штеннберг, С. 11 Федякога), что позволило оценить вероятностные спектры реакции на различных грунтах в п. Газли при землетрясешш 19.03. 84 г. и совместно с результатам оценки макросейсмической ккгонсиб-иости построить региональные кр>шые динамичности для грунтов различных категорий в Газлийском районе (Рис. 3). Сопоставление расчетных кривых динамичности со стандартными (СШ1 11-7-87) показало, что региональная кривая для грунтов второй категории (плотные глины) отличается от стандартной в сторону уш&шеши (в среднем на 301) в диапазоне периодов а 4-0.7 сек. и в сторону увеличения (в среднем на 251) на периодах более 0. 9 сек. Для грунтов третьей категории (обводненные отложения) расчетная и стандартная кривые практически совпадают.

Для различных с точки зрения сейсмотектонических уело-

/S!™h

,'00

ю

N ч Ч

В' Иг

ем

/ /О firu,

Р::с. 2. Вероятностные оценки спектров Фурье в я. Газли зга плотных глшш (1) и зодонасьгценных грунтах (2) при землетрясении 19.03.84 г. и вероятные спиггры в ближен зоне землетрясения с U--7.2 (3) на уровне вероятности иепревы-аЭ1СИ Р'О- 6.

ß _ CL Р ¿Г

2 - а.

/ - \v

/ 2 Ггс / 3- Т,с

Inc. 3. Стандартные (пунктир) и региональные (сплоязш линия) кривые динамичности для грунтов II (а) и III (б) категории.

Рис. 4. Вероятностные спектры для Ферганской долины. 1 - спектры на рыхлых грунтах; 2 - спектры на полускальных грунтах; 3 - спектры в ближней зоне землетрясений с магнитудой К.

В1м районов Узбекистана проведен вероятностный прогноз спектральных параметров колебаний при потенциально опасных землетрясениях с учетом фактора времени. Задача учета локальных грунтовых условий решалась с использованием детерминированного и вероятностного подходов. Во втором случае возможность нелинейных эффектов оценивалась в зависимости от магюпуды и удаленности землетрясений по В. В. Штейнбергу.

На Рис. 4 приведены вероятностные спектры, которые с вероятностью Р не будут превышены за период вр*.-мени Т в Ферганской долине на полускалькых и рыхлых грунтах. Для сравне-

ши здесь же приведены средние вероятностные спектры колебаний в ближней зоне для магнитуд с М-6 л 7 (на уровне вероятности непреЕьшения Р-0.5).

Анализ результатов показывает, что учет реальном повторяемости крупных землетрясений шкет приводить к понихештю уровня вероятностного спектра по сравнению со спектрами, ргссчэтаншлмн при условии, что землетрясение обязательно произойдет. Для небольших уровней Р и времен окидания Т это различие кокет достигать 1 порядка; с ростом Р и Т происходит сбджекпе уровней спектров. Креме зтого, спектры, учитывающие повторяемость землетрясений, изменяет свои форму но сравнешпо со спектрами при одшшчном землетрясешпь Так см (■:огут 1з:еть более крутой высокочастотный склон, что обменяется формзфовашкм сейсмического излучения не только кестны-!С1, ко н более далекими событиями, для которых характерно ггоглощезпао высокочастотного излучения при прохокдешш через геологическую среда. Учет повторяемости землетрясешш также чопет пршод(п:ь к шшел^оЕаюпо различгш между оцешсаил воздействий, полученными гак с учетом возможных нелинейных эффектов реакщш грунта, тан и при использовании только вязко-дфугих (линейных) моделей, по сравнения с подобными оценками при условии, что землетрясения пропзоало. Это происходит следствие того, что вероятность возншювения сильного землетрясения ка достаточно малых расстояюгях (появление условий, при которых воз1южны пелшзйз&э эффекты реакции грунта) уга некоторых раЯокоз ш;:;ет быть невелика.

Наряду .с обгдаш закономерностями шжнэшга прогнозных :пег;тров, кохорие связаны с учетом повторяемости потенциаль-:о ояасш=и землетрясе.'сш, вероятности.^ оценки спектральных гаранетроз (спектры Фурье и спектры реакции), подученные в

различных сейсмоопасных районах Узбекистана, отличаются друг от друга как по форме спектров, так и по степени изменения амплитуды в зависимости от величин Р и Т, что связано с региональными особенностями излучения и поглощения сейсмических колебаний и сейсмотектонической обстановки.

В четвертой главе проанализированы возможности вероятностной оценки временных функций (акселерограмм) колебаний грунта при единичном землетрясении и совокупности всех потенциально опасных землетрясений с учетом их повторяемости. Расчет синтетических акселерограмм проводился методом случайных колебаний (М. П. Салганж) на основе полученных в предыдущей главе оценок спектров реакции, что дает возможность учесть региональные и локальные особенности формирования сейсмического излучения и неопределенности, связанные с возникновением самих землетрясений в пространстве и во времени На Рис. 5 показано сопоставление реальных записей некоторых землетрясении Узбекистана и синтетических акселерограмм, рассчитанных в данной работе.

Расчет синтетических акселерограмм для единичных зем летрясений с различными магнитудами и удаленностью показал, чт" максимальные амплитуды Лтах вероятностных акселерограмм хорошо согласуются с реальными записями сильных землетрясений и независимыми оценками Лтох. Так для ближней зоны Газлийского землетрясения с М=7.0 среднее по Набору синтетических акселерограмм значение =0.55 % (значения А для горизонтальных компонент реальной акселерограммы землетрясения с М=7.3 составляли 0.6 и 0.71 е); для землетрясения Папской очаговой области (Ферганская долина) с М=5 и удаленностью 15 км среднее значение Атаж синтетичен лх акселерограмм составляет 0.17 % (для реальной акселерограммы афтершо-

I

4}

Л"*

1 г ч 6 8 Ю VI сек а

а

Г

2 ц б а сел

Рис. 5 Реальные (а) и синтетические (б) акселерограшы землетрясений. I - Газлийское землетрясешге 17.05.76 г., 1,1=7.2; II - афгераж Папского землетрясения 13.03.84 г., !.Ь4. а

ка с М-4.8 и К-10-15 км амплитуда горизонтальных компонент составляли 0.14 и 0.12 е); для п. Газли при землетрясении 19. 03. 04 г. среднее значение Лпах синтетических акселерограмм, рассчитакнных на плотных глинах равняется 0.25 г; на поверхностных отложениях мощностью до 15 метров Атах=-0.32 ё, в то же время, как вероятностные оценки максимальных амплитуд ускорений, проведенные Ю. К. Черновым, дают значения 0.28 0.3 г.

Синтезированные акселерограммы, полученные по оценкам спектров реакции с учетом повторяемости землетрясений, так ке показали хорошую сходимость с результатами независимых определений максимальных ускорений при оценке сейсмической опасности. Согласно результатам прогноза вероятных максимальных амплитуд ускорений, проведенных при ДСР Ферганской долины Ю. К. Черновым, для района Г. Андижана при вероятности непревьшения Р-0.9 и среднем времени ожидания Т- 50 лет эти параметры находятся в пределах 0.1-0.2 Среднее значение Итах для набора синтетических акселерограмм для таких ке значены Р и Т составляет 0.16 g.

Однако, здесь необходимо отметить, что в случае учета повторяемости землетрясений синтетические акселерограммы яш_1ются суперпозицией гармоник на отдельных частотах, разделенных во времени, спектральные амплитуды и длительности которых не будут превышены с вероятностью Р за промежуток времени Т. Использование этих акселерограмм для расчета сложных многомассовых систем, реакция которых может определяться суммарным воздействием нескольких гармонических составляющих, требует наложения дополнительных условий: выбора различных вероятностей непревышети Р в зависимости от степени "ответственности" сооружения для разных .астот исходного спектра; оцет! длительности и формы колебакл для каж-

дой гаршшки, что в свою очередь ставит задачу опенок дпу мерных функций распределения амплитуда период lirai период длительность.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. В условиях недостатка реальных записей сильных зен летрясешй одшгм из основных методов ноделировашя сексми ческих воздействий является прогноз спеетральных параметров колебаний (спеетров Фурье и спектров реакцш) и осуществляе-гая на их основе генерация «яггеткческих акселерограмм методом случайных колебаний. Дальнейшее совершенствоваше в этой направлении возможно за счет учета региональных и локальных особенностей излучения, а такие вероятности возшжновення готенциально опасных очагов землетрясений и проявления сейс-шескаго эффекта данной силы.

Особую актуальность приобретает сведения об особен-[остях сейсмических колебаний в ближней зоне зеилетрясе-лй, где воздействие максимально, и движения на поверхнос-и формируются сложной совокупностью грунтовых и очаговых акторов.

2. Анализ особенностей колебаний поверхности вблизи зотяиенных очагов землетрясений показал, что динамические фаметры (амплитуды, длительности, спегаральный состав) >роткопериодных колебаний, а так же параметры реакции »уиговой толщи ( увеличение максимальных амиштуд, спект-льные характеристики) наряду со строением и свойства}« унта определяются и очаговыми факторами (особенностями ометрин и вспарывашм очага землетрясения, азимутальным спределенкем излучения). Совместное влияние этих факта-

з создает физический мехаюгам случайности, следствием

которого является наблюдаемый экспериментально разорос ди намических параметров колебаний в ближней зоне землетрясе-одинаковых магнитуд и параметров реакции грунта на ко лебания щж землетрясешшх различной силы и удаленности.

3. Трудность точного количественного учета параметров реакции грунта при будущих землетрясениях вследствие случайного характера различных сочетаний очаговых факторов и ограниченной информации о строении и свойствах рыхлой грунтовой толщи, ее поведения при интенсивных воздействиях свидетельствует о необходимости вероятностного подхода к учету грунтовых условий при оценке сейсмической опасности.

4. Усовершенствованные методики количественного прогноза сейсмических воздействии позволяют получать достаточно достоверные оценки спектральных параметров возможных колебаний (спектры Фурье и спектры реакции) как при отдельных событиях, так и от совокупности всех потенциальна опасных землетрясений с учетом их повторяемости. Вероятностные оценки спектральных параметров колебаний дают возможность перейти к прогнозу сейсмической опасности, выраженной во временных функциях колебаний (акселерограммах) и уточнить региональные и локальные кривые динамичности.

5. Практическое применение методики вероятностных оценок спектрально-временных параметров сейсмических воздействий позволило получить новые важные с научной и практической точки зрения результаты в ряде сейсмоопасных районов Узбекистана. При этом получены дополнительные возможности, позволяющие решать задачи оптимального проектирования систем сейсмической защиты сооружений.

Основные полоне га« диссертации опубликованы в следам щих работах:

1. Чернов Ю. К., Соколов В. Ю. Некоторые cooriroiseim между параметрам колебаизо! грунта и макросейсмкческой ин тенсивностью землетрясето{ // Вопр. woe сейсм. , вып. 24. М. Изд-во "Наука", 1983, с. 96-107.

2. Чернов Ю. К. , Соколов В. Ю. , Юркевич Е. В. Опыт количественной оценки сейсмзгческой опасности в Притакзсентском районе // Вопр. инк. сейсм., вып. 20. Н. Изд-во "Наука", 1987. с. 111-126.

3. Соколов В. Ю.. Чернов Ю. К. Предварительный анализ записей ощутимых и сильных афтериюков Папского землетрясе-иия 1984 г. // Сильные двжения при землетрясениях. Изд-во "Донш". Душанбе-Москва, 1988, с. 166-172.

4. Чернов Ю. К., Соколов В. Ю. Оценки балльности землетрясений по спектру колебания грунта // Вопр. гаи. сейсм., вып. 29. II Изд-во "Наука", 1988, с. 62 73.

5. Быковцев А. С., Соколов В. Ю. Численное моделирование волновых полей в ближней зоне скачкообразно распространяющегося криволинейного разрыва и анализ высокочастотного излучения // Изв. АН СССР, сер. Физика Земли, J 3, 1989, с. 3-16.

6. Соколов В. Ю., Чернов Ю. К. Влияние грунта на ко-гебания поверхности в блзшней зоне землетрясения I/ Сейс-шгагическш исследования. M, Изд-во ВИНИТИ, вып. 11. 989, с. 16-24.

7. Chernov Ya К. ! Sokolov V. Yu., Serebryakûva E. V.

he quantitative estimation of the seismic hazard in terns of igineering parameters of the seisnic vibration and intensity * shaking. // Proc. 4 Intern. Syrcp. Anal. Seisaicity and

Seismic Risk. Bechyne Castle, Czechoslovakia, September 4 9 1989. Praque, v II, 1989, pp. 462-469.

JS 09

1>__¡liunnc.HK' B 110'iaib ^

Tnpa«-. /¿fc?

l^ ri'H VI niUO Ma.-V-r raaiKCHt-TOOOii up. PaaHa.-.iHU«, 10.