John Toon

3·11日本大地震中土體影響的研究有利于改善建筑設(shè)計(jì)*

John Toon

2011年3月11日東日本大地震是有記錄以來最強(qiáng)的地震之一，而且，因?yàn)樗u擊的地區(qū)屬于世界上監(jiān)測最為密集的地方，所以這次自然災(zāi)害為科學(xué)家提供了罕見的9級地震的珍貴資料。最近，科學(xué)家利用這些數(shù)據(jù)首次研究了如此規(guī)模的強(qiáng)震中地表下的巖石和場地土的影響作用。

美國佐治亞理工學(xué)院(Georgia Institute of Technology)的科學(xué)家根據(jù)多個觀測臺站的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，由這次地震引起的地下物質(zhì)的弱化程度達(dá)到了70%。源自地殼頂層的這種非線性響應(yīng)對于地表下深部斷層運(yùn)動會如何傳遞到房屋、橋梁和其他建筑物起著某種程度的影響作用。

了解場地土對大地震的反應(yīng)，對于工程師和建筑師設(shè)計(jì)出能夠承受如此規(guī)模的地震中觀測到的地震動加速度水平的未來建筑非常重要。這些信息也有助于地震學(xué)家研發(fā)出新的模型，用來預(yù)測這些罕見的特大地震將會造成的影響。

佐治亞理工學(xué)院地球與大氣科學(xué)學(xué)院副教授Zhigang Peng說，此次觀測到的土體非線性程度屬觀測到的最高程度之列。“這并不奇怪，因?yàn)檫@次地震產(chǎn)生的地震動(加速度高達(dá)重力加速度的3倍)也是有史以來觀測到的最大地震動之一?！?/p>

這項(xiàng)研究結(jié)果發(fā)表在《地球、行星與太空》(Earth，Planets and Space，2011，63:791-95)雜志的特刊上。項(xiàng)目由美國國家科學(xué)基金會(NSF)和南加州地震中心(SCEC)資助。

Peng教授和研究生Chunquan Wu屬于首批對日本強(qiáng)震觀測網(wǎng)KIK-Net高質(zhì)量的地震記錄進(jìn)行分析的科學(xué)家。該觀測網(wǎng)的臺站在地表和位于深層基巖上的鉆孔內(nèi)都放置了加速度計(jì)。研究人員選擇了地表土層和下伏基巖之間的速度差較大的6個臺站數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。

“在這項(xiàng)研究中，我們就是要了解土體非線性與地震動峰值加速度(PGA)之間的關(guān)系，而PGA是觀測到的地震動的參數(shù)，”Wu說。“我們想搞清控制這種響應(yīng)的參數(shù)究竟是什么?”

通過對基巖上的傳感器獲取的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動加速度數(shù)據(jù)與表層傳感器獲取的類似數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，他們可以在研究地震動影響的同時研究土體特性究竟發(fā)生了什么變化。研究人員計(jì)算了每一對臺站觀測數(shù)據(jù)的譜比，然后利用這些比值來跟蹤不同PGA水平的各個測點(diǎn)處場地反應(yīng)的時間變化。

Wu解釋說，“在地震動最強(qiáng)烈的時候，土體的剪切模量居然減小了70%”。一般來講，在靠近地表的地方有土體和好幾層沉積巖，但在其下方卻是比表面物質(zhì)堅(jiān)硬得多的基巖。當(dāng)?shù)卣鸩▊鞑サ臅r候，頂層土體可以放大地震波。

土體的非線性反應(yīng)并不罕見，但這種反應(yīng)會因土體成分的不同而發(fā)生變化。在其他一些易震區(qū)(如加利福尼亞和土耳其)也發(fā)現(xiàn)了類似效應(yīng)，但沒有這么顯著，Wu說。上地殼的淺層可以是非常復(fù)雜的，它們包含沉積層中不同種類的土體，粘土、礫石以及巖石等。

3·11地震持續(xù)時間特別長，并產(chǎn)生了廣泛的、強(qiáng)度變化極大的地面運(yùn)動，因此，它也為對土體特性非線性研究感興趣的科學(xué)家提供了一個前所未有的數(shù)據(jù)集。

Wu說，除了最強(qiáng)震動的瞬時效應(yīng)外，研究人員也對地震過后土體如何恢復(fù)其強(qiáng)度產(chǎn)生了興趣，其恢復(fù)時間從幾分之一秒到數(shù)年不等。

“至今仍不清楚某些地點(diǎn)是否需要較長的恢復(fù)時間，”Wu又說?！盎謴?fù)時間是由土體類型和其他因素決定的?！?/p>

如果土體的滲透性強(qiáng)，水就會使恢復(fù)時間延長?！皩τ诙嗫捉橘|(zhì)，地震動可能導(dǎo)致水進(jìn)入孔隙，這便會減小土體的剪切模量。有了水的參與，恢復(fù)時間將大大延長，”他補(bǔ)充道。

東日本大地震的余震震級高達(dá)7.9級，針對場地土對這些余震的反應(yīng)也開展了研究。

佐治亞理工學(xué)院的研究人員獲取的信息將提供給地震學(xué)家，供其研發(fā)新的特大地震的風(fēng)險(xiǎn)模型。

了解場地土對強(qiáng)烈地震動的反應(yīng)，對于預(yù)測地球深部運(yùn)動傳遞到地表時建筑物會作出如何反應(yīng)非常重要。

Wu表示，“了解大地震期間和地震之后土體如何降低和恢復(fù)其強(qiáng)度，對于更好地認(rèn)識和預(yù)測強(qiáng)地面運(yùn)動非常關(guān)鍵”，“進(jìn)一步講，這將幫助地震工程師提高建筑物和地基的設(shè)計(jì)質(zhì)量，并最終在未來的地震事件中起到保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)的作用?！?/p>

資料來源:http:∥www.cos.gatech.edu/news/Study-of-Earthquake-Soil-Effects-Could-Improve-Building-Design

原題:Study of soil effects from march 11 Japan earthquake could improve building design

(中國科學(xué)院國家科學(xué)圖書館蘭州分館馬瀚青譯;左玉玲李小軍校)

(譯者電子信箱，馬瀚青:mahq@llas.ac.cn)

P315.9;

D;

10.3969/j.issn.0235-4975.2012.02.003

2012-01-18。