СТРОЕНИЕ ЗЕМЛИ. ПРИЧИНЫ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ.

Земля представляет собой многослойное тело шаровидной формы (геоид) со средним радиусом, равным 6367,5 км. Многослойная структура земного шара представляет собой плотно примыкающие друг к другу слои, отличающиеся минералогическим составом, плотностью, механическими свойствами, температурой, давлением.

Самый верхний слой - кора - состоит из нескольких слоев; сверху - из осадочных стратифицированных (т. е. в свою очередь слоистых) пород толщиной в среднем несколько километров, ниже которых расположен гранитный слой, иногда выходящий на поверхность коры. Толщина этого слоя на равнинах достигает 10 км, а под горными хребтами 40 км. Гранитный слой подстилается слоем базальтов толщиной под равнинами до 30 км, под горными хребтами до 20 км. Поверхность раздела гранитного и базальтового слоя называется в геофизике поверхностью Конрада. В совокупности эти два слоя носят общее название сиаль (от слов silicium и aluminium).

Всего толщина коры в районе суши в среднем 35 км, в районе горных хребтов достигает 60-70 км. В отличие от континентальной, океаническая кора имеет значительно меньшую толщину (6-8 км), ниже ее осадочного слоя расположен базальтовый слой. Под корой располагается так называемая верхняя мантия толщиной до 1000 км (также состоящая из слоев), а далее - нижняя мантия толщиной до 2000 км. Верхняя мантия содержит породообразующие элементы кремний и магний и называется сима (рис. 10.1.1).

Рис. 10.1.1. Схематическое представление коры земного шара

Граничная поверхность между корой и верхней мантией (поверхность раздела слоев сиаль и сима) называется поверхностью Мохоровичича (по фамилии югославского сейсмолога, впервые ее обнаружившего в 1909 г. при изучении прохождения сейсмических волн во время Хорватского землетрясения). На этой границе имеет место заметное изменение скорости прохождения сейсмических волн, что указывает на различие плотности и упругих свойств материала коры и верхней мантии. На глубине 50 - 100 км от поверхности Земли на протяжении 200 км обозначен слой астеносферы, в пределах которого скорость поперечных волн резко снижается, что указывает на снижение жесткости вещества и на возможное присутствие некоторого количества расплавленного вещества. Некоторыми специалистами высказывается мнение, что расплавленное вещество располагается не в виде сплошной оболочки, а на отдельных участках в виде линз, что с этими участками могут быть непосредственно связаны вулканы и что они приурочены к тем местам коры, в пределах которых происходят интенсивные складкообразовательные движения.

Рис. 10.1.2. Схема деления литосферы Земли на плиты: 7 - зоны океанических желобов, где плиты погружаются внутрь Земли; 8 - неуверенно проведенные границы плит; 9 - трансформные разломы; 10 - оси хребтов; 11 - направления движения плит по отношению к Африканской плите; 12 - области глубокофокусных землетрясений

 

Верхний слой Земли - литосфера (земная кора с верхней частью мантии) рассечена на отдельные плиты, которые постоянно перемещаются относительно друг друга, как бы плавая по разжиженному слою мантии (астеносфера). На этом основана теория тектоники плит. Согласно этой теории, верхняя оболочка Земли - кора и подстилающая ее верхняя мантия, образующие литосферу, вместе с расположенными на ней континентами и океанами разделена на несколько огромных плит, состыкованных, как показано на рис. 10.1.2. Плиты под воздействием конвекционных потоков постоянно перемещаются относительно друг друга, «плавая» по разогретому слою астеносферы. Направление движения плит показано стрелками. Так, например, расширение стыка установлено между плитами 3 и 5, что приводит к увеличению расстояния между Лондоном и Нью-Йорком примерно на 1 см в год. Плиты 1 и 5, наоборот, сжимают друг друга, что приводит к образованию горных систем, время от времени сопровождающихся землетрясениями. Отмечены также взаимные сдвиги плит, которые приводят к трещинам - трансформным разломам. Разломы фиксируют и на материках. Так, Анатолийский разлом на севере Турции приводит к большим сдвигам смежных плит, и здесь наблюдается много землетрясений. Столь же активен разлом Сан-Андреас, отделяющий узкий участок на тихоокеанском побережье США от их остальной территории.

 

Рис. 10.1.3. Типы границ между плитами: а - хребет; б - желоб; в - трансформный разлом

 

Детальное изучение границ между континентальными плитами (Н. Кэлдер) позволяет наметить три основных типа границ: хребет, желоб, трансформный разлом (сдвиг) (рис. 10.1.3). Схема а представляет собой заполнение расплавленной породой расщелины, образовавшейся при отходе плит друг от друга (например, плит 3 и 5 на рис. 10.1.2). Схема б показывает границу плит при их сближении, когда одна из них изгибается и погружается под край другой, а в месте перегиба образуется желоб - океаническая впадина. Трение, возникающее при подвижках в стыкуемых элементах желоба, приводит к разогреву породы и способствует образованию вулканов. Желобам сопутствуют глубоко расположенные очаги сильных землетрясений. Большинство глубоководных желобов обрамляет Тихий океан. Во всех анализированных до сих пор случаях установлено, что по мере заглубления разломы все больше уходят в сторону от океана к континенту. На схеме в показано образование трансформного разлома. Так как все три схемы взаимных движений плит связаны с образованием очагов землетрясений (в районах впадин - глубоких землетрясений), то границам плит соответствует область сейсмических явлений. Но сейсмические явления вдоль некоторых участков границ более или менее продолжительное время могут не проявляться, создавая иллюзию асейсмичности.

Объединяющим все современные представления о характере тектонических процессов является нарушение сплошности земной коры геосинклинальными поясами с их рифтовыми зонами, желобами и разломами, поперек или вдоль которых происходит постепенное деформирование пород. Наличие сети таких поясов подтверждено в результате космических наблюдений.

На рис. 10.1.4. показаны области земной коры, где по данным сейсмологов наблюдаются землетрясения высокой интенсивности (зоны или пояса сейсмичности). Нетрудно видеть, что они совпадают с границами континентальных плит.

В результате тектонической деятельности осуществляется длительное накопление энергии в очаге разлома. В тот момент, когда напряжения в материале некоторой ограниченной области плит достигают своих предельных значений, происходит разрыв или срез материала с быстро растущими трещинами в породе. Это вызывает очень быстрый процесс высвобождения энергии, сопровождающийся возникновением и распространением сейсмических волн в окружающей среде.

 

Рис. 10.1.4. Схематическое изображение континентальных плит и областей сейсмостойкости (точками показаны области землетрясений высокой интенсивности):1 - Африканская; 2 - Индийская; 3 - Евразийская; 4 - Американская; 5 - Тихоокеанская; 6 - Антарктическая

 

Продолжительность основного землетрясения, как правило, составляет несколько десятков секунд, причем, в течение этого времени может быть зарегистрировано несколько основных толчков. Иногда основному землетрясению предшествуют слабые толчки, называемые форшоками. Часто после сильного основного землетрясения по истечении некоторого времени наблюдаются повторные толчки - афтершоки, объясняемые вторичными землетрясениями. Как правило, интенсивность афтершоков слабее интенсивности основного землетрясения, но иногда их воздействия сопоставимы, и тогда можно говорить о последовательности, "рое", землетрясений.

Другой причиной возникновения землетрясений может быть вулканическая деятельность. Вулканы являются одним из самых интересных и загадочных образований на планете. Раскаленные газы и лава, бурлящие в недрах вулканических гор толкают и давят на верхние слои Земли, как пары кипящей воды на крышку чайника. Вулканы делятся на действующие, уснувшие и потухшие. Вулканическая деятельность сопровождается целым рядом природных явлений, в том числе взрывами огромных количеств пара и газов, что сопровождается сейсмическими и акустическими колебаниями. Первое, из известных извержений этого вулкана относится к 1500 году до нашей эры. Районы, активной вулканической деятельности, как правило, совпадают с зонами активной сейсмической деятельности, описанными ранее.

Наконец, причиной возникновения землетрясений может служить и хозяйственная деятельность человека. Это так называемые наведенные землетрясения. Проводя подземные ядерные взрывы, закачивая в недра или извлекая оттуда большое количество воды, нефти или газа, создавая крупные водохранилища, которые своим весом давят на земные недра, человек, сам того не желая, может вызвать подземные удары.

В настоящее время выделяют следующие типы землетрясений:

Мегалоземлетрясения. Это достаточно редкие, почти планетарного масштаба события - фавориты в череде тектонических землетрясений. По шкале Рихтера их магнитуда более 8.5. Их энергии оказывается достаточной, что бы так "раскачать" земной шар, что чувствительной сейсмометрической аппаратурой и наклономерами начинают регистрироваться собственные колебания Земли, длящиеся десятки дней. Этих землетрясений происходит немного, но ими на масштабе сотен лет контролируется сейсмическая машина планеты.

Разрушительные-катастрофические землетрясения.Такими землетрясениями независимо от их природы издавна называют те, при которых рушатся города и погибают люди. Колебания от них могут ощущаться за тысячи километров от их эпицентров. Разрушительные землетрясения происходят не часто, однако по степени ущерба от них они более заметны в сообщениях средств массовой информации, показах телевидения. К вторичным, а иногда основным поражающим факторам относятся лавины, обвалы, цунами, сели. Значительная часть землетрясений происходит под морским дном, практически также как и на суше. Цунами - морские волны, возникающие в результате сдвига вверх или вниз крупных участков дна при сильных подводных или прибрежных землетрясениях и, изредка, при вулканических извержениях. Высота волн в эпицентре может достигать пяти метров, у берегов - до десяти, а в неблагоприятных по рельефу участках побережья - до 50 метров. Они могут распространяться со скоростью до 1000 километров в час. Более 80% цунами возникают на периферии Тихого океана. Цунами способны вызвать огромные разрушения и большое количество жертв среди населения (например, цунами 2008 г. – погибло около 250 тыс. человек (Таиланд); цунами 2009 г. – погибло около 200 тыс. человек (Гаити) и другие случаи).

Слабые землетрясения.Почти ежедневно, где-то в мире происходят землетрясения, при которых здания дают трещины (но не разрушаются), звенит и разбивается посуда и другое. Они вызывают местный интерес, не занимают главного места в сводках мировых новостей и быстро забываются. Особенную опасность слабые толчки представляют в горах, где могут оказаться неустойчивые горные склоны. Тогда, даже при незначительном сейсмическом колебании, произойдет их обрушение. Могут возникнуть каменные и ледовые лавины и начаться оползень. Если на их пути окажется населенный пункт или сооружение, то последствия могут оказаться непредсказуемыми. Слабые землетрясения опасны тем, что могут возникнуть на территориях казалось бы спокойных в сейсмическом отношении, и на очень небольшой глубине. Чаще всего по этим территориям не сохраняется никаких сведений о слабых землетрясениях. Подобное землетрясение, хотя и будет носить локальный вид, может сказаться губительно на новых постройках, расположенных над его эпицентром.

Микроземлетрясения.Эти землетрясения регистрируются только в пределах локальных территорий высокочувствительными приборами. Их энергии недостаточно, что бы возбудить интенсивные сейсмические волны способные распространятся на большие расстояния.

Сейсмический шум и микросейсмы.Еще более слабые толчки и трески - сейсмический шум и микросейсмы практически непрерывен. Он порождается целым комплексом явлений - от более сильных землетрясений до атмосферных явлений на поверхности земли и уже относиться к микросейсмическим явлениям. На сейсмограммах чутких датчиков постоянно присутствуют слабые колебания - создавая впечатление, что Земля действительно дышит. Шумы большого города связаны с одновременным действием большого количества источников и именно поэтому современные сейсмические станции для регистрации землетрясений стараются выносить за пределы городских территорий, размещая в удаленных, горных местностях.

Обвальные землетрясения.Из-за вымывания известковых пород подземными водами образуются карсты, более тяжелые породы давят на образующиеся пустоты и они иногда обрушаются, вызывая землетрясения. В некоторых случаях, за первым ударом следует другой или несколько ударов с промежутком в несколько дней. Это объясняется тем, что первое сотрясение провоцирует обвал горной породы в других ослабленных местах. Подобные землетрясения называют еще денудационными. Сейсмические колебания могут возникать при обвалах на склонах гор, провалах и просадках грунтов. Хотя они носят локальный характер, но могут привести и к большим неприятностям. Сами по себе обвалы, сходы лавин, обрушение кровли пустот в недрах могут подготавливаться и возникать под воздействием различных, достаточно естественных факторов. Обычно это следствие недостаточного отвода воды, вызывающее размывание оснований различных построек, или проведение земляных работ с использованием вибраций, взрывов, в результате которых образуются пустоты, изменяется плотность окружающих пород и другое. Сотрясения земли могут быть вызваны обвалами и большими оползнями несвязанными с тектоническими землетрясениями. Обрушение в силу потери устойчивости горных склонов громадных масс породы, сход снежных лавин также сопровождаются сейсмическими колебаниями, которые обычно далеко не распространяются.

 

Классификация землетрясений.Современная сейсмология придерживаются теории упругого высвобождения или упругой отдачи, связывая возникновение землетрясений с внезапным высвобождением энергии упругой деформации. Горные породы обладают определенной эластичностью, а в местах тектонических разломов - границ плит, где действуют силы сжатия или растяжения, постепенно могут накапливать тектонические напряжения. Напряжения растут до тех пор, пока не превысят предела прочности самих пород. Тогда пласты горных пород разрушаются и резко смещаются, излучая сейсмические волны. Такое резкое смещение пород называется подвижкой. После длительных деформаций в районе разлома и накопления в связи с этим напряжений, достигающих в определенный момент предельной для прочности пород величины, вдоль ослабленного ранее участка (обычно старого излома, а иногда и с образованием нового) происходит разрыв или срез этих пород с внезапным быстрым смещением - упругой отдачей (рис. 10.1.3), вследствие чего и возникают сейсмические волны. Таким образом, длительные и очень медленные тектонические движения при землетрясении переходят в сейсмические движения, имеющие большую скорость в результате быстрой «разрядки» накопленной энергии. Эта разрядка происходит всего за 10 - 15 с (реже за 40-60 с).

Вертикальные подвижки приводят к резкому опусканию или поднятию пород. Обычно смещение составляет лишь несколько сантиметров, но энергия, выделяемая при движениях горных масс весом в миллиарды тонн, даже на малое расстояние, огромна! Максимальное из зафиксированных значение выделяемой во время сильного землетрясения энергии достигает 10¹⁸ Дж. На дневной поверхности образуются тектонические трещины. По их бортам происходят смещения относительно друг друга обширных участков земной поверхности, перенося вместе с собой и находящиеся на их поля, сооружения и многое другое. Эти перемещения можно увидеть невооруженным глазом, и тогда связь землетрясения с тектоническим разрывом в недрах земли очевидна.

От тектонических процессов сейсмические отличаются их локальностью. По-видимому, при зарождении землетрясения имеет место разрушение породы на ограниченном участке, расположенном на некоторой глубине от поверхности Земли. В связи с возникшим ослаблением происходит развитие дислокации на некоторую область - очаг или гипоцентральную область землетрясения. Точку же этой области, где начался разрыв, называют гипоцентром, или фокусом.

Землетрясения классифицируются в зависимости от глубины расположения их очагов. Нормальными (поверхностными) называются землетрясения при глубине их очага до 70 км. Это основное количество землетрясений. При глубине очага более 300 км землетрясения называются глубокофокусными. Такие землетрясения редки, они отличаются большой величиной выделенной энергии. Например, подобное землетрясение произошло в 1970 году с магнитудой 7.6 в Колумбии на глубине 650 километров. Глубины очагов промежуточных землетрясений относятся к пределам 70-300 км. К таким землетрясениям, например, относятся карпатские землетрясения.

В зависимости от эффекта проявления на поверхности Земли землетрясения классифицируются по их интенсивности в баллах. Ожидаемая для каждого района максимальная величина интенсивности - сейсмичность - различна.

 

Сейсмичность территории России, приуроченная к некоторым средним горно-геологическим условиям, устанавливается по схеме сейсмического районирования или по списку сейсмичности населенных пунктов (рис. 10.1.5). Анализ исторических данных и геологических особенностей территории показывает, что в разных районах страны землетрясения с максимальной для данного района интенсивностью происходят с разной частотой повторений. Карты ОСР-97-А, ОСР-97-В и ОСР-97-С отражают 10%-, 5%- и 1%-ную вероятность возможного превышения (или 90%-, 95%- и 99%-ную вероятность непревышения) в течение 50 лет интенсивности сейсмических воздействий, указанных на картах цифрами в баллах шкалы MSK-64, и соответствуют повторяемости сейсмических потрясений в среднем один раз в 500 (карта А), 1000 (В) и 5000 (С) лет.

Рис. 10.1.5. Карта общего сейсмического районирования территории Российской Федерации

Карта сейсмического районирования России в значительной мере основана на исторических данных о предшествующих землетрясениях - их интенсивности, частоте повторений и т. п. Такой подход к оценке максимальной силы землетрясений исходит из допущения, что сейсмический режим системы швов между блоками Земной коры за большой промежуток времени для конкретных сейсмических зон постоянен (в среднем), поэтому максимальную силу землетрясения можно принять равной максимальной силе предшествующих, установленной за большой промежуток времени. (Но отрезок истории землетрясений, зафиксированный человечеством, очень мал, поэтому он не может полностью отражать сейсмогенные зоны, - зоны современных контрастных тектонических движений).

При горно-геологических условиях, отличных от средних, сейсмичность конкретной площадки строительства, принятая на карте, уточняется на основании данных микрорайонирования. Оно осуществляется непосредственно в районе строительства на основании подробных исследований (включая инструментальные) его горногеологических условий. В результате оценивают возможные характеристики колебаний оснований сооружений при землетрясениях.

10.2. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ СЕЙСМОЛОГИИ

В результате многочисленных исследований в сейсмологии сложилась модель схемы землетрясения, показанная на рис. 10.2.1.

Рис. 10.2.1. Модель схемы землетрясения: 1 - гипоцентр (фокус); 2 - эпицентр; h - глубина очага; Δ-эпицентральное расстояние; с - гипоцентральное расстояние с =

В соответствии с существующими воззрениями сейсмологии землетрясение, вызванное разрывами, сдвижками или трещинами в литосфере, зарождается в некоторой ограниченной её области, размеры которой могут составлять от нескольких километров до нескольких десятков или сотен километров. Эту область зарождения землетрясений, характеризуемую максимальным значением выделяемой энергии, принято называть очагом землетрясения. Учитывая, что размеры очага обычно на несколько порядков меньше размеров области, где ощущается воздействие данного землетрясения, для удобства и простоты очаг землетрясения можно отождествлять с некоторой точкой - точка 1 на рис. 10.2.1, называется гипоцентром или фокусом землетрясения. Проекция этой точки на дневную поверхность называется эпицентром землетрясения (точка 2). Соответствующее расстояние между этими точками h будем называть глубиной очага землетрясения. Зона, где землетрясение вызывает значительные повреждения сооружений, называется мейзосейсмической или плейстосейстовой (обычно она ограничивается 6-7-балльной изосейстой). Интенсивность проявления землетрясений на поверхности Земли, а следовательно, и их разрушительный эффект зависят от ряда факторов и, в первую очередь, от гипоцентрального расстояния с и энергии, выделяющейся при внезапном разрыве материала в очаге (рис. 10.3.1).

Если на поверхности Земли вокруг эпицентра найти точки, где землетрясения проявляются с одинаковой интенсивностью, и соединить их между собой линиями, то получаются замкнутые кривые - изосейсты (рис. 10.2.1). Вблизи эпицентра форма изосейст в известной мере повторяет форму очага. По мере удаления от эпицентральной зоны (или области) интенсивность эффекта землетрясений ослабевает. Объясняется это, во-первых, тем обстоятельством, что источником распространяющихся волн является не гипотетическая точка - фокус, а область, имеющая сложную форму, во-вторых тем, что интенсивность проявления землетрясений на поверхности в значительной степени зависит от гидрологических особенностей верхних пластов, которые могут либо уменьшать, либо увеличивать сейсмические эффекты.

Основной характеристикой землетрясения является его интенсивность, определяющая оценку мощности очага. В настоящее время для оценки мощности, или интенсивности землетрясения, используются два подхода: инструментальный и описательный, основанный на регистрации повреждений зданий, остаточных явлений в грунтах, изменений гидрогеологического режима и прочих признаков. В основе инструментального подхода лежит понятие магнитуды (авторы Ч. Рихтер и Б. Гутенберг, США).

Магнитуда М характеризует происшедшие явления в очаге землетрясения, но не дает информации о разрушительном эффекте его на поверхности Земли, который оценивается интенсивностью I в баллах. Выявлена приближенная эмпирическая зависимость между М и I (баллы):

I=1,5M - 3,5 lg +3

Между числом землетрясений, происходящих за один год, и их энергией выявлен закон повторяемости: землетрясения с малой энергией происходят намного чаще, чем с большой (см. табл. 10.2.1).

Таблица 10.2.1

Для оценки интенсивности землетрясений многими авторами из различных стран было предложено около 50 шкал сейсмической интенсивности. Во всех этих шкалах приведена градация интенсивности землетрясений по баллам или по степеням. Следует отметить, что шкалы MSK, ИФЗ, а также американская шкала ММ и европейская шкала Меркалли-Канкани-Зиберга близки между собой.

Сокращенная модифицированная шкала Меркалли (ММ) – соответствует шкале ИФЗ АН

(вариант 1956 г., разработан Рихтером)

I. Не ощущается, период колебаний велик.

II. Ощущается людьми на верхних этажах.

III. Чувствуется внутри помещений. Колебания подобны тем, которые наблюдаются при прохождении легких грузовых автомобилей. Подвешенные предметы качаются. Не всегда распознается как землетрясение.

IV. Подвешенные предметы качаются. Колебания подобны тем, которые наблюдаются при прохождении тяжелых автомобилей; ощущение толчков подобно тем, которые бывают при ударе о стенку тяжелых мячей. Стоящие автомобили сильно раскачиваются. Дребезжат оконные стекла, посуда, двери. Стаканы звенят. Глиняная или фаянсовая посуда ударяется друг о друга. На верхних уровнях скрипят деревянные стены и рамы.

V. Ощущается вне помещения; определяется направление перемещения сейсмической волны. Спящие люди пробуждаются. Жидкость в сосудах колеблется, частично проливается. Перемещаются небольшие неустойчивые предметы. Двери качаются, закрываются, открываются. Маятниковые часы останавливаются.

VI. Чувствуется всеми людьми. Люди испуганы и выбегают из помещений, передвигаются без чувства устойчивости. Окна, фаянсовая и стеклянная посуда разбиваются. Безделушки, книги и другие предметы падают с полок. Картины падают со стен. Мебель может сдвигаться или опрокидываться. В слабой штукатурке и непрочной кирпичной кладке появляются трещины. Небольшие колокола начинают звонить. Деревья и кусты сильно колышутся и шумят.

VII. Людям трудно устоять на ногах. Замечается водителями транспорта, Подвешенные предметы начинают дрожать. Ломается мебель. Повреждения непрочной кирпичной кладки, включая трещины. Непрочные дымовые трубы разрушаются. Падает штукатурка, плохо закрепленные кирпичи, камни, плитка, карнизы, незакрепленные парапеты и детали архитектурных орнаментов. Появление трещин в кирпичной кладке. Появление волн в прудах и водоемах, вода покрывается грязной пеной. Небольшие оползни по песчаным и гравийным берегам. Большие колокола начинают звонить. Повреждение бетонных ирригационных каналов.

VIII. Повреждение рулевого управления автомобилей. Повреждения прочной кирпичной кладки и частичное разрушение. Обвал штукатурки и некоторых кирпичных стен. Кручение и падение дымовых и заводских труб, памятников, башен, резервуаров, приподнятых над землей. Дома каркасной конструкции перемещаются на фундаментах, плохо закрепленные панели стен отделяются от элементов каркасов. Обламываются ветки деревьев. Изменение уровня и температуры воды в колодцах и источниках. Трещины вo влажном грунте и на крутых склонах.

IX. Общая паника. Разрушение кирпичной кладки, иногда полностью; повреждение фундаментов. Каркасные конструкции (незаанкеренные) сдвигаются с фундаментов и перемещаются. Серьезные повреждения конструкций резервуаров. Разрушение подземных трубопроводов. Заметные трещины в грунте. В зонах с аллювиальными почвами на поверхность извергаются песок и грязь, образуются сейсмические фонтаны и песчаные кратеры.

X. Большинство кирпичных и каркасных сооружений разрушено вместе с фундаментами. Разрушены некоторые прочные деревянные сооружения и мосты. Серьезные повреждения дамб, плотин, набережных. Большие оползни. Вода выходит из берегов каналов, рек, озер и др. Песок и грязь покрывают поверхности пляжей и плоских участков земли. Рельсы немного искривляются.

XI. Значительные искривления рельсов. Подземные коммуникации полностью выходят из строя.

XII. Почти полное разрушение. Перемещены большие массы скальной породы. Изменение топографии местности. Предметы подбрасываются в воздух.

В нашей стране принята шкала ИФЗ (основные характеристики – см. табл. 10.2.2).

Таблица 10.2.2

Примечание: x₀—максимальные смещения маятника одномаятникового сейсмометра СБМ или маятника с периодом 0,25 с в многомаятниковых приборах АИС или ИГИС; v₀ - максимальные скорости колебаний грунта; а₀ - максимальные ускорения грунта при периоде 0,1 с и более.

В гр. 5 оценка повреждений, как и во всех предшествующих шкалах, дана для зданий, возводимых без антисейсмических усилений, следующих типов: тип А - со стенами из рваного камня, из кирпича - сырца, глинобитными; тип Б - со стенами из обожжённого кирпича, из природных и бетонных крупных блоков и мелких камней правильной формы; тип В - крупнопанельных, со стальным и железобетонным каркасом, деревянных хорошей постройки.

Степени повреждений в проекте новой шкалы классифицированы следующим образом: 1-легкие повреждения - небольшие трещины в стенах, откалывание небольших кусков штукатурки; 2 - умеренные повреждения - небольшие трещины в стенах, небольшие трещины в стыках между панелями, откалывание довольно больших кусков штукатурки; падение черепицы с крыш, трещины в дымовых трубах, падение частей дымовых труб; 3 - тяжелые повреждения - большие глубокие и сквозные трещины в стенах, значительные трещины в стыках между панелями, падение дымовых труб; 4 - разрушения - обрушение внутренних стен и стен заполнения каркаса, проломы в стенах, обрушение частей зданий, разрушение связей между отдельными частями здания; 5 - обвалы - полное разрушение зданий.

При наличии в конструкциях зданий антисейсмических усилений, соответствующих интенсивности землетрясений, их повреждения, по-видимому, должны быть не выше 2-й степени.

В зависимости от геологических условий, производится уточнение сейсмичности площадки строительства (на основании карт сейсмического микрорайонирования, а при их отсутствии из общих инженерно-геологических условий и приближенных рекомендаций СНиП, приведенных в табл. 10.2.3). При этом учитывается, что сильная выветренность и нарушенность пород, высокая просадочность грунтов, осыпи, отвалы, плывуны и горные выработки являются неблагоприятными в сейсмическом отношении.

Таблица 10.2.3.

Примечания. 1*. Отнесение площадки к I категории по сейсмическим свойствам допускается при мощности слоя, соответствующего I категории, более 30 м от черной отметки в случае насыпи или от планировочной отметки в случае выемки. В случае неоднородного состава грунты площадки строительства относятся к более неблагоприятной категории по сейсмическим свойствам, если в пределах 10-метрового слоя грунта (считая от планировочной отметки) слой, относящийся к этой категории, имеет суммарную толщину более 5 м.

2. При прогнозировании подъема уровня грунтовых вод и обводнения грунтов (в том числе просадочных) в процессе эксплуатации здания и сооружения категорию грунта следует определять в зависимости от свойств грунта (влажности, консистенции) в замоченном состоянии.

3. При строительстве на вечномерзлых нескальных грунтах по принципу II, если зона оттаивания распространяется до подстилающего талого грунта, грунты основания следует рассматривать как невечномерзлые (по фактическому состоянию их после оттаивания).

4. Для особо ответственных зданий и сооружений, строящихся в районах сейсмичностью 6 баллов на площадках строительства с грунтами III категории по сейсмическим свойствам, расчетную сейсмичность следует принимать равной 7 баллам.

5. При определении сейсмичности площадок строительства транспортных и гидротехнических сооружений следует учитывать дополнительные требования, изложенные в разделах 4 и 5.

6. При отсутствии данных о консистенции или влажности глинистые и песчаные грунты при положении уровня грунтовых вод выше 5 м относятся к III категории по сейсмическим свойствам.

Сейсмические волны. На пути от очага к поверхности земли значительная часть выделенной во время землетрясения энергии поглощается и только ~7% достигает эпицентральной зоны (несколько больше при очень сильных землетрясениях).

Образующиеся вокруг очага трещины имеют различные размеры и излучают разные волны, периоды которых сокращаются с уменьшением длины трещины. Наличие в очаге разных по размерам трещин приводит к образованию богатого различными частотами спектра колебаний.

Передача нагрузок в виде перемещений, колебаний на здание происходит следующим образом. При землетрясении нагрузки (в виде перемещений, колебаний) передаются через грунты основания на конструкции фундаментов и стен подвалов, и, через них, на перекрытия подвалов. Далее нагрузки (в виде перемещений, колебаний) передаются на вертикальные конструкции первого этажа, перекрытие первого этажа, вертикальные конструкции второго этажа, перекрытие второго этажа и т.д. Конструкции здания, получив перемещение в виде сейсмического толчка, и, соответственно, получив некоторую потенциальную энергию из-за возникших при этом деформаций, стремятся вернуться в исходное состояние, используя силы упругости путем перехода потенциальной энергии в кинетическую. Пройдя начальное положение, конструкции продолжают двигаться по инерции (т.к. кинетическая энергия в нулевой точке не погашена) и переходят в положение, противоположное начальному отклонению. Так в здании возникают колебания как следствие проявления сил инерции, создаваемых перемещениями массы здания.

Землетрясения чаще всего проявляются как серия последовательных перемещений грунтов основания, происходящих с определенной частотой. Если период собственных колебаний здания близок к периоду землетрясения, то колебания накладываются друг на друга, и возникает явление резонанса, при котором даже толчки малой силы могут вызвать большие колебания здания, которые могут привести к его разрушению. Если период собственных колебаний здания не совпадает с периодом землетрясения, то колебания гасят друг на друга, и здание может выдержать даже землетрясение большой силы.

При этом необходимо учесть, что слишком большие перемещения могут вызвать в элементах конструкций здания напряжения, превосходящие динамический предел прочности материала, и, как следствие, проявление пластических деформаций в узлах и элементах. Это может привести к тому, что здание потеряет первоначальную форму, и потребуются значительные затраты на его восстановление. Также следует учитывать эффект поглощения (гашения) колебаний в зданиях и сооружениях происходит при возбуждении колебательных движений. Здания стремятся возвратиться в исходное положение, и степень затухания колебаний в зданиях зависит от типа соединений основных конструктивных элементов, типа ненесущих деталей и вида строительных материалов. Отсюда следуют выводы:

- Повреждение здания во время перемещения грунта вызывается не динамическим воздействием в виде удара, а при действии сил инерции, создаваемых колебаниями массы здания.

- Чем меньше собственная масса, тем меньше силы инерции, и тем выше сейсмостойкость.

- Чем больше период собственных колебаний здания, тем меньше воздействие землетрясения.

- Чем выше жесткость здания, тем выше его сейсмостойкость.

- Чем большие перемещения способно выдержать здание, тем выше его сейсмостойкость.

- Чем больше гибкость здания, тем больше период собственных колебаний здания и, соответственно, меньше воздействие землетрясения.

- Чем больше гашение (поглощение) колебаний в зданиях, тем меньше воздействие землетрясения.

- Чем больше период собственных колебаний здания превышает колебания грунта, тем меньше воздействие землетрясения.

- Чем выше прочность здания (чем большие нагрузки оно может выдержать), тем выше его сейсмостойкость.

Эти выводы не позволяют дать однозначные рекомендации по повышению сейсмостойкости зданий, но они позволяют выявить круг вопросов, стоящих при проектировании.