3·11日本大地震中土體影響的研究有利于改善建筑設計*

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計*

John Toon

2011年3月11日東日本大地震是有記錄以來最強的地震之一，而且，因為它襲擊的地區屬于世界上監測最為密集的地方，所以這次自然災害為科學家提供了罕見的9級地震的珍貴資料。最近，科學家利用這些數據首次研究了如此規模的強震中地表下的巖石和場地土的影響作用。

美國佐治亞理工學院(Georgia Institute of Technology)的科學家根據多個觀測臺站的數據分析發現，由這次地震引起的地下物質的弱化程度達到了70%。源自地殼頂層的這種非線性響應對于地表下深部斷層運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，對于工程師和建筑師設計出能夠承受如此規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家研發出新的模型，用來預測這些罕見的特大地震將會造成的影響。

佐治亞理工學院地球與大氣科學學院副教授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，因為這次地震產生的地震動(加速度高達重力加速度的3倍)也是有史以來觀測到的最大地震動之一。”

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

Peng教授和研究生Chunquan Wu屬于首批對日本強震觀測網KIK-Net高質量的地震記錄進行分析的科學家。該觀測網的臺站在地表和位于深層基巖上的鉆孔內都放置了加速度計。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個臺站數據進行研究。

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

通過對基巖上的傳感器獲取的質點運動加速度數據與表層傳感器獲取的類似數據進行比較，他們可以在研究地震動影響的同時研究土體特性究竟發生了什么變化。研究人員計算了每一對臺站觀測數據的譜比，然后利用這些比值來跟蹤不同PGA水平的各個測點處場地反應的時間變化。

Wu解釋說，“在地震動最強烈的時候，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堅硬得多的基巖。當地震波傳播的時候，頂層土體可以放大地震波。

土體的非線性反應并不罕見，但這種反應會因土體成分的不同而發生變化。在其他一些易震區(如加利福尼亞和土耳其)也發現了類似效應，但沒有這么顯著，Wu說。上地殼的淺層可以是非常復雜的，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地震持續時間特別長，并產生了廣泛的、強度變化極大的地面運動，因此，它也為對土體特性非線性研究感興趣的科學家提供了一個前所未有的數據集。

Wu說，除了最強震動的瞬時效應外，研究人員也對地震過后土體如何恢復其強度產生了興趣，其恢復時間從幾分之一秒到數年不等。

“至今仍不清楚某些地點是否需要較長的恢復時間，”Wu又說。“恢復時間是由土體類型和其他因素決定的。”

如果土體的滲透性強，水就會使恢復時間延長。“對于多孔介質，地震動可能導致水進入孔隙，這便會減小土體的剪切模量。有了水的參與，恢復時間將大大延長，”他補充道。

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

佐治亞理工學院的研究人員獲取的信息將提供給地震學家，供其研發新的特大地震的風險模型。

了解場地土對強烈地震動的反應，對于預測地球深部運動傳遞到地表時建筑物會作出如何反應非常重要。

Wu表示，“了解大地震期間和地震之后土體如何降低和恢復其強度，對于更好地認識和預測強地面運動非常關鍵”，“進一步講，這將幫助地震工程師提高建筑物和地基的設計質量，并最終在未來的地震事件中起到保護人民生命財產的作用。”

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

(中國科學院國家科學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。