有关地震烈度与地震动参数联系的探讨

李 辉

地震是当今世界上人类面临的最大自然灾害之一,而我国正属于地震多发的国家,如何准确的估计地震带来的破坏作用对预防、应对地震具有相当重要的意义。直接利用地震动参数来度量地震的破坏作用开始成为发展的趋势。但是到底应该采用什么样的地震动参数来衡量地震的破坏力,还必须要与地震破坏现象联系起来才能做出判断。而烈度恰恰是描述地震破坏现象的,因此在地震动参数与烈度之间需要建立良好的过渡,这依赖于确定合理的烈度物理标准[1]。

地震动是引起宏观现象的作用,地震烈度是宏观现象严重程度的量度。前者是因,后者是果,两者之间应有一定的联系。

1 地震烈度与地震动单一参数的关系

用来反映地震时人的感觉和地表震害现象的烈度是一个相对模糊的量,再加上历史资料的遗漏欠缺和环境条件本身的制约,就使得地震烈度资料本身存在着许多不足之处,从而给使用者带来不确定因素,降低了它的可靠性[2]。找到它与地震动参数之间的联系,这一缺陷就可以得到改善。

新的烈度物理标准应能便于抗震设计使用,应在数值上与传统的峰值加速度和峰值速度便于转换。因为峰值加速度作为设防参数,其使用方法已经非常成熟,而新的烈度物理标准应用于抗震设计,还需要大量的理论研究和震害检验,尚存在一个漫长的过渡阶段,因此,峰值加速度是一个很好的桥梁[1]。

早期发表的关于地震动仪器记录的峰值加速度a与地震烈度I关系的研究结果中,有Gutenberg和 Richter的结果[3]:

其中,a以cm/s2计;I为12度地震烈度表中的烈度值。刘恢先在1980中国地震烈度表中提出的结果为:

其中,lg¯a,lg¯v分别为峰值加速度a和峰值速度v的对数平均值。为了保持烈度的连续性,在烈度表中取σ=0.15。

由于峰值加速度a与地震烈度I之间的关系离散性过大,有人研究了峰值速度v(cm/s)与地震烈度I之间的关系。Mcguire提出下述结果:

Theodulidis和Papazachos由希腊、日本和美国阿拉斯加的记录得到:

式(4)中 s=0表示基岩场地,式(5)中s=0表示冲击土场地。

2 地震烈度与地震动多个参数的关系[3]

20世纪70年代,Mcguire在地震烈度 I与地震动单一参数Y(可以是峰值加速度或速度)的关系中增加了震级 M与距离R(可以是震中距、震源距或断层距),从而用回归统计分析方法求如下的换算关系:

其中,C0,C1,C2,C3均为回归统计分析的系数。

目前,公认的地震动参数Y与地震烈度I的衰减关系是:

由此可见,地震烈度与地震动参数,无论是峰值加速度、速度、位移、反应谱或持时,都与震源特性和传播途径中的介质有关,震级 M是震源特性的简单表示,距离 R是传播途径中介质影响的简单表示。根据上述两个关系,可以理解地震烈度、不同的地震动参数之间存在相关性;另外,由于震级与距离分别是震源特性与传播途径影响极为简化的参数,因此,上述相关性会有较大的离散性。

事实上地震烈度并不像上述假设的连续量,而是个离散量,是一个人为等级划分。在讨论这两种不同量的相应关系时,不能忽略这种本质上的差异,不能追求一般物理量之间的那种一一对应。

3 结语

众多专家学者的理论和实践证明:以水平向峰值速度与地震烈度的相关性最强,多参数的组合并不能加强其与地震烈度的相关性;另外,推荐了分别用峰值加速度、峰值速度与峰值位移定量表示的地震烈度。

将地震烈度与地震动参数结合起来,用地震动参数将地震烈度具体化,有利于进一步对地震的研究,以达到指导抗震实践的目的。

[1] 郝 敏,谢礼立,徐龙军.关于地震烈度物理标准研究的若干思考[J].地震学报,2005,27(2):230-234.

[2] 郝 敏,谢礼立,李 伟.从集集地震看建筑物震害与地震动参数的关系[J].地震工程与工程振动,2005,25(6):12-15.

[3] 陈国兴.岩土地震工程学[M].北京:科学出版社,2007.