工程地震學

近場地震動理論

工程地震學中的數值方法

工程結構的地震響應和地震安全性分析

邊坡地震的穩定性分析

1931年日本地震學者末廣恭二赴美國講學，講題為“工程地震學”,側重強地面運動的觀測和建築物振動性能的測量，這便是工程地震學成為學科名稱的起源。

1962年蘇聯梅德韋傑夫(С.В．Медведев)著有《工程地震學》一書，內容包括地震區劃和小區劃以及結構在地震作用下的反應。

1983年日本又出版了金井清著的《工程地震學》，涉及了地震觀測、地震活動性、地面和建築物的振動、地震破壞現象、工程抗震設計準則等方面。

1956年，第一屆世界地震工程會議在美國舉行，以後，這樣的會議每 4年舉行一次，確立了“地震工程學(earthguake engineering)”這門學科。

早期的地震觀測主要為地震學服務，目的在於確定地震發生的時間、位置和大小以及其他震源參數，通常用靈敏度較高的儀器在遠場觀測地面的微弱震動以達其目的。服務於工程需要的強震觀測則在於取得大地震近場地面運動過程和在它作用下建築物反應過程的準確記錄。由於大地震不常發生，儀器不值得經常運轉，只宜在震時觸發記錄，所以觀測儀器比較複雜，觀測工作開展較晚。首批強震儀是1932年在美國設置的，有位移儀和加速度儀兩種(前者以後沒有發展)，可以記錄地面運動的全過程。這批儀器多設置在建築物內，同時觀測地面的運動和結構的反應。設置以後，很快就取得了有用的記錄。在50年代，日本跟著開展了這項工作。到二十世紀初全世界約有40個國家設置了強震觀測台網，總共約有5000台儀器，幾乎全是加速度儀。儘管儀器有這麼多，但和世界上地震區的總面積相比，覆蓋密度還是很低的。所以積累的記錄還遠遠不足分析之用，有意義的系統性記錄屈指可數。對世界上破壞性極大的地震都沒有取得極震區的記錄。1978年在夏威夷檀香山舉行了第一次國際強震觀測台陣會議。會議討論了加密觀測台網的計劃並把研究地面運動作為首要目的；在全世界範圍選擇了28個最有希望取得記錄的地區，作為優先考慮布設密集台陣的地區；同時提出了觀測震源機制、波傳播和局部場地影響各類台陣的設計原則。這是強震觀測走向國際合作和更有計劃地布設台陣的新起點。

強震儀自30年代以來也有很大發展。最初的一類是直接光記錄式的，即將光點投射到拾振擺上的鏡片，再反射到感光膠捲或感光紙上以記錄擺的振動。這類儀器經過幾十年的不斷改進，已經達到公認的可靠適用程度。第二類是50年代在日本發展的機械式儀器，其特點是用寶石筆尖在臘紙上刻劃出解析度極高的記錄跡線。第三類是電流計記錄式，即由拾振器產生電信號，通過電流計的偏轉以光記錄的方式顯示，其優點是便於在近距離進行多點觀測。蘇聯最先使用，中國在60年代也生產和使用了這種儀器。第四類是模擬磁帶式的，它把振動信號記錄在磁帶上，使用時經過回放和模數轉換給出數據，避免了光記錄或機械記錄所需要的複雜而又費時的數字化程序。第五類即最新、最有前途的一類，是數字磁帶記錄式的。記錄信號可以直接從磁帶通過回放以數字形式輸出，與計算機連用，而且有動態範圍較大和能夠貯存觸發前信息等優點。但這種儀器尚在發展階段，未臻完善。在發展上述儀器的同時，也研製了若干種簡單的地震計，它不記錄地震運動的全過程，只記錄地面運動的加速度峰值或對應於一定周期和阻尼的地震反應譜值，意在降低造價、便於管理、能夠廣泛設置。但地震計的推廣並不如理想那樣快，原因是造價與加速度儀相比還不夠低，而所得信息量卻遠不及加速度儀。

強震記錄的積累帶來了記錄的處理和利用的問題。已經取得的強震記錄基本上都是模擬式加速度記錄。首先遇到的是如何準確地進行數字化，確定記錄上的零線和通過兩次積分取得速度和位移等問題。這些問題經過了30年的不斷努力才獲得解決，其原因是來自儀器本身和記錄處理各個環節的誤差十分複雜。1969年美國加利福尼亞理工學院地震工程研究室開始了一項處理強震記錄的研究，經過數年，成功地建立了一套標準程序。包括：①模擬記錄的數字化。這是用半自動的數字化設備實現的，同時還進行跡線和時標的光滑化以及零線的初步調整。這樣處理后的記錄稱為未校正記錄。②記錄的校正。有兩部分：一種是對未校正記錄的高、低頻的濾波，濾掉可靠頻段以外的雜訊和信息，以消除數字化過程中的隨機誤差；一種是對儀器動態響應失真的校正。③反應譜分析。包括在不同阻尼下的加速度、速度和位移反應譜。④傅里葉譜分析。應用了消除泄漏效應和混淆誤差的技術。數據處理的技術仍在不斷發展之中。當前的趨勢是採用全自動數字化技術。將所有強震記錄貯存於計算機中；建立資料庫，以便進行處理和提取。同時引用資訊理論的成果，在強震記錄中提取更多的信息。

地震造成的破壞主要來自地震近場的地面運動，因此地面運動特性成為工程地震學的主要研究對象之一。從理論上說，地面可以有3個坐標方向的平動和繞著 3個坐標軸的轉動。但觀測和研究還只限於3個方向的平動（兩個水平向和豎向）。

地震破壞作用應當用什麼地面運動參數來表達是首要的研究課題。由於人們長期採用宏觀烈度表來衡量地震破壞作用，尋求與烈度對應的單一地面運動參數一直是研究者追求的目標。迄今研究過的參數不下十餘種，它們或者是直觀的地面運動的某種幅度，或者為標誌地面運動總體破壞力的某種數量（見地震烈度）。這些參數與宏觀烈度的統計關係已經在工程實踐中應用，其缺點在於單一參數與地震烈度的相關性較差。地面運動是非常複雜的時間變化過程，其破壞作用涉及地震的強度、地震波頻譜構成和地震持續時間，很難用單一的物理參數來表達。儘管人們還沒有放棄這種努力，但傾向是採用多種參數來表徵地震破壞力。這個問題的圓滿解決還有待於對地震作用下結構破壞機理的認識的深化，也有待於更多的大地震近場觀測記錄的積累和大比例尺模型破壞性試驗的發展。

在工程抗震設計中，通常只考慮地面運動較大水平分量的作用。很明顯，另一個水平分量和豎向分量的作用有時也不可忽視。尤其在極震區，豎向分量可能會大於水平分量。所以地面運動多個分量的組合作用也逐漸為研究者所注意。由於地震波的波長通常遠遠超過工程結構的尺寸，在工程結構的設計中一般不考慮地面運動的相位差。但對於某些特大尺寸的結構，例如管道、長橋、大壩等，相位差的影響不能忽略。因此關於近距離地面運動的變化及其相關性的研究也在發展之中。

近場地面運動的時間過程極不規則，通常被視為隨機過程。由於地面運動的隨機性，按照確定的地面運動過程進行工程抗震設計失去了意義。解決這個問題有兩個途徑。其一是採集在給定條件下的成組的實際地面運動記錄作為設計依據；其二是用人工合成方法擬合地面運動的統計特徵，產生一系列的隨機的地面運動過程。常見的擬合對象是給定的地震反應譜或傅里葉譜。

地面運動的衰減規律通常用統計方法建立。首先把地面運動參數寫成震級和震源距離的函數，再根據大量觀測數據導出回歸公式。隨著觀測數據不斷積累，這種經驗公式也不斷更新。經驗方法的缺點在於未能考慮震源性質、傳播途徑和場地條件等因素，以致觀測數據相對於經驗公式的離散性很大；再則由於經驗公式的局限性，外推到近距離地面運動不夠準確。趨勢是將地震學的理論研究和統計方法結合起來，建立半理論、半經驗的地面運動衰減規律，已有可喜的進展。

這是旨在給工程場地提供在未來一定時期內可能遭受地震襲擊的危險程度（簡稱地震危險性），以便採取適當的防禦措施。地震危險性有兩重意義：其一是指地震的烈度，其二是指其發生的幾率。地震危險性可以用不同的方式方法來表示。它可以用按危險性高低分區的地圖形式來表示，也可以用預測的地面運動參數的等值線圖來表示；可以用確定性的預測數據來表示，也可以用給定的概率下的數據來表示。由於早期的工作是以地震區劃圖的形式出現，所以地震區域劃分這個名詞沿用至今。地圖形式適用於大量的一般工程的抗震設計、抗震加固和規劃工作。對於特別重要的工程，如大型水利工程樞紐、核電站、海洋平台，設計者往往不能滿足於區劃圖的簡單規定，而要求針對以工程場地為中心的數百公里範圍內的地震活動性和地震地質作特殊研究，進行地震危險性分析，最後給出作為設計標準的地震烈度（宏觀烈度或地面運動參數）。設計標準通常要求分兩級。高的一級為一定時期內工程場地可能遭受的最高地震烈度，在此地震下，要求工程設計保證建築物不致倒毀和保障人身安全。低的一級為工程場地可能常遇的地震烈度，在此地震下，要求工程設計保證建築物可以照常使用。

這是相對於地震區劃而言。地震區劃是從大範圍劃分地震危險性不等的區域；地震小區劃是在局部範圍分清對抗震有利或不利的場地，著重研究場地條件對地震烈度（廣義的）的影響。地震小區劃這個詞最初見於梅德韋傑夫的文章。他根據場地地基的軟硬，地下水位的高低、波速的快慢，將地震區劃所規定的烈度作增減的調整。場地條件對地震烈度的影響是很複雜的，這是一種簡單的、純經驗的處理方法。地震小區劃的意義則為國際上所公認。當前的趨勢是從多方面來評價場地的優劣，繪製各種小區劃圖件，供抗震設計者考慮採取針對性的抗震措施和土地利用方法。

在實踐中地震小區劃的方法大致有：①繪製詳細的地震、地質、地形等圖件作為小區劃的基礎資料；②測量地基土層的波速、地面脈動的頻譜和卓越周期等物理參數並參考土壤鑽探資料，劃分地基類別，根據地基類別，採用不同的設計反應譜；③根據地震危險性分析結果，在基岩界面上輸入相應的地震波，考慮土壤特性和局部地形的影響，計算地面運動的過程；④根據土樣試驗和現場貫入試驗，判別土壤液化、震陷等地基失效的可能性；⑤最後以地圖形式在研究的小區域內將預測的烈度、地面運動以及各種震害的分佈狀況反映出來。

傳統的地震學是從地震遠場效應來研究震源情況和地球介質性質的。這裡有兩個簡便之處，一是震源可近似地視為點源；二是可以對震相分別進行研究。但這樣做是以丟掉許多近場高頻信息為代價的。當地震學為工程服務的時候，這種對近場效應的忽視就不能容許了，因為工程上所感興趣的地域恰恰是逼近震源一、二百公里的範圍之內。強震觀測工作就是針對這個範圍進行的。由於工程上的需要和強震觀測工作的促進，在60年代關於地震近場效應的研究日益發展，這個學科分支逐漸以“近場地震學”或“強震地震學”見於文獻。它研究的主題是近場地面運動和震源機制的關係。

根據了解，淺源構造地震的發生是由於地殼岩石在彈性應變積累到一定程度時，突然破裂並由點及面以波速量級的速度擴展，導致應變陡然釋放，破裂面兩側相對錯動，同時發射出地震波。位錯理論就是這一過程的數學模擬。位錯應該是空間和時間的函數（稱為震源函數）。位錯理論在震源模式和近場地面運動之間建立了數學聯繫，使人們可以進一步研究兩者之間的定量關係。位錯模式是震源機制的運動學模式。更進一步還有動力學模式。通常假定在破裂面上，由於粘性或脆性破裂，初始的剪應力突然下降到摩擦力；這相當於在破裂面上施加一定的有效應力（稱為應力降），引起破裂面兩側相對滑動。近場地震學就是根據這兩個一般性震源模式，進行兩方面的研究：第一，建立能夠解釋高頻地面運動觀測資料的震源模式並測定其參數；第二，從震源機制預測近場地面運動。

近年來近場地震學最重要的進展之一是從觀測和理論兩方面證明了震源破裂過程的複雜性。破裂面上應力降的分佈很不均勻，高應力降一般只發生在面積很小的區域內，這些小區域為大面積的低應力降區域所包圍。這種複雜性是由斷層面的幾何不規則性和破裂強度或構造應力沿破裂面的非均勻分佈所造成。它引起破裂波前的變速運動，並由此發射出高頻地震波。這一認識導致一系列研究，包括：確定性的和隨機的非均勻震源模式，高、低應力降區域大小之比，近源加速度與速度的上界，高頻地面運動複雜性的解釋，以及高頻地面運動的過程和峰值的預測。

近場地面運動的另一重要特徵是它的方向性，即在斷層破裂傳播方向上地面運動顯著增強。這個輻射能量的聚焦效應發生在一個狹窄區帶內，地面運動增強程度主要取決於破裂傳播速度。沿破裂長度的平均破裂速度一般小於剪切波速，但在破裂面某些部位可能接近壓縮波速。此外，發震斷層的類型對近場地面運動也有影響。例如，逆斷層產生的加速度峰值一般大於正斷層所產生的加速度峰值。

影響地震烈度的場地條件固然複雜，但概括起來，主要有3個要素：

早在1906年舊金山地震和1923年關東地震之後，人們就意識到地基土質對震害的影響。日本學者注意到剛硬地基對柔性結構有利，而軟弱地基對剛性結構有利；還認為在不同性質的地基土（包括土質和覆蓋厚度）的情況下，地面振動有不同的卓越周期，而卓越周期又可以從平時地脈動中測出。金井清並從理論上提出，卓越周期是由於地震波在地基土層的表面和基底岩層界面之間的多次反射所形成，因而與覆蓋土層的厚度有密切關係。美國自30年代以來發展了地震反應譜理論，並取得了大量的強震地面運動觀測記錄。在此基礎上研究了地面運動峰值、地震反應譜特性、地震持續時間等要素與地基土類別的關係。通常把地基土按其堅硬程度，從基岩到軟弱土層，分為3～4類，利用強震觀測記錄作統計分析。一般的結論是，基岩上的運動具有頻率較高、頻帶較窄、持續時間較短的特點；而在軟弱土上的情況則相反。大量的宏觀現象表明基岩上建築物的破壞要比一般土層上小得多。在理論工作方面，流行的方法是假定地震波以剪切波的形式從基岩豎直射入表土層，再根據波傳播理論計算地面的運動過程及其頻譜特徵。這樣土壤的分層及其剛度的變化都能得到反映。應用同樣的理論可以根據在地面上的觀測記錄反演基岩界面上的運動。研究已進入到地震波入射角度的影響和表面波的影響，以及土層變化的二維和三維問題。

飽和砂土的液化是地基土質影響中的一個獨特問題。砂土的穩定是依靠砂粒間的摩擦力來維持的。在地震的持續震動之下，砂土趨向密實，迫使孔隙水壓力上升、砂粒間的壓力和摩擦力減小，進而使砂土失去抗剪能力，形成液態，失去穩定。因此液化的形成決定於地震的強度和持續時間、砂粒的大小和密度、砂層的應力狀態和覆蓋厚度等等因素。在宏觀現象上，砂土液化表現為平地噴砂冒水，建築物沉陷、傾倒或滑移，堤岸滑坡等等。1964年美國阿拉斯加地震、1964年日本新潟地震、1975年中國海城地震和1976年中國唐山地震都有飽和砂土的液化現象。探明液化機理，尋找預測、預防措施，成為各國重視的課題。

由於一般城鎮多半建設在平坦地區，地形問題不大為人重視。但中國地震區有很大部分位於崇山峻岭，地形十分複雜，城鎮村落無法避開，地形的影響值得重視。中國的歷次大地震的經驗表明孤立的小山包或山樑頂上的烈度比山下較高。反過來，低洼地的烈度是否低則不甚明顯。從地震波的傳播來探討地形影響的研究已經有人進行，但作出結論為時尚早。

最主要的是斷層影響。地面上的斷層隨處皆有，但有活動與否、深淺、大小、破碎帶寬窄、斷面傾角陡緩等的差別。地震時斷層對烈度、對震害的影響如何是不清楚的。宏觀現象表明，緊靠地震斷裂兩側的震害是嚴重的，如中國1970年通海地震、1973年爐霍地震均如此。強震觀測亦表明斷裂兩側的地面震動是劇烈的，如美國帕克菲爾德地震和聖費爾南多地震均如此。但在一些地震時沒有活動的斷層上就看不出有震害或震動加劇的現象。難點在於在地震發生之前，無法預測哪些斷層會在地震時活動，因而如何對有斷層通過的場地進行評價還是一個懸案。此外，地震時山崩滑坡在很大程度上決定於局部地質，如岩層的形成和風化歷史、岩質和傾角等等。這個問題在山區很重要，但研究者甚少。