地震的传播与地震作用的特点

2008年5月12日四川汶川地区发生特大地震，波及陕西、甘肃、云南等省，地震波究竟是如何传播的，它有什么特点?

[答]地震波由震源(震中)出发传向四面八方，地震时由震源同时发出两种波，一种是纵波，- -种是横波(见图2.3. 1-1)。

纵波也叫压缩波，其能量的传播方向与波的前进方向是一致的，相邻质点在波的传播方向作压缩与拉伸运动，就像手风琴伸缩-样。当纵波垂直向上传播时，物体受到竖向的拉压作用，因此，地面的自由物体会下陷或上抛。

横波也叫剪切波，它使质点在垂直于波的前进方向做相互的剪切运动，就像彩带的质点运动一样，当横波的传播方向与地面垂直时，横波使地面物体做水平摇摆运动。

纵波与横波的传播速度不同，纵波比横波传播的速度快，但衰减也快，因此纵波先到达场地，剪切波随后到达。震中附近的人先感到上下运动，有时甚至被拋起(即地震加速度大于重力加速度g)，尔后才感觉到左右播晃运动，站立不稳。纵波的衰减较快，因而其影响范围往往不及横波。基于上述情况，除震中外，抗震理论主要考虑横波的剪切作用，而纵波的拉压影响只在某些特定的结构情况下需要考虑。

地震波在基岩和地表土层中的传播和衰减的速度各不相同，因此，地震波首先到达建筑场地下的基岩，再向上传播到达地表(注意，一般情况下，理论和实测表明，地表土对地震加速度起放大的作用，一般土层中的加速度随距地面深度的增加而递减，基岩顶面的覆盖土层越厚、土层越软，地表面处的地震加速度比基岩面的地震加速度放大作用越明显)，由于地震波穿过的岩、土层的性质与厚度不同，地震波到达地表时，经过土、岩的滤波作用，地震波的振幅与频率特性也各不相同，因此，地质条件和距震源的远近不同，场地的地面运动也不-样。

由于地震波是在成层的岩、土中传播，在经过不同的层面时，波的折射现象使波的前进方向偏离直线。一般情况下，岩、土层的剪变模量和剪切波速都有随深度增加的趋势，从而使波的传播方向形成向地表弯转的形式，因此，在距地表的相当厚度之内，可以将地震波看成是向上(由基岩向地表，使地面物体做水平摇摆运动)传播的(见图2.3.1-1)，因此，《抗震规范》以地震波垂直向上传播的理论(即水平地震作用)为基本假定。

[问题分析]

1.地震作用有其特有的规律，掌握其传播的规律对理解地震作用的过程、把握地震作用对建筑物的影响有重要意义。了解地震科学的研究现状和地震作用的复杂性，可以有助于把握结构抗震设计的要点，抓住结构抗震设计的关键。并有助于理解加强建筑抗震概念设计和抗震构造的重要性。

2.地面以上建筑物的运动实际，上是由地面运动(由地面以下地震波引起的地面水平运动)和地面以上建筑的运动(建筑物对地面以下地震波的响应)两部分组成的，地震时人在房间内感觉到的位移是由地面运动的位移Oc和建筑物的地震位移△s的叠加，是绝对位移值。而我们通常所说的结构弹性层间位移角Ore仅是指上部结构的地震位移，把建筑物的下端看成是没有位移的固定端来考虑，比实际位移小许多。

以西安为例，本地区抗震设防烈度为8度，汶川地震时西安地区的烈度约为6.5度，处在结构抗震设计的多遇地震作用范围内，结构处于弹性状态中，结构的弹性位移角没有超过规范的限值。按计算，位于某剪力墙结构第20层处的水平位移最大值为57000/1000=57mm(楼层离地面高度按57m计算)，而人所感觉到的实际位移要比57mm大许多，除因地震时人的恐惧而夸大了地震位移外，还有一个重要的原因就是地震时人们感觉到的是绝对位移，是地面运动的位移与建筑物弹性位移的叠加。

3.基岩埋深越大，上覆土层越厚，土质越疏松，则地震动由基岩穿过这种较厚的软弱土层到达地表时，会产生较强的地面震动。实测资料及计算结果表明，场地土对基岩波地震动峰值加速度有明显的放大作用，多遇地震时的放大倍数高达2左右。但随着输人地震动峰值加速度的增大，场地土对基岩波地震动的放大作用效应不是线性变化的，峰值加速度到达某一较大值后，受软弱土的非线性变形特性的影响，大量的地震波能量的耗散，使得地表地震动幅值降低，对于发生概率较小的地震动(如罕遇地震)，场地放大作用减小，甚至表现为使地震动缩小。但长周期段反应谱放大效应增加，特征周期显著延长。

4.软厚土层场地的放大作用使从基岩输人的地震动通过各土层时被增强，同时土层的滤波作用可能导致穿过土层的地震波的优势周期与场地以及建筑物的自振周期一致，形成共振，从而加重灾害。1976年7.8级的唐山地震，天津的塘沽、汉沽等滨海地区，由于覆盖土层较厚、淤泥质夹层厚度大且埋深浅，造成地震时震害加重，形成高烈度异常区。抗震设计时，针对软土的放大与滤波作用，可采取适当的措施减弱或避免软土场地对建筑物的危害，如软土地基深开挖，研究表明，实施软土地基深开挖后，水平向地震动峰值加速度可降低17%~27%，竖向地震动峰值加速度可降低7%~ 18%。

5.对于基础坐落在基岩上的高层建筑，覆土层对地震波的放大作用很小，可按基岩波设计，并留有适当的余地。