Influence of nonlinear properties of the medium on the seismic effect of strong earthquakes
Authors: Д.А. Мельков, , А.Ф. Габараев, , М.И. Фидарова, , Т.И. Мерзликин, , З.В. Персаева, 
Published: December 2022

Актуальность работы. Традиционно сейсмические воздействия в практике сейсмостойкого строительства оцениваются величиной пикового горизонтального ускорения грунта. При анализе последствий сильных и разрушительных землетрясений необходимо учитывать многофакторность влияния процесса землетрясения на застройку. Известно, что нелинейные свойства среды оказывают влиние на спектральный состав и амплитуду колебаний на поверхности толщи, что обуславливает зависимость сейсмического эффекта от уровня воздействия. Целью работы является установление связи инструментальной сейсмической интенсивности с нелинейными свойствами среды в сложных инженерно-геологических и геоморфологических условиях. Методы работы. Моделирование колебаний грунтовой толщи выполнялось методом конечных элементов. Основные механические свойства среды были дополнены параметром, характеризующим нелинейную зависимость «напряжение-деформация». Результаты работы. Выполнено моделирование распространения сейсмических волн в среде с различной степенью проявления нелинейных свойств, задаваемых параметром крутизны нелинейной зависимости «напряжение-деформация». В результате установлены различия в спектральном составе и пространственном распределении энергии колебаний. В нелинейных спектрах происходит перераспределение энергии в более высокочастотную область, кратную основному пику, тем сильнее, чем сильнее крутизна кривой «напряжение-деформация». Установлено, что в целом различные инструментальные меры интенсивности имеют одинаковый характер изменения вдоль профиля, исключение составляет кумулятивная абсолютная скорость, распределение которой сильно меняется для разных значений крутизны кривой «напряжение-деформация». Степень проявления нелинейных свойств грунтов также может характеризоваться величиной площади нормированного спектра, увеличение которой связано с увеличением ширины спектра, обусловленной перераспределнием энергии в более высокочастотную область.

Relevance. Traditionally, seismic impacts in the practice of earthquake-resistant construction are estimated by peak horizontal ground acceleration. Consequences of strong and destructive earthquakes show multifactorial impact of the earthquake process on buildings. It is known that the nonlinear properties of the medium affect the spectral contents and the amplitude of vibrations on the surface of the stratum, which causes the dependence of the seismic effect on the level of impact. The aim of the work is to establish a relationship between instrumental seismic intensity and nonlinear properties of the medium in complex engineering-geological and geomorphological conditions. Methods. Modeling of oscillations of the soil stratum was carried out by the finite element method. The main mechanical properties of the medium were supplemented by a parameter characterizing the nonlinear stress-strain relationship. Results. The simulation of the propagation of seismic waves in a medium with a different degree of nonlinear properties, specified by the steepness of nonlinear stress-strain curve, is performed. As a result, differences in the spectral composition and spatial distribution of vibration energy were established. In nonlinear spectra, the energy is redistributed to a higher frequency region, a multiple of the main peak, the stronger, the steeper the stress-strain curve. It has been established that, in general, various instrumental intensity measures have the same pattern of change along the profile, with the exception of the cumulative absolute velocity, the distribution of which varies greatly for different steepness values of the stress-strain curve. The degree of manifestation of the nonlinear properties of soils can also be characterized by the area of the normalized spectrum, the increase in which is associated with an increase in the width of the spectrum due to the redistribution of energy to a higher frequency region.