近地表爆炸地震的地面竖向振动速度的随机特性

　　1 引 言

　　虽然关于工程爆破地震效应的研究很早就引起了众多学者的关注,并且得出了大量的研究结果[1],但是关于较工程爆破更广义的爆炸(除核爆炸外)地震效应的研究却显得相对较为缺乏。除了那些与工程爆破相一致的爆炸现象,还有很多爆炸过程,由于与地作用的能量较小,引起的地震动微弱而不被重视;另外,因为它们在民用工程中的应用范围极其有限,被认为缺乏普遍研究价值。随着现代科学技术的进步,以微机械结构为主体的电子电器设备获得了广泛的应用。即使爆炸地震效应并不能破坏大型结构,但是它对这些微机械结构的工作性能和寿命可能产生不利影响。

　　事实上,已经有理论对爆炸引起的地震效应提出了研究[2],这些研究主要立足于大型结构的影响和破坏等问题,多少有点类似于工程爆破地震效应的研究。对于微机械结构振动响应,这种研究方法显得较为粗糙,难以满足应用要求,探索新的研究思路将是必要的。目前对确定性问题的认识应该说已经获得了极大的成功,而随机性问题还面临着较大的困难,并构成当前科学技术研究的热点。就爆炸地震效应来看,随机性方面的探索还没有公开的专题研究报道。其实,正是这种随机性构成了爆炸地震效应的细节。作为一种随机振源,对这种细节探讨的实际意义是显而易见的。

　　爆炸地震是一种短时非平稳随机过程,遍历性假设已不再成立,因而集合平均不再能用时间平均来代替,这为理论处理带来了难度。已往的研究一般是将爆炸震源近似为平稳过程以寻求结构的响应,它显然与实际情况存在较大的出入。于是,爆炸地震效应以及由此引起的结构响应的非平稳随机振动理论构成了解决该问题的关键环节,然而,如何得到爆炸地震源的一般性定量描述又构成了这一环节的基础。

　　其实非平稳随机问题已经超出了传统统计理论的范畴,分形几何的分析表明,与时间相关的随机序列在一定的尺度范围内具有统计自相似的标度不变性[3],这一结果为研究爆炸地震效应提供了新的思路。如果能够找到相关的标度不变性关系,便可以有效地回避复杂而看似无规律的随机性所带来的困惑,并最终找到爆炸源与地震效应间的定量分析规律。另外,可以在结构响应预测时提供良好的振源简化数学模型,改善理论预报精度。目前求解线性系统非平稳响应的演变谱方法[4]使得将爆炸地震震源作为非平稳振源成为了可能,但要求给出随机波动部分的功率表达式,因而对爆炸地震效应引起的地面运动的随机波动规律的研究具有一定的工程价值。考虑到近地表非接触爆炸作为一类典型的爆炸现象,而且其作用过程相对较为简单,因此我们选择它作为研究对象,针对爆炸地震引起的地面竖向振动速度随机波动提出相关的分析。