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地震波发生于地下，通过岩土质点的弹性振动进行传播，当地震波传到地面附近，受震物体有了扩展空间，则形成集团运动，使浅部地层发生旋扭，使地面上的物体产生三维扭动，地震仪所记录的只是地震仪所在地的物体集团运动的强度和周期变化，它既测不出集团运动的三维扭动轨迹，更测不到真正的地震波，由此得出一个错误理论，认为地震是先上下跳动（纵波所为），然后水平单向摇摆（横波所为），并据此采用了摇床作地震模拟实验，进行理论研究，皆与实际情况相悖。
在无法直接测出集团扭动三维轨迹之前，只能根据地震破坏遗迹进行分析，获取他们在破坏之前的运动信息。1976年7月28日唐山7.8级地震后，我们对唐山震害进行了大量实地观察，结合海城地震、溧阳地震和龙陵地震资料，总结出地震破坏的十大规律，搞清了地震破坏机制，并在此基础上，通过应力分析，发现了扭波，进而提出针对扭波设防抗震的八项措施。1979年发表了第一篇论文，题为"扭波与地震"，此后又发表了多篇论文，有几十家报刊杂志作了报导。由于人所共知的原因，扭波理论至今仍未被权威专家所接受。
1995年1月17日日本神户发生了7.2级大地震，一家电视台的监视器录下了该办公室遭地震破坏的全过程，桌子、椅子都在旋扭，最大转角达170度。证明了我们在二十年前根据颓垣断壁分析出的扭波正确无误。可是在二十年后，日本和美国的地震学家，在物体受震发生扭转运动的实况录像面前，仍然把地震破坏说成是由纵波和横波造成的。实在遗憾。为了改变这一不正常状况，现将1992年发表的一片论文"扭波的发现与设防抗震"重新发表，以正视听。
地震机制--扭波的发现与设防抗震
原载于《新疆地质》增刊1992
目录
前言
一、地震破坏的规律和存在的问题
1、地震破坏的若干规律
（1）线性物体直立如初
（2）钢筋铁架抗震最佳
（3）裂开旋扭同时并存
（4）破裂形式如同老化
（5）间隔破裂轻重分带
（6）断裂两盘不受损伤
（7）地面平整，起伏罕见
（8）四面开花铅直坠落
（9）地下建筑保存良好
（10）人体抗震胜过厂房
2、存在的问题
（1）地震破坏的10条规律与纵波、横波及面波理论相悖
（2）五个关键问题
二、弹性波的成生机制
1、弹性振动
2、弹性波
（1）弹性波的成生机制
（2）弹性波的传播
（3）弹性场与弹性波转向
（4）横扭波与纵扭波
三
扭波与地震破坏
1
扭波的破坏作用
2 扭断类型
横扭裂
纵扭裂
3 地震破坏的分带性
4 扭波破坏与重力关系
5 地旋
四
针对扭波设防抗震
1
截波
2 活端
3 底小
4 加筋
5 结牢
6 轻质
7 加箍
8 地下
参考文献
前言
中国是最早记录地震和记录古代地震最多的国家，也是首先发明地震仪和首先进行地震预报的国家。晋太康三年（282年）在魏襄王（公元前318－前296年）的墓中，出土了一部竹简，竹简上刻写着上至皇帝，下迄魏襄王二十二年（公元前297年）的历史，人称《竹书纪年》，里面记有4次地震，其中最早的一次是夏帝发七年（公元前1831年）泰山震。在这以后的许多有关古籍中，都有对地震的记载，从公元前1831－1955年3800年中，大约记录了9000次地震，其中约有1000次是破坏性地震。经整理不仅勾划出我国的地震区，同时还揭示出地震活跃期和平静期的周期性变化规律。
在国外，最早作地震记录的是日本，其记载是允恭天皇五年（416年）日本河内地震，比中国晚2247年。
东汉著名的科学家张衡（78－139年）首创了世界上第一台地震仪"候风地动仪"，安放在洛阳城内，正确的报出了东汉永和三年（138年）二月初三在陇西所发生的地震，陇西位于今甘肃兰州、临洮一带，在洛阳以西700km。而欧洲在1880年才制成地震仪，其原理和张衡地动仪基本相似，比中国晚1700多年。
在数千年以前，我国就力图从自然界本身去找地震原因。《竹书记年》在记述夏帝发十年的地震时写道"五星错行，夜中陨星如雨，地震。"春秋战国时期，阳伯父认为"天地之气，不失其序……阳伏而不能出，阴迫而不能蒸，于是有地震"。《庄子》则提出海水周流相薄说，认为："海水三岁一周，流波相薄，故地动"。东汉杰出的思想家王允，最早提出了地震是地壳本身的"自动"现象，他不止一次的说："地固将自动"。沈括认为，天地之变"率皆有法"，"物理有常，有变"。
根据地震前兆预报地震，在我国历史上也有许多记录，并总结出一套预报地震的经验。据山西省《虞乡县志》记载，清嘉庆二十年（1815）年，山西平陆地区曾根"淫雨后大热，宜防地震"的经验，预报出九月二十日午夜二时发生的一次强烈地震，据《清代地震档案史料》记载，清咸丰四年（1855年）十二月十一日，辽宁金县旗民根据地声，预报出即将发生的一次破坏性地震："未震之时，先闻有声如雷，故该处旗民早已预防，俱各走避出屋，以未曾压毙多人，只伤男妇子女共七名"。宁夏《隆德县志》曾把地震前兆归纳为"地震六端"：一、井水本湛静无波，倏忽挥如墨汁，泥渣上浮，势必地震。二、池沼之水，风吹成荇交萦，无端泡沫上腾，若沸煎茶，势必地震。三、海面遇雨，波浪高涌，奔腾洴汹，此常情；若日晴和，台飓不作，海水忽然绕起，汹涌异常，势必地震。四、夜半晦黑，天忽开朗，光明照耀，光异日中，势必地震。五、天晴日暖，碧空清净，忽见黑云如缕，蜿入长蛇，横亘空际，久而不散，势必地震。六、时置盛夏，酷热蒸腾，挥汗如雨，蓦觉清凉，如受冰雪，冷气袭人，肌为之粟，势必地震。这6条对地震前的天气异常，海啸、地光、地震云等地震前兆都作了精辟的概括。日本人最近几年才开始研究地震云，所得结果与以上描述基本一致。
自1996年以后，我国已报准18次破坏性地震，如1975年的辽南海城地震（7.3级），1976年的云南龙陵，路西地震（7.5－7.6级）和四川松潘地震（7.2级）。这在世界上也是屈指可数的。从世界水平来看，地震机制问题还没有完全得到解决，根据表面现象作地震预报，只能对部分地震有效，不可能把所有地震都预报出来，1976年唐山地震未能报出，是很自然的，在地震研究方面，还有一大段路要走。
地震波有3种，除众所周知的纵波和横波以外还有扭波。扭波是地震破坏的主要动力，扭波的发现揭开了地震破坏的内幕，为制定抗震措施提供了理论依据。
一、地震破坏的规律和存在的问题
70年代中国接连发生了十几次强烈地震，生命财产遭到严重破坏，仅1976年唐山7.8级地震就死亡24.2万人，重伤16.4万人，从而引起人们对地震的强烈关注。唐山地震后，在观察中发现《地震烈度表》［1］所附的样板图样（图版
1）与事实有很大出入。例如，样板图上面的是电线杆和楼房随地震烈度的增加逐渐倾斜，倾角逐渐增大XI－XII度时全部倒塌。实际上唐山地震并非如此，唐山路南区的破坏最严重，房屋全糟破坏，大多数塌平，按其它指标烈度定为XI度，可是电线杆仍然直立如初（图版2,4,5）［2］,另外无论是7层大楼还是平顶小屋坍塌后留下的断墙残壁基本上都是直的（图版
3）［2］，并不是先倾斜后破裂。这说明，人们对地震破坏的认识还有一定差距，有进一步研究的必要。通过对现场调查，结合溧阳地震、海城地震和龙陵地震，我们初步摸到了一些规律。
1、 地震破坏的若干规律
⑴线性物体直立如初
唐山市和丰南县地震烈度为X－XI度，厂房和住宅几乎全部破坏，但其中有许多线性物体被完整地保存下来。例如：
①所有树木均安然无恙，均未直接受害（图版 2，4，5）。
②绝大多数电线杆直立如初（图版 2，5；图版
6，7）。
唐山河北矿治学院翻砂车间是钢筋水泥厂房。地震后柱断、梁弯、顶塌，但厂房门前的两根电线杆直立如初，房后的树木也依然如故（图版
2）。
唐山开滦医院原是新建的7层大楼，地震时大部分塌平，但紧靠它的树木和电杆仍安然无恙。残留的一角也是直立的（图版
3）。
40cm宽的钢筋混凝土房柱被折断，而在同一地区的电杆和树木安然无恙（图版
7）。
唐山XI度区胜利桥墩倒梁落，而桥旁树木、电杆完好如初（图版
5）。
③唐山65m高的微波转播铁塔巍然屹立在大片废墟之中（图版
8）；震后仍能使用（潜望镜的方向性要求很高不能相差几秒）。这说明地震对它几乎无丝毫影响。
④40m高的用钢筋混凝土建造的唐山车站水塔依然如故。
⑤天津化工厂厂房坍塌，而直立的反应塔和高大烟囱及电杆均保存完好。
在线性物体中也有破坏较重的，主要是没有钢筋的砖砌烟囱和砖砌水塔，沿个别砖缝破裂后引起整段脱落。
⑵钢筋铁架抗震最佳
①唐山两座铁路钢架天桥和开滦煤矿的十几对钢架竖井均完好无损（图版
9）。
②唐山路南区65m高钢架电视转播塔屹立如初（图版
8）。
③唐山启新水泥厂办公楼砖砌窗柱破碎散落，而柱内钢筋完好，支撑着上层建筑（图版
10）。
④唐山一些早年电杆，受震后水泥破裂脱落，钢筋无恙，电线杆仍然直立（图版
11）。
⑶裂开旋扭同时并存
无论是墙裂缝、地裂缝还是烟囱裂缝，凡是裂缝都有旋扭，以柱状体的断裂扭转最为明显。例如：
①唐山启新水泥厂的一栋三层库房，一楼和二楼基本完好，三楼的所有窗柱全部断裂，旋转方向和角度各不相同，现存旋转角度最大的一个右转40o（图版
12）；旋转角更大的当时即已脱落，无从查考。
②唐山河北矿冶学院翻砂车间，各墙柱均断裂旋转，旋转方向和旋转角度各个不同（图版
2）。
③唐山文化宫门柱断裂旋转（图版 13）。
④唐山十中地裂缝右行旋转1.2m（图版
14）。
⑤唐山文化宫烟囱水平旋转（图版 15）。
⑥辽宁海城县委会烟囱断成4节，最上一节右旋40o（图版
16）。
⑦辽宁营口市砖砌烟囱水平断成5节，皆扭转错位（图版
17）。
⑧河北宁河火车站局部铁轨发生水平扭转，其他铁轨和电杆均无损伤（图版
18）[2]。
⑨河北丰南火车站一条铁轨发生反复扭曲，右侧的铁轨和站台也发生变形，其它铁轨以及树木和电杆均保存完好（图版
19）[2]。
⑩云南龙陵镇安中学1976年7.3级地震后两个篮球架都发生了水平旋转。一个左旋14o，一个左旋18o，最大平移1.22m（图版
20）[2]。
(11)唐山地震京榆公路滦河大桥桥面塌落同时旋扭（图版 21）[2]。
⑷破裂形式如同老化
地震造成的破坏主要是沿着物体本身的脆弱带发育，不论是地面上的建筑物，地表的道路还是地下的地层都是如此。例如：
①沿建筑物四角断裂（图版 12；图版
13）。
②沿门窗四角向外裂开（图版 22；图版
12）。
③沿支柱顶底面切断扭转（图版 13）。
④平行砖缝断裂（图版 15，16，17）。
⑤平行或垂直马路延长方向断裂（图版 23）。
⑥垂直水泥场地的边界线断裂。
⑦平行河边、塘边断裂。
地震所造成的断裂形式与非地震的"自然老化"和人为破坏所造成的断裂基本一致，地震只是加快了老化断裂的发展速度，是急性发作。它的破坏形式与震源方位无直接关系。地裂缝的发展也象建筑物裂缝一样只受控于接近地表的局部基底结构，沿其脆弱带产生地裂缝，其分布和延展方向也与震源和发震构造无直接关系。地裂缝都是比较浅的，通常只有几米，深十米以上的尚未见报导。
⑸间隔破裂轻重分带
①水平分带
唐山公安学校有3栋三层楼房。形状相同，相互间隔10m平行排列，南面一栋完全塌平，中间一栋保留了中段的部分骨架，北面一栋只前沿散落。
唐山水泥设计院新建的5栋楼房，均为砖混结构。同样设计和施工，基础条件也相近。但间隔坍塌，破坏轻重悬殊（图版
24）[3]。
唐山市路北区新华西路地震破坏轻重水平分带（图版
25）[2]。
1975年海城7.3级地震也有类似的情况。
②铅直分带
一栋楼房各层的破坏常是不一致的。在唐山地震中，有些楼房只一层破坏比较严重（图版
22），有的二层破坏严重（图版 10）；有的只第三层破坏严重（图版
12）。
唐山华新纺织厂的一个砖砌烟囱，高约40m，断为7节，间隔大致相等，每节都有扭转，但未坠落仍在使用。
海城县委会有一烟囱，震后断成4节，最上一节右旋40o[4]（图版
16）。
江苏溧阳上兴农机厂的3个烟囱互不相连，却在同一高度产生同样断裂（图版
26），这决非巧合。
图版 26.江苏溧阳上兴农机厂，3个烟囱互不相连，震后在同一高度产生同样断裂，皆向四面胀裂。
⑹断裂两盘不受损伤
不论断裂多长，裂缝多大，断块两盘物体仍然坚固如初，断裂所影响到的范围一般很小，例如：
①唐山至乐亭公路被错断，右旋错位1.2m，两侧树木直立如初（图版
27）[2]。
②海城地震时，锦县八千公社冻土开裂成一条大型地裂缝，缝宽20cm左右，长达2km将100余棵树木劈开，其中一棵树杆下部被劈，一分为二，左旋8cm，上部仍然相连，附近其他树木安然无恙（图版
28）[2]。
③穿过唐山十中的一条地裂缝将围墙、厕所和道路切断，右旋平移1.2m。但裂缝两侧的围墙、厕所隔墙、道路及其两侧的树木皆完好无恙。地下的管道也被错开，但两端并无损伤（图版
14）。
⑺地面平整，起伏罕见
唐山地震后，除极个别地区受采空区塌陷或其它影响出现局部起伏外，绝大部分地面和路面仍同以前一样无明显变化，波浪起伏少见，地裂缝的两侧也多是平坦的（图版
23，27，28）。
⑻四面开花铅直坠落
建筑体的破坏尤其是砖石结构和水泥制件的破坏一般都是分段裂开，向四面八方开花崩塌，铅直坠落。如同折叠灯笼合在一起，很少有整体倾倒的。
①唐山机车车辆厂的烟囱分段向四面胀裂（图版 29）。
②河北矿冶学院水塔断块向四面散落（图版 30）。
③唐山工人医院砖砌方烟囱四角向外崩裂。
④1979年江苏溧阳6级地震，震中附近的上沛砖瓦厂，有两个砖窑共八个烟囱，全部向四面崩散（图版
31）。
⑤江苏溧阳上兴公社农机厂，3个烟囱并排，在同一高度向四面崩裂（图版
26）。
⑥唐山开滦医院7层大楼铅直塌落，上下楼板近于重合，余下的一角仍然直立（图版
3）。
⑦唐山铁路医院住院部塌落楼板重叠在一起（图版 32）。
⑧唐山河北矿冶学院阅览室三层楼房西段全部铅直坠落（图版
22），东段仍然直立。
⑼地下建筑保存良好
唐山的人防坑道除个别地方有些小裂纹外，其它均未受到破坏，开滦煤矿井下坑道与地面相比破坏极轻，吕家坨在地震时井下有600多名工人在工作，震后全部安全返回地面，马家沟3号井震后10天即恢复生产出煤。位于XI度区的铁路医院住院部，原是三层楼房，地上两层全部塌平，半地下的一层基本完好，只有一些小裂缝（图版
32），唐山有两条铁路隧道也未遭破坏。
⑽人体抗震胜过厂房
唐山地震死伤的人，绝大部分是由于建筑物的坍塌间接受害，没有人直接死于震动，人比钢筋水泥造的厂房还要抗震。人的抗震能力是很强的。
地震破坏的这些规律也普遍存在于国内外的各次大震中，如1970年1月5日云南通海7.7级地震；1923年9月1日日本关东的8.3级地震；1960年2月29日摩洛哥阿迪尔的5.8级地震等等。
2、存在的问题
人之躯体除大脑发达外，防御自然突变的能力一般比较差。冬天怕冷，夏天怕热；风吹站不稳，水淹立不住；唯独抗震能力极强，竟胜过钢筋水泥，赛过高楼大厦，奇妙得不可思议，简单到一目了然，无需佐证。人为什么能比厂房抗震呢？这是一个非常有趣的问题，能否正确地解释这种现象，是检验一切地震理论的试金石。要解决这个问题就必须首先弄清地震的破坏作用。过去认为地震的破坏是纵波、横波和面波所为，并以后两者为主，而实际上并非如此。前述的10条地震破坏规律绝大部分是不能用纵波和横波来解释的，也不能用所谓的面波来解释。
⑴地震破坏的10条规律与纵波、横波及面波理论相悖。
①地震的破坏若真是纵波和横波的作用，地面物体所受的振动应当是上下颤动（纵波）和水平摇晃（横波），其破坏作用应当与大风、海浪和原子弹爆炸产生的冲击波相似，首先被破坏的和受害严重的应该是人、树木、电杆、水塔和铁塔之类的头重脚轻，重心高的，直立的线状物体；而不应该是那些重心低，结构牢，承重大、强度高的钢筋混凝土厂房，而事实正相反。由此可见，地震破坏的主力不可能是纵波和横波；
②地震断裂皆具有旋转性，而纵波和横波的振动是没有旋转性的；
③若是纵波和横波的作用，建筑物应首先倾斜，然后断裂，向一侧倒塌。而实际上是向四面坍塌近铅直坠落，这再次证明地震的破坏不是纵波和横波所为；
④不论是横波还是纵波，它们的传播都是连续的，强度是渐变的，从震中向外逐渐衰减。在同一个地震烈度区的几十到几百平方公里的范围内，同样的建筑物所受到的破坏应当是大致相同的，而实际情况并非如此，地震破坏具分带性，在短距离内常有很大差异，一栋楼房，一半塌平，另一半完好；两条并排的铁轨，一条扭曲，另一条完好如初。这些都不能用纵波和横波作用来解释。
⑤地震破坏也不是"面波"的作用（一般认为面波起主要作用）。所谓面波按目前的解释是"体波到达地表后激发的次生波，沿地表传播，它的震动方向有的与传播方向垂直，这和横波的性质一样，包括了两种类型。一类是在地面上来回振动（拉夫波），一类则在地面上滚动（瑞雷波）。面波能使地面出现波状起伏。"既然认为面波的性质与横波一致，当然也就不可能是地震破坏的主要因素，所谓"面波"是否存在恐怕还是个问题。
地震的破坏既不是纵波和横波，也不是面波又是什么波呢？是否可能还有某种尚未发现的未知波在起作用？寻找未知波有三种途径，一是进行实地调查，研究破坏应力的性质；二是重新分析地震仪的工作原理与图象；三是从理论上探讨弹性波的成生机制，弄清弹性振动与弹性波的关系。到目前为止，震源振动与弹性传播仍处于分别讨论的状态。还没有连接成为一个整体。
⑵五个关键问题
存在的问题很多，主要的可归纳为以下5点：
①为什么人比厂房抗震？
②地震如何破坏？
③面波是否存在？
④有无未知波？
⑤弹性波是怎样产生的，成生机制如何？
搞清弹性波的成生机制是解决5个问题的关键，其它问题迎刃而解。
二、弹性波的成生机制
1、弹性振动
一物体受外力作用，使体积或形态发生变化，而当外力取消后，该物体便恢复它原来体积和形状者，称为弹性体。
图33之圆（实线）代表一个圆球状弹性体，若沿圆球某一直径方向施加一对外压力FF′。球体受压产生弹性变形，成为椭球体（虚线），称为变形椭球体。变形椭球体中各点的具体变化（位移）各不相同，促使各点变化的局部力大小和方向也各不相同，这些实际上使球体各点产生变形（位移）的局部力即通常说的内力。与内力相平衡还有一个反作用力，称为反弹力或恢复力。当外力和内力消除后，变形椭球体即在反弹力的作用下恢复原状，复原成球体。反弹力和内力大小相等，方向相反，作用在同一点上。单位面积上所受的内力或反弹力称为应力，可用应力单位度量之。
图34-A所示是一个球形弹性物体的原始状态。加一对外力FF′使之发生应变（图34－B），所产生的内力同时被大小相等方向相反的反弹力所平衡。一旦外力（FF′）取消，内力则随之消失，物体将在反弹力的作用下恢复到弹性体的原始状态（A）。若外力缓慢消失，能量将逐渐消耗，物体各点则逐渐恢复到原位，直接由（B）回到（A），称为"无振复原"或"静态复原"。若外力突然取消，物体各点则在反弹力的作用下产生加速度，由（B）向（A）呈加速度运动；愈接近原始位置（A），速度愈大，达到（A）时速度最大，停不下来，于是便以此为初速度继续向前运动，给物体一个反方向内力（对B而言），使物体向（C）应变，积蓄新的反弹力，动能逐渐转化为弹性位能（应变），速度逐渐减小，当动能全部转化为弹性能时，运动停止，如34－C所示。如在运动过程中无能量损耗，应变（C）的绝对值应与原应变（B）相等，只应变方向相反。到（C）后，立刻又在新反弹力的作用下向（A）转化，演化过程和以前一样，只是方向相反，由（C）过（A）最后回到（B）；到（B）后，接着再由（B）过（A）到（C）。如此往返循环不已。弹性物体的应变和反弹力的这种周期性变化称为“弹性振动”。若介质为完全弹性体又无能量消耗时将一直振动下去，永不停息。实际上由于摩擦或其它阻力的作用，能量将逐渐消耗，每个周期的最大应变和最大反弹力的绝对值将逐渐减小，最后反弹力全部消失，振动停止，物体恢复到原始位置（A）。弹性应变的这种恢复过程称为"振动复原"。
2、弹性波
（1）弹性波的成生机制
物体的振动可由弹性介质向外传播，形成弹性波。引起弹性波的物体振动称为"震源"。弹性波的波形可由图34所示的弹性振动过程分析得出。如果我们把图34之（A），（B），（C）重合在一起绘成图35的形式，任何方向上的弹性波波形皆可直接从图上求得。
图35之圆为应变前的原始球体，即振源，弹性波沿球半径方向向外传播，物体振动时各方向上的应变不同，传播出去的弹性波也不一样。弹性波的成生遵循以下法则：振源球面上任意点的振动沿径向传播出去就是该方向上的弹性波，其波形决定于该点的振动轨迹，这个法则叫做弹性波成生法则。振源体上的振动后半个周期与前半个周期相重，演化方向相反，但传播出去就称为一个完整的周期，连续不断的波列。
沿OA方向向外传播的弹性波，其波形由a点的振动轨迹所决定，a点的振动轨迹为直a1－a－a2，与传播方向（OA）方向一致，轨迹中任意点在相应椭球上的切线（切面）都垂直于径向Oa。所以，a点的振动沿OA方向传播出去，所生成的弹性波是纵波（P波）或称压缩波，传播质点沿传播方向往返振动（图35－A）。
b点的振动沿OB方向传播出去也是纵波（图35－B），波形与OA方向是一样的，只是在时间上相差半个周期。在同一时间内一个向外运动，一个向内运动，但由于两个纵波的始点也是相差半个周期，所以在以O为圆心的各球面上，两者的波形仍然相同，但不同步。
在OC方向上应变椭球体为无伸缩面。在整个振动过程中C点的位置保持不变，但C点在椭球体上的瞬时切线将随椭球体的形变而变，切线与OC的交角随时而异。C点的运动轨迹是原地旋转扭摆，故沿OC方向传播出去的波是扭波。它的传播方式与钟表摆轮相仿，传播质点偏离原始位置的扭摆角度，称为扭摆角，可用C点在椭球上的瞬时切线与在原始球体上的切线的交角α来表示。C
点在原始球体上的切线与OC垂直，扭摆角α为零，C点在椭球体上的各瞬间扭摆角皆大于零。振源体的振动幅度愈大，应变量愈大，扭摆角α的变化范围也愈大，扭摆角的最大值与扭波强度成正比。因此，可用最大扭摆角度来表示扭波的强度。除a、b、c等8个特殊点外，其它所有点的振动轨迹皆是S型曲线。例如，d点的轨迹为d1-d-d2（图35-D）.其振动沿OD方向向外传播。为了便于分析，将d点的振动时轨迹放大如图36所示：图中dk为质点d向d2振动时轨迹上的任一位置，由d至dk的运动可分解为3种分运动。
①沿OD方向的分运动（dk），沿OD方向传播出去形成纵波（p）.
②垂直OD方向的分运动（Kdk）,沿OD方向传播出去形成垂直传播方向振动的横波（S）。
③扭摆分运动沿OD传播出去形成扭波（n）.
由此可见，任何振动轨迹呈曲线的原始波都可以分解成为纵波、 横波和扭波等3种基本体波（图35）。3种体波同源，同时生于同地。只是由于在传播过程中传播介质对3种波的传播速度不同，才逐渐拉开，单独运行。
实际的振源体大多不是球体，在这种情况下，弹性波是沿振源表面各点的曲率半径方向向外传播，振源表面各点的振动轨迹可以全部呈S形，都包含有3种基本成分，而不存在只产生一种波形的特殊方向。
(2)弹性波的传播
纵波是一种压缩波，凡是具有压缩弹性的物体都能传递纵波。固体以及受压气体和液体都有压缩弹性，都能传递纵波。真空无压缩弹性，不能传递纵波，如声波。纵波的振动方向与传播方向一致，传播质点在一维空间内传播，在直线上振动，故传播速度最快。
横波的振动垂直传播方向，只有当介质在垂直传播方向上有压缩弹性时才能传递横波。固体各方向都有压缩弹性，无论横波从什么方向穿过固体皆可以通过。液体和气体等流体则不然，在海洋等地表大型水体中，由于重力的作用，使水滴向上移动时须用力作功，具压缩弹性，所以沿水平方向可以传播横波，尤其在水面附近重力作用最显著传播横波的能力最大，如水波。在湖海的水平振动由于水体很大，相邻两点势能相等，阻力很小，受力后极易产生柔性变形消耗水平振动，压缩弹性很小。所以沿铅直方向横波很难通过大型水体。横波的振动垂直传播方向，在二维空间中传播，传播质点在一个平面内振动，故传播速度比纵波慢。地震横波一般比纵波慢1/3左右[1]。
扭波是由物体质点的扭摆运动所形成的弹性波，只能在具有扭转弹性的物体中传播，所以只能在固体中传播不能在液体和气体中传播。扭波的振动是原地扭摆，在三维空间中传播，故传播速度最慢，能量消耗最快。地震扭波的传播速度通常只有纵波的一半左右。扭波可向四面八方传播，随时转向任何方向。
弹性波的传播是靠介质的弹性，若波动能使介质产生永久变形，动能即被消耗，弹性波即行消失，也就不再向前传播了。
（3）弹性场与弹性波转向
弹性波的发射方向取决于弹性波成生法则，沿振源体表面各点的曲率半径方向向外传播。弹性波在传播过程中受介质弹性场的影响可改变方向。
介质受力产生弹性形变，由于介质在各个方向上分布不均，产生的变形也就不一样，介质各点受力后所产生的弹性反应称为弹性场。弹性场的变化主要取决于介质的成分、结构和构造，也与介质的温度、应力、重力、电磁场等物理场的分布有一定关系，物理场的分布有时还能成为改变弹性波传播方向和速度的主要因素。此外由于弹性波本身的性质及其频率和传播方向的不同，弹性反应也不相同。在同一介质内对于不同的波形可产生不同的弹性反应，表现出不同的弹性场。弹性场不是单一的物理场，不能用一个系数或一个简单的参数方程来表达。地球的物质和物理场变化多端，因此，所形成的弹性场就更加复杂多变。所以，对地球各处的弹性场只能作个别分析，近似估测，准确定量目前尚不可能。
任何不受外力影响的质点自由振动时都像音叉一样往复振动，前半个周期的振动轨迹与后半个周期的振动轨迹相同，方向相反，对中间（原始）位置对称。对称振动是弹性振动的最稳定状态，若无外力作用，质点将一直振动下去。施加外力可迫使振动质点改变振动轨迹，使前后两半个周期的轨迹不同，变成不对称振动，当外力消失后又逐渐恢复成为对称振动。振动质点有保持稳态对称振动的自然趋势，这是振动的另一个基本特性。例如，施力将一摆锤胡乱摆动，然后去掉外力，任其自然摆动，摆锤很快就变为以铅垂位置为中心的对称摆动。
弹性波就是靠介质的弹性振动来传播的。波的传播方向与质点的振动有一定关系。纵波的传播方向与传播质点的振动方向一致；横波的传播方向与传播质点的振动方向垂直；扭波的传播质点原地扭动，可向四面八方传播。既可横向扭转传播，又可纵向扭转传播。
当振动质点两半个周期所处的弹性场相等时，则传播质点呈对称振动，弹性波将按原方向向前传播；若两半个周期所处的弹性场不等，弹性反映也不相同，两半个周期的振幅和频率将产生差异，致使两半个周期的传播速度快慢不等，弹性质点的振动方向将随之改变，弹性波的传播方向跟着转折，折向传播速度较慢的一侧。两半个周期所处的弹性场相差愈大，传播方向改变的愈快，弯曲愈大，若两半个周期所处的弹性场相差悬殊，则可使传播方向急剧转折，甚至折回形成反射。
由被迫作不对称振动逐渐趋向对称振动是改变振动方向的根本原因。弹性波传播方向的改变是振动质点改变振动方向的结果，一旦达到对称振动，传播方向就不再改变，恢复直线前进。因此，无论什么弹性波在传播过程中都有转向垂直或平行弹性场等值线的趋势。
地球是由许多成分不同的环圈套叠而成，各物理场的分布也多如此，沿地球径向变化最大，因而地球弹性场的等值面多呈球壳状，与地球层状构造一致。对于地震波来说，不论震源多深，初射方向如何，在传向地面的过程中传播方向都要发生弯曲，逐渐接近于垂直地面，其中一部分也可以转为沿球壳表面传播或沿地层层面传播。
传播纵波的质点在一条直线上振动，受弹性场的影响较小，转向慢，在短距离内可保持直线传播。横波传播的质点在二维空间振动，受弹性场的影响比纵波大，传播方向容易改变。扭波传播的质点在三维空间扭摆，受弹性场的影响最大，传播方向最容易改变。不仅如此，由于传播介质各方向上的扭转弹性不同，扭波将被再次分解。由于水平扭摆的阻力比铅直扭摆阻力小，致使水平扭摆的传播速度快。因此，扭波被分解成为两个分扭波：传播速度快的水平分扭波和速度较慢的铅直分扭波。后者的速度只有前者的92％左右[5]，两个分扭波的扭摆方向相互垂直。
（4）横扭波与纵扭波
传播水平分扭波的质点在水平面内扭摆。扭摆轴与传播方向一致，扭摆方向与传播方向垂直，因而又可以称其为横扭波（图37）。横扭波与横波有本质上的区别，传播横扭波的质点是在垂直传播方向上原地扭动。传播横波的质点是在垂直传播方向上左右振动。由横扭波所形成的地震图象，前人曾把它称为拉夫波[5]，说它是质点在水平方向上的运动，与横波想似，这显然是错误的。传播铅直分扭波的质点，顺传播方向前后扭摆，扭摆轴与传播方向垂直，因而又可以称其为纵扭波（图38）。纵扭波与前后振动的纵波同样也有本质上的区别。由纵扭波所形成的地震图象前人曾称其为瑞雷波，也认为是面波的一种。说它是"地面质点在通过传播方向的垂直平面上沿递进椭圆轨道运动"。这种解释也是不对的。前面已经讲过，任何单一的基波都是往复振动，不可能形成单向椭圆轨道。质点呈椭圆运动是两个以上基波的合成效应，而不是基波。当传播质点同时传播两个以上的基波时，它的运动轨迹才有可能成为密闭的曲线。
称为地震图象的地震曲线，不论是振幅或频率都不是扭波的真实写照，而是扭波在地震仪上所形成的合力偶的反映，它与地震仪本身的结构和安放地点有关。因此，同一地震在不同地震仪上所记录的曲线是不相同的。要想如实地记录扭波还得进一步研究、
设计新型地震仪。
横扭波和纵扭波都是体波，都是原生波，不是次生波。它们虽然可以在一定条件下转为沿地面或沿层面传播，但称其为"面波是不妥当的，更不存在"次生面波"。
三
扭波与地震破坏
1
扭波的破坏作用
扭波靠介质质点的扭摆向外传播，无处不到，扭波所到之处介质（物体）质点随之扭摆振动，产生力偶矩。对一个质点来说，体积很小，力臂很短，产生的力偶矩极小。但是，在刚性物体内，无数个小力偶可以合成为巨大的合力偶矩，合力偶矩等于各组成力偶矩的代数和。合力偶可以作用在物体内部的任何位置上。合力偶矩的扭摆方向和强弱取决于各质点的瞬时位相和强度，只有在适当的位相条件下才能沿物体脆弱面两侧合成两个方向相反的强大力偶矩，将物体沿脆弱面扭断。与断裂面相邻的部分由于扭应变在物体弹性范围以内，因而不受破坏，完好如初。这可能就是通常所说的应力集中与释放的实质。
在柔性物体中，只需要很小的力偶就能使之产生扭转变形，消耗扭波。因此不可能合成为巨大的力偶矩来破坏物体，这就是柔性物体特别抗震的原因。
2 扭断类型
一根粉笔只握住一端很难扭断，只有无限制地增加扭摆频率才能扭断。若同时握住粉笔的两端，向相反方向旋转，施加两个方向相反的力偶矩，稍一用力即可将粉笔扭断，断裂面是两个扭力偶的分界面。这样的一对方向相反的扭力偶我们称它为力偶对。按力偶对的两个力偶轴之间的关系，扭断裂可分为两大类型。
（1）
横扭裂
两力偶轴在一条直线上，向相反方向扭动，产生的断裂叫横扭裂（图39），如用双手扭断粉笔。
（2）
纵扭裂
两力偶轴平行，扭转方向相反，产生的断裂叫纵扭裂（图40）如用双手折断粉笔。
由此可见，只有单一的力偶矩还不足以造成破裂，必须组成力偶对才能将物体扭断。扭波的前半个周期与后半个周期位相反，前半个周期合成的力偶与后半个周期合成的力偶扭转方向相反，又相互邻接，刚好构成一组力偶对，从而成为地震破坏的主要原因。
扭波发自振源，开始以振源为中心沿幅射向外传播，以后逐渐转为垂直地面，最后沿铅直方向传入直立的地面物体。横扭波的传播质点在水平面内左右扭摆，使物体产生水平扭断，形成横扭裂。力偶对的两个力偶轴在同一条铅直线上（图37），如烟囱被水平切断（图版
15，16，17）窗柱、房柱被水平扭断（图版 12；图版 13）。
纵扭波沿传播方向前后扭摆，也是铅直传入物体，使物体产生X型断裂。属于纵扭裂，合成力偶对的两个力偶轴相互平行，呈水平分布（图
38），将物体前后扭摆。当物体处于向内扭摆的半个周期时，物体被压缩，空间缩小，不可能产生断裂，只产生弹性应变，使扭波继续向前传播；当处于向外扭摆的半个周期时，使物体向外膨胀，如果物体的外围为空气时，阻力很小，临空面将被扩张形成断裂。扭波不断传来，向内的半个周期继续上传，向外的半个周期使物体不断破裂外移，最后脱离整体铅直落地。物体的每个角和每个面都是如此，所以建筑物的破坏是向四面开花，铅直坠落，残留部分则仍旧直立如初（图版
3；图版 29，30；图版 26，31；图版 46），而不是整体倾倒或先倾斜而后倒塌。个别楼房和桥墩的倾斜是由于地基先被水化松驰，流砂外冒失去效用所致，这种情况多出现在河中或岸边，或新填满的古河道和坑洼地带。地基水化多与大规模地旋有关。地震所产生的地裂缝多数为纵扭裂。
3 地震破坏的分带性
地震破坏的强弱有分带性，主要决定于3个因素：一是扭波的位相和波长；二是物体的结构、构造和脆弱带的分布；三是初裂缝出现的位置。一个裂缝只能消耗一段瞬时位相的扭波能量，转变成位移，其它瞬时位相的扭波照常通过裂缝上传，结果把连续传播的扭波割裂成为许多段，通过裂缝的扭波必须再走一段路程（多为半个波长）才能达到与造成第一裂缝相同的瞬时位相，使物体向外扩张产生第二条断裂。在第二条断裂上再消耗一部分扭波。残留的部分再向前进（或反射前进），在合适的位置上造成第三、第四……条断裂，直至把扭波全部消耗为止，从而造成断裂分带现象。海城地震时，海城县委会烟囱震后断成4节，最上一节右旋40度，营口一砖烟囱断成5节都是这么造成的（图版
16，17）。
所谓适当部位是指合成力偶对作用面与物体本身脆弱带相互一致时的位置。脆弱带取决于物体的结构，合成扭波的作用面取决于扭波的瞬间位相和波长，两者是在运动中相互重合的。这个问题很复杂，有待于进一步研究。
上兴农机厂的3个烟囱（图版 26）构造相似，相距不远，扭波瞬时位相相近，因而能在同一高度上出现相似的断裂。而较远的那个烟囱虽然大小与前三者相同，但却未遭到破坏，这可能是由于两者距离较远，扭波进入烟囱的位相不同，所以破坏情况也不一样。
4 扭波破坏与重力关系
扭波只能将物体扭断扭散，但不能使断块下落。断块的坠落是由于物体本身的重力造成的，而不是象炸弹和爆破那样把建筑物炸飞。所以地震时建筑物的坍塌都是近于铅直的，象可折叠的灯笼铅直折叠一样。坍塌冲击的能量不是地震带来的，而是来自坠落物体本身的势能（图版
3，5；图版 22，24；图版 30，31；图版 13，32）。
就是扭断之力也并非全部来自扭波，其中包含有很大一部分物体的自身重力，象钻孔一样，加压越大钻进切削的愈快。物体的自重愈大，地震的破坏力愈强。
地震对物体的破坏要具备3个条件：一是能合成力偶矩；二是能组成力偶对；三是要有重力参加。对地面以上的建筑物来说扭波的作用只相当于扣动板机，起破坏作用的能量"火药"是建筑物本身的势能。这个能量是造房时加上去的，地震时人在露天，就不会受任何伤害。
地震破坏的过程和强弱可以分为3个阶段：墙散，柱断，顶塌。最严重的结果是象折叠灯笼折起一样铅直"趴架"，上下重叠在一起（图版
3；图版 32）。
5 地旋
扭波在土壤和地层中合成时，也能产生巨大的力偶矩，使大片土地或岩层发生整体扭摆，称为"地旋"。在一个大区域内可以同时形成几个位相不同的旋转单元，彼此组成力偶对，每个旋转单元的直径可有几十到几千米或更大，视岩性和波长而定。地旋可使大片枣树林旋转（邢台地震），可使土壤和岩层局部涨缩产生地裂，将地下气、地下水和泥砂挤出，出现喷气、喷水、喷砂现象，甚至形成地光（海城地震）；地旋也能使铁路弯曲（唐山地震）（图版
18，19），篮球架旋转（图版 20），地基水化，桥墩倾斜（唐山地震）（图版
5）；地旋还会使地下管道弯曲破坏（唐山地震）（图版
14）。以上地旋多是水平地旋，由横扭波合成（唐山和海城地震）。有些地裂缝可能是铅直地旋的产物。
地震破坏的水平分带多与地旋有关。在地旋的内部，大地是作整体旋转的，对其上的地物无多大的破坏作用，就像轮船航行一样，船中的构件不会由于船在航行而遭破坏。地震破坏主要发生在两个地旋的交切部位（图
41），即相当于两船相碰的时间和相碰的部位。如果有一栋房屋正好处在地旋交切带附近，其中位于交切带上的一段则被严重破坏，甚至于完全趴架；位于交切带以外的那一段，则可以完整的保存下来（图
41-A），如开滦医院（图版 3）和河北矿冶学院阅览室（图版
22）。如果有一条铁路通过交切带，处于交切带上的那段铁轨常被拉弯，在交切带以外的铁轨则安然无恙（图
41-B），如宁河火车站的铁轨弯曲（图版 18）和丰南火车站的铁轨弯曲（图版
19）。地震时铁轨是同路基和浅部土一齐旋转的。浅部土壤有一定弹性，当地旋幅度不大时，可随着地旋来回扭动而不断裂，最后又恢复到原位。当铁轨的弯曲超过它的弹性级极限时，则产生永久变形，不能再恢复到原状，从而被保存下来成为地旋遗迹。可以根据铁轨的弯曲形状大致确定地旋的特征，定出使铁轨弯曲时的地旋瞬时位相和瞬时强度，这对揭开地震破坏之迷是很有用的。
四
针对扭波设防抗震
地震的破坏主要是扭波的作用。因此，必须针对扭波设防抗震，可采取下列措施：一是阻止扭波进入；二是消耗扭波；三是增强抗扭能力。
1 截波
扭波不能通过流体。扭波通过柔性物体和弹性物体时，强度也要大大减弱。因此，我们可以用橡胶之类弹性物体作建筑物垫层，割断扭波（国外已在造此类建筑）。另外，若将厂房建在船上、轮胎上、气垫上、橡胶垫上和建在弹子层上都可以大大提高抗震能力。唐山抗震指挥部就是设在汽车上。
2 活端
只固定物体一端，使另一端能在空中摆动，即可消除扭波。电杆、烟囱、水塔、铁塔和树木均属上活端抗震。桌椅板凳、宫殿庙宇和穿斗木架结构房屋抗震性能好，与下活端有关。唐山地震时桌椅板凳多数是被砸坏的，很少是直接震坏的，是下活端抗震的典型。宫殿和庙宇的结构与桌子相似，横梁竖柱结成一个整体，安置方法也和桌子一样，平放在石柱基上（图版
42，43，44），地震时立柱与石柱础之间可以相互错动，整个房屋可以整体扭摆平移，致使地下上来的扭波大部分被柱础表面割断，余下部分又被房屋整体扭摆所抵消，因而具有非凡的抗震能力。例如山东曲阜孔庙的奎文阁（公元1500年修），400多年来经历6次强烈地震的冲击，仍安然无恙（图版
22）。山西应县有一木塔经过7次大地震未遭破坏，也是这个原因（图版
45）。
溧阳民房多是穿斗木结构平置于石柱础之上，受震只沿墙坍塌，房架仍然完好，大大降低了人员死伤和财产损失（图版
46）。
用穿斗木结构框架承重，整体平放在石柱础上，墙体只起围护作用，这是中国古代建房的一大发明，是中华文化的一颗明珠，是我国古代劳动人民几千年来的智慧结晶，它的抗震能力比其它任何房屋结构都要强。可惜在唐山地区这种建筑极少，老的民房多是土墙或石墙房屋，由墙来承重；新建的住宅多采用由国外学来的砖混结构，也是由墙体或砖垛承重；大型楼房和厂房虽然用的是钢筋混凝土框架，看起来牢固，也未起抗震作用，唐山地震时上述各类建筑都遭到破坏（图版
2，3，5；图版
6；图版
22，24；图版
13；图版
7）。其中的一个主要原因就是所有这些房屋都与地基紧密相连。故抗震能力相对很差，扭波可以毫无损耗的进入建筑物，将承重墙扭散，将承重柱和框架扭断，使整个房屋趴架。唐山地震破坏严重，坏就坏在墙和柱与地基牢固的连结在一起。
3 底小
建筑物的底面积愈大，进入扭波的数量愈多，合成的力偶矩愈大，破坏力也就愈强。大型单层钢筋混凝土厂房抗震能力不如单个立柱和电杆（图版
2，3，5；图版
6，7），底面积大是主要原因。
建筑物的底面积小，进入的扭波就少，合成力偶矩也小，破坏力就弱。电杆、高塔、烟囱抗震能力强，除上活端外底面积小也是主要原因之一。
4 加筋
加筋能增加物体的抗扭能力，木质纤维，钢筋铁管都是很好的抗扭材料，加一些在建筑物的脆弱带中可以提高抗震能力。如唐山启新水泥厂办公楼（图版
10）二楼的窗柱砖石散落，由于其中加有钢筋，楼房才未坍塌。图版
11 所示的水泥电杆、水泥碎裂，由于中间有钢筋才未折断。
5结牢
加强建筑物各部分的结合力，强化脆弱带，增加整体性，小震时可避免脆弱带断裂，保住建筑物，但不能消减扭波，彻底解决问题，遇强震会合成更为强大的扭力矩，造成更剧烈的破坏，再粗的钢筋混凝土构件也能被扭断扭散。例如唐山启新水泥厂有一排5个相连的圆柱形水泥仓，是1966年新建的，各水泥仓的直径均为5.1米，仓高为14.7米。每个水泥仓都是由12个0.5米见方的钢筋混凝土柱支撑着，柱高4.6米，柱内钢筋纵横交错，最粗的8根立筋直径为25mm。震前各水泥仓均装满了水泥，每仓1200t，5个水泥仓共装6000t。地震后5个水泥仓的56根水泥柱全部从柱顶折断，5个水泥仓一齐塌落，而附近的电杆和树木却安然无恙。用12个半米见方的水泥柱支撑1200t的重量绰绰有余。从建筑承重的角度来看，可以说是万分坚固，可对地震破坏则无能为力，还不如花草树木和电线杆。这说明单纯的增加建筑物的强度，并不等于同时也增加了它的抗震能力，唐山矿洗煤楼，为现浇框架结构，钢筋粗而密，由于层多负荷大，仍遭严重破坏（图版
47）。建筑物的强度和建筑物的抗震能力是完全不同的两回事，不可混淆。结牢只有与消扭和隔扭措施相配合才能发挥它的全部作用。树木、电杆、钢筋混凝土烟囱和水塔异常抗震，是结牢与活端消扭相互配合的结果；宫殿、宙宇抗震则是由于穿斗榫接（结牢）与水平石柱础（隔扭、消扭）相互配合的结果（图版
42）。
6 轻质
扭波的破坏力大部分来自受害物体的自重，减轻物体自重就等于减轻地震的破坏力。唐山火车站的钢架天桥和65米高的微波转播塔（图版
8）能保存完好，质轻（未加混凝土）也是一个主要原因。开滦煤矿的竖井有两种，大多数是纯钢架结构，震后都基本完好；少数是钢筋水泥结构，看起来更加坚固，但由于体重增大，韧性降低，反而破坏严重（如唐山矿新风井）（图版
48）。另外，平铺的路要比竖立的墙抗震，那是因为路体埋在土壤内，重力作用减弱，等于减少了自重；墙竖在空气中，重力作用显著，体重很大，从而增加了地震的破坏能力。
7
加箍
地震破坏是向四面开花，加箍阻挡开花，故可防止破坏。如图版
11 所示为一对并立的水泥电线杆，无箍者破裂，有箍者完好。图版
29所示的烟囱因为有箍才得以保存，在建筑体中加几道腰箍不但能抗震，而且耐用。
8 地下
房屋建在地下至少具备3个抗震因素：①建筑物被土所围，等于全部加箍；②建筑物外廓与土层接触，两者之间磨擦阻力很大，可阻止建筑物水平扭摆和前后扭转；③建筑物埋在土壤中，受土壤的浮力作用，抵消了建筑物的自重，等于轻质，故在唐山地震中地下建筑保存完好。
以上各项措施都只能起一定抗震作用，只有相互配合才能事半功倍。配合不当也会适得其反。要因地制宜，因物制宜，才能做到经济有效。
参考文献
1 《地震问答》编写组.地震问答.北京:地质出版社,1977.4-209
2 国家地震局地质研究所.中国八大地震震害摄影图集.北京:地震出版社，1983
3 陈飞比.唐山地震.北京:地震出版社,1979.13
4 中国科学院工程力学研究所.海城地震.北京:地震出版社,1979.85
5 [美]诺依曼.地震图解原理.许同春译.北京:地震出版社,1977.5-6
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