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1、第五章 地震的工程地质研究,工程地质分析原理,51 基本概念及研究意义地震:接近地球表面的岩层中弹性波传播所引起的震动。震源，震中，震中距，震源深度的概念分类：1.按其成因分为：构造地震、火山地震和陷落地震。人类工程活动如采矿、水库蓄水、深井注水、地下接爆炸也可诱发地震。构造地震是现代地壳运动所产生的一种突发事件，是地球上分布最广、数量最多、危害最为严重的地震，世界上90以上的地震和所有的强烈地震均属构造地震。,它产生于板块边缘和板块内部的活动构造带，地壳和上地幔岩石在地球内力作用下，产生构造变形积蓄应变能，一旦达到岩体强度极限，就会发生突然的剪切破裂(脆性破坏)或沿已有破裂面产生突然错动(粘
2、滑)，积蓄的应变能就会以弹性波的形式突然释放使地壳震动而发生地震。2.按震源深度可分为：浅源地震（070km）中源地震（70300km）深源地震（300-700km）,地震的一般过程和地震序列 地震的一般过程：前震、主震、余震；地震序列：在一定时间内，发生在同一地质构造区的一系列地震。我国的地震序列：主震型、群震型、孤立型 全世界发生地震 500万/a，有感地震 5万/a 造成破坏性 1000/a 强 震 十多次,地震前后水平位移监测结果(GPS),地震前后垂直位移监测结果(GPS),地震引起大坝破坏(台中石岗),地震引起埠丰桥断裂，河床抬高8m,形成叠水(石岗),地震引起房屋倒塌(台中石岗)
3、,地震引起桥梁断裂(南投集集镇),地震引起稻田隆起(台中雾峰),地震引起操场隆起(台中国小),52 地震及地震波的基础知识521 地震波 地震时震源释放的应变能以弹性波的形式向四面八方传播，这种弹性被就是地震波。地震波是使建筑物在地震中破坏的原动力、也是研究地震的最主要的信息和研究地球深部构造的有力工具。地震波包括两种在介质内部传播的体波和两种限于界面附近传播的面波。,体波包括：纵波和横波。纵波是由震源传出的压缩波。横波是震源向外传播的剪切波，传播时介质体积不变但形状改变，周期较长振幅较大。因为该波是切变波，所以它不能通过对切变没有抵抗能力的液体。根据弹性理论，纵波传播速度(Vp)和横波速度(
4、Vs),可分别以下列两式计算：,5.2.2 震源机制和震源参数 研究多个地震台的地震谱，可以确定出地震发生的物理过程或 震源物理过程，一般称为震源机制（local mechanism）。根据地震记录图，按弹性变位理论进行复杂计算，还可以求出限定震源物理过程的多个物理量，通称为震源参数（sourse parameters）。,5.2.2.1 震源机制 地下核爆破在地面所记录的P波初动都是推波，或第一相位为压缩，表明震动源的物理过程是由于爆炸引起的膨胀向周围介质施加压力。根据近几十年来的大量研究证实，浅震源P波初动明显具有限象分布的特点(图5-2)：推拉模式；单力偶模式；双力偶模式,5.2.2.2
5、 震源参数 以上震源机制讨论是以点源模型为基础的。实际上震源并非一点，而是一个产生有限错动的断层面，限定一个震源断层就需要有以下七个物理量，即；(1)断层面长度(L)；(2)断层宽度(W)；(3)断层走向p；(4)断层倾向和倾角；(5)断层错动方向；(6)断层错距(D)；(7)断层破裂的扩展速度。这些量统称震源参数。从震源参数、震中距离和场地条件推算地面运动，作为工程设计的依据，是目前国际上发展的方向，,5.2.3 地震震级和烈度 地震能否使某一地区建筑物受到破坏，首先取决于地震本身的大小和该建筑区距震中的远近，距震中愈远则受到的震动愈弱。所以需要有衡量地震本身大小和震动强烈程度的两个尺度，这
6、就是震级(Magnitude，Ms)和烈度(intensity，代号I)，它们之间有一定联系，但却是两个不同的尺度，不能混淆起来。,5.2.3.1 地震震级地震震级：是表示地震本身大小的尺度，是由地震所释放出来的能量大小所决定的。释放能量大小可根据地震波记录图的最高振幅来确定。但是由于波动远离震中要衰减，不同地震仪器的性能不同，记录的波动振幅也不同，所以必须以标准地震仪和标准震中距的记录为准。因此，按李希特一古登堡的最初定义，震级是距震中100km的标推地震仪(周期0.8s，阻尼比0.8，放大倍率2800倍)所记录的以微米表示的最大振幅震对数值。地震裂度：表示地震发生时对一个具体地点的实际震动
7、的强弱程度。基本烈度：指在今后一定时期内，在一定地点的一般场地可能遭受的最大烈度。,我国规定：近震（震中距 1000km，用体波ML震级 实际地动位移，其值地震记录图上量出 表示最大振幅除以地震仪的放大倍数。起算函数远震（震中距 1000km）用面波震级MS 为以 最大地动位移值，T为被测面波周期，c台站校正值 面波起算函数,目前震级以面波震级为标准震级与震源释放能量的关系 M 5级破坏性地震 7级强烈地震,表52 中国地震烈度表(1980),5.3 我国地震地质的基本特征 从震源机制的讨论中已知，地震特别是浅源地震，其产生多与断层错动有关；从大区域震源机制的研究可以确定区域构造应力场的情况可
8、得出，地震的分布和发生与大地构造密切相关。所以，用地质学的方法探索可能发生破坏性地震的危险构造或活动断层，配合震源机制的研究判定区域构造应力场和发震断层的错动机制，研究地层中存在的古地震现象，古地震活动周期和震级，为地震中长期预报和地震区划提供基础地质资料，就是地震地质工作的基本任务。,一 世界范围内的主要地履带及其形成的大地构造环境(1)环太平洋地震带 这是世界上最大的地震带，在挟窄条带内震中密度也最大，全世界约80的浅源地震、90的中源地震和几乎全部滦源地震集中于此带，释放的能量约为全世界地震释放能量的80。很早以前就已经知道，此带的震源深度有自岛孤外线的深海沟向大陆内部逐步加深的规律，并
9、解释为大陆与大洋之间的一条倾向大陆的大断裂面(因512)。,（2)地中海喜马拉雅地震带或欧亚地震带 仅次于环太平洋地震带的第二大地震带，震中分布较前者为分散，所以带的宽度大且有分支。以浅源震为主，中源震在帕米尔、喜马达雅有所分布，深源震主要分布于印尼岛弧。环太平洋地震借以外的几乎所有浅源、中源和大的浅源地震均发生于此带，释放能量约占全球地震能量的15。(3)大洋海岭地震带 主要呈线状分布于各大洋的接近中部(图513)，这一地震带远离大陆是多为强震，所以以前未被人注意，60年代以前不把它作为一个地震带，海底扩张和板块构造的发展才使人们注意到这一地震带。这一带的所有地震均产生于岩石圈内，震源深度小
10、于30 km，震级除少数例外均不超过5级。,由于地幔物质对流，运载着其上的刚性板快运移，因而造成了板块增生带、板块消减带和转换断层三个发震构造带。,二 我国地震地质的基本特征1 我国强震空间分布及地震区带划分 我国大于6级的强震的空间分布极不均匀，大致以105度为界。西部地震广泛分布，东部地震相对稀少，震级均未达到8级。在上述两地震区域内强震分布也是极不均匀的，东部域分布于华北及东南沿海一带，而西部分布面积大，但塔里木、准噶尔和鄂尔多斯盆地等则地震分布较为零星。地震发震深度西部40-70km，东部20km，东南沿海仅10km.,2.我国板块边缘地震区地震地质特征,（1)喜马拉雅山南麓地震区（2
11、)台湾地震区（3)吉林东部深源地震区,3.我国板内活动地震区地震构造背景,中国大陆板块内部构造活动的基本形式为块体运动。活动块体的边界被活动断裂、活动盆地和活动褶皱所围。级活动地块区：青藏地块、西域、南华、滇缅、华北、和东北亚6个地块。,5.4 地震区划及地震危险性分析减轻地震灾害有两种途径。一种是地震预报，它是以地震发生前应变能积累过程中地球物理场的变化而出现的前兆和历史地震活动规律为依据，以短期内准确预报出地震发生的时间、地点、强度为主要目标，以便人员及时撤离或其他防范措施。,另一种地震工程途径，它是以地震地质和地震活动规律研究所做出的地震发生时间、地点、强度、频度的长期预报为依据，经济、
12、安全而又合理地规定新建工程的抗震设防技术措施，使所兴建的工程能抗御未来发生的地震，即“小震不坏，中震可修，大震不倒”，从而大大减轻人民生命财产在地震中的损失。按其工程阶段可以分为地震危险性分析与地震区划、抗震规范、抗震设计、抗震鉴定和加固和抗震救灾五个部分。表5-27。,一 地震区划、地震危险性分析的原则和方法地震区划是针对量大面广的一般工程需要给出的抗震设防标准,重大工程的抗震设计,需要考虑场地的工程地质条件及其局部影响因素.地震小区划是根据具体场地条件给出小范围内今后可能发生的地震影响分布第一代地震区划图:1957年编制了中国地震烈度区域划分图，以烈度作为地震危险性标志。当时评定各地基本烈
13、度的两条主要原则是：（1）曾经发生过地震的地区，同样强度的地震可以重演，或简称历史地震重演；（2）地质构造（或地质特征）相同的地区，地震活动也可能相同，或简称构造外推，同一构造地震带可以发生相同强度的地震。,1977年国家地震局又编制和发表了第二代地震区划图。该图绘制了我国各地未来100年内可能遭受的最大烈度，称为地震基本烈度（在今后一个时期内（一般取100年）在一定地点的一般场地条件下可能遇到的最大烈度）。编图原则是在总结地震地质背景、地震活动规律的基础上充分考虑地震活动的时间非平稳性（即平静期和活跃期之分）和空间非均匀性（强震发生于一定构造部位），明确确定某地未来百年内发生地震的危险性。编
14、图方法是先判定各地震区，编制出以最大可能震级为标志的地震活动区划图，再根据我国历史地震震级和震中烈度的经验关系，将各级地震危险区换算成相应的震中烈度，地震影响烈度及其分布范围，则可根据所在地震区、带的烈度衰减统计规律圈定。,第三代区划图:采用地震危险性概率分析法编制,图上所示的地震烈度值系指50年期限内，一般场地条件可能遭遇的地震事件中超过概率10%所对应的烈度区,是目前国际上普遍采用的一般建筑物抗震设防标准.该区划吸收三个方面的成果,(1)采用地震危险性分析概率法,(2)反映了中国各个地区的地震活动时、空不均匀性。（3）吸收了地震预测方面 的科研成果。第四代区划图：第三代区划图使用的资料截止
15、到1986年，区划图上的参数以地震烈度来表达。90年代高速发展，减轻震害最有效的途径是在正确预测地震活动基础上，制定合理的抗震设防标准。编制完成以地震动参数表示的、综合反映场地影响和地震环境特点的适用一般的抗震设防区划图第五代区划图：首先考虑将抗倒塌地震动参数作为编图的基准，保证抗倒塌水准的地震动参数的科学性和合理性。,最终将全国区划为X，IX，VIII，VII，VI及VI类地震危险区。第三代地震区划图（地震危险性概率分析）,63.2%,10%,2-3%,众值烈度,基本烈度,罕见烈度,二、地震危险性评价,地震烈度区划图与地震动参数图均为全国范围的小比例尺图件，只能供国家建设规划和中小型建设工程
16、抗震设计使用。对大型工程必须对工程场地（大致以工程场地为中心、以4km为半径的范围)进行地震危险性分析、或称工程场地地震安全性评价。,5.5 场地地震反应及地震小区划一、场地地震效应及地震小区划类型（一)、场地破坏效应（1）地面破坏效应（2）地基失效：（3）斜坡破坏效应,萨尔瓦多地震引发泥石流1200多人遇难,不同地质条件下地基失效造成的建筑物破坏,（二).强烈地震动的破坏强烈地震动引起的结构破坏的倒塌是造成大量生命财产损失的的最普遍和最主要的原因。地震动参数：(1).振幅：通常指地面最大加速度amax，最大速度Vmax或最大位移dmax(2).频谱：地震地面运动周期与建筑物的自震周期呈三种不
17、同的关系：(3).持续时间,二 场地条件对震害和地震动的影响 场地条件一般指局部地形地质条件，如近地表几十米至几百米内的地基土石性质、地下水水位等水文地质条件，微地形以及有无断层破碎带等。1.基岩上地震动幅值小、持续短、震害轻2.深厚覆盖层上地震动周期长 某些周期的地震波传到第四纪地层之后,这些松软的土层就对地震波产生反射、折射，使得波产生叠加而增强，（不同的土层对波有选择放大作用）在这类波周期的长易与建筑物产生共振，这些波就是该该层土的卓越周期。,基岩的震动周期约为0.15s,更新统坚实土层为0.2-0.5s，全新统较松散软土层0.3-0.8s，巨厚松散软土层为0.5-1.1s。,土层的卓越
18、周期T可由表土层剪切振动微分方程导出:,3.非发震断层对震害无明显影响4.局部地形对震害影响显著 突出孤立的地形使地震动加强，低洼沟谷使地震动减弱。5.砂土液化对震害的影响有双重性,5.5.3 我国的地震小区划及其演进地震小区划的目的：预测某一城市或厂矿范围内可能遭遇到的地震破坏作用的分布。地震小区划的具体任务：1.为一般工程和重要工程的抗震设计提供地震动参数2.为城市和厂矿与土地利用规划的制定提供基础资料；3.为震害预测和减灾防灾措施的制定提供基础资料。结构地震反应分析地震小区划静力反应分析 静力调整烈度小区划准动力的反应谱 准动力调整反应谱小区划动力的反应谱 设计地震动小区划,1.调整烈度
19、小区划 区划方法是将场地划分为边长300一2000m的方格每格内应有一代表性地层剖面和地下水埋深资科。然后根据地基土层的地震刚度(弹性坡传播速度与密度之积)、地下水位的深浅和土层共振特性的不同，确定每格内的烈度增量值。,动力系数动力系数是按反应谱理论进行建筑物抗震设计的基本参数。它表示不同自振周期的单质点弹性结构在水平地震力作用下的最大加速度反应与地面最大加速度的比值,不同阻尼时的加速度反应谱,2 调整反应谱小区划,三 设计地震动反应谱小区划强震观测记录，震害经验积累加上电子计算技术，结构地震反应数值分析。,5.6 地震区划抗震设计原则 5.61 选择场地和地基 选择对抗震设计有利的场地和地基
20、是抗震设计中最重要的一环。最主要的有：(1)尽可能避开产生强烈地基失效及其它加重震害地面效应的场地或地基.用于这类场地或地基的主要有：活断层带可能产生地震液化的砂层或强烈沉降的淤泥层，厚填土层，可能产生不均匀沉降的地基以及可能受地震引起的崩塌、滑坡等斜坡效应影响的地区，如陡山坡、斜坡及河坎旁。,(2)考虑到地基土石的卓越周期和建筑物的自振周期，尽可能避免结构与地基土石之间产生共振。也就是自振周期长的建筑物尽可能不建在深厚松软沉积之上，而刚性建筑物则不建于卓越周期短的地基上。(3)岩溶地区地下不深处有大溶洞，地震时可能塌陷的地区不宜作为场地。(4)避免以加重震害的孤立突出地形作为建筑场地。对抗震
21、有利的场地条件是；地形开阔平坦；基岩地区岩性均一坚硬或上有较薄的覆盖层；若为较厚的覆盖层则应较密实；地下水埋藏较深；崩塌、滑波泥石流等不发育。,562 选探适宜的持力层和基础方案 场地如已选定，即应根据详细查明的场地内地质条件，为各类不同建筑物选择适宜的持力层和基础方案。(1)在地震区的松散层上进行建筑，有地下室的深基础有利；如采用桩基应为支撑桩而不能用摩擦桩，且桩基不能改变地基土的类别；高层建筑物以采用达到良好持力层的管桩基础为宜，有的资料认为圆柱形薄壳基础能大大提高地基承强力和减少基础变形，对抗震有利；在易于产生不均匀沉降的地基上以采用钢筋混疑土条形基础或筏式基础为宜。,5.6.3 建筑物
22、合理布置和结构选型一 工业民用建筑物1.选择有利抗震的平面和立面是抗震设计的重要环节，尽量使建筑物的质量中心和刚度中心重合，平面上选择矩形、方形、圆形或其它没有凸出凹进的形状，立面上各部分层数尽量一致。2减轻重量、降低重心，加强整体性使各部分、各构件之间有足够的刚度和强度。,(1)屋架(梁)与柱的连接处，除柱顶用榫还应加角撑(斜撑)或夹板(图554)。(2)增加剪刀撑(图555)或每柱间支撑或柱间砌实心墙以保证必要的纵向刚度。(3)木柱柱脚宜用铁件与基础固定，连接宜用螺栓。(4)所有连接的支撑、斜呈撑、夹板等均应用螺栓连接，不宜用钉结合。,主要抗震措施为加强墙体之间及墙与楼、盖板之间的整体性。
23、在VIII度区在这些部位应每隔一定高度于灰缝内配置拉接钢筋。设置抗震圈梁是加强房屋整体性、加固各部分墙体连接的有效措施，国内外震害调查证明，不设置圈梁房屋破坏率比有圈梁者高多倍。圈梁尽量设在楼盖板周围使它成为楼盖板周围的，以加强水平向整体性，,563.2水工建筑物 1选择坝型 选择抗震性能良好的坝型是很重要的。主要震害形式如下。土石坝：以堆石坝抗震性能最好。例如美国的卡斯泰克坝(高104m)，在197I年圣费尔南多地震时距震中32km坝址加速度水平达0.39g，垂直0.18g坝体未受损坏。墨西哥的英菲尔尼罗坝(高149m)于19641966年遭受三次IV-VIII地震，坝体未受损害。日本御母衣
24、坝(高131m)1961年遭受VIII度以上强震除坝顶沉陷，向下游位移5cm外，坝体基本完好。,冲填土坝抗震性能较差，比较容易产生坝坡滑坡、坝顶裂缝、严重者能溃决。混凝土坝：以重力坝及拱坝整体性强抗震性能良好，而大头坝和连拱坝等，因侧向刚度不足抗震性能较差。,(2)工程措施 土石坝应防止地基失稳，提高坝体压实度，降低浸润曲线，以防坝体滑坡，适当增加坝顶宽和坝顶超高，以防涌浪和溃决。混凝土坝中的重力坝和大头坝应适当增加坝体顶部刚度，顶部破折宜取弧形，坝面和坝墩顶部的几何形状应尽量平缓、避免突变以减少应力集中。支墩坝应尽可能增加整体性，增强侧向刚度。拱坝应注意拱顶两岸岩体的稳定性。拱顶附属结构应力
25、求轻型、简单、整体性好并加强连接部位。,三 设计地震动反应谱确定的规范方法设计地震动是通过对地震环境和场地环境的分析判断和分类方法确定。工程勘察单位至少提供：设计基本地震加速度和设计特征周期 场地环境：覆盖层厚度、剪切波速、土层钻孔资料1.设计基本地震加速度和设计特征周期根据场地在中国地震动参数区划图上的位置判断确定。,2019版抗震规范,2019版抗震规范,水平地震影响系数是多次地震作用下不同周期相同阻尼比的理想简化的单质点体系的结构加速度反应与重力加速度之比，是多次地震反应的包络线是所谓标准反映谱。,土层剪切波速的测量应符合下列要求:1 在场地初步勘察阶段对大面积的同一地质单元测量土层剪切
26、波速的钻孔数量不宜少于3。2 在场地详细勘察阶段对单幢建筑测量土层剪切波速的钻孔数量不宜少于2 个数据变化较大时可适量增加对小区中处于同一地质单元的密集高层建筑群测量土层剪切波速的钻孔数量可适量减少但每幢高层建筑下不得少于一个。3 对丁类建筑及层数不超过10 层且高度不超过30m 的丙类建筑当无实测剪切波速时可根据岩土名称和性状按表4.1.3 划分土的类型再利用当地经验在下表的剪切波速范围内估计各土层的剪切波速。,建筑场地覆盖层厚度的确定应符合下列要求:1 一般情况下应按地面至剪切波速大于500m/s 的土层顶面的距离确定（且其下卧层沿途的剪切波速均不小于500m/s）。2 当地面5m 以下存
27、在剪切波速大于（其上部各土层）相邻上层土剪切波速2.5 倍的土层且其下卧岩土的剪切波速均不小于400m/s 时可按地面至该土层顶面的距离确定3 剪切波速大于500m/s 的孤石、透镜体应视同周围土层4.土层中的火山岩硬夹层应视为刚体其厚度应从覆盖土层中扣除,土层的等效剪切波速应按下列公式计算:,公路抗震规范,水利水电抗震规范,水工抗震设计规范与公路抗震设计规范思路一样采用的形式确定设计反应谱：1.水平向设计加速度代表值,2.最大放大系数 的确定,3.场地类别确定,4.确定场地特征周期,5.设计反应谱,例题：吉林省松原市某民用建筑场地地质资料如下：（1）0-5m粉土，=150=180m/s(2)
28、5-12m中砂土=200=240m/s（3）12-24m粗砂土=230=310m/s(4)24-45m硬塑粘土=260=300m/s（5）45-60m泥岩=500=520m/s建筑物采用浅基础，埋深2m，地下水位2.0m，阻尼比为0.05，自震周期为1.8s该建筑进行抗震设计时（1）进行第一阶段(多遇)设计时，地震影响系数应取多少（2）进行第二阶段(罕遇)设计时，地震影响系数应取多少,例题：某 类建筑场地位于7度烈度区，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度为0.1g，建筑结构自振周期T=1.4s，阻尼比为0.08，该场地在建筑多遇地震条件下地震影响系数a为多少。,同一个场地上甲乙两座建筑物的结构自震周期分别为T甲=0.25sT乙=0.60s，一建筑场地类别为类，设计地震分组为第一组，若两座建筑的阻尼比都取0.05，问在抗震验算时甲、乙两座建筑的地震影响系数之比最接近下列那个选项。A 1.6 B 1.2 C 0.6 D 条件不足无法计算,
