工程地质学基础第三章地震工程地质研究.ppt

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1、第二章 地 震 工程 地 质 研 究 第一节 概述地震:在地壳表层,因弹性波传播所引起的振动作用或现象,按成因分类,震源深度：,构造地震最严重一类，数量多规模大，波及面广，破坏性大，世界90%以上属于此类。本章介绍此类地震及水库诱发地震。,按地震M级大小,据统计，全世界每年大约发生几百万次地震，人们能感觉到的仅占1左右，7级以上强烈破坏性的灾害性地震每年多则二十几次，少则三、五次。,我国位于环太平洋和地中海一南亚两个地震带之间，是一个多地震活动的国家。在我国三千多年的历史资料中，记录地震近万次，其中上世纪以来破坏性地震达 6000多 次；据1200 1989年资料统计，7级地震 147 次，8

2、级及其以上巨大地震共 19 次。建国以来发生=7级的地震 12 次。我国地震分布以西南、西北、华北、东南沿海和台湾省区破坏性地震最多。其中台湾尤甚，大震多，频度高；新疆和西藏次之。若以地震烈度 6 度为轻微以上破坏性标准，我国约 575万 平方公里属于轻微以上破坏区，其中，宁夏、兰州、海口、北京、太原、大同、西安、昆明、天津、呼市、汕头位于 8 度区。,一次6级地震可释放61020尔格的能量，大致相当于 3040万吨 TNT炸药的巨大爆炸，7级地震可释放 2 1022尔格的能量，8级地震可释放6 1026尔格的能量。可见地震释放能量之大。而且绝大部分能量的集中释放，于数秒种内完成。因此，地震灾

3、害的猝发性和惨重性往往给人类生命以极大威胁，造成经济财产巨大损失。,据美国联邦政府统计，仅二十世纪以来，全世界就有 12O余万 人遇难于地震灾害；五十年代以来，全球破坏性地震造成的经济损失已逾 2000亿 美元。地震灾害是最重要的自然灾害之一。中国的地震灾害又居世界之首。在我国历史记载中，1556年陕西华县地震8级死亡人口达 83万；1920年宁夏海原地震死亡人数也超过 20万。令人痛心的 1976年唐山地震7.9级，死亡 24.2万 多人，工业城市毁于一旦，直接经济损失 100亿 元，为世界地震史所罕见。还有66年的邢台地震，70年通海地震，75年海域地震。（我国这些地震震源深都在13km左

4、右）。我国有3000多年地震记录历史，发明了地震仪，编制了地震区划图，制定了抗震规范，建立了地震监测台网，组建了诸多地震研究工作机构及一大批从事地震的科技工作者。工程地质研究：区域稳定性问题，建筑抗震，建筑场地选择，地震稳定性，抗震措施工程地质论证为规划设计 提供依据。,第二节 地 震 基 础 知 识 一、几个概念：1、震源：地震发源地（能量E、深度H）2、震中 3、震中距 4、震源深度 5、地震区（烈度6度区）；地震作用；远场（烈度衰减2度以上）近场地震 6、地震波：质点振动，弹性波，能量传播，产生振动（地震力），破坏源动力，信 息载体，透、反、折射传播。,体波,面波（L）,瑞利波,勒夫波,

5、振幅A 周期T 波长 波速VP波 最小 最短 最短 最快S波 最大 长 长 慢R波、Q波 最大 最长 最长 最慢,地面为自由界面，建筑位于其上，该面只存在面波，它对建筑的基础破坏性大；体波对建筑破坏性最大，P波能量最大，S波及L波波长大，使建筑慌动最大。地震部门最关心P、S波。,一般情况下 一般地震表面 秒，对建筑界面，P波先到达，然后是S波，最后L波。,7 震级（M）：是衡量地震本身大小的尺度，由地震所释放出来的能量大小所决定。,MLOGA,8 烈度：一次地震于某地地面震动强烈程度,与地震释放的能量大小、震源深度、震中距、震域介质条件有关。一次地震只有一个M，但有不同 I。震中烈度用I0表示

6、。,震源深度和震中距越小，地表岩土越软弱，地震烈度越大。,浅源地震（据152次大震统计）震级与烈度的关系：M=0.68I0+0.98,A：距震中100公里处标准地震仪在地面所记录的震波最大振幅。（微米）,标准地震仪：自振周期0.8秒，阻尼比0.8，最大静力放大倍率为2800。,能量E（J）与震级（M)关系：logE=4.8+1.5M理论上M无上限，实际上，因地壳岩石强度有限，即累积应变能有限，目前最大M为8.9级。,烈度是估算灾情，进行区划，抗震设计的直接依据。震害大小取决于地震破坏力和地物本身抗震性两方面，烈度划分以两方面作为标准。目前全世界均是以一次地震造成一个地区的宏观震害（如房屋倒塌程

7、度等），同时引入地震加速度等物理指标作为参考，划分烈度。国际上有数十种划分标准，我国是国家地震局制定的标准，根据一个地区某一地震及代表性地质条件（一般二类土层）建筑破坏情况划分烈度。根据：人的感觉，房屋及器物地物震害程度，加速度和速度（参考），等级：I 级 几个烈度概念：,（2）场地烈度（I场）：同一I基区，场地条件不同而进一步划分，对I基修正。（3）设防烈度（设计烈度）（I设）：是抗震设计所采用的烈度。依建筑物重要性、抗震性、经济性、对I基调整。原则上一般建筑用I基，重要建筑适当提高。设计部门很少用I场。I 度区不设防。,（1）地震基本烈度（I基）：一定时间和一定地区范围内一般场地条件下可能

8、遭遇的最大烈度。一个地区的平均烈度。,二、地 震 地 质 基 本 特 征,1.介质条件,2.结构条件活断层的一些特定部位：端点、拐点、交汇点等。,3.构造应力条件,构造应力场包括1、3的大小方向，构造应力方向与断层的关系。,坚硬岩石,现代构造运动强烈的部位，应力集中,4 强震活动受活动构造的控制,5 绝大多数强震发生在一些稳定断块边缘的深大断裂带上,而稳定断块内部很少或基本没有强震分布。,6.裂谷型的断陷盆地尤其是晚第三纪、第四纪新生盆地业常发生强震。,一）世界范围内的主要地震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，在狭窄条带内震中密度也最大，全世界约80的浅源地

9、震、90的中源地震和几乎全部深源地震集中于此带，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，并解释为大陆与大洋之间的一条倾向大陆的大断裂面。,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。以浅源地震为主，中源地震在帕米尔、喜马达雅地区有所分布，深源地震主要分布于印尼岛弧。环太平洋地震带以外的几乎所有深源、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。这一地震带远离大陆是多为

10、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，震源深度小于30 km，震级除少数例外均不超5级。,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。,2 我国强震发生的地质条件(1)强震与活动断裂带的关系 a）不同方向的断裂的交汇部

11、位 b）活动性深大断裂的转折部位 c）活动性深大断裂的端部或其它锁闭段(2)强震与断陷盆地的关系 a）倾斜断陷盆地的较深、较陡一侧活动 断裂的最大断距段上；b）两盆地间或盆地内部由横向断裂控制的横向隆起带两侧；c）断陷盆地的锐角尖端，或断陷盆地带内多组断裂交汇部位；,d）受不同方向多组断裂控制，内部构造又比较强烈的复合盆地的次级凹陷带上，如1966年邢台地震。(3)强震产生的深部构造条件 我国大陆板内地震多发生在地壳内10-25km深处，在我国西部还发生在地壳内31-37km。由此可见，地壳深部构造活动和受力状态，对地震的孕育和发生，是更为直接的因素。不同级别的断裂如盖层断裂、基底断裂、岩石圈

12、断裂和超岩石圈断裂，层间断裂在深部的活动往往是地震发生的主要原因。,3 我国大陆地震活动与现代构造应力场与形变场的关系 根据大量震源机制解及地震时地表断层错动方式分析，我国广大地区主压应力以近水平方向者为主。主压应力仰角小于30度者占80%以上，且以东经105为界，可区分出两大应力系统。西部为近南北向-北北东向挤压应力场。东部为大面积的近东西的水平挤压应力场。,4 我国现代地壳垂直形变与地震活动的相关性研究 中国大陆垂直形变的的总趋势是南升北降，最大上升量在喜马拉雅山地区，年速率达10mm左右。下降最强烈的新疆准噶尔盆地，年速率为-3到-4mm。大致以银川-昆明一线为界，西部线条密集，等值线多

13、呈东西或北西西走向，与主要断裂线方向一致，其地形变断裂线多由3-4条等值线组成的梯度带绘出，表明其活动强度较大。东部线条相对稀疏，等值线走向多为北北东向-北东向，部分为东西向及南北向，也与构造线吻合较好。东部地区的垂直变形大致分为三区：华南-西南区，华北区和东北区。,5 我国大陆板内现代运动特征 我国大陆处于欧亚大陆的东部，是一个被周围板块挤压围限的区域，影响板内变形和运动状况的边界动力环境十分复杂：（1）有印度板块与欧亚大陆在喜马拉雅一带的 碰撞及向亚洲内部的继续挤压；（2）西太平洋板块向亚洲大陆的俯冲与挤压；（3）菲律宾板块向西的俯冲和在台湾一带的汇聚；（4）日本海、东海东部冲绳海槽及南海

14、盆地的弧后局部扩张。,在周边板块碰撞或俯冲的推动下，板块之间就产生了不同形式、不同规模和速率的相互错动。大体上又可分为西部板内聚敛为主的挤压区，东部东北、华北的拉张裂陷区和东南部处于西部挤压与北部围限下整体稳定滑移区。（1）西部挤压区（2）东南部滑移区（3）东及东北部张裂区,三、震源机制和震源参数,1.震源机制：地震发生的物理过程或震源物理过程。可以通过多个地震台 的地震记录图来确定。主要依据初到P波的方向,1,3,1,3,单力偶,双力偶,P波的初动具有明显的象限分布特点。,2.震源参数：反映震源断层的一些特征量或物理量 包括：断层走向、倾向、倾角、断层错动方向、震源断层长度、宽度、断层错距、

15、震源应力方向等。,求解：（1）震源机制解（2）等震线的几何特征,（3）根据第一章介绍的经验式，据震级等计算断层长度、错距，（4）根据震前后大地变形推求断层位量、方向、错距、类型等,第 三 节 地 震 效 应 地震效应地震作用影响所及的范围内，地表出现的各种震害和破坏。,取决于三方面：场地工程地质条件、震级、震中距、建筑物类型及结构,一 振动破坏效应,三种破坏的效,两种分析方法,假设：1）建筑物是刚体，即建筑物的各部分作为一个整体（一个质点），具有相同的加速度。2）建筑物受力振动加速度和地面加速度是相同的3）将地震力视为由地面振动a0max引起建筑物的惯性力，即地震力就是建筑自身的惯性力，固定不

16、变。,建筑物受到的地震力P为：,1.静力法,我国规定 Kc=(1/2-1/3)Kc 一般：不考虑Kc,但在有倾覆、滑动危险的结构，如挡土墙、水坝等，需用Kc核算。在高烈度（度以上）区必须考虑地震力核算的稳定性。（1）工业与民用建筑，建筑物的破坏主要与水平地震力作用下的水平滑动及结点脱开有关，故实际上为稳定性课题，其表达为：式中：f、c为地基与基础间或滑动面上的 摩擦系数及粘聚力；W为建筑物的重量；A为建筑物基础底面或滑动面的面积；Kc为水平地震系数。（2）水坝 应考虑两种情况：只考虑水平地震力作用时，在水平与铅直地震力共同作用时，,2.动力分析法,实际情况：a：A、方向随时间变化，建筑与地面物

17、理特性不同，不同建筑也不同，如（a、T等）。故广泛用动力分析法考虑地震对建筑物的作用与场地工程地质条件、建筑物结构特点、地震历时等因素。地面与建筑为一个动态系统,三种方法：模型模拟、计算机模拟分析、简化反应谱,计算机模拟分析输入强震波谱模拟地震作用，了解振动过程，求振动阻力和动位移。将建筑控制在弹性变形限度内。,简化反应谱法认为建筑为一个质点M，为一个弹性系数为K的振其振动性能自由振周期T和阻尼决定，要考查在受到不同时刻的地震加速度a0后，建筑所表现的加速度a的大小。,原理：由质点受振动后的性能可建立微分方程，该方程中包括了质点a及地面a0，解方程时，按简化的办法输入一次地震的不同时刻的a0，

18、得到一系列amax值，得到一个特定T、阻尼下反应谱曲线。给amax标准化，定义动力系数，物理含义是质点对a0的放大倍数。,二 地面破坏效应,1.地面破裂效应 指地震时断层错断及地面裂缝引起的破坏。强烈地震均会出现。断层长度及宽度可按估计的震级用经验公式计算。延伸数十至数百公里不等。位置一般按已有的主干断层线或分支断裂线出现。走向断裂 地表断裂方向与之相吻合。逆 断 裂 地表断裂与原断层有一定偏移。正 断 裂 介于走、逆之间。,走滑型 正断型 逆断型 AD、AB、AD最易出现的断裂及范围。主要产生于上盘。,产生的可能性：与断层活动方式、震源深、M、覆盖层厚等有关。（1）断裂活动就可能产生地表断裂

19、。（2）与上部土层厚有关。临界厚度 土层剪损应变临界值，硬土5%，软土10%。下部断裂错动垂直位移（m），一般7.2级几乎都产生，M=6级、震源10-30Km时，很少产生。地表断裂宽度：由一条主干断裂带构成，可能为狭长断面，或一个带 包括影响带常常有几英尺至几十英尺以上。且逆断层正断层走滑。对于倾角45-90度断层，宽度约等于,2.地基效应 强烈震动作用下，土体较大变形移动，使地基承载力下降或丧失，由此造成建筑物的破坏。,地基失效问题中，滑坡、砂土液化、岩溶塌陷，这些特殊问题必须采用专门的研究方法。下面介绍关于地基土产生震陷情况的评价方法。方法：影响因素综合打分法 影响因素：土类型、厚度、埋藏

20、条件、物理力学指标（承载力指标 值；剪切波速）某一个单元得分 是分别对因素的等级打分。按 大小评出沉陷的不同等级。（见朱自成书）规范中标准：若土的 fk、vs大于表中数字，不考虑震陷问题,机理：饱水砂土在地震、动力荷载或其它物理作用下，受到强烈振动而丧失抗剪强度，使砂粒处于悬浮状态，致使地基失效的作用或现象。,1液化机理：砂土的抗剪强度：,砂基液化问题：,2.影响砂土液化的因素,1）土的类型及性质,粒度 粉、细砂土最易液化；高烈度时，亚砂土、轻亚粘土、中砂也可液化。我国90%发生在粉组、砂、亚砂土中。粉粒含量40%时，极易液化；粘粒含量12.5%时，极难液化。极易液化土的特征是：平均粒度mm，

21、=2-8，粘粒含量10%,密实度 松砂极易液化，密砂不易液化。相对密度Dr80%时，不易液化。,成因及年代 多为冲积成因的粉细砂土，如滨海平原、河口三角洲等。沉积年代较新：结构松散、含水量丰富、地下水位浅,2）饱和砂土的埋藏分布条件 埋藏条件包括：砂层厚度、上覆非液化土层厚度（即埋藏深度）、地下水埋深。,砂层上覆非液化土层愈厚，液化可能性愈小。一般埋深大于10-15m以下就难以液化了。,地下水位埋深愈大，愈不易液化。实际上，地下水埋深3-4m时，液化现象很少，一般把液化最大地下水埋深定为5m。,砂层越厚越易液化。,3）地震活动的强度及历时 地震力（剪应力）是砂土液化的动力,地震愈强，历时愈长，

22、则愈易引起砂土液化，而且波及范围愈广。度以下地区很少有液化现象；度区只能使疏松的粉、细砂层液化；而 度以上地区才能使粗粒及粘粒含量较高的土液化。强度很高的地区即震中区附近，因地振动以垂直为主，也不易产生液化。液化范围（液化最远点，以震中距R表示，Km）lgR=0.77M-3.6,3.砂土液化的判别,根据 地质条件，可初步判定该区土层是否存在液化的可能。若有可能，需进一步的工作,作出准确判别。（1）初步判别 饱和砂土或粉土，当符合下列条件之一，可判为不液化土或不考虑液化作用。Q3及Q3以前的土 粉土的粘粒含量不小于表列数据 上覆非液化土层厚度和地下水埋深符合 下列条件之一：dudo+db-2 液

23、化土特征深度 dwdo+db-3 du+dw1.5do+2db-4.5 dw地下水埋深（m），年最高水位du上覆非液化土层厚（m）db基础砌置深度（m)do液化土特征深度（m）,现场标准贯入试验，地面以下15m以内的液化土应符合下列要求：,其中：N63.5饱和土标贯实测值 Ncr判别砂土液化的临界锤击数 N0基准锤击数（贯人点深3米，地下水埋深2米），查表 ds饱和土标准贯入试验点深度（m）dw地下水埋深(m)c粘粒百分含量，当c3时，取c 3,判据：NcrN63.5 不液化,（2）进一步判别 方法有:现场实验,剪应力对比法,液化程度等级定义：液化指数 I n 15m以内标贯实验段总数 i 段

24、标贯实测值，当实测值大于临界值时取临界值 i 段标贯临界值 i 段土层厚度（m)i 层单位土层厚度影响权函数（m-1）该层中点深度5m，取10 该层中点深度=15m，取0 该层中总深度5-10m，取内插值,等级判别：I15 严重，建筑倾倒，地面变形,剪应力对比法 地震剪切波在砂层中产生剪应力，当其超过土层液化时所需的剪应力时，即产生液化。根据地震剪切波及室内、现场实验测得的土体液化时的剪应力大小，对比判断。,4.砂土液化的防护措施,（1）慎重选择场地,（2）选择基础类型,（3）地基处理,处理标准：应处理至液化深度下限处理后的土层标贯击数实测值应大于临界值,压密 通过振动、夯击、爆破等手段，使砂

25、土急剧液化排水，而达到压密，提高天然地基土的相对密度Dr,排渗法 通过排渗井等来消散因振动时而产生的孔隙水压力，防止液化,换土或盖重 用非液化土更换地表的液化土层，或在地表液化土层上覆盖填土,第四节 场地工程地质条件对震害的影响及地震小区划,一、场地工程地质条件对震害的影响 目前为止，将地震烈度和地震力作用运用于工程设计中时，都没有很好考虑一个场地实际地质条件的影响。实际上，例如场地条件的差别，可能使同一基本烈度区不同场地的实际烈度相差2-3度。解决途径：按场地条件进行动力分析；场地烈度小区划 主要影响因素：岩土类型、地形地貌、断裂、地下水。,1.岩土类型及性质（1）强度及刚度,震害程度：岩

26、性：时 代：,以基岩为准，高12倍,小 大,基岩密实砾石粘土饱水砂淤泥、填土,老 新,（工基教材中表 26、27 列出了不同岩性烈度差值。）,原因：介质对波的吸收放大作用，软土对低频率周期波选择放大 作用较大，A，T，a，持续时间，对长周期建筑（如高层建筑）破坏大。地基震动破坏效应不同。基岩强度高，震动下一般不致破坏，土体相反。,（2）松软土层厚度 土层厚度越大，震害越大，但对于不同建筑影响程度不同，如下图：原因：地震波多次反射，长周期波叠加,旧金山地震，土层对10层房屋最大底部剪力,原因：软层的隔震作用，软层埋深25m以上越厚影响越显著；阻尼增大，吸收许多短周期波成分，减弱了地面反应。,（3

27、）土层结构 软硬层结构不同，震害有着明显的差别（软层一般剪切波速100m/s左右；或相对而言，当某层Vs比相邻层小30%时，也视为软层）,土层对建筑物的破坏作用，是因为它对长周期波放大（软土自身周期较长），某一类土层往往对某一类周期的波放大明显。实质是这种土层有自身的固有周期，他与同周期的地震波产生共振作用，因而提出“卓越周期”慨念。由土层剪切震动微分方程式推得：,H 土层厚度（m）；Vs 土层剪切波（横波）速度通过测定土层的剪切波速可以获得土层的To设计上，尽可能不要把与土样卓越周期相同周期的建筑建于该土层处。,（4）地形条件 局部地形对震害影响显著。一般，孤立突出地形、台地边缘、地形较高处

28、（高差3050m明显增大）较之平地的地震烈度高0.52度。原因：弧类处产生驻波作用，地形越高这种作用越明显。实际工作中：地形坡度7度以下，不考虑影响。丘陵区，坡中点以下不考虑影响。（5）地下水影响 地下水位埋深越浅，震害越大，15m的影响最大。对软土层及砂层土层影响最大。一般饱水土比不饱水土烈度偏高0.40.6度。（6）断裂影响（略）,二、地震小区划,1.烈度小区划静态小区划（步骤如下）,（1）将同一基本烈度区划分成方格单元（3002000m）,（2）考虑土层地震刚度的烈度增量I1,vii被研究土层的地震刚度；v1p1 由基本烈度研究时所确定的标准土层的地震刚度,（3）考虑“地下水埋深”的烈度

29、增量I2,h 地下水埋深（m）当h610m时，I20,（4）考虑“土层共振”的烈度增量I3 通过下覆基岩刚度和卓越周期和波速计算得出,某一单元的烈度增量I II1I2 I3,绘制各单元内的地震烈度等值线，各单元内按调整后的场 地烈度进行设计。,2.反应谱小区划动态小区划,（1）划分网格单元，单元大小可视精度、比例尺而定；,（2）获得网格中代表性地层剖面，分别测定各层的Vs及阻尼h；,（3）选用近期记录到的强震波谱，以此为依据计算各单元土层的 地震加速度标准反应谱；,（4）将标准划反应谱与设计用反应谱对照比较确定场地类型进行规划。,第五节 震区抗震原则及措施,（一）场地选择原则1.避开活断层2.尽可能避开具有强烈振动效应和地面效应的地段3.避开不稳定斜坡地段4.尽可能避开孤立地区、地下水埋深浅的地区,（二）抗震措施（持力层和基础方案的选择）1.基础砌置在坚硬土层上2.砌置深度应大一些，以防发震时倾斜3.不宜使建筑物跨越性质不明的土层上4.建筑物结构设计要加强整体强度，提供抗震性能。,