第三章 地震工程地质研究

工程地质学资环学院吴道祥第三章地震工程地质研究在地壳表层，因弹性波传播所引起的振动作用或现象，称为地震(earthquake)。地震按其发生的原因，可分为构造地震、火山地震和陷落地震。此外，还有因水库蓄水、深井注水和核爆炸等导致的诱发地震。南地壳运动引起的构造地震，是地球上规模最大、数量最多、危害最严重的一类地震。世界上90％以上的地震均属此类。它一般分布在活动构造带中，当地壳运动所积累的应变能一旦超过了地壳岩体的强度极限时，岩体就会发生破裂，应变能突然释放而表现为弹性波的形式，使地壳振动而发生地震。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，其中破坏性地震达6000多次；据1200～1989年资料统计，7级地震为147次，8级及其以上巨大地震共19次。1966年至今，大地震已达20余次。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一次6级地震可释放6×1020尔格的能量，大致相当于30～40万吨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，地震灾害的猝发性和惨重性往往给人类生命以极大威胁，给经济财产以巨大损失。据美国联邦政府统计，仅二十世纪以来，全世界就有120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。我国地处环太平洋地震带和地中海-喜马拉雅地震带这两大地震带间，是世界上最大的一个大陆地震区，地震活动具有分布广、频度高、强度大、震源浅的特点，因而酿成的灾害尤为严重。据记载，世界上最惨重的震例几乎都发生在我国。中国的地震灾害居世界之首。在我国历史记载中，1556年陕西华县地震死亡人口达80万；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，死亡24万多人，工业城市毁于一旦，为世界地震史所罕见。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)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)汶川地震汶川地震一、地震发生的主要条件介质条件坚硬岩石结构条件活断层的一些特定部位：端点、拐点、交汇点等构造应力条件现代构造运动强烈的部位，应力集中研究构造应力主要包括大小主应力的方向及其实测值，并研究构造应力方向与断层的关系。二、基本概念构造地震火山地震陷落地震人工诱发地震按成因分类震源：地壳内部振动的发源地震中：震源在地面上的垂直投影浅源地震：70km中源地震：70~300km深源地震：300km震源深度：地震：在地壳表层，因弹性波传播所引起的振动作用或现象体波：通过地球本体传播的波面波：体波经过反射、折射后，在介质的界面或自由面（如地面）传播纵波(初波,P):压缩波，对应于介质体应变，三维扩散横波(次波,S):剪切波，对应于切应变，二维扩散破坏性最大体波瑞利波（R）：质点在XZ面上椭圆滚动前进勒夫波（Q）：质点在XY面上曲线前进面波（L）二、基本概念（续1）震级：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。M＝lgAA：距震中100公里处标准地震仪在地面所记录的最大振幅。（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。M2微震2~4有感地震5破坏性地震7强烈地震二、基本概念（续2）烈度：地面震动强烈程度受地震释放的能量大小、震源深度、震中距、震域介质条件的影响。震源深度和震中距越小，地震烈度越大。在震源深度和震中距相同的条件下，坚硬基岩场地较松软土场地烈度小。（1）地震基本烈度：在今后一定时间（一般按１００年考虑）和一定地区范围内一般场地条件下可能遭遇的最大烈度。－－一个地区的平均烈度（2）设防烈度（设计烈度）：是抗震设计所采用的烈度。是根据建筑物的重要性、经济性等的需要，对基本烈度的调整。二、基本概念（续3）二、基本概念（续4）烈度人的感觉一般房屋其它现象考物理指标大多数房屋震害程度平均震害指数加速度/（CM/S2）（水平向）速度/（CM/S2）（水平向）I无感II室内个别静止中的人感觉III室内少数静止中的人感觉门、窗轻微作悬挂物微动IV室内多数人感觉，少数人梦中惊醒门窗作响悬挂物明显摆动，器皿作响V室内普遍感觉，室外多数人感觉，多数人梦中惊醒门窗、屋顶、屋架颤动作响，灰土掉落，抹灰出现微细裂缝不稳定器翻倒31（22~44）3（2~4）VI惊慌失措，仓惶逃出损坏——个别砖瓦掉落、墙体微细裂缝0~0.10河岸和松软土上出现裂缝，饱和砂层出现喷砂冒水，地面上有的砖烟囱轻度裂缝、掉头63（45~89）6（5~9）VII大数多人仓惶逃出轻度破坏——局部破坏、开裂，但不防碍使用0.11~0.30饱和砂层常见喷砂冒水，松软土上地裂缝较多，大多数砖烟囱中等破坏125(90~177)13(10~18)VIII摇晃颠簸，行走困难中等破坏——结构受损，需要修理0.31~0.50干硬土上变有裂缝，大多数砖囱严重破坏250(178~353)25(19~35)IX坐立不稳，行动的人可能摔跤严重破坏——墙体龟裂，局部倒塌，修复困难0.51~0.70地方出现裂缝、基岩上可能出现裂缝、滑坡、坍方常见，砖烟囱出现倒塌500(354~707)25(19~35)X骑自行车的人会摔倒，处不稳状态的人会摔出几尺远，有抛起感倒塌——大部倒塌，不堪修复0.71~0.90山崩和地震断裂出现，基岩上的拱桥破坏，大多数烟囱从根部破坏1000(708~1414)100(72~141)XI毁灭0.91~1.00地震断裂延续很长，山崩常见，基岩上的拱桥XII地面剧烈变化，山河改观表3—2中国地震烈度表(1980)《中国地震烈度表（1980）》使用说用（１）烈度VI度，判定地震烈度以房屋震害为主，人的感觉仅供参考；X度应结合建筑物或构筑物的破坏程度，并根据地表现象来确定；XI、XII度的评定，需要专门研究。（２）“一般房屋”在《中国地震烈度表（1980）》中指土构架和土、石砖墙构造的旧式房屋和单层或多层未经抗震设计的新式砖房。由于我国城市目前一般都已设防，有的乡村也开始设防，烈度表中的“一般房屋”一般已不普遍，调查中应区别设防与不设防的房屋破坏程度对烈度的反映，给出合理的烈度值。对于质量特别差或特别好的房屋，可根据具体情况，对表列各烈度的震害程度和震害指数予以提高或降低。（３）“人的感觉”指平房内或楼房低层内人的感觉。（４）表中震害指数是对上述“一般房屋”而言。“完好”为０，“毁灭”为１，中间按表列震害程度分级。平均震害指数是对所有房屋的震害指数的总平均值而言，可以用普查或抽查的方法确定之。（５）使用本表时可根据地区具体情况，作出临时的补充规定。（６）烟囱指工业或取暖用的锅炉房烟囱。（７）表中数量词的说明：个别：１０％以下；少数：１０％～５０％；多数：５０％～７０％；大多数：７０％～９０％；普遍：９０％以上。（８）对重要的工业设施，如桥梁、重要车间、高层建筑、巷道等，要进行专门的调查，在调查中应结合设防情况进行评估。表3－3震害指数等级划分表序数震害类型震害描述iⅠⅡⅢⅣ倒平墙倒架歪墙倒架正局部墙倒房屋全部倒塌墙体全部倒塌，房架倾斜显著墙体大部分倒塌，房架基本未倾斜主要墙体局部倒塌1.00.80.60.4ⅤⅥ裂缝严重轻微主要墙体无塌落，但严重裂缝，须修复才能使用墙体无塌落，但有小裂缝，未经修复仍可使用0.270.130.20完好基本无损或完好01、震源机制：地震发生的物理过程或震源物理过程。＋＋－－－－＋＋1313单力偶双力偶三、震源机制和震源参数三、震源机制和震源参数（续1）P波的初动具有明显的象限分布特点。平移断层正断层逆断层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、震源应力方向等。（1）等震线的几何特征等震线图上最内一根等震线的长轴方向就是断层断层面的走向。三、震源机制和震源参数（续2）三、震源机制和震源参数（续3）当极震区两侧的等震线基本对称时，断层面近乎直立，当等震线不对称时，断层面向波及得宽的那个方向倾斜，不对称性愈显著，说明断层面愈缓。三、震源机制和震源参数（续4）（2）地表断层和裂缝一般认为：大地震时在地面产生的地震断层和地裂缝的走向代表了震源断层面的走向。1、强震活动受活动构造的控制2、大陆地震受控于现代构造应力场3、强震活动经常发生在断裂带应力集中的特定地段上4、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。5、裂谷型的断陷盆地尤其是晚第三纪、第四纪新生代盆地也常发生强震。四、地震地质的基本特征地震效应：在地震作用影响所及的范围内，地表出现的各种震害和破坏。与场地工程地质条件、震级、震中距、震源参数、建筑物类型、结构等因素有关。振动破坏效应地面破坏效应斜坡破坏效应（一）振动破坏效应—由于地震力作用直接引起建筑物的破坏地震地面运动建筑物振动建筑物破坏地震波五、地震效应假设：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最大加速度amax引起建筑物的惯性力，即地震力就是建筑自身的惯性力，固定不变。建筑物受到的地震力P为：maxmaxcWPmaaWKg＝maxcaKg其中当amax为水平矢量，称其为水平地震系数kc，相应地为垂直地震系数k/c；g为重力加速度；PW1.静力法2max2()aAT五、地震效应（续1）（一）振动破坏效应我国规定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（VI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。...cfWcAKWK（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，..'.SsfWcAKHHWKc''.(1)..cssfWKcAKHHWKcHs-库水及渗透水流等形成的水平推力Hs′-地震加大了的静水压力2.动力分析法振动破坏效应并不仅仅决定于地面振动最大加速度值的大小，还与地震波在介质中的振动持续时间、振动周期以及建筑物结构特性有关。地震波在介质中的振动持续时问和振动周期，主要取决于岩土体的类型、性质和厚度等因素。因此，分析地震对建筑物振动作用时，应按实际情况将地震力视为大小和方向随时间而变化的振动力；要考虑到地振动的幅度、周期和持续时间。同时，应考虑建筑物的材料、结构和高度，并将它作为弹性体或弹塑性体来看待。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。简化反应谱法假定建筑物结构为单质点系的弹性体，作用于其基底的地震运动为简谐振动。结构的自振周期和阻尼比是其动力特性中两个最重要的参数。所测得的结构相同的动力反应不仅取决于地面运动的最大加速度，还取决于结构本身的动力特征，最主要的是结构的自振周期和阻尼比。阻尼比越大，建筑物固有周期与地面振动周期差别越大，越难引起共振。在地震振动力作用下，对于结构的