工程地质学-地震详解

4.3地震接近地球表面的岩层中弹性波传播所引起的震动称为地震。按其成因可分为构造地震、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。工程地质学对地震的研究，着重于研究地震波对建筑杨的破坏作用，不同工程地质条件场地的地震效应、地震小区划、地震建筑场地的选择以及抗震措施的工程地质论证等问题，为地震区的城市和各类工程的规划、设计提供依据。4．3．1地震地质及地震波基础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。划分出环太平洋地震带、地中海—喜马拉雅地震带、大洋海岭地震带及大陆裂谷系地震带四大地震活动带。环太平洋地震带的地震活动最为强烈，其次是地中海—喜马拉雅地震带我国因处于欧亚大陆板块与印度板块、太平洋板块交接部位附近，地震活动强烈，是世界上最大的一块板内地震区。4.3.1.1地震发生的地质条件及分类根据对大陆板块内地震分布与活断层关系的分析得知，介质条件、结构条件和构造应力场条件是强烈地震的发生的必备条件。(1)介质条件硬脆性的介质——积聚弹性应变能——超过岩体的极限强度——突然的脆性破裂——大量释放应变能——地震软塑性的介质——以塑性形变来调节——应变能逐渐释放——不可能产生强震。(2)结构条件在具备强震介质条件下，强震都发生在现代构造活动强烈的深大断裂带地应力高度集中的部位。活断层的断点、拐点、交汇点、分枝点和错列点，它们被称为活断层的锁固段或互锁段。锁固段的岩土强度高，两盘互相粘结，应力集中，能积聚很大的应变能，所以锁固段即控震源，这就是强震发生的结构条件(3)构造应力场条件地震的孕育和发生，受控于现代构造应力场的特征。(4)地震的分类单一主震型主震—余震型（前震—主震—余震型）群震型4.3.1.2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，质点振动与波前进方向一致，一疏一密向前推进，它周期短、振幅小。横波是震源向外传播的剪切波，质点振动方向与波前进方向相垂直，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(Vs),可分别以下列两式计算：4.3.1.3震源机制和震源参数研究多个地震台的地质谱，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（localmechanism）。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（sourseparameters）。（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。地震波P波初动的推拉分布同样能确定出震源物理过程。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)。这种分布显然不同于震源点膨胀所造成的初动分布，震源处单向力的作用所产生的初动分布也不同(图5-3)，所以过去多年来一直用单向力偶震源错动模式(图5-4)来解释。图中GG’和FF’线为两条节线，是初动分布的转换线，其中之一两侧有力偶的为震源断层，断层产生错动时，对于断层每一盘来说，断层错动的前进方向都会受到压缩，而相反的一个方向就受到拉仲，于是就呈现如图5—4所示的象限分布，即这种象限型初动推拉分布是由于震源断层错动这种物理过程所造成的。所以这样求得的结果称为震源机制断层面解。后来发现，不仅P被初动是象限分布的，s波的初动分布也有如图5—5(b)所示的象限分布的特点。但由于s被初动难于测定，所以这一点很长时间是有争议的，直到发现由s波激起的面波(亦即勒夫波)的初动也呈象限分布才得到公认。为使震源机制与各种波的初动分布的实际情况相符，单力偶震源机制模式必须修正为双力偶模式，两节线上力偶错动方向相反，一为左旋另一为右旋，。实测的各种波的初动分布与按此模式理论推导出的完全一致。双力偶合成的最大最小主应力分别为压(P)和拉应力(T)，在垂直于中间主应力的主平面内，它的作用方向与两节线夹角平分线一致。两节线是两个最大剪应力的截面与这一平面的交线，这两个截面也就是一对共轭剪切面。其中之一为产生地震的断层。但究竟二者之中那一个是地震断层面，单靠震源机制解是不能断定的，必须根据震中区地质结构、地表错断方向和等震线的长轴方向等才能判定（2）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震源参数的获得震源机制断层面是一种途径等震线的几何途径——用宏观烈度调查所获得的等震线图来求走向和倾向地表地震断裂层和裂缝带——可的断层面的走向，错断性质，与地震震级联系可得震源断层的长度和错动幅度。大地测量资料——对比前后资料可得各种参数。4.3.2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。4.3.2.1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。释放出的能量愈大则震级念大，因为一次地震释放的能量是固定的，所以无论在任何地方测定只有一个震级。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震级是衡量地震本身大小的一个量，当前，最基本的震级标度有4种：地方性震级ML、体波震级(Mb和MB)、面波震级MS和矩震级MW。前3种震级是通过测量地震波中的某个频率地震波的幅度来衡量地震的相对大小的一个量。ML是用1秒左右的S波(或Lg)的振幅来量度地震的大小，Mb是用1秒左右的地震体波振幅来量度地震的大小，MB是用5秒左右的地震体波振幅来量度地震的大小，MS是用浅源地震的20秒左右的面波振幅量度地震的大小。矩震级MW是由基本的物理参数所计算的震级，描述了地震破裂面上滑动量的大小，一般通过波形反演的方法计算。我国规定对公众发布一律使用面波震级MS。四种震级区别：ML：测量范围400km内，震级2-6级。Ms：深度20-180，震级5-8级,一般具有可比性。MW：适用范围：无限制，震级3.5。Mb:深度16-100(一般用于深源震级测量)，震级4-7级。至于换算，只有经验公式：ML=(1.17MB+0.67)/1.13ML=(MS+1.08)/1.134.3.2.2地震烈度地震烈度是衡量地震所引起的地面震动强烈程度的尺度。地震烈度影响因素：地震能量、震源深度、震中距、地震波传播介质的性质等一次地震中只有一个震级，但不同地点可有不同的烈度震源深度和震中距越小地震烈度越大地基越松软地震烈度越大（震源深度和震中矩相同时）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5—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。4.3.3地震效应在地震作用影响所及的范围内，于地面出现的各种震害或破坏，称为地震效应。与工程地质条件、震源大小、震中距、建筑物的类型和结构有关地震效应有振动破坏效应、地面破坏效应两种。4.3.3.1地面破坏效应地震发生时，地震波在岩土体红传播，而引起强烈的地面运动，使建筑物的地基、基础以及上部结构都发生振动，也给建筑物施加了一个附加的荷载，即地震力地震力作用直接引起建筑物的破坏，称为振动破坏效应。地震对建筑物振动破坏作用有两种分析方法：静力法、动力法静力分析方法假定建筑物是刚体,即地震时,建筑物个部分的加速度与地面加速度完全相