地震工程地質(zhì)研究

1、天津大學(xué)2.7 2.7 地震危險性的工程地質(zhì)研究地震危險性的工程地質(zhì)研究 本節(jié)主要內(nèi)容本節(jié)主要內(nèi)容 一、地震的基本知識一、地震的基本知識 二、地震震級與地震烈度二、地震震級與地震烈度 三、震害現(xiàn)象三、震害現(xiàn)象(地震效應(yīng)地震效應(yīng))天津大學(xué)全球地震分布天津大學(xué)一、地震的基本知識一、地震的基本知識 1.地震的成因地震的成因地震名稱地震名稱成因及主要特征成因及主要特征構(gòu)造地震構(gòu)造地震由地殼斷裂構(gòu)造運動引起，是最普遍的一種地震由地殼斷裂構(gòu)造運動引起，是最普遍的一種地震火山地震火山地震是由火山爆發(fā)所引起的局部地方的地震，影響范圍是由火山爆發(fā)所引起的局部地方的地震，影響范圍不大，發(fā)生數(shù)量較少不大，發(fā)生數(shù)量較

2、少陷落地震陷落地震是石灰?guī)r地區(qū)和礦山采空區(qū)等處由地塊陷落所引起是石灰?guī)r地區(qū)和礦山采空區(qū)等處由地塊陷落所引起的小范圍的地震，發(fā)生數(shù)量少，影響范圍更小的小范圍的地震，發(fā)生數(shù)量少，影響范圍更小人工誘發(fā)地人工誘發(fā)地震震是由于水庫蓄水或向地下大量灌水、注水，潤滑和是由于水庫蓄水或向地下大量灌水、注水，潤滑和壓縮地下可能存在的構(gòu)造破碎帶，或地下大爆炸對壓縮地下可能存在的構(gòu)造破碎帶，或地下大爆炸對地殼產(chǎn)生強烈沖擊、誘發(fā)構(gòu)造應(yīng)力釋放引起的地震，地殼產(chǎn)生強烈沖擊、誘發(fā)構(gòu)造應(yīng)力釋放引起的地震，這類地震多發(fā)生在水庫和爆炸點地區(qū)，多為小震，這類地震多發(fā)生在水庫和爆炸點地區(qū)，多為小震，震源淺震源淺天津大學(xué)2.根據(jù)彈性回

3、跳理論解釋地震的形成根據(jù)彈性回跳理論解釋地震的形成天津大學(xué)3.構(gòu)造地震形成示意圖構(gòu)造地震形成示意圖天津大學(xué)5.地震按震級分類地震按震級分類名稱名稱震源深度（震源深度（km)淺源地震淺源地震 中源地震中源地震 深源地震深源地震070 70300 300 名稱名稱震源深度（震源深度（km)大地震大地震 中地震或強震中地震或強震 小地震或弱震小地震或弱震 微震微震 超微震超微震M7 7M 5 5M 3 3M 1 M 14.地震按震源深度分類地震按震源深度分類天津大學(xué)6.震源、震中及地震波震源、震中及地震波天津大學(xué)與地震有關(guān)地術(shù)語示意圖與地震有關(guān)地術(shù)語示意圖天津大學(xué)地震相關(guān)術(shù)語定義地震相關(guān)術(shù)語定義 1

4、)震源震源：地球內(nèi)部發(fā)生地震的地方。 2)震中震中：震源在地球表面上的投影點。 3)震中距震中距：地面上任何一個地方或地震觀測臺(站)到震中的直線距離。 4)震中震中區(qū)區(qū)：震中附近的地區(qū)。強烈地震時，破壞最嚴(yán)重的地區(qū)，稱為極震區(qū)。 5)震源深震源深度度：從震源到地面的垂直距離。 天津大學(xué)7地震波傳播示意圖地震波傳播示意圖天津大學(xué)8.不同地震波到達(dá)順序及樣式不同地震波到達(dá)順序及樣式天津大學(xué)9.地震波類型地震波類型(1) 體波體波：是通過地球體內(nèi)傳播的一種地震波，又分為： 縱波縱波(P)：又稱壓縮波，質(zhì)點的振動方向又稱壓縮波，質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向一致與波的傳播方向一致，靠介質(zhì)的擴張與收縮而

5、傳遞，其傳播速度約56kms，振動的摧振動的摧毀力較小。毀力較小。 橫波橫波(S)：又稱剪切波，質(zhì)點的振動方向又稱剪切波，質(zhì)點的振動方向垂直于波的傳播方向垂直于波的傳播方向，為各質(zhì)點間發(fā)生的周期性的剪切振動，其傳播速度34kms，振振動摧毀力較強。動摧毀力較強。天津大學(xué)地震波類型地震波類型(2) (2)面波面波(L)：沿地表面?zhèn)鞑サ牡卣鸩ㄑ氐乇砻鎮(zhèn)鞑サ牡卣鸩?。面波的傳播速度最小，每秒只?km多，但振幅大，故對地面的破壞最大。面波又分為瑞面波又分為瑞利波利波(R)和勒夫波和勒夫波(Q)。 瑞利波瑞利波(R)：波的傳播是質(zhì)點在波的傳波的傳播是質(zhì)點在波的傳播方向和地表面法向組成的平面內(nèi)作橢圓播方向

6、和地表面法向組成的平面內(nèi)作橢圓運動運動，與該平面垂直的水平方向沒有振動，似在地面上滾動。似在地面上滾動。 勒夫波勒夫波(Q)：波傳播時，質(zhì)點在與傳播波傳播時，質(zhì)點在與傳播方向相垂直的水平方向運動方向相垂直的水平方向運動，即呈地面水平即呈地面水平運動或者在地面上呈蛇形運動。運動或者在地面上呈蛇形運動。天津大學(xué)二、地震震級與地震烈度二、地震震級與地震烈度 1.地震震級地震震級(M) 它是地震震源釋放出的能量大小的一種它是地震震源釋放出的能量大小的一種量度，可表示地震本身強度大小的等級量度，可表示地震本身強度大小的等級。它的最初定義(里希特)是：距震100km處用標(biāo)準(zhǔn)地震儀(周期0.8s，阻尼系數(shù)0

7、.8，放大倍數(shù)2 800)實測最大水平地動位移的對數(shù)來確定。例如：當(dāng)測得的振幅10mm，即10 000m時，它的對數(shù)為4，地震定為4級。天津大學(xué)2.地震烈度地震烈度(1) 地震烈度地震烈度是對地震時地表和地表建筑物遭是對地震時地表和地表建筑物遭受影響和破壞的強烈程度的一種量度受影響和破壞的強烈程度的一種量度。 (1)基本烈度基本烈度：指一個地區(qū)在今后一定時期內(nèi)，指一個地區(qū)在今后一定時期內(nèi)，在一般場地條件下可能遭遇的最大地震烈度在一般場地條件下可能遭遇的最大地震烈度,即現(xiàn)行中國地震烈度區(qū)劃圖規(guī)定的地震烈度。 國家地震局所編制的1400萬中國地震烈度區(qū)劃圖(1990)上標(biāo)示的地震烈度值是指在是指在

8、50年期限內(nèi)一般場地條件下可能年期限內(nèi)一般場地條件下可能遭受超越概率為遭受超越概率為10的烈度值。的烈度值。天津大學(xué)中國地震烈度表（中國地震烈度表（1980）天津大學(xué)地震烈度地震烈度(2) (2)場地烈度場地烈度：是指建筑物場地因地質(zhì)、地貌、地形和水文地質(zhì)條件等的不同而引起的地震基本烈度的降低或提高的烈度。一般比基本烈度提高或降低半度至一度。 (3)設(shè)計設(shè)計烈度烈度：根據(jù)建筑物的重要性、永久性、抗震性以及國民經(jīng)濟的條件，對不同建筑物將建筑場地烈度按國家批準(zhǔn)權(quán)限審定加以調(diào)整后的抗震設(shè)防烈度。天津大學(xué)1994年加利福尼亞地震烈度示意圖年加利福尼亞地震烈度示意圖天津大學(xué) 三、震害現(xiàn)象三、震害現(xiàn)象(地

9、震效應(yīng)地震效應(yīng)) 主要的震害主要的震害(地震效應(yīng)地震效應(yīng))包括：包括： 大地抖動對建筑物的直接破壞、飽和砂土大地抖動對建筑物的直接破壞、飽和砂土和粉土的振動液化、地震滑坡、大地的錯和粉土的振動液化、地震滑坡、大地的錯斷和裂開、震陷、海嘯等斷和裂開、震陷、海嘯等。天津大學(xué)1.大地抖動對建筑物的直接破壞地震產(chǎn)大地抖動對建筑物的直接破壞地震產(chǎn)生的最普遍災(zāi)害是由于大地的抖動對建生的最普遍災(zāi)害是由于大地的抖動對建筑物的直接破壞。筑物的直接破壞。破壞的程度與地震的振動強度及持續(xù)時間、破壞的程度與地震的振動強度及持續(xù)時間、地基的性質(zhì)及建筑結(jié)構(gòu)有關(guān)。地基的性質(zhì)及建筑結(jié)構(gòu)有關(guān)。近來的許多近來的許多地震破壞實例表

10、明，施工質(zhì)量也應(yīng)該為地地震破壞實例表明，施工質(zhì)量也應(yīng)該為地震傷亡及損失負(fù)很大的責(zé)任。震傷亡及損失負(fù)很大的責(zé)任。天津大學(xué)1906年舊金山大地震天津大學(xué)1985年墨西哥因湖相地基放大地震波導(dǎo)致一年墨西哥因湖相地基放大地震波導(dǎo)致一15層建筑倒塌層建筑倒塌天津大學(xué)地震對某建筑的破壞地震對某建筑的破壞天津大學(xué)一九九五年神戶地震早成的破壞一九九五年神戶地震早成的破壞天津大學(xué)1995年神戶地震對建筑的破壞年神戶地震對建筑的破壞天津大學(xué)1985年墨西哥城地震年墨西哥城地震天津大學(xué)1985年墨西哥城地震年墨西哥城地震天津大學(xué)唐山地震 -大部分建筑物被地震直接摧毀唐山大地震所造成的毀滅性破壞唐山大地震所造成的毀滅

11、性破壞天津大學(xué)2.飽和砂土和粉土的振動液化飽和砂土和粉土的振動液化 地基中較疏松的飽和砂土，在周期性的地基中較疏松的飽和砂土，在周期性的地震荷載作用下，孔隙水壓力逐漸積累，地震荷載作用下，孔隙水壓力逐漸積累，甚至達(dá)到可以完全抵消有效應(yīng)力時，使土甚至達(dá)到可以完全抵消有效應(yīng)力時，使土粒便處于懸浮狀態(tài)，而接近液體的特性。粒便處于懸浮狀態(tài)，而接近液體的特性。這種現(xiàn)象稱為液化。這種現(xiàn)象稱為液化。 液化的砂土將在瞬間降低或完全喪失抗液化的砂土將在瞬間降低或完全喪失抗剪強度和承載能力。剪強度和承載能力。天津大學(xué)砂土液化的砂土液化的宏觀標(biāo)志宏觀標(biāo)志是會導(dǎo)致：在地表是會導(dǎo)致：在地表裂縫中裂縫中噴水冒砂，地面沉陷

12、變形，地基噴水冒砂，地面沉陷變形，地基產(chǎn)生巨大沉降和建筑物嚴(yán)重傾斜，甚至產(chǎn)生巨大沉降和建筑物嚴(yán)重傾斜，甚至失穩(wěn)失穩(wěn)。例如唐山地震時，地基砂土液化造成房屋沉陷傾斜，橋梁墜毀。液化區(qū)噴水高度可達(dá)8m，廠房沉降達(dá)1m。大面積的砂土液化，使150萬畝農(nóng)田被砂掩埋。 天津大學(xué)海城地震冒沙現(xiàn)象海城地震冒沙現(xiàn)象天津大學(xué)唐山地震冒沙唐山地震冒沙天津大學(xué)總結(jié)國內(nèi)外現(xiàn)場調(diào)查和試驗研究的結(jié)果表明，中、細(xì)和粉砂是最容易發(fā)生中、細(xì)和粉砂是最容易發(fā)生地震液化的土。地震液化的土。因為此類土既缺乏粘聚力又排水不暢。關(guān)于地基土的液化，在土力學(xué)等后續(xù)課程中有較系統(tǒng)的介紹。天津大學(xué)地基液化導(dǎo)致建筑物整體傾斜地基液化導(dǎo)致建筑物整體傾

13、斜天津大學(xué) 3.大地的錯斷和裂開大地的錯斷和裂開 較大的地震，往往在大地上形成大量裂縫，較大的地震，往往在大地上形成大量裂縫，稱為稱為“地裂地裂”。 沿有些裂縫會有較大拉開或水平位移，從沿有些裂縫會有較大拉開或水平位移，從而破壞各種輸送管線、鐵路、橋梁、大壩而破壞各種輸送管線、鐵路、橋梁、大壩及其他任何建筑設(shè)施。及其他任何建筑設(shè)施。 如如1976年的唐山地震中，在極震區(qū)形成了年的唐山地震中，在極震區(qū)形成了一個走向一個走向NE30、長、長8公里寬公里寬30米的地裂米的地裂縫帶，裂縫最大水平位移縫帶，裂縫最大水平位移1.53米。米。天津大學(xué)地震形成的錯動（地震形成的錯動（1906舊金山地震導(dǎo)致一處

14、圍攔錯開舊金山地震導(dǎo)致一處圍攔錯開2.5m)天津大學(xué)唐山地震形成的地裂縫帶唐山地震形成的地裂縫帶天津大學(xué)唐山地震形成的地裂縫唐山地震形成的地裂縫天津大學(xué)爐霍地震，壓性地裂縫爐霍地震，壓性地裂縫天津大學(xué)爐霍地震，壓性地裂縫爐霍地震，壓性地裂縫天津大學(xué)海城地震地裂縫海城地震地裂縫天津大學(xué)4.地震滑坡地震滑坡 在山區(qū)，滑坡是與地震相關(guān)的一個重要災(zāi)害。歷史上幾次最大規(guī)模的滑坡都是地震引起的：公元前373年，古希臘的一次地震導(dǎo)致的流滑將赫利斯城挾入大海。 1920年甘肅地震時，在黃土地帶出現(xiàn)了連續(xù) 流滑，摧毀了成百個城鎮(zhèn)，近20萬人喪生。 天津大學(xué)地震誘發(fā)的滑坡地震誘發(fā)的滑坡天津大學(xué)5.土的震陷土的震陷

15、 地震時，地面的巨大沉陷稱為地震時，地面的巨大沉陷稱為“震陷震陷”或或“震沉震沉”。此現(xiàn)象往往發(fā)生在砂性土或淤。此現(xiàn)象往往發(fā)生在砂性土或淤泥質(zhì)土中。泥質(zhì)土中。 1960年智利地震后，有一個島因震陷而局部沉沒。唐山地震后天津也廣泛出現(xiàn)地面變形現(xiàn)象，導(dǎo)致建筑物產(chǎn)生差異沉降而傾斜。 天津大學(xué)震陷是一種宏觀現(xiàn)象宏觀現(xiàn)象，原因有多種： 1.松砂經(jīng)震動后趨于密實而沉縮；松砂經(jīng)震動后趨于密實而沉縮； 2.飽和砂土經(jīng)振動液化后涌向四周或向地表逸飽和砂土經(jīng)振動液化后涌向四周或向地表逸出而引起地面這形；出而引起地面這形； 3.淤泥質(zhì)粘土經(jīng)震動后，淤泥質(zhì)粘土經(jīng)震動后，受到擾動而強度顯著降低，在產(chǎn)生附加沉降。受到擾動

16、而強度顯著降低，在產(chǎn)生附加沉降。 為減輕震陷，只能針對不同土質(zhì)采取相應(yīng)的密為減輕震陷，只能針對不同土質(zhì)采取相應(yīng)的密實或加固措施。實或加固措施。天津大學(xué)6.海嘯海嘯 地震時海底的上下波動引起海洋水體的地震時海底的上下波動引起海洋水體的波動，以每小時數(shù)百公里的速度向四周傳播。波動，以每小時數(shù)百公里的速度向四周傳播。 地震海波在海洋中的傳播是非常隱蔽的，地震海波在海洋中的傳播是非常隱蔽的，因為它的波輻通常不超過因為它的波輻通常不超過1米，而兩波峰的米，而兩波峰的間距可達(dá)間距可達(dá)100700公里。但地震海波到達(dá)淺公里。但地震海波到達(dá)淺海 及 岸 邊 時 便 發(fā) 生 了 變 化 ， 波 速 減 慢海 及

17、 岸 邊 時 便 發(fā) 生 了 變 化 ， 波 速 減 慢(50km/h)、但涌浪加高、但涌浪加高(可達(dá)可達(dá)30m)， 形成海形成海嘯嘯。 天津大學(xué)地地 震震 海海 嘯嘯 天津大學(xué)1964年的阿拉斯加大地震阿拉斯加大地震(8.38.4級)中，主要的破壞及人員傷亡是海嘯造成的。因地震直接造成死亡的僅9人，而海嘯摧毀了2座小鎮(zhèn)，造成107人死亡 。 在1960年的智利大地震智利大地震(8.9級)中，海嘯完全摧毀了南美800公里海岸線上的大量村莊，還相繼侵襲新西蘭、夏威夷、菲律賓菲律賓和日本。其中日本受災(zāi)最嚴(yán)重，在其東海岸造成大量沿海設(shè)施破壞，并使800人喪生。 人類歷史上記錄到的最大地震海嘯是173

18、7年在堪察加南端，涌浪高達(dá)64米。 2004年12月印度尼西亞蘇門達(dá)臘島印度尼西亞蘇門達(dá)臘島附近8.3級地震引起印度洋巨大海嘯，導(dǎo)致近16萬人喪生。天津大學(xué)1964年阿拉斯加地震引發(fā)的海嘯年阿拉斯加地震引發(fā)的海嘯天津大學(xué)四、水庫誘發(fā)地震四、水庫誘發(fā)地震 .水庫誘發(fā)地震的基本特征水庫誘發(fā)地震的基本特征 從已有地震資料來看，水庫誘發(fā)地震具有下列特征： （1）震中多分布在水庫影響區(qū)域內(nèi)）震中多分布在水庫影響區(qū)域內(nèi)(包括通過包括通過活動斷裂傳遞到庫外幾十公里的地方活動斷裂傳遞到庫外幾十公里的地方) 根據(jù)統(tǒng)計，水庫地震的震中區(qū)，除少數(shù)在壩址附近以外，主要分布在庫區(qū)中部及尾部。這說明大壩的位置一般選在地質(zhì)

19、條件較好的地方，故誘震幾率低。另外，震例資料還說明，震中常沿構(gòu)造線分布。 天津大學(xué)天津大學(xué)天津大學(xué)廣東新豐江水庫廣東新豐江水庫天津大學(xué) （2）震源極淺）震源極淺 據(jù)統(tǒng)計，水庫誘發(fā)地震的震源深度，一般不大于5 km，也有超過10 km的，達(dá)20km者少見。由于震源淺，故震中區(qū)烈度偏高，即水庫誘發(fā)地震烈度，較同震級的天然地震烈度偏高。 （3）地震形式的特點）地震形式的特點 誘發(fā)地震形式，常以前震以前震主震主震余震型余震型(即即茂木茂木型型)為主為主，也有群震型，孤立型則罕見。天津大學(xué) （6） 水庫地震與壩高、庫容關(guān)系水庫地震與壩高、庫容關(guān)系 A.誘發(fā)地震的水庫占已建水庫總數(shù)的比例很小，但在高壩中比

20、例明顯增加，且壩愈高，比例越大在高壩中比例明顯增加，且壩愈高，比例越大，壩高超過200m，水庫發(fā)震震例占14。 B.從庫容看,庫容愈大，水庫發(fā)震率愈高庫容愈大，水庫發(fā)震率愈高，當(dāng)壩高大于100m，庫容大于1 000億m3時，比率高達(dá)40。 C.一般來說，震級大的水庫壩高和庫容都較大震級大的水庫壩高和庫容都較大，震級Ms在6級以上，其壩高大于100m，庫容大于25億。 因此，高壩大庫產(chǎn)生水庫誘發(fā)地震的概率較高。因此，高壩大庫產(chǎn)生水庫誘發(fā)地震的概率較高。 天津大學(xué) （7） 水庫地震與蓄水過程的關(guān)系水庫地震與蓄水過程的關(guān)系 A.水庫水位的影響水庫水位的影響 統(tǒng)計資料表明，多數(shù)水庫地震強度和頻度與水位

21、相多數(shù)水庫地震強度和頻度與水位相關(guān)，關(guān)，按其相關(guān)性分成兩大類，一類是有明顯主震，另一類是蓄水后微震頻度明顯增多。 B.水庫地震持續(xù)時間一般較長，由十幾年到幾十年水庫地震持續(xù)時間一般較長，由十幾年到幾十年,如新豐江、胡佛等水庫。 C.水庫蓄水對地震活動的抑制作用水庫蓄水對地震活動的抑制作用 對大多數(shù)水庫來說，蓄水導(dǎo)致地震活動加劇。但也有地震活動減少的實例，如美國胡佛壩上游佛萊敏谷(FlamingGorge)和格蘭峽(ClanCanyon)蓄水后，連同胡佛壩地震活動都見減少。天津大學(xué).水庫地震發(fā)生的條件水庫地震發(fā)生的條件 目前對水庫誘發(fā)地震的機制有不同的觀點，目前對水庫誘發(fā)地震的機制有不同的觀點，

22、認(rèn)為水庫誘發(fā)地震的發(fā)生條件，大體上有：認(rèn)為水庫誘發(fā)地震的發(fā)生條件，大體上有： （1）地質(zhì)構(gòu)造條件）地質(zhì)構(gòu)造條件 A.易發(fā)震地區(qū)多數(shù)處于性脆，裂隙多，易向深易發(fā)震地區(qū)多數(shù)處于性脆，裂隙多，易向深部滲漏的灰?guī)r地區(qū)，以及易發(fā)生膨脹、水化的巖部滲漏的灰?guī)r地區(qū)，以及易發(fā)生膨脹、水化的巖體內(nèi)。巖溶發(fā)育區(qū)的震型為坍陷坐落的波型，且體內(nèi)。巖溶發(fā)育區(qū)的震型為坍陷坐落的波型，且震級小于震級小于4，震源不到一公里，與庫水位關(guān)系較小。，震源不到一公里，與庫水位關(guān)系較小。 B.處于中、新生代褶皺帶，斷陷盆地和新構(gòu)處于中、新生代褶皺帶，斷陷盆地和新構(gòu)造活動明顯的特殊部位，容易發(fā)震。造活動明顯的特殊部位，容易發(fā)震。 天津大學(xué) C.易于發(fā)震的活斷層，震中一般分布在斷易于發(fā)震的活斷層，震中一般分布在斷層弧形拐點、交叉部位及斷陷盆地垂直差異層弧形