西南科技大學本科工程地質活斷層和地震工程地質研究-2

工程地質學ENGINEERINGGEOLOGY主講人：劉歲海lecturer：LiuSuihai

地震工程地質研究

概述地震基礎知識地震效應場地工程地質條件對震害的影響震區(qū)抗震原則及措施主要內容第一節(jié)概述地震：在地殼表層，因彈性波傳播所引起的振動作用或現(xiàn)象。分類構造地震火山地震陷落地震誘發(fā)地震按成因分類

淺源地震：0<70km大陸地震多屬此類，占73%，30km以內更多中源地震：70~300km占23%深源地震：>300km占4%，最深達720km震源深度

大地震：M>=7級強烈破壞地震中地震：7>M>=5破壞性地震小地震：5>M>=3,

2-4級有感地震微地震：3>M>=1

超地震：M<=1按震級M大小▲地震序列：在一定時間內（一般是幾十天至數月）相繼發(fā)生在同一地區(qū)一系列大小地震稱為地震序列?！髡穑涸谀骋坏卣鹦蛄兄校渲凶畲蟮囊淮蔚卣鸾兄髡??！罢穑涸谥髡鹬鞍l(fā)生的地震。▲余震：在主震之后發(fā)生的地震。余震時間序列圖(5級以上)5.12汶川特大地震主震余震分布圖▲主震型地震：在一個地震序列中，若主震震級很突出，其釋放的能量占全序列中的絕大部分，叫主震型地震。是一種破壞性地震類型?！鹑盒突蚨喟l(fā)型地震：在一個地震序列中，若主震震級不突出，主要地震能量是由多個震級相近地震釋放出來的?！铝⑿突騿伟l(fā)型地震：在一個地震序列中，若前震和余震都很少，甚至沒有，絕大部分地震能量都是通過主震一次釋放出來的。

發(fā)生地震的根本原因：地球內部物質處在不斷運動中，一般把地球分為地殼、地幔和地核等部分。其中地幔又分為巖石圈、軟流圈以及下地幔部分。由于溫度的差異，地幔發(fā)生大規(guī)模的對流，帶動了上覆的巖石圈運動，板塊產生大規(guī)模的漂移運動。在各板塊的接縫部位或張裂部位，產生巖塊的碰撞、擠壓和強烈變形，應力在某些部位高度集中，在超過巖塊強度極限的時候，產生突然破裂，引起大地劇烈振動，地震波向四周發(fā)射。產生地面變形、開裂和建筑物的嚴重破壞。

構造地震最嚴重一類，數量多規(guī)模大，波及面廣，破壞性大，世界90%以上屬于此類。據統(tǒng)計，全世界每年大約發(fā)生幾百萬次地震，人們能感覺到的僅占1％左右，7級以上強烈破壞性的災害性地震每年多則二十幾次，少則三、五次。我國位于環(huán)太平洋和地中海-南亞兩個地震帶之間，是一個多地震活動的國家。

在我國三千多年的歷史資料中，記錄地震近萬次，其中上世紀以來破壞性地震達6000多次；據1200～1989年資料統(tǒng)計，7級地震147次，8級及其以上巨大地震共19次。建國以來發(fā)生>=7級的地震12次。我國地震分布以西南、西北、華北、東南沿海和臺灣省區(qū)破壞性地震最多。其中臺灣尤甚，大震多，頻度高；新疆和西藏次之。若以地震烈度6度為輕微以上破壞性標準，我國約575萬平方公里屬于輕微以上破壞區(qū)，其中，寧夏、蘭州、海口、北京、太原、大同、西安、昆明、天津、呼市、汕頭位于8度區(qū)。一次6級地震可釋放6×1020爾格的能量，大致相當于30～40萬噸TNT炸藥的巨大爆炸，7級地震可釋放2×1022爾格的能量，8級地震可釋放6×1026爾格的能量。可見地震釋放能量之大。而且絕大部分能量為集中釋放，于數秒種內完成。因此，地震災害的猝發(fā)性和慘重性往往給人類生命以極大威脅，造成經濟財產巨大損失。據美國聯(lián)邦政府統(tǒng)計，僅二十世紀以來，全世界就有12O余萬人遇難于地震災害；五十年代以來，全球破壞性地震造成的經濟損失已逾2000億美元。地震災害是最重要的自然災害之一。中國的地震災害又居世界之首。

在我國歷史記載中，1556年陜西華縣地震8級死亡人口達83萬；1920年寧夏海原地震死亡人數也超過20萬。令人痛心的1976年唐山地震7.9級，死亡24.2萬多人，工業(yè)城市毀于一旦，直接經濟損失100億元，為世界地震史所罕見。還有66年的邢臺地震，70年通海地震，75年海城地震。（我國這些地震震源深都在13km左右）。1900－2008年世界各國地震死亡人數直方圖(南投集集鎮(zhèn))地震引起大壩破壞(臺中石崗)地震引起大壩破壞(臺中石崗)地震引起埠豐橋斷裂，河床抬高8m,形成疊水(石崗)

2010年4月14日7時49分，青海省玉樹藏族自治州玉樹縣發(fā)生7.1級地震(北緯33.1°，東經96.7°)，震源深度33km，9時25分又發(fā)生6.3級余震(北緯33.2°，東經96.6°)，震源深度30km。發(fā)震斷裂為烏蘭烏拉湖－玉樹第四紀活動斷裂，具反扭壓性活動特征，以反扭走滑為主、擠壓為輔。斷裂帶走向310°~325°，呈左旋逆沖特征，可見最大垂向位移57厘米，水平位移30厘米。在主破裂旁側發(fā)育斜交的分支張裂縫，在地表斷裂附近的禪古村房屋全部成為廢墟。

發(fā)震背景為印度板塊向亞洲板塊俯沖，導致地殼物質東向擠出，沿活動斷裂滑移，在特定構造部位造成應力集中、能量積累，最終突然釋放而發(fā)生地震。青海玉樹Ms7.1級地震

2013年4月20日蘆山7.0級地震,簡稱蘆山地震,是繼2008年汶川8.0級特大地震近5年后又一次破壞性地震,震中位于青藏高原中東部巴顏喀拉塊體與華南塊體相互碰撞、擠壓的邊界帶——龍門山推覆構造帶南段蘆山縣境內。

四川蘆山7.0級強震蘆山地震區(qū)活動斷層與余震分布圖第二節(jié)地震基礎知識一、幾個概念1、震源：地震發(fā)源地（能量E、深度H）

2、震中

3、震中距

4、震源深度

5、地震區(qū)（烈度>6度區(qū)）；

6、地震波：質點振動，彈性波，能量傳播，產生振動（地震力），破壞源動力，信息載體，透、反、折射傳播。體波：通過地球本體傳播的波面波：體波經過反射、折射后，在介質的界面或自由面（如地面）傳播縱波（P）：壓縮波，對應于介質體應變，三維擴散橫波（S〕：剪切波，對應于切應變，二維擴散，破

壞性最大

體波瑞利波（R）：質點在XZ面上橢圓滾動前進勒夫波（Q）：質點在XY面上曲線前進面波（L）

振幅A周期T波長波速VP波最小最短最短最快S波大長長慢R波、Q波最大最長最長最慢地面為自由界面，建筑物位于其上，該面只存在面波，它對建筑的基礎破壞性大；體波對建筑破壞性最大，P波能量最大，S波及L波波長大，使建筑慌動最大。

地震部門最關心P、S波。

一般情況下，一般地震表面

秒，對建筑界面，P波先到達，然后是S波，最后L波。7、震級（M）：是衡量地震本身大小的尺度，由地震所釋放出來的能量大小所決定。M＝LOGAA：距震中100公里處標準地震儀在地面所記錄的地震波最大振幅。（微米）標準地震儀：自振周期0.8秒，阻尼比0.8，最大靜力放大倍率為2800。能量E（J）與震級（M)關系：理論上M無上限。實際上，因地殼巖石強度有限，即累積應變能有限，目前最大M為8.9級。logE=4.8+1.5M8、烈度：一次地震于某地地面震動強烈程度。與地震釋放的能量大小、震源深度、震中距、震域介質條件有關。一次地震只有一個M，但有不同I。震中烈度用I0表示。震源深度和震中距越小，地表巖土越軟弱，地震烈度越大。淺源地震（據152次大震統(tǒng)計）震級與烈度的關系：M=0.68I0+0.98中國地震局發(fā)布汶川8.0級地震烈度分布圖

烈度是估算災情，進行區(qū)劃，抗震設計的直接依據。

震害大小取決于地震破壞力和地物本身抗震性兩方面，烈度劃分以兩方面作為標準。目前全世界均是以一次地震造成一個地區(qū)的宏觀震害（如房屋倒塌程度等），同時引入地震加速度等物理指標作為參考，劃分烈度。國際上有數十種劃分標準，我國是國家地震局制定的標準，根據一個地區(qū)某一地震及代表性地質條件（一般二類土層）建筑破壞情況劃分烈度。根據人的感覺、房屋及器物地物震害程度，加速度和速度（參考）等，劃分為12級。烈度人的感覺一般房屋其它現(xiàn)象參考物理指標大多數房屋震害程度平均震害指數加速度/（CM/S2）（水平向）速度/（CM/S）（水平向）I無感II室內個別靜止中的人感覺III室內少數靜止中的人感覺門、窗輕微作懸掛物微動IV室內多數人感覺，少數人夢中驚醒門窗作響懸掛物明顯擺動，器皿作響V室內普遍感覺，室外多數人感覺，多數人夢中驚醒門窗、屋頂、屋架顫動作響，灰土掉落，抹灰出現(xiàn)微細裂縫不穩(wěn)定器翻倒31（22~44）3（2~4）VI驚慌失措，倉惶逃出損壞——個別磚瓦掉落、墻體微細裂縫0~0.10河岸和松軟土上出現(xiàn)裂縫，飽和砂層出現(xiàn)噴砂冒水，地面上有的磚煙囪輕度裂縫、掉頭63（45~89）6（5~9）VII大數多人倉惶逃出輕度破壞——局部破壞、開裂，但不防礙使用0.11~0.30飽和砂層常見噴砂冒水，松軟土上地裂縫較多，大多數磚煙囪中等破壞125(90~177)13(10~18)VIII搖晃顛簸，行走困難中等破壞——結構受損，需要修理0.31~0.50干硬土上變有裂縫，大多數磚囪嚴重破壞250(178~353)25(19~35)IX坐立不穩(wěn)，行動的人可能摔跤嚴重破壞——墻體龜裂，局部倒塌，修復困難0.51~0.70地方出現(xiàn)裂縫、基巖上可能出現(xiàn)裂縫、滑坡、坍方常見，磚煙囪出現(xiàn)倒塌500(354~707)25(19~35)X騎自行車的人會摔倒，處不穩(wěn)狀態(tài)的人會摔出幾尺遠，有拋起感倒塌——大部倒塌，不堪修復0.71~0.90山崩和地震斷裂出現(xiàn)，基巖上的拱橋破壞，大多數煙囪從根部破壞1000(708~1414)100(72~141)XI毀滅0.91~1.00地震斷裂延續(xù)很長，山崩常見，基巖上的拱橋XII地面劇烈變化，山河改觀（1）、地震基本烈度（I基）：一定時間和一定地區(qū)范圍內一般場地條件下可能遭遇的最大烈度。一個地區(qū)的平均烈度。（2）、場地烈度（I場）：同一I基區(qū)，場地條件不同而進一步劃分，對I基修正。（3）、設防烈度（設計烈度）（I設）：是抗震設計所采用的烈度。依建筑物重要性、抗震性、經濟性、對I基調整。原則上一般建筑用I基，重要建筑適當提高。設計部門很少用I場。V度區(qū)不設防。二、地震地質基本特征1、介質條件堅硬巖石2、結構條件活斷層的一些特定部位3、構造應力條件現(xiàn)代構造運動強烈的部位4、強震活動受活動構造的控制5、絕大多數強震發(fā)生在一些穩(wěn)定斷塊邊緣的深大斷裂帶上，而穩(wěn)定斷塊內部很少或基本沒有強震分布6、裂谷型的斷陷盆地尤其是晚第三紀、第四紀新生盆地也常發(fā)生強震世界范圍內的主要地震帶及其形成的大地構造環(huán)境

1、環(huán)太平洋地震帶是世界上最大的地震帶，在狹窄條帶內震中密度也最大，全世界約80％的淺源地震、90％的中源地震和幾乎全部深源地震集中于此帶，釋放的能量約為全世界地震釋放能量的80％。很早以前就已經知道，此帶的震源深度有自島孤外線的深海溝向大陸內部逐步加深的規(guī)律，并解釋為大陸與大洋之間的一條傾向大陸的大斷裂面。2、地中海喜馬拉雅地震帶或歐亞地震帶僅次于環(huán)太平洋地震帶的第二大地震帶，震中分布較前者為分散，所以帶的寬度大且有分支。以淺源地震為主，中源地震在帕米爾、喜馬拉雅地區(qū)有所分布，深源地震主要分布于印尼島弧。環(huán)太平洋地震帶以外的幾乎所有深源、中源和大的淺源地震均發(fā)生于此帶，釋放能量約占全球地震能量的15％。

3、大洋海嶺地震帶主要呈線狀分布于各大洋的接近中部。這一地震帶遠離大陸，多為強震，以前未被人注意，60年代以前不把它作為一個地震帶，海底擴張和板塊構造的發(fā)展使人們注意到這一地震帶。這一帶的所有地震均產生于巖石圈內，震源深度小于30km，震級除少數例外均不超5級。我國地震地質的基本特征

1、我國強震空間分布及地震區(qū)帶劃分我國大于6級的強震的空間分布極不均勻，大致以105度為界。西部地震廣泛分布，東部地震相對稀少，震級均未達到8級。在上述兩地震區(qū)域內強震分布也是極不均勻的，東部分布于華北及東南沿海一帶，而西部分布面積大，但塔里木、準噶爾和鄂爾多斯盆地等則地震分布較為零星。2、我國強震發(fā)生的地質條件(1)、強震與活動斷裂帶的關系

不同方向的斷裂的交匯部位

活動性深大斷裂的轉折部位

活動性深大斷裂的端部或其它鎖閉段(2)、強震與斷陷盆地的關系

傾斜斷陷盆地的較深、較陡一側活動斷裂的最大斷距段上；

兩盆地間或盆地內部由橫向斷裂控制的橫向隆起帶兩側；

斷陷盆地的銳角尖端，或斷陷盆地帶內多組斷裂交匯部位；

受不同方向多組斷裂控制，內部構造又比較強烈的復合盆地的次級凹陷帶上，如1966年邢臺地震。(3)、強震產生的深部構造條件我國大陸板內地震多發(fā)生在地殼內10-25km深處，在我國西部還發(fā)生在地殼內31-37km。由此可見，地殼深部構造活動和受力狀態(tài)，對地震的孕育和發(fā)生，是更為直接的因素。不同級別的斷裂如蓋層斷裂、基底斷裂、巖石圈斷裂和超巖石圈斷裂，層間斷裂在深部的活動往往是地震發(fā)生的主要原因。3、我國大陸地震活動與現(xiàn)代構造應力場與形變場的關系根據大量震源機制解及地震時地表斷層錯動方式分析，我國廣大地區(qū)主壓應力以近水平方向者為主。主壓應力仰角小于30度者占80%以上，且以東經105o為界，可區(qū)分出兩大應力系統(tǒng)。西部為近南北向-北北東向擠壓應力場。東部為大面積的近東西的水平擠壓應力場。4、我國現(xiàn)代地殼垂直形變與地震活動的相關性中國大陸垂直形變的總趨勢是南升北降，最大上升量在喜馬拉雅山地區(qū)，年速率達10mm左右。下降最強烈的新疆準噶爾盆地，年速率為-3到-4mm。

大致以銀川-昆明一線為界，西部線條密集，等值線多呈東西或北西西走向，與主要斷裂線方向一致，其地形變斷裂線多由3-4條等值線組成的梯度帶繪出，表明其活動強度較大。東部線條相對稀疏，等值線走向多為北北東向-北東向，部分為東西向及南北向，也與構造線吻合較好。

三、震源機制和震源參數1、震源機制：地震發(fā)生的物理過程?？梢酝ㄟ^多個地震臺的地震記錄圖來確定。主要依據初到P波的方向（P波初動）。＋＋－－＋＋－－1313單力偶雙力偶2、震源參數：反映震源斷層的一些特征量或物理量包括：斷層走向、傾向、傾角、斷層錯動方向、震源斷層長度、寬度、斷層錯距、震源應力方向等。

求解：（1）震源機制求解（2）等震線的幾何特征（3）根據經驗公式，據震級等計算斷層長度、錯距（4）根據地震前后大地變形推求斷層位量、方向、錯距、類型等

梓潼7.29地震主震震源機制解三臺2.19地震主震震源機制解名稱節(jié)面Ⅰ節(jié)面ⅡP軸T軸N/B軸（走向，傾角，滑動角）（方位角，傾角）三臺（316,82，-177）（226,87，-8）（181,7）（271,3）（27,82）梓潼（322,83，177）（52,87，7）（187,2）（277,7）（79,83）三臺和梓潼地震主震震源機制解參數第三節(jié)地震效應

地震效應：地震作用影響所及的范圍內，地表出現(xiàn)的各種震害和破壞取決于三方面：場地工程地質條件；震級及震中距；建筑物類型及結構振動破壞效應——引起建筑物破壞地面破壞效應——地面破裂及地基液化、沉陷等斜坡破壞效應——滑坡等三種破壞效應一、振動破壞效應地震地面運動建筑物振動建筑物破壞(強度、剛度、整體性不夠產生破裂或倒塌）地震波（a,v,A)兩種分析方法(自學）1、靜力法2、動力分析法二、地面破壞效應地面破裂效應地基基底效應地震斷層地面裂縫沉降砂土液化地基滑移1、地面破裂效應地震時斷層錯斷及地面裂縫引起的破壞。強烈地震均會出現(xiàn)。斷層長度及寬度可按估計的震級用經驗公式計算。延伸數十至數百公里不等。位置一般按已有的主干斷層線或分支斷裂線出現(xiàn)。

2、地基效應強烈震動作用下，土體較大變形移動，使地基承載力下降或喪失，由此造成建筑物的破壞1、機理飽水砂土在地震、動力荷載或其它物理作用下，受到強烈振動而喪失抗剪強度，使砂粒處于懸浮狀態(tài)，致使地基失效的作用或現(xiàn)象。砂基液化問題（自學）日本新瀉1964年地震時砂土液化影響唐山地造成的噴水冒砂區(qū)分布圖震2、影響砂土液化的因素1）、土的類型及性質★粒度粉、細砂土最易液化；高烈度時，亞砂土、輕亞粘土、中砂也可液化。我國90%發(fā)生在粉砂、砂、亞砂土中。粉粒含量>40%時，極易液化；粘粒含量>12.5%時，極難液化。極易液化土的特征是：平均粒度0.02-0.10mm，?=2-8，粘粒含量<10%★密實度

松砂極易液化，密砂不易液化。相對密度Dr<50%時，很易液化，Dr>80%時，不易液化。★成因及年代多為沖積成因的粉細砂土，如濱海平原、河口三角洲等。沉積年代較新：結構松散、含水量豐富、地下水位淺2）、飽和砂土的埋藏分布條件

埋藏條件包括：砂層厚度、上覆非液化土層厚度（即埋藏深度）、地下水埋深?！锷皩由细卜且夯翆佑?，液化可能性愈小。一般埋深大于10-15m以下就難以液化了。★地下水位埋深愈大，愈不易液化。實際上，地下水埋深3-4m時，液化現(xiàn)象很少，一般把液化最大地下水埋深定為5m?！锷皩釉胶裨揭滓夯?/p>

3）、地震活動的強度及歷時

地震力（剪應力）是砂土液化的動力地震愈強，歷時愈長，則愈易引起砂土液化，而且波及范圍愈廣。Ⅵ度以下地區(qū)很少有液化現(xiàn)象；Ⅶ度區(qū)只能使疏松的粉、細砂層液化；而Ⅸ度以上地區(qū)才能使粗粒及粘粒含量較高的土液化。強度很高的地區(qū)即震中區(qū)附近，因地振動以垂直為主，也不易產生液化。液化范圍（液化最遠點，以震中距R表示，Km）lgR=0.77M-3.63、砂土液化的判別

根據地質條件，可初步判定土層是否存在液化的可能。若有可能，需進一步的工作,作出準確判別。（1）、初步判別飽和砂土或粉土，當符合下列條件之一，可判為不液化土或不考慮液化作用。①Q3及Q3以前的土②粉土的粘粒含量不小于表列數據③上覆非液化土層厚度和地下水埋深符合下列條件之一：du>do+db-2液化土特征深度dw>do+db-3du+dw>1.5do+2db-4.5dw—地下水埋深（m），年最高水位du—上覆非液化土層厚（m）db—基礎砌置深度（m)do—液化土特征深度（m）粉土的粘粒含量℅7度8度9度101316烈度789粘土678砂土789

①現(xiàn)場標準貫入試驗，地面以下15m以內的液化土應符合下列要求：

其中：N63.5－－飽和土標貫實測值

Ncr－－判別砂土液化的臨界錘擊數

N0－－基準錘擊數（貫人點深3米，地下水埋深2米），查表

ds－－飽和土標準貫入試驗點深度（m）dw－－地下水埋深(m)

c－－粘粒百分含量，當c<3％時，取c＝3判據：Ncr<N63.5不液化（2）、進一步判別

方法有:①現(xiàn)場實驗,②剪應力對比法烈度789近震61016遠震812—液化程度等級

液化指數I

n—15m以內標貫實驗段總數

—

i段標貫實測值，當實測值大于臨界值時取臨界值

—i段標貫臨界值

—i段土層厚度（m)

—i層單位土層厚度影響權函數（m-1）

該層中點深度<5m，取10該層中點深度=15m，取0該層中總深度5-10m，取內插值

等級判別：I<5輕微，無災害I=5-15中等，不均勻沉陷，冒砂I>15嚴重，建筑傾倒，地面變形剪應力對比法

地震剪切波在砂層中產生剪應力，當其超過土層液化時所需的剪應力時，即產生液化。根據地震剪切波及室內、現(xiàn)場實驗測得的土體液化時的剪應力大小，對比判斷。4、砂土液化的防護措施（1）、慎重選擇場地（2）、選擇基礎類型（3）、地基處理處理標準：★應處理至液化深度下限★處理后的土層標貫擊數實測值應大于臨界值壓密通過振動、夯擊、爆破等手段，使砂土急劇液化排水，而達到壓密，提高天然地基土的相對密度Dr排滲法通過排滲井等來消散因振動時而產生的孔隙水壓力，防止液化

換土或蓋重用非液化土更換地表的液化土層，或在地表液化土層上覆蓋填三、斜坡破壞效應如：滑坡、崩塌等（下章學習）第四節(jié)場地工程地質條件對震害的影響一、場地工程地質條件對震害的影響目前為止，將地震烈度和地震力作用運用于工程設計時，都沒有很好考慮一個場地實際地質條件的影響。實際上，場地條件的差別，可能使同一基本烈度區(qū)不同場地的實際烈度相差2-3度解決途徑：①按場地條件進行動力分析②場地烈度小區(qū)劃主要影響因素：

巖土類型及性質

地形地貌

斷裂

地下水1、巖土類型及性質（1）、強度及剛度震害程度：巖性：時代：

以基巖為準，高1-2倍小

大基巖——密實礫石——粘土——飽水砂——淤泥、填土老