地震工程地质分析

1、第七章第七章 地震工程地质分析地震工程地质分析本章重点：场地类别的划分本章重点：场地类别的划分 砂土震动液化砂土震动液化 建筑抗震设防建筑抗震设防 第一节第一节 有关地震的一些基本知识有关地震的一些基本知识1 地震的基本名词和概念地震的基本名词和概念 震中：震中：震源在地面上的投影点称为震中震源在地面上的投影点称为震中( (或震中区或震中区) )同时，同时，地面上受破坏最最严重的地区叫极震区，理论上震中区和地面上受破坏最最严重的地区叫极震区，理论上震中区和极震区是相同的，实际上由于地表局部地质条件的影响，极震区是相同的，实际上由于地表局部地质条件的影响，极震区不一定是震中区极震区不一定是震中区

2、震中距：震中距：在地面上，从震中到任一点沿大圆弧测量的距离在地面上，从震中到任一点沿大圆弧测量的距离称为震中距称为震中距般用字母般用字母表示它可用线距离表示，也表示它可用线距离表示，也可用地心所张的角来表示可用地心所张的角来表示地震波：地震波：发生于震源并在地球表面和内部传播的弹性波称发生于震源并在地球表面和内部传播的弹性波称为地震波。波传播时所经的路径称为地震射线为地震波。波传播时所经的路径称为地震射线地震烈度、烈度表、等震线；地震烈度、烈度表、等震线； 按一定的宏观标准，表示地震对地面影响和破坏程度的一按一定的宏观标准，表示地震对地面影响和破坏程度的一种量度，称为烈度，通常用字母表示。按烈

3、度值的大小种量度，称为烈度，通常用字母表示。按烈度值的大小排列成表，称为烈度表，我国使用排列成表，称为烈度表，我国使用1212度烈表将地面上等度烈表将地面上等烈度的点联成线，称为等震线烈度的点联成线，称为等震线 震级：震级：按一定的微观标准，表示地震能量大小的一种按一定的微观标准，表示地震能量大小的一种量度，通常用字母量度，通常用字母M M表示它是反映表示它是反映次地震从震源中释次地震从震源中释放出来的能量多少放出来的能量多少. . 震源：震源：地球内部发生地震的地方称为震源地球内部发生地震的地方称为震源( (或称震源或称震源区区) )理论上将震源看成一个点理论上将震源看成一个点( (图图10

4、101 11)1)，而实际上，而实际上是一个区是一个区 震源深度：震源深度：将震源看作一个点，此点到地面的垂直距将震源看作一个点，此点到地面的垂直距离称为震源深度，离称为震源深度，般用字母般用字母h h表示表示2 地震类型与地震成因地震类型与地震成因地震类型与地震成因地震类型与地震成因 地震类型地震类型 (1)(1)按地震成因分按地震成因分构造地震：由于地壳运构造地震：由于地壳运动动而造成的地震称而造成的地震称为为构造地构造地震全球震全球90%90%以上的天然地震都是构造地震以上的天然地震都是构造地震 火山地震：由于火山作用火山地震：由于火山作用喷发喷发、气体爆炸等，引、气体爆炸等，引起的地震

5、称起的地震称为为火山地震占全球火山地震占全球发发生地震数的生地震数的7 7 陷落地震：由于地陷落地震：由于地层层陷落陷落如岩溶地形，如岩溶地形，矿矿坑下塌坑下塌等，引起的地震称等，引起的地震称为为陷落地震占陷落地震占总总数的数的3%3%(2)2)按震源深度分：按震源深度分： 浅源地震：震源深度小于浅源地震：震源深度小于60km60km的天然地震称为浅震，的天然地震称为浅震，大多数地震都为浅源地震大多数地震都为浅源地震 中源地震：震源深度在中源地震：震源深度在60-300km60-300km之间的地震称为中之间的地震称为中源地震源地震 深源地震：震源深度大于深源地震：震源深度大于300km300

6、km的地震称为深源地的地震称为深源地震目前巳记录到的震源深度有震目前巳记录到的震源深度有700km700km深的地震。深的地震。(3)(3)按震中距分：按震中距分： 地方震：震中距小于地方震：震中距小于lOOkmlOOkm的地震的地震 近震：震中距小于近震：震中距小于1000km1000km的地震的地震 远震：震中距大于远震：震中距大于1000km1000km的地震的地震(4)4)按震级分：按震级分： 弱震：弱震：M3M3的地震的地震 有感地震：有感地震：3M43M45 5的地震的地震 中强震：中强震：4 45M65M6的地震的地震 强震：强震：M6M6的地震。的地震。地震成因地震成因 由于全

7、球地震的由于全球地震的90%90%都属于构造地震，所以这里所指的地都属于构造地震，所以这里所指的地震成因就是构造地震成因关于地震的成因，目前还处于震成因就是构造地震成因关于地震的成因，目前还处于探索阶段，人们提出了很多假说如弹性回跳说，粘滑说、探索阶段，人们提出了很多假说如弹性回跳说，粘滑说、相变说、温度应力说、地幔对流说、地质力学说各种学相变说、温度应力说、地幔对流说、地质力学说各种学说都从某个角度解释不同类型的地震近年来，人们把注说都从某个角度解释不同类型的地震近年来，人们把注意力比较集中于板块构造运动的机制和地震的关系上意力比较集中于板块构造运动的机制和地震的关系上 下面简单说明一下用板

8、块构造理论解释地震成因下面简单说明一下用板块构造理论解释地震成因 由地幔对流学说导致了板块构造学说的发展。地幔对由地幔对流学说导致了板块构造学说的发展。地幔对流说认为：由于地下放射性元素的衰变和地下岩石物化性流说认为：由于地下放射性元素的衰变和地下岩石物化性质的改变，积累了巨大的热能，使物质具有可塑性和流动质的改变，积累了巨大的热能，使物质具有可塑性和流动性热物质上升，冷物质下降热对流必然伴随重力分异，性热物质上升，冷物质下降热对流必然伴随重力分异，即重的下降，轻的上升这样便引起地壳升降、挤压、褶即重的下降，轻的上升这样便引起地壳升降、挤压、褶皱这个过程是漫长而缓慢的由于对流作用在时间上和皱这

9、个过程是漫长而缓慢的由于对流作用在时间上和空间上是不连续的，使得构造运动的活跃期和宁静期相间空间上是不连续的，使得构造运动的活跃期和宁静期相间出现，且宁静期长这样地幔对板块构造说的发展有促进出现，且宁静期长这样地幔对板块构造说的发展有促进作用，使板块学说能较好地解释一些现象岩石圈作用，使板块学说能较好地解释一些现象岩石圈( (地壳地壳加上地幔最顶部的刚性固体层加上地幔最顶部的刚性固体层) )是由许多漂浮在地幔软流是由许多漂浮在地幔软流层之上的板块构成的上升流造成洋中脊和大陆裂谷圈分层之上的板块构成的上升流造成洋中脊和大陆裂谷圈分裂；下降流造成碰撞带岩石圈的府冲和消失，使板块不停裂；下降流造成碰

10、撞带岩石圈的府冲和消失，使板块不停地运动着相邻板块相向而行，互相碰撞。碰撞带就是地地运动着相邻板块相向而行，互相碰撞。碰撞带就是地震的源地震的源地第二节第二节 地震危险性分析地震危险性分析1 潜在震源的划分潜在震源的划分 活断层法活断层法 有些地区断层外露，历次地震集中于板块边界或断层上，有些地区断层外露，历次地震集中于板块边界或断层上，可采用此法。可采用此法。 (1)(1)点源：历史地震集中在某小区域内，但又无明显的点源：历史地震集中在某小区域内，但又无明显的断层存在。火山地震就是这类震源的例子。断层存在。火山地震就是这类震源的例子。 (2)(2)线源：构造结构显露于地表，而历史地震又集中在

11、线源：构造结构显露于地表，而历史地震又集中在已知断层周围。已知断层周围。 (3)(3)面源：历史地震发生在某一区域，但与该地区的已面源：历史地震发生在某一区域，但与该地区的已知断层或构造结构无明显相关，或者该地区分布很多小知断层或构造结构无明显相关，或者该地区分布很多小断层断层 (4)(4)背景源：其它一些零星历史地震，和任何断层构造背景源：其它一些零星历史地震，和任何断层构造毫不相关，则可把除上述三种震源以外的地区作为背景毫不相关，则可把除上述三种震源以外的地区作为背景源。源。 构造区法构造区法 有些地区，由于地震和断层活动惭赃，因而缺少地质有些地区，由于地震和断层活动惭赃，因而缺少地质和历

12、史证据。这类地区覆盖层较厚，断层位置难于发现，和历史证据。这类地区覆盖层较厚，断层位置难于发现，美国东部就属于这类地区，这时可用构造区法，在构造区美国东部就属于这类地区，这时可用构造区法，在构造区内地震的活动性是均匀的。由于缺乏资料和没有一个通用内地震的活动性是均匀的。由于缺乏资料和没有一个通用的勾画原则，此时往往综合专家的意见。的勾画原则，此时往往综合专家的意见。2 震级频度的关系震级频度的关系 统计震级频度关系的目的是要确定各震源不同大小地震的统计震级频度关系的目的是要确定各震源不同大小地震的平均发生率。目前的主要方法是采用平均发生率。目前的主要方法是采用GutenbergGutenber

13、g和和RichterRichter公式公式N(mN(mi i) )为大于等于震级为大于等于震级m mi i的地震数；的地震数；,为回归常数为回归常数; ; iimmN)(ln3 地震动衰减规律地震动衰减规律 地震时震源产生的地震动，以体波和面波形式向外传播，地震时震源产生的地震动，以体波和面波形式向外传播，随着传播距离的增大，运动强度逐渐衰减。目前地震衰减随着传播距离的增大，运动强度逐渐衰减。目前地震衰减规律大多数是根据历史数据进行回归的经验方法。规律大多数是根据历史数据进行回归的经验方法。 在衰减规律中有直接用地震动参数（主要是峰值加速度在衰减规律中有直接用地震动参数（主要是峰值加速度ap，

14、也有用峰值速度和峰值位移的），也有用烈度，也有用峰值速度和峰值位移的），也有用烈度Is来表来表示的，然后用烈度示的，然后用烈度Is和峰值加速度和峰值加速度ap的关系折算的关系折算 4 破裂长度与震级的关系破裂长度与震级的关系破裂长度与震级关系在地震危险性分析中占有重要的地位。破裂长度与震级关系在地震危险性分析中占有重要的地位。一般都采用统计关系，但有的用地震断层长度；有的用余一般都采用统计关系，但有的用地震断层长度；有的用余震区的最大尺度，有的用破坏区的轴线长度等，统计关系震区的最大尺度，有的用破坏区的轴线长度等，统计关系如下如下 式中式中a,b为统计系数为统计系数bLaMsln5 计算地震对

15、场地的影响计算地震对场地的影响如前所述，通常用峰值加速度如前所述，通常用峰值加速度ap来表征地震对场地的影来表征地震对场地的影响。在这一步骤中，要综合前述信息，给出场地周围各响。在这一步骤中，要综合前述信息，给出场地周围各震源的影响下，场地内出现不同峰值加速度震源的影响下，场地内出现不同峰值加速度ap的平均年的平均年发生率或重现期；需要计算场地在使用期内超过某峰值发生率或重现期；需要计算场地在使用期内超过某峰值加速度加速度a的概率（危险率）；对较大区域，还需作出给定的概率（危险率）；对较大区域，还需作出给定危险率条件下的等加速度图。危险率条件下的等加速度图。第三节第三节 场地类别与砂土震动液化

16、场地类别与砂土震动液化 1 场地类别场地类别由于建筑物的种类不一样，抗震的要求也不一样，我国由于建筑物的种类不一样，抗震的要求也不一样，我国建筑抗震设计规范建筑抗震设计规范GDGD11118989根据建筑的重要性将根据建筑的重要性将其划分为如下四类；其划分为如下四类； 甲类建筑甲类建筑特殊要求的建筑，如遇地震破坏会导致特殊要求的建筑，如遇地震破坏会导致严重后果的建筑等，必须经国家严重后果的建筑等，必须经国家规定的批准权限批准规定的批准权限批准 乙类建筑乙类建筑国家重点抗震城市的生命线工程的建筑；国家重点抗震城市的生命线工程的建筑； 丙类建筑丙类建筑甲、乙。丁类以外的建筑；甲、乙。丁类以外的建筑

17、； 丁类建筑丁类建筑次要的建筑，如遇地震破坏不易造成人次要的建筑，如遇地震破坏不易造成人员伤亡和较大经济损失的建筑等员伤亡和较大经济损失的建筑等2 砂土震动液化砂土震动液化液化液化将任何物质转变为液态的作用和过程。在无粘性将任何物质转变为液态的作用和过程。在无粘性土中，这种转变是因为空隙压力增加和有效压力减少所土中，这种转变是因为空隙压力增加和有效压力减少所导致的从固态到液态的转变导致的从固态到液态的转变第四节第四节 地震小区划地震小区划 1 场地震害预测场地震害预测 场场地震害一般包括在未来地震作用下地震害一般包括在未来地震作用下场场地上所出地上所出现现的一系的一系列灾害列灾害现现象；如砂土

18、震象；如砂土震动动液化；地震滑坡、崩塌；地裂缝、液化；地震滑坡、崩塌；地裂缝、活动层的活动；黄土震陷等。对这一系列可能出现的次生活动层的活动；黄土震陷等。对这一系列可能出现的次生灾害采用工程地质分析法，定量、半定量评价计算法等预灾害采用工程地质分析法，定量、半定量评价计算法等预测它们的震害程度，然后用一系列图件勾绘出来。最后按测它们的震害程度，然后用一系列图件勾绘出来。最后按一定的灾害程度优先顺序将这些灾害综合在一起，形成一一定的灾害程度优先顺序将这些灾害综合在一起，形成一张场地震害预测图。但这种方法的不足之处是，在同一小张场地震害预测图。但这种方法的不足之处是，在同一小区内如果存在两种以上的

19、灾害，往往是灾害程度优先者掩区内如果存在两种以上的灾害，往往是灾害程度优先者掩盖了其它灾害的信息。如果不按优先排序，则这张图线条盖了其它灾害的信息。如果不按优先排序，则这张图线条纵横交错，无法辩认。为此，作者曾采用模糊信息分析法纵横交错，无法辩认。为此，作者曾采用模糊信息分析法研究了兰州、西安的综合地质灾害程度，并编制了场地震研究了兰州、西安的综合地质灾害程度，并编制了场地震害预测图，其中采用小网络信息落影原则，较好地解决了害预测图，其中采用小网络信息落影原则，较好地解决了此问题。关于单个场地震害此问题。关于单个场地震害( (如地裂缝、地面沉降、滑坡、如地裂缝、地面沉降、滑坡、泥石流、岩溶、砂

20、土液化等泥石流、岩溶、砂土液化等) )的工程地质分析或计算，我的工程地质分析或计算，我们已在前面章节有较详细的叙述，在此不必赘述们已在前面章节有较详细的叙述，在此不必赘述2 土层地震动反应计算土层地震动反应计算土土层地震反应计算目前国际上广泛采用剪切质点系模型法和层地震反应计算目前国际上广泛采用剪切质点系模型法和有限元法。前者适应于水平土层的一维地震反应分析计算。有限元法。前者适应于水平土层的一维地震反应分析计算。后者适应于倾斜基岩或凹凸不平的复杂地形，或土坝的地震后者适应于倾斜基岩或凹凸不平的复杂地形，或土坝的地震动反映计算。动反映计算。第五节第五节 建筑抗震设防建筑抗震设防 1 抗震设防的

21、目标抗震设防的目标抗震设防目标按以下三个水准考虑：抗震设防目标按以下三个水准考虑： (1)(1)第一水准烈度：根据地震危险性分析的结果，第一水准烈度：根据地震危险性分析的结果，5050年内超越概率为年内超越概率为6363尹尹d d的地震烈度为众值烈度，比基本烈的地震烈度为众值烈度，比基本烈度约低一度半，规范取为第一水准烈度。度约低一度半，规范取为第一水准烈度。 (2)(2)第二水准烈度：第二水准烈度：5050年内超越概率约年内超越概率约1010尹尹d d的烈度大的烈度大体相当于现行地震区划图规定的基本烈度，规范取为第体相当于现行地震区划图规定的基本烈度，规范取为第二水准烈度二水准烈度 (3)(

22、3)第三水准烈度：第三水准烈度：5050年超越概率年超越概率2 2白白3 3尹尹d d的烈度可作的烈度可作为罕遇地震的概率水准，规范取为第三水准烈度，当基为罕遇地震的概率水准，规范取为第三水准烈度，当基本烈度本烈度6 6度时取为度时取为7 7度强，度强，7 7度时取为度时取为8 8度强，度强，8 8度时取为度时取为9 9度弱，度弱，9 9度时取为度时取为9 9度强。度强。 与各烈度水准相应的抗震设防目标是：与各烈度水准相应的抗震设防目标是：般情况下般情况下( (不是所不是所有情况下有情况下) )，遭遇第一水准烈度，遭遇第一水准烈度( (众值烈度众值烈度) )时，建筑处于正时，建筑处于正常使用状

23、态，从结构抗震分析角度，可以视为弹性体系，常使用状态，从结构抗震分析角度，可以视为弹性体系，采用弹性反应谱进行弹性分析；遭遇第二水准烈度采用弹性反应谱进行弹性分析；遭遇第二水准烈度( (基本烈基本烈度度) )时，结构进入非弹性工作阶段，但非弹性变形或结构体时，结构进入非弹性工作阶段，但非弹性变形或结构体系的损坏控制在可修复的范围；遭遇第三水准烈度系的损坏控制在可修复的范围；遭遇第三水准烈度( (预估的预估的罕遇地震罕遇地震) )时，结构有较大的非弹性变形，但应控制在规定时，结构有较大的非弹性变形，但应控制在规定的范围内，以免倒塌的范围内，以免倒塌2 与烈度有关的两个定量指标与烈度有关的两个定量指标(1)(1)地震系数地震系数K K 在工程界比较普遍地认为地震对结构的影响主要取决在工程界比较普遍地认为地震对结构的影响主要取决于地面运动的最大加速度并且由于地震作用是一种惯于地面运动的最大加速度并且由于地震作用是一种惯性力，加速度这个量便于与荷载的计算联系起来，因此性力，加速度这个量便于与荷载的计算联系起来，因此开始采用加速度作为烈度的标准为简单起见，烈度指开始采用加速度作为烈度的标准为简单起见，烈度指标用地震系数：标用地震系数：k k为地震系数；为地震系数；a amaxmax是地面运动最大加速度，是地面运动最大加速度，g g为重力加速为重力加速度度，gaKmax(2)动力系