地震及土工抗震概论.

1、2022-5-31西北农林科技大学水利与建筑工程学院1地震及地震及 土工抗震概论土工抗震概论骆亚生 2008.5.212022-5-31西北农林科技大学水利与建筑工程学院2沉痛哀悼沉痛哀悼汶川地震中遇难同胞汶川地震中遇难同胞2022-5-31西北农林科技大学水利与建筑工程学院3 内容安排内容安排第一节 地球的构造第二节 活动构造带第三节 地震的产生和类型第四节 地震带第五节 地震的名词概念第六节 衡量地震大小的尺度第七节 地震监测方法和手段第八节 建筑物抗震设防要求第九节 抗震设计常用方法第十节 土体动力反应分析方法2022-5-31西北农林科技大学水利与建筑工程学院4第一节 地球的构造 地球

2、分为地壳、地幔和地核三个圈层 2022-5-31西北农林科技大学水利与建筑工程学院5第一节 地球的构造 地壳是地球最外面的一层，一般厚33公里（大陆）或7公里（海洋）。地壳分为上下两层，其间是康拉德面，在10公里左右。上部地壳只有大陆有，海洋基本缺失。上部地壳主要为花岗岩层，下部地壳主要为玄武岩层。 介于地壳和地核之间的部分是地幔，平均厚度为2870公里左右。地幔也分为上下两层，分界面约在1000公里左右。上地幔主要由超基性岩组成。下地幔主要由超高压矿物组成的超基性岩构成。 在上地幔分布着一个呈部分熔融状态的软流圈，其深度在60-400公里左右，是液态岩浆的发源地。由于莫霍面上下物质都是固态，

3、其力学性质区别不大，所以将地壳和软流圈以上的地幔部分统称为岩石圈。 地球的中心部分为地核，半径为3473公里左右。地核又可分为外核和内核。根据对地震波传播速度的测定，外核可能是液态物质，内核则是固体物质。地核的物质成分同铁陨古相似，所有有时又叫“铁镍核心”。2022-5-31西北农林科技大学水利与建筑工程学院6第二节 活动构造带 断层、褶皱和它们在地表所反映出的形态，并非杂乱无章，而是相互联系确有规律的。我们常把那些在一定的范围内有着共同的成因和内在联系的断层、褶皱等地质构造现象，归为一个构造带。在我国，有许许多多构造带，它们的延伸方向有北东向的，还有东西向的、南北向的等等。有些构造带相对来说

4、比较稳定。另外一些构造带则还在活动，这就是活动构造带。它在地面上常呈狭长形，那里经常表现为地面较大幅度的升沉及水平方向的错动，有些地方还表现为火山喷发以及地震的频繁活动。 2022-5-31西北农林科技大学水利与建筑工程学院7第二节 活动构造带 当然构造带的活动不一定都表现为地震。但地震之所以发生，必然是由于某一个构造带的局部或全部，甚至更大范围的活动，达到了一定激烈程度所引起的。因此，查清哪里有活动构造带，鉴定活动构造带的性质，测定那里活动的强弱程度，以及了解和这个构造带相关的地区的地质情况，认识周围环境对这个活动构造带的影响，就有可能找到那种将要发生地震的地方，这对我们预防地震有重要意义。

5、 2022-5-31西北农林科技大学水利与建筑工程学院8第二节 活动构造带 活动构造带中以下几个部位容易发生强烈地震 1.活动断裂带曲折最突出的部位（简称拐弯处或拐点），往往是震中所在的地点。因为这种部位构造脆弱，地应力易于集中； 2.活动断裂带的两头（简称端点），有时是震中往返跳动的地点。因为在地应力加强而被迫向外发展的时候，活动断裂带的两头是按过去构造运动的轨道，进一步推动它继续发展最有利的部位； 3.一条活动断裂带和另一条断裂带交叉的地方（简称交叉点），往往是震中所在的地点。因为断裂交叉处，断面多半崎岖不平，或者有大堆破坏了的岩块聚集在一起，容易导致应力集中。2022-5-31西北农林科

6、技大学水利与建筑工程学院9第三节 地震的产生和类型 地震分为天然地震和人工地震两大类。天然地震主要是构造地震，它是由于地下深处岩石破裂、错动把长期积累起来的能量急剧释放出来，以地震波的形式向四面八方传播出去，到地面引起的房摇地动。构造地震约占地震总数的90%以上。其次是由火山喷发引起的地震，称为火山地震，约占地震总数的7%。此外，某些特殊情况下了也会产生地震，如岩洞崩塌（陷落地震）、大陨石冲击地面（陨石冲击地震）等。 2022-5-31西北农林科技大学水利与建筑工程学院10第三节 地震的产生和类型 人工地震是由人为活动引起的地震。如工业爆破、地下核爆炸造成的振动；在深井中进行高压注水以及大水库

7、蓄水后增加了地壳的压力，有时也会诱发地震。 地震波发源的地方，叫作震源。震源在地面上的垂直投影，叫作震中。震中到震源的深度叫作震源深度。通常将震源深度小于70公里的叫浅源地震，深度在70-300公里的叫中源地震，深度大于300公里的叫深源地震。破坏性地震一般是浅源地震。如1976年的唐山地震的震源深度为12公里。2022-5-31西北农林科技大学水利与建筑工程学院11第三节 地震的产生和类型2022-5-31西北农林科技大学水利与建筑工程学院12第三节 地震的产生和类型 按成因，天然地震主要分为以下几种类型：按成因，天然地震主要分为以下几种类型： 构造地震是由于地下岩层的快速破裂和错动所造成的

8、地震，占全球地震总数的90%以上。宁夏所发生的地震，绝大多数属于此种类型。由于构造地震频度高、强度大、破坏重，因此是地震监测预报、防灾减灾的重点对象。 火山地震 是由于火山作用引起的地震，占全球发生地震数的7%左右。火山地震都发生在活火山地区，一般震级不大。 陷落地震是由于地层陷落(如喀斯特地形、矿坑下塌等)引起的地震，占全球地震总数的3左右，其破坏范围非常有限。 诱发地震在特定的地区因某种地壳外界因素诱发（如陨石坠落、水库蓄水、深井注水）而引起的地震。 2022-5-31西北农林科技大学水利与建筑工程学院13第三节 地震的产生和类型 按震源深度可分为以下类型：按震源深度可分为以下类型： 浅源

9、地震震源深度小于70公里的地震，也称正常深度地震，占总数的3%。宁夏地震都是浅源地震。 中源地震震源深度在70公里至300公里之间的地震称为中源地震。 深源地震震源深度大于300公里的地震称为深源地震。已记录到的最深地震的震源深度约为700公里。2022-5-31西北农林科技大学水利与建筑工程学院14第三节 地震的产生和类型 按震中距可分为以下类型：按震中距可分为以下类型： 地方震震中距小于100公里的地震； 近 震震中距大于100公里、小于1000公里的地震； 远 震震中距大于1000公里的地震。 2022-5-31西北农林科技大学水利与建筑工程学院15第三节 地震的产生和类型 按震级（按震

10、级（M）可分为以下类型：）可分为以下类型： 小 震4级以下的地震； 中强震5-6级的地震； 强 震7级以上的地震，其中8级以上的地震又称为特大地震。2022-5-31西北农林科技大学水利与建筑工程学院16第三节 地震的产生和类型 按地震的破坏程度可分为以下类型：按地震的破坏程度可分为以下类型： 一般破坏性地震造成数人至数十人死亡，或直接经济损失在一亿元以下（含一亿元）的地震； 中等破坏性地震造成数十人至数百人死亡，或直接经济损失在一亿元以上（不含一亿元）、五亿元以下的地震； 严重破坏性地震人口稠密地区发生的七级以上地震、大中城市发生的六级以上地震，或者造成数百至数千人死亡，或直接经济损失在五亿

11、元以上、三十亿元以下的地震； 特大破坏性地震大中城市发生的七级以上地震，或造成万人以上死亡，或直接经济损失在三十亿元以上的地震。 2022-5-31西北农林科技大学水利与建筑工程学院17第四节 地震带 地震主要分布在环太平洋带，阿尔比斯喜马拉雅带，大西洋中脊和印度洋中脊上。总的来说，地震主要发生在洋脊和裂谷、海沟、转换断层和大陆内部的古古板块边缘等构造活动带。1995-2001年全球4级以上地震震中分布图2022-5-31西北农林科技大学水利与建筑工程学院18中国地震区划图2022-5-31西北农林科技大学水利与建筑工程学院19第五节 地震的名词概念主震、前震、余震主震、前震、余震什么是主震？

12、 在一个地震序列中，其中最大的一次地震，称为主震。什么是前震？ 主震前发生的地震，称为前震。 什么是余震？ 主震后发生的地震，称为余震。 2022-5-31西北农林科技大学水利与建筑工程学院20第五节 地震的名词概念有感地震、无感地震有感地震、无感地震什么是有感地震？ 震级大于3级到小于4.5级，人们感觉到的地震，称为有感地震。 什么是无感地震？ 一般来说，震级小于3级，人们感觉不到的地震，称为无感地震。2022-5-31西北农林科技大学水利与建筑工程学院21第五节 地震的名词概念地震的定量描述地震的定量描述极震区：震中附近振动最大，也就是破坏最严重的地区，叫极震区；等震线：在地图上把地面破坏

13、程度相似的各点连接起来的曲线，叫等震线。宏观震中：地面破坏最强烈的地方，往往不是震中所在处，而是在稍微离开震中一些的地方，这里常称为宏观震中。地震波：地震时，地下岩层突然破裂、错动所产生的震动，以弹性波形式把能量从震源向四面八方传播出来，这种波称为地震波。震中距、震源距：地面上其他地点到震中的距离，叫震中距；到震源的距离叫震源距。震源机制：地震震源处地球介质的运动方式。2022-5-31西北农林科技大学水利与建筑工程学院22第六节 衡量地震大小的尺度 地球上的地震有强有弱。用来衡量地震强度大小的尺子有两把，一把叫地震震级；另一把叫地震烈度。举个例子来说，地震震级好象不同瓦数的日光灯，瓦数越高能

14、量越大，震级越高。烈度好象屋子里受光亮的程度，对同一盏日光灯来说，距离日光灯的远近不同，各处受光的照射也不同，所以各地的烈度也不一样。地震震级是衡量地震大小的一种度量。每一次地震只有一个震级。它是根据地震时释放能量的多少来划分的，震级可以通过地震仪器的记录计算出来，震级越高，释放的能量也越多。我国使用的的震级标准是国际通用震级标准，叫“里氏震级”。 2022-5-31西北农林科技大学水利与建筑工程学院23第六节 衡量地震大小的尺度 各国和各地区的地震分级标准不尽相同：一般将小于1级的地震称为超微震：大于、等于1级,小于3级的称为弱震或微震；大于、等于3级，小于4.5级的称为有感地震；大于、等于

15、4.5级，小于6级的称为中强震；大于、等于6级，小于7级的称为强震；大于、等于7级的称为大地震，其中8级以及8级以上的称为巨大地震。迄今为止，世界上记录到最大的地震为8.9级，是1960年发生在南美洲的智利地震。 2022-5-31西北农林科技大学水利与建筑工程学院24第六节 衡量地震大小的尺度 地震烈度表示地面及建筑物遭受地震影响和破坏的程度。地震基本烈度：是指某地区今后一定时期内，在一般场地条件下可能遭受的最大烈度。 2022-5-31西北农林科技大学水利与建筑工程学院252022-5-31西北农林科技大学水利与建筑工程学院26第七节 地震监测方法和手段 地震前兆是与地震孕育和发生相关联的

16、异常现象。由于地震的孕育和发生是很 复杂的自然现象，因此在这个过程中将出现地球物理学、地质学、大地测量学、 地球化学及至生物学、气象学等多学科领域中的各种异常现象。经过系统的清 理和研究，自1966年邢台地震以来,我国已在70 多次中强以上地震前记录到 1000多条前兆异常。这些前兆异常可归为十大类，即地震学、地壳形变、重力 地磁、地电、水文地球化学、地下流体（水、汽、气、油）动态、应力应变、 气象异常以及宏观前兆现象。每一类前兆又包含多种监测手段和异常分析项目。 如地壳形变包含有大面积水准测量、断层位移测量、海平面观测、湖面观测、 地面倾斜观测等手段。 2022-5-31西北农林科技大学水利

17、与建筑工程学院27第七节 地震监测方法和手段 地震学前兆分析项目是各大类前兆中最丰富的，包括地 震活动分布的条带、空区集中、地震频度、能量、应变、值、震群、前震、 地震波速、波形、应力降等三十多种异常分析项目。宏观异常项目亦是丰富多 彩，如地声、地光、火球、喷水、喷油、喷气、地气味、地气雾，井水翻花、 冒泡、突升、突降、变色、变味、井孔变形、各种动物行为的反常现象等等。 总之，由于地震孕育和发生过程的复杂性，决定了地震前兆具有丰富，多样和 综合的特点。归纳起来，前兆现象可分为十大类，其中包含的异常分析项目和 观测手段可达近百项。 2022-5-31西北农林科技大学水利与建筑工程学院28第八节

18、建筑物抗震设防要求 抗震设防要求是指国务院地震行政主管部门对建设工程制定的必须达到的抗御地震破坏的准则和技术指标。它是在综合考虑地震环境、工程的重要程度、允许的风险水平及要达到的安全目标和国家经济承受能力等因素的基础上确定的，主要以地震烈度或地震动数表述。 抗震设防简单地说，就是在工程建设时设立防御地震灾害的措施。抗震设防通常通过三个环节来达到：确定抗震设防要求，即确定建筑物必须达到的抗御地震灾害的能力；抗震设计，采取基础、结构等抗震措施，达到抗震设防要求；抗震施工，严格按照抗震设计施工，保证建筑质量。上述三个环节是相辅相成密不可分的，都必须认真进行。2022-5-31西北农林科技大学水利与建

19、筑工程学院29第八节 建筑物抗震设防要求 有关资料表明，地震灾害损失主要是由建（构）筑物的倒塌破坏造成的。1976年唐山地震最为触目惊心的震害是建（构）筑物的倒塌，极其惨重的人员伤亡和财产损失均由此而来。究其原因，主要是因为唐山是一个对地震没有设防的城市，尽管大量建筑物为近代新建，但没有经过抗震设防，在大地震面前终究难逃一劫。大震不倒，中震可修，小震不坏2022-5-31西北农林科技大学水利与建筑工程学院30 对于地震引起的振动，要减小地震震动一般是比较困难的。但对于由基岩向上传播水平剪切波分量为主的地震振动，如在传播途中遇到软弱夹层时，可以使振动量大大减小。因此，可以在建筑物与地基之间设计滑

20、动减震，以阻隔剪切波向建筑物的传播，限制输入建筑物的能量，并促使已输入的能量因反馈或吸收而减小，以增强建筑物的抗震稳定性。2022-5-31西北农林科技大学水利与建筑工程学院31第九节 抗震设计常用方法（一）（一） 规范方法规范方法 地震的烈度需区分地震烈度、基本烈度和设计烈度。地震烈度是对过去地震影响的评价，基本烈度是对未来地震影响的评估，是通过地震取缔至于历史地震活动相结合的分析方法，再考虑历史烈度分布的方法来确定的。至于设计烈度则是考虑了建筑物的重大程度和建筑场地工程地质和水文地质条件的变化，而在抗震设计中所采用的烈度，它通常可以等于基本烈度，有时也视建筑物和场地的具体情况比基本烈度增加

21、或减小一度。在设计计算中根据设计烈度应用相关规范选取对应的地震加速度，这是一种较常用的反映地震作用的方法。2022-5-31西北农林科技大学水利与建筑工程学院32第九节 抗震设计常用方法（二）（二） Seed三参数法三参数法 Seed等人认为，对于水平地面，地震影响地面反映最主要的因素是60m范围内的土性特征，没有必要过分追求基岩运动的准确性，只要覆盖层的土性指标能够准确确定，基岩运动能够合理估计，既可以计算出与实际记录的结果相接近的地面运动。从这个观点出发，用振动的振幅（一般为最大加速度）、频率（或周期）和历时三个主要参数来反映基岩的运动，从而计算场地地面的地震反应，进而计算建筑物的地震反应

22、。2022-5-31西北农林科技大学水利与建筑工程学院33第十节 土体动力反应分析方法 土体动力反应分析的任务是确定土体受动荷作用时任一时刻的反映值（位移、速度、加速度）。动力反应的大小，因土体的材料特性、质量分布和边界条件等一些列因素的影响而不同。动力反应分析的方法均包括对运动体系的合理简化，土体运动时动力平衡方程的建立，以及方程式的求解。由于假定条件和处理方法的不同，土体动力反应分析的方法有许多种，其中剪切层法、集中质量法、有限单元法和振型叠加法比较常用。2022-5-31西北农林科技大学水利与建筑工程学院34第十节 土体动力反应分析方法（一）（一） 剪切层法剪切层法 剪切层法是将土体视为

23、一系列无限薄层所组成，其间由剪切弹簧和阻尼器联成振动体系（即将土体视为粘弹性材料）。它承受地震引起的水平剪切振动，按一维问题进行分析。 当剪切层法用于地基的地震反应分析时，可在地基任一深度上取一个微元体建立运动方程。求解时可用频域法和特征线法。 当剪切层法用于土坝的地震反应分析时，可在坝体认一深度上取一微层建立运动方程。求解使用分离变量法或称为剪切楔法。2022-5-31西北农林科技大学水利与建筑工程学院35第十节 土体动力反应分析方法（一）（一） 剪切层法剪切层法地基的剪切层法2022-5-31西北农林科技大学水利与建筑工程学院36第十节 土体动力反应分析方法（一）（一） 剪切层法剪切层法土

24、坝的剪切楔法2022-5-31西北农林科技大学水利与建筑工程学院37第十节 土体动力反应分析方法（二）（二） 集中质量法集中质量法 集中质量法就是将系统的质量集中在一个或多个质点上，各质点之间或质点与地基之间用一假想的无重量弹簧和阻尼器连接起来（反映系统的弹性及阻尼性质），从而形成一个质阻弹系统，来研究它的动力反应特性。视结构系统的特点，可以形成单质点系统（如水塔）或多质点系统（如多层楼房、多层地基、土坝等）。它们的动力反应分析，就是要求出任意时刻各质点空间位置的变化特性，如位移、速度、加速度，从而得到其振动所引起的荷载和内力。集中质量法中动力方程往往用逐步积分法求解。常用的有：线性加速度法、

25、Wilson-值法和Newmark-值法。2022-5-31西北农林科技大学水利与建筑工程学院38第十节 土体动力反应分析方法（二）（二） 集中质量法集中质量法（1）线性加速度法 假定加速度在t(=t2-t1)的小时段内呈线性变化。用此法计算时，往往会因出发值（起始数据）的误差和计算过程中的舍入误差的传递而影响到计算结果的精度。一般当时间步长t较小时，这种影响不大，可以认为计算方法是稳定的。反之，如时间步长较大，则这种影响很大，此时计算方法不稳定。 为此，用线性加速度法计算，要求时间步长较小，一般应小于固有频率的最小周期。2022-5-31西北农林科技大学水利与建筑工程学院39第十节 土体动力

26、反应分析方法（二）（二） 集中质量法集中质量法（2）Wilson-法 为了改进线性加速度法的稳定性，Wilson建议用放大了的时段t代替实际时段t进行计算，提出了值法，此法引进了一个参数（1），并假定加速度在t 时段内是线性变化的。这样， 值可以在无条件稳定的前提下选取（研究表明，只要1.37， Wilson-法就能无条件稳定。2022-5-31西北农林科技大学水利与建筑工程学院40第十节 土体动力反应分析方法（二）（二） 集中质量法集中质量法（3）Newmark-法 Newmark提出的值法，引进了两个参数及，计算的稳定性和精度靠适当选择这两个参数来满足。当=1/6,=1/2时，此法即相当于

27、线性加速度法；当=1/4,=1/2时，通常称为Newmark常值加速度法，它也是无条件稳定的。2022-5-31西北农林科技大学水利与建筑工程学院41第十节 土体动力反应分析方法（三）（三） 有限单元法有限单元法 土体动力分析的有限元法和静力情况一样，需先对土体离散化，把土体分割成在有限个结点处连接起来的单元（三角形、矩形、四变形等）的离散体（网格），选好坐标，对单元和结点分别进行编号，计算各结点的坐标和各单元的面积，然后，对每个单元用有限个参数描述它的力学特性，再将这些单元体力学特性总和视为土连续体的力学特性，由此建立各种物理量的平衡关系，最后归结为求解线性方程组。 但是，由于动力问题中作用在弹性体上的干扰荷载与时间t有关，相应的位移、应变和应力都是时间