CH7活断层和地震工程地质研究2课件

1、工程地质学ENGINEERING GEOLOGY主讲人：刘岁海lecturer：Liu Suihai 第1页，共93页。地震工程地质研究 第2页，共93页。概述地震基础知识地震效应场地工程地质条件对震害的影响震区抗震原则及措施主要内容第3页，共93页。第一节概述 地震：在地壳表层，因弹性波传播所引起的振动作用或现象。第4页，共93页。分类 构造地震 火山地震 陷落地震 诱发地震按成因分类 浅源地震：0300 km占4%，最深达720km震源深度 大地震 ：M =7级强烈破坏地震 中地震： 7M=5 破坏性地震 小地震： 5M=3,2-4级有感地震 微地震： 3M=1 超地震： M=7级的地震

2、12次。我国地震分布以西南、西北、华北、东南沿海和台湾省区破坏性地震最多。其中台湾尤甚，大震多，频度高；新疆和西藏次之。 若以地震烈度6度为轻微以上破坏性标准，我国约575万平方公里属于轻微以上破坏区，其中，宁夏、兰州、海口、北京、太原、大同、西安、昆明、天津、呼市、汕头位于8度区。第13页，共93页。第14页，共93页。第15页，共93页。一次6级地震可释放61020尔格的能量，大致相当于3040万吨TNT炸药的巨大爆炸，7级地震可释放21022尔格的能量，8级地震可释放61026尔格的能量。可见地震释放能量之大。而且绝大部分能量为集中释放，于数秒种内完成 。 因此，地震灾害的猝发性和惨重性

3、往往给人类生命以极大威胁，造成经济财产巨大损失。 第16页，共93页。据美国联邦政府统计，仅二十世纪以来，全世界就有12O余万人遇难于地震灾害；五十年代以来，全球破坏性地震造成的经济损失已逾 2000亿美元。地震灾害是最重要的自然灾害之一。中国的地震灾害又居世界之首。在我国历史记载中，1556年陕西华县地震8级死亡人口达 83万；1920年宁夏海原地震死亡人数也超过20万。令人痛心的 1976年唐山地震7.9级，死亡24.2万多人，工业城市毁于一旦，直接经济损失100亿元，为世界地震史所罕见。还有66年的邢台地震，70年通海地震，75年海城地震。（我国这些地震震源深都在13km左右）。第17页

4、，共93页。第18页，共93页。19002008年世界各国地震死亡人数直方图 第19页，共93页。(南投集集镇)第20页，共93页。第21页，共93页。第22页，共93页。第23页，共93页。地震引起大坝破坏(台中石岗)地震引起大坝破坏(台中石岗)第24页，共93页。地震引起埠丰桥断裂，河床抬高8m,形成叠水 (石岗)第25页，共93页。第26页，共93页。第27页，共93页。2010年4月14日7时49分，青海省玉树藏族自治州玉树县发生7.1级地震(北纬33.1，东经96.7)，震源深度33km，9时25分又发生6.3级余震(北纬33.2，东经96.6)，震源深度30km。发震断裂为乌兰乌拉

5、湖玉树第四纪活动断裂，具反扭压性活动特征，以反扭走滑为主、挤压为辅。断裂带走向310325，呈左旋逆冲特征，可见最大垂向位移57厘米，水平位移30厘米。在主破裂旁侧发育斜交的分支张裂缝，在地表断裂附近的禅古村房屋全部成为废墟。 发震背景为印度板块向亚洲板块俯冲，导致地壳物质东向挤出，沿活动断裂滑移，在特定构造部位造成应力集中、能量积累，最终突然释放而发生地震。青海玉树Ms7.1级地震 第28页，共93页。第29页，共93页。 2013 年4 月20 日芦山7.0 级地震, 简称芦山地震, 是继2008 年汶川8.0 级特大地震近5 年后又一次破坏性地震, 震中位于青藏高原中东部巴颜喀拉块体与华

6、南块体相互碰撞、挤压的边界带龙门山推覆构造带南段芦山县境内。四川芦山 7.0 级强震第30页，共93页。芦山地震区活动断层与余震分布图第31页，共93页。第二节地震基础知识一、几个概念 1、震源：地震发源地（能量E、深度H） 2、震中 3、震中距 4、震源深度 5、地震区（烈度6度区）； 6、地震波：质点振动，弹性波，能量传播， 产生振动（地震力），破坏源动力，信息载体，透、反、折射传播。第32页，共93页。体波：通过地球本体传播的波面波：体波经过反射、折射后，在介质的界面或自由面（如地面）传播纵波（P）：压缩波，对应于介质体应变，三维扩散横波（S：剪切波，对应于切应变，二维扩散，破坏性最大

7、体波瑞利波（R）：质点在XZ面上椭圆滚动前进勒夫波（Q）：质点在XY面上曲线前进面波（L）第33页，共93页。 振幅A 周期T 波长 波速VP波 最小 最短 最短 最快S波 大 长 长 慢R波、Q波 最大 最长 最长 最慢地面为自由界面，建筑物位于其上，该面只存在面波，它对建筑的基础破坏性大；体波对建筑破坏性最大，P波能量最大，S波及L波波长大，使建筑慌动最大。地震部门最关心P、S波。 第34页，共93页。 一般情况下 ， 一般地震表面 秒，对建筑界面，P波先到达，然后是S波，最后L波。 第35页，共93页。7、震级（M）：是衡量地震本身大小的尺度，由地震所释放出来的能量大小所决定。MLOGA

8、A：距震中100公里处标准地震仪在地面所记录的地震波最大振幅。（微米）标准地震仪：自振周期0.8秒，阻尼比0.8，最大静力放大倍率为2800。能量E（J）与震级（M)关系 ： 理论上M无上限。实际上，因地壳岩石强度有限，即累积应变能有限，目前最大M为8.9级。logE=4.8+1.5M第36页，共93页。8、烈度：一次地震于某地地面震动强烈程度。与地震释放的能量大小、震源深度、震中距、震域介质条件有关。一次地震只有一个M，但有不同I。震中烈度用I0表示。震源深度和震中距越小，地表岩土越软弱，地震烈度越大。浅源地震（据152次大震统计）震级与烈度的关系：M=0.68I0+0.98第37页，共93

9、页。中国地震局发布汶川8.0级地震烈度分布图第38页，共93页。烈度是估算灾情，进行区划，抗震设计的直接依据。 震害大小取决于地震破坏力和地物本身抗震性两方面，烈度划分以两方面作为标准。目前全世界均是以一次地震造成一个地区的宏观震害（如房屋倒塌程度等），同时引入地震加速度等物理指标作为参考，划分烈度。 国际上有数十种划分标准，我国是国家地震局制定的标准，根据一个地区某一地震及代表性地质条件（一般二类土层）建筑破坏情况划分烈度。根据人的感觉、房屋及器物地物震害程度，加速度和速度（参考）等，划分为12级。第39页，共93页。烈度人的感觉一般房屋其它现象参考物理指标大多数房屋震害程度平均震害指数加速

10、度/（CM/S2）（水平向）速度/（CM/S）（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（2244）3（24）VI惊慌失措，仓惶逃出损坏个别砖瓦掉落、墙体微细裂缝00.10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（4589）6（59）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0.110.30饱和砂层常见喷砂

11、冒水，松软土上地裂缝较多，大多数砖烟囱中等破坏125(90177)13(1018)VIII摇晃颠簸，行走困难中等破坏结构受损，需要修理0.310.50干硬土上变有裂缝，大多数砖囱严重破坏250(178353)25(1935)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0.510.70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(354707)25(1935)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0.710.90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(7081414)100(72

12、141)XI毁灭0.911.00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，山河改观第40页，共93页。 （1）、地震基本烈度（I基）：一定时间和一定地区范围内一般场地条件下可能遭遇的最大烈度。一个地区的平均烈度。 （2）、场地烈度（I场）：同一I基区，场地条件不同而进一步划分，对I基修正。 （3）、设防烈度（设计烈度）（I设） ：是抗震设计所采用的烈度。依建筑物重要性、抗震性、经济性、对I基调整。原则上一般建筑用I基，重要建筑适当提高。设计部门很少用I场。V度区不设防。第41页，共93页。二、地震地质基本特征1、介质条件坚硬岩石2、结构条件 活断层的一些特定部位3、构造应力条

13、件 现代构造运动强烈的部位4、强震活动受活动构造的控制5、绝大多数强震发生在一些稳定断块边缘的深大断裂带上，而稳定断块内部很少或基本没有强震分布6、裂谷型的断陷盆地尤其是晚第三纪、第四纪新生盆地也常发生强震第42页，共93页。世界范围内的主要地震带及其形成的大地构造环境 1、环太平洋地震带 是世界上最大的地震带，在狭窄条带内震中密度也最大，全世界约80的浅源地震、90的中源地震和几乎全部深源地震集中于此带，释放的能量约为全世界地震释放能量的80。很早以前就已经知道，此带的震源深度有自岛孤外线的深海沟向大陆内部逐步加深的规律，并解释为大陆与大洋之间的一条倾向大陆的大断裂面。第43页，共93页。2

14、、地中海喜马拉雅地震带或欧亚地震带 仅次于环太平洋地震带的第二大地震带，震中分布较前者为分散，所以带的宽度大且有分支。以浅源地震为主，中源地震在帕米尔、喜马拉雅地区有所分布，深源地震主要分布于印尼岛弧。环太平洋地震带以外的几乎所有深源、中源和大的浅源地震均发生于此带，释放能量约占全球地震能量的15。 第44页，共93页。3、大洋海岭地震带 主要呈线状分布于各大洋的接近中部。这一地震带远离大陆，多为强震，以前未被人注意，60年代以前不把它作为一个地震带，海底扩张和板块构造的发展使人们注意到这一地震带。这一带的所有地震均产生于岩石圈内，震源深度小于30 km，震级除少数例外均不超5级。第45页，共

15、93页。第46页，共93页。我国地震地质的基本特征 1、我国强震空间分布及地震区带划分 我国大于6级的强震的空间分布极不均匀，大致以105度为界。西部地震广泛分布，东部地震相对稀少，震级均未达到8级。在上述两地震区域内强震分布也是极不均匀的，东部分布于华北及东南沿海一带，而西部分布面积大，但塔里木、准噶尔和鄂尔多斯盆地等则地震分布较为零星。第47页，共93页。2 、我国强震发生的地质条件(1)、强震与活动断裂带的关系 不同方向的断裂的交汇部位 活动性深大断裂的转折部位 活动性深大断裂的端部或其它锁闭段第48页，共93页。(2)、强震与断陷盆地的关系 倾斜断陷盆地的较深、较陡一侧活动断裂的最大断

16、距段上； 两盆地间或盆地内部由横向断裂控制的横向隆起带两侧； 断陷盆地的锐角尖端，或断陷盆地带内多组断裂交汇部位； 受不同方向多组断裂控制，内部构造又比较强烈的复合盆地的次级凹陷带上，如1966年邢台地震。第49页，共93页。(3)、强震产生的深部构造条件 我国大陆板内地震多发生在地壳内10-25km深处，在我国西部还发生在地壳内31-37km。由此可见，地壳深部构造活动和受力状态，对地震的孕育和发生，是更为直接的因素。 不同级别的断裂如盖层断裂、基底断裂、岩石圈断裂和超岩石圈断裂，层间断裂在深部的活动往往是地震发生的主要原因。第50页，共93页。第51页，共93页。3、我国大陆地震活动与现代

17、构造应力场与形变场的关系根据大量震源机制解及地震时地表断层错动方式分析，我国广大地区主压应力以近水平方向者为主。主压应力仰角小于30度者占80%以上，且以东经105为界，可区分出两大应力系统。 西部为近南北向-北北东向挤压应力场。东部为大面积的近东西的水平挤压应力场。第52页，共93页。第53页，共93页。第54页，共93页。4、我国现代地壳垂直形变与地震活动的相关性 中国大陆垂直形变的总趋势是南升北降，最大上升量在喜马拉雅山地区，年速率达10mm左右。下降最强烈的新疆准噶尔盆地，年速率为-3到-4mm。 大致以银川-昆明一线为界，西部线条密集，等值线多呈东西或北西西走向，与主要断裂线方向一致

18、，其地形变断裂线多由3-4条等值线组成的梯度带绘出，表明其活动强度较大。东部线条相对稀疏，等值线走向多为北北东向-北东向，部分为东西向及南北向，也与构造线吻合较好。 第55页，共93页。三、震源机制和震源参数1、震源机制：地震发生的物理过程。可以通过多个地震台的地震记录图来确定。主要依据初到P波的方向。1313单力偶双力偶第56页，共93页。2、震源参数 ：反映震源断层的一些特征量或物理量 包括：断层走向、倾向、倾角、断层错动方向、震源断层长度、宽度、断层错距、震源应力方向等。 求解：（1）震源机制求解（2）等震线的几何特征（3）根据经验公式，据震级等计算断层长度、错距（4）根据地震前后大地变

19、形推求断层位量、方向、错距、类型等 第57页，共93页。第58页，共93页。第三节 地震效应 地震效应：地震作用影响所及的范围内，地表出现的各种震害和破坏取决于三方面：场地工程地质条件；震级及震中距；建筑物类型及结构振动破坏效应引起建筑物破坏地面破坏效应地面破裂及地基液化、沉陷等斜坡破坏效应滑坡等三种破坏效应第59页，共93页。一、振动破坏效应地震 地面运动 建筑物振动 建筑物破坏(强度、刚度、整体性不够产生破裂或倒塌）地震波（a,v,A)两种分析方法(自学）1、静力法2、动力分析法第60页，共93页。第61页，共93页。第62页，共93页。第63页，共93页。第64页，共93页。二、地面破坏

20、效应地面破裂效应地基基底效应地震断层地面裂缝沉降砂土液化地基滑移第65页，共93页。1、地面破裂效应地震时断层错断及地面裂缝引起的破坏。强烈地震均会出现。 断层长度及宽度可按估计的震级用经验公式计算。延伸数十至数百公里不等。位置一般按已有的主干断层线或分支断裂线出现。第66页，共93页。第67页，共93页。 2、地基效应强烈震动作用下，土体较大变形移动，使地基承载力下降或丧失，由此造成建筑物的破坏第68页，共93页。1、机理饱水砂土在地震、动力荷载或其它物理作用下，受到强烈振动而丧失抗剪强度，使砂粒处于悬浮状态，致使地基失效的作用或现象。砂基液化问题（自学）第69页，共93页。第70页，共93

21、页。日本新泻1964年地震时砂土液化影响第71页，共93页。唐山地造成的喷水冒砂区分布图震第72页，共93页。2、影响砂土液化的因素1）、土的类型及性质粒度粉、细砂土最易液化；高烈度时，亚砂土、轻亚粘土、中砂也可液化。我国90%发生在粉砂、砂、亚砂土中。粉粒含量40%时，极易液化；粘粒含量12.5%时，极难液化。极易液化土的特征是：平均粒度0.02-0.10mm，=2-8，粘粒含量10%第73页，共93页。密实度 松砂极易液化，密砂不易液化。相对密度Dr80%时，不易液化。成因及年代 多为冲积成因的粉细砂土，如滨海平原、河口三角洲等。 沉积年代较新：结构松散、含水量丰富、地下水位浅第74页，共

22、93页。2）、饱和砂土的埋藏分布条件 埋藏条件包括：砂层厚度、上覆非液化土层厚度（即埋藏深度）、地下水埋深。砂层上覆非液化土层愈厚，液化可能性愈小。一般埋深大于10-15m以下就难以液化了。地下水位埋深愈大，愈不易液化。实际上，地下水埋深3-4m时，液化现象很少，一般把液化最大地下水埋深定为5m。砂层越厚越易液化。 第75页，共93页。3）、地震活动的强度及历时 地震力（剪应力）是砂土液化的动力地震愈强，历时愈长，则愈易引起砂土液化，而且波及范围愈广。 度以下地区很少有液化现象； 度区只能使疏松的粉、细砂层液化；而 度以上地区才能使粗粒及粘粒含量较高的土液化。强度很高的地区即震中区附近，因地振

23、动以垂直为主，也不易产生液化。液化范围（液化最远点，以震中距R表示，Km）lgR=0.77M-3.6第76页，共93页。3、砂土液化的判别 根据地质条件，可初步判定土层是否存在液化的可能。若有可能，需进一步的工作,作出准确判别。 （1）、初步判别 饱和砂土或粉土，当符合下列条件之一，可判为不液化土或不考虑液化作用。 Q3及Q3以前的土 粉土的粘粒含量不小于表列数据 上覆非液化土层厚度和地下水埋深符合 下列条件之一：dudo+db-2 液化土特征深度 dwdo+db-3 du+dw1.5do+2db-4.5 dw地下水埋深（m），年最高水位du上覆非液化土层厚（m）db基础砌置深度（m)do液化

24、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第77页，共93页。 现场标准贯入试验，地面以下15m以内的液化土应符合下列要求： 其中： N63.5饱和土标贯实测值 Ncr判别砂土液化的临界锤击数 N0基准锤击数（贯人点深3米，地下水埋深2米），查表 ds饱和土标准贯入试验点深度（m） dw地下水埋深(m) c粘粒百分含量，当c3时，取c 3判据：NcrN63.5 不液化 （2）、进一步判别 方法有: 现场实验, 剪应力对比法烈度789近震61016远震812第78页，共93页。液化程度等级液化指数 I n 15m以内标贯实验段总数 i 段标贯实测值，当

25、实测值大于临界值时取临界值 i 段标贯临界值 i 段土层厚度（m) i 层单位土层厚度影响权函数（m-1 ） 该层中点深度5m，取10 该层中点深度=15m，取0 该层中总深度5-10m，取内插值 第79页，共93页。等级判别：I15 严重，建筑倾倒，地面变形剪应力对比法 地震剪切波在砂层中产生剪应力，当其超过土层液化时所需的剪应力时，即产生液化。 根据地震剪切波及室内、现场实验测得的土体液化时的剪应力大小，对比判断。 第80页，共93页。4、砂土液化的防护措施（1）、慎重选择场地（2）、选择基础类型（3）、地基处理处理标准：应处理至液化深度下限处理后的土层标贯击数实测值应大于临界值压密 通过

26、振动、夯击、爆破等手段，使砂土急剧液化排水，而达到压密，提高天然地基土的相对密度Dr排渗法 通过排渗井等来消散因振动时而产生的孔隙水压力，防止液化 换土或盖重 用非液化土更换地表的液化土层，或在地表液化土层上覆盖填 第81页，共93页。三、斜坡破坏效应如：滑坡、崩塌等（下章学习）第82页，共93页。第四节 场地工程地质条件对震害的影响 一、场地工程地质条件对震害的影响目前为止，将地震烈度和地震力作用运用于工程设计时，都没有很好考虑一个场地实际地质条件的影响。实际上，场地条件的差别，可能使同一基本烈度区不同场地的实际烈度相差2-3度 解决途径： 按场地条件进行动力分析 场地烈度小区划 主要影响因素：岩土类型及性质、地形地貌、断裂、地下水 第83页，共93页。1、岩土类型及性质（1）、强度及刚度震害程度：岩 性：时 代： 以基岩为准，高1-2倍小 大基岩密实砾石粘土饱水砂淤泥、填土老 新 原因： 介质对波的吸收放大作用，软土对低频率周期波选择放大作用较大，A， T， a，持续时间，对长周期建筑（如高层建筑）破坏大 地基震动破坏效应不同。基岩强度高，震动下一般不致破坏，土体相反第84页，共93页。（2）、松软土层厚度土层厚度越大，震害越大，但对于不同建筑影响程度不同。原因：地震波多次反射，长周期波叠加旧金山地震，土层对10层房屋最大底部剪力第85页，共93页。原因：软层的隔震