工程地质学基础讲义第三章活断层与地震地质

第三章活断断层与地震工工程地质研研究第一节概述述区域地壳稳定定性：指地球球内动力地质质作用,如地震、火山山活动、断层层错动以及显显著的地壳升升降运动等对对工程建设安安全稳定的影影响程度。指工工程程建建设设区区域域的的现现今今地地壳壳，，由由于于天天然然或或工工程程因因素素引引起起的的地地应应力力变变化化，，主主要要产产生生构构造造、、火火山山、、地地震震等等活活动动所所造造成成的的具具有有区区域域性性地地壳壳表表层层位位移移和和破破坏坏的的程程度度。。活断断层层地震破裂带唐山大地震唐山山大大地地震震玉树树地地震震汶川川地地震震印尼尼的的活活火火山山印尼尼的的活活火火山山印尼尼的的活活火火山山核爆爆试试验验三峡峡水水库库诱诱发发地地震震第二二节节活活断断层层概念念及及工工程程意意义义活断断层层基基本本特特征征活断断层层鉴鉴别别标标志志活断断层层调调查查研研究究方方法法活断断层层区区建建筑筑原原则则断裂裂与与断断层层的的区区别别断裂裂：：fracture,rupture，又称称破破裂裂，，物物体体受受力力变变形形，，当当应应力力达达到到破破裂裂强强度度时时，，物物体体就就会会发发生生断断开开，，使使物物体体的的连连续续性性和和完完整整性性遭遭到到破破坏坏，，称称为为断断裂裂或或破破裂裂。。岩岩石石中中的的断断裂裂包包括括裂裂隙隙、、节节理理和和断断层层等等。。不不论论断断裂裂两两侧侧岩岩层层或或岩岩体体是是否否沿沿断断裂裂面面发发生生过过相相对对位位移移。。断层层：：fault，岩岩石石在在力力的的作作用用下下发发生生破破裂裂，，并并在在被被破破裂裂的的两两个个岩岩体体之之间间发发生生相相对对位位移移的的不不连连续续面面，，位位移移方方向向平平行行于于不不连连续续面面。。概念念及及工工程程意意义义活断断层层一一般般是是指指现现今今正正在在活活动动的的断断层层，，或或近近期期曾曾活活动动过过、、不不久久将将来来可可能能重重新新活活动动的的断断层层。。后后者者也也称称为为潜潜在在活活断断层层。。《岩土土工工程程勘勘察察规规范范》全新新活活动动断断裂裂：：全全新新世世（（10000）年年内内有有过过活活动动或或近近期期正正在在活活动动，，在在将将来来（（100年））可可能能继继续续活活动动的的断断裂裂。。发震震断断裂裂：：近近期期（（500年））发发生生过过5级以以上上地地震震，，或或在在未未来来100年内内预预测测可可能能发发生生5级以以上上地地震震的的断断裂裂。。《水利利水水电电工工程程地地质质勘勘察察规规范范》活断断层层：：最最后后一一次次错错动动距距今今10-15万年年（（晚晚更更新新世世））内内的的断断层层。。美国国原原子子能能委委员员会会（（USNRC）的的定定义义是是：：（1）在在3.5万年年内内有有过过一一次次或或多多次次活活动动的的断断层层（2）与与其其他他活活动动断断层层有有联联系系的的断断层层（3）沿沿该该断断裂裂正正在在发发生生发发生生蠕蠕动动或或微微震震活活动动黄河河小小浪浪底底工工程程（中中美美联联合合设设计计，，世世界界银银行行贷贷款款））坝址址区区半半径径30公里里内内有有8条大大断断裂裂其中中王王良良断断裂裂在在坝坝下下游游6.5公里里TQ1Q2断层层发发生生在在Q1－Q2期间间断层层泥泥热热释释光光法法测测年年龄龄：：15.4-18.3万年年，，37.4-53.2万年年Q2的中中后后期期，，Q3以来来再再未未活活动动过过抗震震设设计计：：8级→→9级水平平加加速速度度：：0.3伽→→0.215伽，，节节约约至至少少2亿元活断层的工程程意义沿活动断裂带带分布的房屋屋被摧毁沿活动断裂带带道路出现波波状节律性破破坏北川县城Mainshockfault12BEICHUANCOUNTYShale&sandstoneLimestoneTHEFIVE-FLOORHOUSEWERECRUSHEDOVERLAYED①②④③⑤DamagedSchoolbuildingshows““typicalaxispressuretest”水平错动0.5m2ndstoreyisgoneawayHorizontalMovingis0.5mHalfofoldtownwasburiedbylandslideWesttownLandslide1600fatalityFromsky从天而降抛掷振动液化（Liquefaction）.ElCentro,CA,1979LomaPrieta,CA,1989海啸（Tsunami）主要介绍活断断层的类型与与活动方式、、继承性与反反复性、长度度与断距、错错动速率与周周期。活断层的基本本特征一、活断层的的类型按照位移方向向与水平面的的关系：（1）正断型活断断层差异升降活动动为它的断陷陷盆地边缘。。下降盘分支支断层多见，，形成地堑式式的正断层组组合。（2）逆断型活断断层多分布于板块块碰撞挤压带带。上盘变形形带大，出现现多分支断层层。（3）走滑型活断断层常分布于大陆陆内部的地块块之间的接触触部位，水平平错动量大，，断层带宽度度不大，很少少分支断裂。。二、活断层的的基本特征继承性与反复复性1、继承了老的的断裂构造尤尤其是中生代代和第三纪以以来的断裂构构造格架2、西部地区以以走滑和逆冲冲－走滑断层层为主，且强强度明显大于于东部3、东部以正断断层和走滑－－正断层为主主。是深大断裂复复活运动的产产物1、深大断裂在在挽近期及现现代地壳构造造应力条件下下重新活动而而产生。2、深大断裂：：切穿岩石圈圈、地壳或基基底的断裂，，延伸数十～～数千km，切割深度数数公里～百余余公里.活断层受控于于板块构造全球构造（板板块构造platetectonicstheory）理论的基本本点是，全球球划分为六个个刚性的岩石石圈板块在软软流层之上漂漂移，不断地地运动。研究表明，印印度板块与欧欧亚于始新世世末，即大约约3800万年前相互碰碰撞，此后印印度板块仍以以每年约5cm的速度向NNE方向推进，强强力地推挤着着欧亚板块,板块接触带的的两个端点位位于察隅和伊伊斯兰堡附近近。在碰撞挤挤压过程中欧欧亚板块内产产生了塑性或或粘性流动变变形。印度洋板块青藏高原（1）粘滑型活断断层间歇性突然滑滑动，常伴有有地震活动，，也称为地震震断层。发生在强度较较高的岩石中中，断层带锁锁固能力强，，危害大。发震断裂特征征：深断裂，，裂谷，板块块接触带。（2）蠕滑型活断断层沿断层面两侧侧岩层连续缓缓慢地滑动发生在强度较较低的软岩中中，断层带锁锁固能力弱一般无震发生生，有时可伴伴有小震。活动方式可分分为粘滑型和和蠕滑型近年来，一些些研究者注意意到了粘滑型型断层在大震震前后一段时时间内在震源源区及其外围围的蠕滑现象象。1976年唐山地震前前后的一些宏宏观现象，如如井壁坍塌变变形、沿八宝宝山断层地下下水位的变化化、河北省中中部的井喷现现象等，都可可能与深部断断层的蠕动有有关。据唐山地震区区地形变资料料反演求得的的震中区8km×6km的地带内，于于1969—1975年发生了走滑滑错距为104cm的无震蠕滑，，走向和倾向向滑动的平均均速率分别达达18.6cm/a和1.4cm／a。我国大陆内部部还有一种特特殊的反映断断裂蠕动的构构造形式，就就是由于地壳壳块体或断裂裂带蠕动，导导致在地面产产生一系列微微型破裂构造造，一般称为为地裂缝(groundfissure)或“地裂”现现象。典型代表有西西安地裂缝和和1974—1976年在冀、鲁、、豫、皖等省省先后出现的的大面积地裂裂现象。上述的地裂现现象不受地貌貌、土质和水水文条件影响响而广泛分布布在大范围内内，与区域构构造方向和区区域应力场方方向协调，表表现出有统一一的受力方向向，反映出它它们可能是一一种大范围构构造活动或深深部断裂的蠕蠕动而引起的的地表蠕裂现现象。西安地裂缝就就被认为是由由于渭河断陷陷南侧的长安安临潼断裂的的张性蠕动，，为厚达一千千余米的第四四纪土层提供供了潜在临空空面，在自重重应力场作用用下产生了侧侧向扩展(gravitationallateralspreading)而形成的。活动断层的产产状要素、长长度等均是重重要的几何要要素，这些可可以通过勘探探等手段得到到确定。而活活动断裂重新新活动往往并并非全断裂都都活动，而是是部分段的活活动，指现活活动段长度及及两旁相应的的错断距离。。通常用强震导导致的地面破破裂(地震断层或地地表错断)的长度(L)和伴随地震产产生的一次突突然错断的最最大位移值(D)表示。通过对地表错错断的研究，，可以了解地地震破裂的方方式和过程，，判定地震断断层动力学特特征，又可了了解地震时的的地面效应，，判定地震危危险性和震害害程度，为在在活断层区修修建建筑物的的抗震设计提提供参数。对于历史活断断层长度和断断距，可以从从被错动的形形迹得到，而而对于潜在活活断层，要根根据有关方面面进行预测。。通常是根据活活断层可能产产生最大地震震震级M，利用统计经经验方式及查查表确定L和D。活断层参数的的定量研究如下关系图也也可以作为确确定L、D时使用（1）我国关系式式（四川省地地震局1986）：M=1.19lgL+5.25L=0.56M-2.25（2）日本松田时时彦得出的关关系式为：M=（1/0.6）lgL+4.85lgD=0.55M-3.71（3）博泥泥拉得得出的的关系系式：：Ms(L)=6.04+0.708lgL断层长长度1~数百公公里不不等，，一般般小于于5.5级地震震很少少产生生地表表错动动。地表所所见断断层长长度是是地下下的1/2~1/5.活断层层地震震活动动是否否在地地表显显现形形迹，，与地地表覆覆盖层层厚度度、震震源深深度及及震级级有关关，一一般覆覆盖层层厚度度大于于30-50m、震源源深度度大于于10-30km、地震震震级级小于于6级条件件下，，很少少出现现地表表断裂裂现象象。有的情情况下下，可可以采采用数数字分分析（（如有有限元元）方方法确确定断断层长长度及及断距距。1、错动动速率率错动速速率是指断断层年年错动动位移移量，，一般般是用用若干干年总总的错错动量量计算算得到到，因因而也也称平平均错错动速速率。。分为为水平平和垂垂直分分量。。断层层错动动速率率从两两个方方面获获得：：活断层层活动动速率率及相相应周周期是是表明明活断断层的的活动动强度度的重重要指指标，，是地地震强强度的的重要要资料料。（1）精密密地形形变测测量是研究究现今今活动动断裂裂的有有效方方法。。我国国许多多著名名活断断层均均设有有精密密水准准、三三角测测量、、激光光测距距等量量测工工作。。有了量量测数数据，，便可可以计计算错错动速速率。。如贺贺兰山山东麓麓活断断裂红红果子子沟处处，84年~86年测得得断层层右旋旋错动动，水水平8.48mm、垂直直0.75mm。故错错动速速率：：四、错错动速速率和和活动动周期期（2）根据据第四四纪地地层、、地质质的年年代及及错动动量来来获得得研究夷夷平面面、阶阶地、、水系系、断断崖、、土层层等，，通过过测量量错动动量及及相对对年龄龄，可可以计计算出出平均均错动动速率率。等级AAABCD错动速率(㎜/a)>101－100.1－10.01－0.1<0.01活动性极强强弱微非活动2、错动周周期地震断断层两两次突突然错错动之之间的的时间间间隔隔为活活断层层错动动周期期。断层运运动是是地质质体能能量积积累释释放的的结果果，显显然能能量积积累要要经历历一个个时期期，积积累的的过程程断层层处于于平静静期（（休眠眠期）），释释放的的过程程为活活动期期。断断层表表现为为活动动——平衡——再活动动的周周期恢恢复。。断层层应变变速率率、锁锁固段段深度度等不不同，，表现现了不不同的的错动动周期期。对对于粘粘滑型型断层层，一一次错错动对对应的的是一一次地地震活活动。。可按以以下方方法确确定错错动周周期：：①按地壳壳应变变速率率（这这是近近似当当成断断层平平均错错动速速率））S及一次次地震震错动动量d计算R。按上式式计算算，对对于S＝1～10mm/a的A级活断断层，，当发发生M＝7～8的地震震时，，R≈1000年。②根据2次地震震条件件、时时间间间隔确确定③根据地地震震震级及及错动动速率率，由由经验验统计计式计计算许多人人研究究了震震级M、错动动速率率S与错动动周期期的关关系；；建立立了许许多统统计关关系。。如日日本的的松田田时彦彦对日日本断断层错错动与与地震震震级级关系系时，，得到到lgd=0.6M-4.0,错动周周期是是R=d(错移量量)/s(错动速速率)，即有有④根据第第四纪纪地层层、地地质错错动证证据，，结合合年龄龄测定定确定定周期期。据研究究，活活断层层活动动周期期一般般在1—2千年左左右，，少数数上万万年或或几百百年。。三次运运动：：①第一一次（（4200a）上盘盘块体体下滑滑，产生张张裂缝缝，堆堆积W1.②第二次次（2700a）上盘盘继续续下滑滑，产生拉拉张裂裂缝，，将W1拉开，，途中中堆积W2.②第三次次（820a）继续续下滑滑，出出现F2断裂，，将W2错断（（垂直直距离离0.6m）.周期：：一次次→二二次4200-2700=1500年二次→→三次次2700-820=1880年速度：：二次→→三次次0.6÷1880≈≈0.75mm/a北天山山西部部喀什什河断断裂活断层层的年年龄判判据活断层层的年年龄判判据方方法有有间接接法（（错断断地层层年龄龄法））和直直接法法（断断层物物质绝绝对年年龄法法）两两种：：间接法法：适适用于于错断断断层层带及及其所所在地地质体体上覆覆盖有有第四四纪沉沉积物物的条条件。。直接法法：从从断层层带内内采取取样品品，并并用专专门一一起测测定样样品中中某些些矿物物、岩岩石、、化石石的物物理、、化学学和显显微结结构的的变化化等，，用以以确定定绝对对年龄龄。14C法：宇宙射射线中子冲冲击高空氮氮生成14C,新生的14C被氧化成为为CO2,参加自然界界碳循环，，扩散到整整个生物界界以及大气气发生交换换的一切含含碳物质中中。这些14C含量一方面面衰减，一一方面从大大气中得到到补偿，保保持平衡，，但是一旦旦动植物死死亡掩埋，，则只会衰衰减而不得得到补偿。。即可通过过半衰期测测年。适用用范围是距距今300年-50000年。热释光法：：某些固体体物质因长长时间受到到射线的辐辐射，在辐辐射电离作作用下，固固体物质产产生电子-空穴对，一一些电子被被晶体的缺缺陷所俘获获。如果将将晶体加热热，被俘获获的电子则则从陷阱中中逃逸出来来与空穴复复合，同时时以光子的的形式释放放出他们所所储存的能能量，这就就是热释光光。当积累累热释光以以后，遇到到光-热事件，就就会使积存存的热释放放，然后重重新积累热热释光。一、地质、、地貌、水水文地质标标志二、历史地地震及历史史期地震错错段标志三、微地震震测量及地地形变检测测标志四、地球物物理标志断层的活动动性与否要要通过一些些标志加以以鉴别。鉴鉴别有直接接测定活动动物质年龄龄的方法，，也可以从从有关的地地质、地球球物理等现现象间接判判断。间接鉴别标标志有如下下几个方面面：活断层的鉴鉴别标志地质方面最新沉积物物被错断，，断层破碎碎带，砂土土液化，地地面破裂等等最新沉积物物被错断只要是见到到第四系中中、晚期的的沉积物被被错断，均均视断层为为活断层。。如位于汾汾渭地堑中中段的平遥遥活断层，，错断晚更更新世中晚晚期的黄土土，以及早早中期更新新世地层，，断距40—50m。如图：如上图，可可看出几期期运动：①C堆积以前，，断层已活活动，位移移量大；②C堆积以后，，D堆积以前，，断层至少少一次运动动（CD的错距不同同）；③D堆积后，E堆积以前至至少一次活活动。断层破碎带带构造形迹迹活动断层因因其形成时时间较晚，，一般表现现为构造带带物质欠固固结欠胶结结状态，较较为松散。。另外，表表现出脉体体变形被切切断，构造造岩片理化化，透镜化化，断面新新鲜无风化化，第四系系物质牵引引弯折等。。断层矿物物的显微变变形出现显显微组构（（如不等颗颗粒拉长，，长轴微定定向等），，如图1、不同地貌貌单元突然然相接，或或两边沉积积物厚度显显著差别地貌方面例如，隆起起山区与断断陷盆地突突然相接。。一次错动动量大的活活断层，沿沿线分布断断层三角面面、断层崖崖、陡坎、、垭口、““V型谷”等。。2、地貌单元元的分解和和异常例如，河流流阶地、山山脊、水系系、夷平面面、坡洪积积扇等地貌貌单元，由由于活断层层作用，使使其产生错错断、分解解。例如，活断断层作用使使正常发育育的地貌系系统出现异异常形态或或特殊地貌貌景观。如如断层带一一侧，河流流的同步肘肘状拐弯、、宽窄变异异，活断裂裂带上线状状排列的洪洪积群、泥泥石流、滑滑坡、串珠珠状洼地等等。水文地质方方面由于断层带带构造物质质松散，容容易形成强强导水带，，因而活断断层带一线线分布泉水水、温泉，，出现植被被发育现象象。也由于于活断层为为深大断裂裂，深循环环水将导致致水的化学学异常。历史地震记记载资料我国有长达达3000多年的历史史地震记载载资料，尤尤其是较近近的历史记记载，可以以帮助判别别活断层的的存在，可可能时据以以判断活断断层的错距距，断裂长长度等。对古代建筑筑物破坏、、错断、掩掩埋等情况况调查，可可以帮助判判断活断层层当时的错错距等情况况。微震及地形形变测量采用精密水水准测量和和三角测量量在可能活活动断层两两侧进行地地形变测量量，可以有有效地获得得断层活动动性的有关关证据。断层的现代代活动，必必然导致断断层带内产产生物理、、化学变化化，其中如如断层气、、放射性异异常；重力力、磁力、、地温等物物理异常。。通过测量量分析，可可以间接作作为活断层层的佐证。。自70年代以来，，我国地震震部门在一一些重要地地区设置了了密集的地地震台网，，监测微震震震中位置置用以判别别活断层，，尤其在一一些大型水水、著名的的活断层地地区布置监监测台站，，取得了一一系列监测测资料。它它是研究现现代地震活活断层的最最直接有效效的方法，，但其费时时、代价高高，不能作作为研究活活断层的主主要工具。。地球化学及及地球物理理标志活断层的工工程地质调调查目的在在于准确确确定建筑区区附近活断断层带位置置，确定建建筑区内有有无活断层层，活断层层带的宽度度，错动最最大幅值及及变形带宽宽度，以及及间断活动动的时间间间隔，如果果伴有地震震，则应进进行地震研研究。活断层的调调查研究方方法航测照片可可以看到到地表研究究所不能看看到的迹象象，近年来来快鸟(QUICKBIRD)卫片精度达达0.68m,在研究属于于线性构造造的断层中中是很有用用的。有些些主干走向向错动活断断层在图上上极易看出出．另另一些极端端情况，例例如逆断层层，既使是是有丰富经经验的解译译者也只能能定为可疑疑断层，所所以一定要要两个有经经验的人分分别解译，，以排除不不可靠的主主观判断。。西大滩遥感感影像图开挖探槽是研究活断断层活动特特性、确定定其间断活活动时间间间隔的必不不可少的手手段。主要研究跨跨断层的最最新沉积是是否被断层层错断及其其错动幅度度；提供含含碳物质的的样品以定定绝对年龄龄，以便判判定活动的的时代；揭揭露重复错错动证据，，如较老地地层比新地地层错距大大、多次的的地层砂土土液化造成成的多次喷喷砂的地层层记录等等等，以判定定间歇错动动的时间间间隔。所需需探槽深度度一般不大大，约为2-4m。活断层调查查-开挖探槽活断层的监监测对工程或对对发生较强强地震有重重要意义的的活断层应应监测其活活动动态。。监测有位移移监测和微微震监测两两方面，两两者应配合合进行。位位移监测的的方法是多多种的，从从不同时期期的卫星影影象的比较较研究、基基线重复测测量到埋置置仪器检测测。在坑道中跨跨过断层埋埋置伸长计计可以连续续地监测断断层活动动动态。建筑物场址址一般应避避开活动断断裂带。线路工程必必须跨越活活断层时，，尽量使其其大角度相相交，并尽尽量避开主主断层。必须在活断断层地区兴兴建的建筑筑物，应尽尽可能地选选择相对稳稳定地块即即“安全岛岛”，尽量量将重大建建筑物布置置在断层的的下盘。在活断层区区兴建工程程，应采用用适当的抗抗震结构和和建筑型式式。第五节活活断层区的的建筑原则则第三节地地震掌握地震及及地震波的的基础知识识及研究意意义；了解我国地地震地质的的基本特征征；掌握地震力力的静力分分析方法，，了解地震震力的动力力分析方法法，地震区区建筑物的的破坏方式式；理解场地地地质条件对对震害的影影响，了解解抗震设计计中考虑场场地影响的的途径；了解地震区区抗震设计计基本原则则。一、概述地震:在地地壳表层,因弹性波波传播所引引起的振动动作用或现现象。

构造地震火山地震陷落地震诱发地震（水库蓄水、核爆、深井注水）按成因分类类

浅源地震：0<70km大陆地震多属此类，占73%，30km以内更多中源地震：70~300km占23%深源地震：>300km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：7>M>=5破坏性地震小地震：5>M>=3,2-4级有感地震微地震：3>M>=1

超地震：M<=1按地震M级大小构造地震最最严重一类类，数量多多规模大，，波及面广广，破坏性性大，世界界90%以以上属于此此类。全球震中分分布图全球强震分分布图据统计，全全世界每年年大约发生生几百万次地震，人人们能感觉觉到的仅占占1％左右，7级以上强烈破破坏性的灾灾害性地震震每年多则则二十几次次，少则三三、五次。。我国位于环太平洋和和地中海一一喜马拉雅雅两个地震带之之间，是一一个多地震震活动的国国家。在我国三千千多年的历历史资料中中，记录地地震近万次次，其中上上世纪以来来破坏性地地震达6000多多次；据1200～～1989年资料料统计，7级地震147次次，8级级及其以上上巨大地震震共19次。建建国以来发发生>=7级的地震震12次次。我国国地震分布布以西南、、西北、华华北、东南南沿海和台台湾省区破破坏性地震震最多。其其中台湾尤尤甚，大震震多，频度度高；新疆疆和西藏次次之。若以地震震烈度6度度为轻微微以上破破坏性标标准，我我国约575万平平方公里里属于轻轻微以上上破坏区区，其中中，宁夏夏、兰州州、海口口、北京京、太原原、大同同、西安安、昆明明、天津津、呼市市、汕头头位于8度度区。一次6级级地震可可释放6×1020尔格的能能量，大大致相当当于30～40万吨吨TNT炸药的巨巨大爆炸炸，7级地地震可释释放2×1022尔格的能能量，8级地地震可释释放6××1026尔格的能能量。可可见地震震释放能能量之大大。而且且绝大部部分能量量的集中中释放，，于数秒秒种内完完成。。因此，地地震灾害害的猝发发性和惨惨重性往往往给人人类生命命以极大大威胁，，造成经经济财产产巨大损损失。据美国联联邦政府府统计，，仅二十十世纪以以来，全全世界就就有120余万人遇遇难于地地震灾害害；五十十年代以以来，全全球破坏坏性地震震造成的的经济损损失已逾逾2000亿亿美元元。地震震灾害是是最重要要的自然然灾害之之一。中中国的地地震灾害害又居世世界之首首。在我我国历史史记载中中，1556年年陕西华华县地震震8级死死亡人口口达83万；1920年宁夏夏海原地地震死亡亡人数也也超过20万万。令人人痛心的的1976年年唐山地地震7.9级，死亡24.2万多多人，工工业城市市毁于一一旦，直直接经济济损失100亿元元，为世世界地震震史所罕罕见。还还有66年的邢邢台地震震，70年通海海地震，，75年年海域地地震。（（我国国这些地地震震源源深都在在13km左右）。。我国有3000多年地地震记录录历史，，发明了了地震仪仪，编制制了地震震区划图图，制定定了抗震震规范，，建立了了地震监监测台网网，组建建了诸多多地震研研究工作作机构及及一大批批从事地地震的科科技工作作者。地震波对对建筑物物的破坏坏作用不同工程程地质场场地的地地震效应应地震小区区划地震建筑筑场地的的选择抗震措施施的工程程地质论论证为地震区区的城市市和各类类工程的的规划、、设计提提供依据据地震地质质研究的的工程意意义世界最大大近断层层地震断层直接接通过桥桥梁桥柱间相相对位移移过大支撑长度度不足欠欠缺防落落装置土壤液化化桥梁崩塌塌桥梁错屈屈、折断断桥柱挠曲曲破坏桥柱剪切切破坏支承、支支承座破破坏防落装置置破坏、、落桥桥墩沉陷陷、倾斜斜、侧移移石图桥南南下线落落桥乌溪桥南南下线桥桥墩剪力力裂损名竹大桥桥崩塌桶头桥全全桥损毁毁东丰大桥桥大梁侧侧移悬空空、折断断埠丰桥桥桥墩坍塌塌(南投集集集镇)THEFIVE-FLOORHOUSEWERECRUSHEDOVERLAYED①②④③⑤DamagedSchoolbuildingshows““typicalaxispressuretest””水平错动动0.5m2ndstoreyisgoneawayHorizontalMovingis0.5m.ElCentro,CA,1979砂土液化化地震引起起埠丰桥桥断裂，，河床抬抬高8m,形成叠水水(石岗岗)二、地震震基基础础知知识识一、几个个概念：：1.震源：地地震发源源地（能能量E、深度H）2.震中3.震中距4.震源深度5.地震波：地震波是指从从震源产生向四周辐射射的弹性波。。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）：压缩波横波（S〕：剪切波体波瑞利波（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）6.震级（M）：是衡量地震震本身大小的的尺度，由地震所释放出出来的能量大大小所决定。。M＝lgAA：距震中100公里处标准准地震仪在地地面所记录的的震波最大振振幅。（微米米）标准地震仪：：自振周期0.8秒，阻阻尼比0.8，最大静力力放大倍率为为2800。。能量E（J）与震级（M)关系：理论上M无上限，实际际上，因地壳壳岩石强度有有限，即累积积应变能有限限，目前最大大M为8.9级。logE=4.8+1.5M7.烈度(I)：一次地震于于某地地面震震动强烈程度度。是对地震震发生后的灾灾害进行评定定的一种宏观观尺度，它是是各种因素（（感觉、场地地地基、结构构等）综合影影响的后果。。与地震释放的的能量大小、、震源深度、、震中距、震震域介质条件件有关。一次地震只有有一个M，但有不同I。震中烈度用I0表示。震源深度和震震中距越小，，地表岩土越越软弱，地震震烈度越大。。浅源地震（据据152次大大震统计）震震级与烈度的的关系：M=0.68I0+0.98烈度是估算灾灾情，进行区区划，抗震设设计的直接依依据。震害大小取决决于地震破坏坏力和地物本本身抗震性两两方面，烈度度划分以两方方面作为标准准。目前全世世界均是以一一次地震造成成一个地区的的宏观震害（（如房屋倒塌塌程度等），，同时引入地地震加速度等等物理指标作作为参考，划划分烈度。国际上有数十十种划分标准准，我国是国国家地震局制制定的标准，，根据一个地地区某一地震震及代表性地地质条件（一一般二类土层层）建筑破坏坏情况划分烈烈度。根据：：人的感觉，，房屋及器物物地物震害程程度，加速度度和速度（参参考）。烈度人的感觉一般房屋其它现象考物理指标大多数房屋震害程度平均震害指数加速度/（CM/S2）（水平向）速度/（CM/S2）（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（22~44）3（2~4）VI惊慌失措，仓惶逃出损坏——个别砖瓦掉落、墙体微细裂缝0~0.10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（45~89）6（5~9）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0.11~0.30饱和砂层常见喷砂冒水，松软土上地裂缝较多，大多数砖烟囱中等破坏125(90~177)13(10~18)VIII摇晃颠簸，行走困难中等破坏——结构受损，需要修理0.31~0.50干硬土上变有裂缝，大多数砖囱严重破坏250(178~353)25(19~35)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0.51~0.70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(354~707)25(19~35)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0.71~0.90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(708~1414)100(72~141)XI毁灭0.91~1.00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《中国地震烈烈度表（1980）》使使用说用（１）烈度>VI度，判定地震震烈度以房屋屋震害为主，，人的感觉仅仅供参考；>X度应结合建筑筑物或构筑物物的破坏程度度，并根据地地表现象来确确定；XI、XII度的评定，需需要专门研究究。（２）“一般般房屋”在《《中国地震烈烈度表（1980）》中中指土构架和和土、石砖墙墙构造的旧式式房屋和单层层或多层未经经抗震设计的的新式砖房。。由于我国城城市目前一般般都已设防，，有的乡村也也开始设防，，烈度表中的的“一般房屋屋”一般已不不普遍，调查查中应区别设设防与不设防防的房屋破坏坏程度对烈度度的反映，给给出合理的烈烈度值。对于于质量特别差差或特别好的的房屋，可根根据具体情况况，对表列各各烈度的震害害程度和震害害指数予以提提高或降低。。（３）“人的的感觉”指平平房内或楼房房低层内人的的感觉。（４）表中震震害指数是对对上述“一般般房屋”而言言。“完好””为０，“毁毁灭”为１，，中间按表列列震害程度分分级。平均震震害指数是对对所有房屋的的震害指数的的总平均值而而言，可以用用普查或抽查查的方法确定定之。（５）使用本本表时可根据据地区具体情情况，作出临临时的补充规规定。（６）烟囱指指工业或取暖暖用的锅炉房房烟囱。（７）表中数数量词的说明明：个别：１１０％以下；；少数：１００％～５０％％；多数：５５０％～７００％；大多数数：７０％～～９０％；普普遍：９０％％以上。（８）对重要要的工业设施施，如桥梁、、重要车间、、高层建筑、、巷道等，要要进行专门的的调查，在调调查中应结合合设防情况进进行评估。2008年汶川地震震震区烈度区划划分（1）地震基本烈度度（I基）：一定时间和和一定地区范范围内一般场场地条件下可可能遭遇的最最大烈度。一一个地区的平平均烈度。（2）场地烈度（I场）：同一I基区，场地条件不同同而进一步划划分，对I基修正。（3）设防烈度（设设计烈度）（（I设）：是抗震设计计所采用的烈烈度。依建筑筑物重要性、、抗震性、经经济性、对I基调整。原则上上一般建筑用用I基，重要建筑适适当提高。设设计部门很少少用I场。V度区不设防。。三、地震震地质条条件1.介质条件件硬脆性的岩石石能够积聚较较大的弹性势势能并最终突突然脆性破裂裂。软塑性的岩石石在应力条件件下多以塑性性变形来调节节，将应变能能逐渐释放出出去，因而不不可能发生强强震。我国华北地区区地震活动水水平明显高于于华南地区的的一个重要因因素，就是因因为前者的结结晶基地以花花岗岩石为主主，而后者的的基地岩石大大多为叫软弱弱的变质岩系系。2.结构条件件活断层的一些些特定部位：：端点、拐点点、交汇点等等。2008汶川地震触发滑坡密度分布图大光包滑坡3.构造应力力条件现代构造运动动强烈的部位位，应力集中中。构造应力场包包括1、3的大小方向，，构造应力方方向与断层的的关系。由于不同地质质历史时期的的构造运动之之间往往表现现出一定的继继承性，所以以在研究现代代构造应力场场的发生、发发展演化和形形成机制时，，需要联系早早期的构造应应力特征，特特别是晚第三三纪以来的新新构造应力特特征。四、震源机制制和震源参数数1.震源机制：地地震发生的物物理过程或震震源物理过程程。可以通过过多个地震台台的地震记录录图来确定。。主要依据：：初到P波的方向。研究表明，浅浅源地震P波初动与震源源体初动方向之间的较较为简单而明确，即P波初动具有明显的象限限分布特点。＋＋－－＋＋－－1313单力偶双力偶P波的初动具有有明显的象限限分布特点。。震源断层面解解（faultplatesolutionoffocalmechanism）平移断层正断层逆断层我国某些地震震的震源机制制解阿尔泰山-蒙古西部强震震震源机制解解2.震源参参数：反映映震源断层的的一些特征量量或物理量包括：断层走走向、倾向、、倾角、断层层错动方向、、震源断断层长度、、宽度、断层层错距、震源源应力方向等等。求解：（1）震源机机制解（2）等震线线的几何特征征（3）根据经经验式，据震震级等计算断断层长度、错错距（4）根据据震前后大地地变形推求断断层位量、方方向、错距、、类型等五、地震效效应取决于三方面面：场地工程程地质条件；；震级、震中中距；建筑物物类型及结构构。地震效应———地震作用影影响所及的范范围内，地表表出现的各种种震害和破坏坏。振动破坏效应应——引起建建筑物破坏地面破坏效应应——地面破破裂及地基液液化、沉陷等等斜坡破坏效应应——滑坡等等三种破坏效应振动破坏效应应地震地地面面运动建建筑筑物振动建建筑物破坏(强度、刚度、、整体性不够够产生破裂或或倒塌）地震（a,v,A)两种分析方法法1.静力法2.动力分析析法由于地震力作作用直接引起起建筑的破坏坏，称为震动动破坏效应。。假设：1）建筑物是是刚体，即建建筑物的各部部分作为一个个整体（一个个质点），具具有相同的加加速度。2）建筑物物受力振动动加速度和和地面加速速度是相同同的3）将地震震力视为由由地面振动动a0max引起建筑物物的惯性力力，即地震震力就是建建筑自身的的惯性力，，固定不变变。建筑物受到到的地震力力P为：其中当amax为水平矢量量，称其为为水平地震震系数kc，相应地为垂垂直地震系系数k/c；g为重力加速速度；PW1.静力力法我国规定Kc’=(1/2-1/3)Kc一般：不考考虑Kc’,但在有倾覆覆、滑动危危险的结构构，如挡土土墙、水坝坝等，需用用Kc’核算。在高烈度（（VI度以上）区区必须考虑虑地震力核核算的稳定定性。（1）工业业与民用建建筑，建筑筑物的破坏坏主要与水水平地震力力作用下的的水平滑动动及结点脱脱开有关，，故实际上上为稳定性性课题，其其表达为：：式中：f、c为地基与基基础间或滑滑动面上的的摩擦系系数及粘聚聚力；W为建筑物的的重量；A为建筑物基基础底面或或滑动面的的面积；Kc为水平地震震系数。（2）水坝坝应考虑两两种情况：：只考虑水平平地震力作作用时，在水平与铅铅直地震力力共同作用用时，2.动力力分析法实际情况：：①建筑筑物与地面面所受到的的加速度并并不一致。。②建筑物物的震动破破坏，除了了受到最大大加速度的的影响外，，还与振动动持续时间间、振动周周期以及建建筑物的结结构特性有有关。故广泛用动动力分析法法考虑地震对对建筑物的的作用与场场地工程地地质条件、、建筑物结结构特点、地震历时等等因素。a.简化反应谱谱b.地震加速度度时程曲线线a.简化反应谱谱法认为建筑为为一个质点点系弹性体体M，其振动性能能由自振周周期和阻尼尼比决定，，要考查在在受到不同同时刻的地地震加速度度a0后，建筑所所表现的加加速度a的大小。质点受振动动后的性能能可建立微微分方程，，该方程中中包括了质质点a及地面a0，解方程时，，按简化的的办法输入入一次地震震的不同时时刻的a0，得到一系系列amax值，得到一一个特定T、阻尼下反应应谱曲线。。给amax标准化，定定义动力系系数，物理含含义是质点点对a0的放大倍数数。不同阻尼比比时的加速速度反应谱谱卓越周期设计反应谱谱抗震设计中中所采用的的反应谱应应是建筑物物在其使用用期限内可可能经受的的地震作用用的预测结结果。根据据255个地震记录录统计分析析结果，《建筑抗震设设计规范》给出了设计计反应谱。。特征周期：：由于地表表岩土体对对不同周期期的地震波波有选择放大作用用，某种岩岩土体总是是以某种周周期的波选选择放大得尤为明明显而突出出，使地震震记录图上上的这种波波记录得多而好，，这种周期期即为该岩岩土体的特特征周期，，也叫卓越周期。。近震远震示示意图地震影响系系数：表示示单质点系系弹性结构构在地震作作用下的最大加速速度反应与与重力加速速度比值的的统计平均均值，即：烈度67890.040.080.160.32应用：(a)设计时不一一定进行动动力分析计计算，直接接根据T，Tg查a。(b)等效静力分分析方法：：式中：为为地震影响响系数2.地震加速度度时程曲线线弹塑性体变变形总值不不仅随荷载载的增加而而增大，而而且还随反反复加载的的次数增加加而增大。。同理，给给出结构遭遭遇强震进进入弹塑性性变形阶段段以后，强强震持续时时间越长，，结构的累累加变形也也就越大。。所以，对对结构的弹弹塑性变形形计算，要要同时考虑虑地震波的的频谱特性性（振幅大大小，周期期长短）及及强震持续续时间。这这样计算才才能把地震震过程中结结构受到地地震作用的的大小及反反复次数多多少等影响响因素体现现出来。这这就需要对对结构进行行弹塑性变变形时程分分析。映秀牛眠沟沟高速远程程离散元数数值模型地震水平和和数值加速速度时程曲曲线t=1.60st=7.00st=21.00st=15.00st=42.00st=309.2s地面破坏效效应地面破裂效效应地基基底效效应地震断层地面裂缝沉降砂土液化地基滑移地面破裂效效应地震时断层层错断及地地面裂缝引引起的建筑筑物破坏。。强烈地震震均会出现现。与断层活动动方式、震震源深、M、覆盖层厚等等有关。（1）断裂裂活动就可可能产生地地表断裂。。（2）与上上部土层厚厚有关。临界厚度—土层剪损应应变临界值值，硬土5%，软土土10%。。D—下部断裂裂错动垂直直位移（m），一般<3m。一般覆盖层层30-50m以上很少出出现地表断断裂。（3）M>7.2级几乎都产产生，M=6级、震源10-30Km时，很少产产生。地基效应强烈震动作作用下，土土体较大变变形移动，，使地基承承载力下降降或丧失，，由此造成成建筑物的的破坏。饱水砂土在在地震、动动力荷载或或其它物理理作用下，，受到强烈烈振动而丧丧失抗剪强强度，使砂砂粒处于悬悬浮状态，，致使地基基失效的作作用或现象象。液化机理：在地震过过程中，较较疏松的饱饱和砂土在在地震动引引起的剪切切反复作用用下，砂粒粒间相互位位置产生调调整，使砂砂土趋于密密实。砂土土要变密实实就势必排排水，但在在急剧变化化的周期性性地震力作作用下，伴伴随砂土孔孔隙度减小小而透水性性变弱，因因而排水愈愈来愈不通通畅。应排排除的水来来不及排走走，而水又又是不可压压缩的，于于是就产生生了超孔隙隙水压力。。砂基液化问问题砂土的强度度日本新泻1964年地震时砂砂土液化影影响。这些些设计为抗抗震的建筑筑物倾斜而而未受损坏坏。加州沃森维维尔附近的的野外涌沙沙唐山地造成成的喷水冒冒砂区分布布图震影响砂土液液化的因素素1）土的类类型及性质质★粒度粉、细砂土土最易液化化；高烈度度时，亚砂砂土、轻亚亚粘土、中中砂也可液液化。我国国90%发发生在粉组组、砂、亚亚砂土中。。粉粒含量量>40%时，极易易液化；粘粘粒含量>12.5%时，极极难液化。。极易液化化土的特征征是：平均均粒度0.02-0.10mm，ŋ=2-8，，粘粒含量量<10%。★密实度松砂极易液液化，密砂砂不易液化化。相对密密度Dr<50%时，很易液液化，Dr>80%时，不易液液化。★成因及年年代多为冲积成成因的粉细细砂土，如如滨海平原原、河口三三角洲等。。沉积年代较较新：结构构松散、含含水量丰富富、地下水水位浅2）饱和砂砂土的埋藏藏分布条件件埋藏条件包包括：砂层层厚度、上上覆非液化化土层厚度度（即埋藏藏深度）、、地下水埋埋深。★砂层上覆覆非液化土土层愈厚，，液化可能能性愈小。。一般埋深深大于10-15m以下就难以以液化了。。★地下水位位埋深愈大大，愈不易易液化。实实际上，地地下水埋深深3-4m时，液化现现象很少，，一般把液液化最大地地下水埋深深定为5m。★砂层越厚厚越易液化化。3）地震活活动的强度度及历时是是砂土液化化的动力地震震愈愈强强，，历历时时愈愈长长，，则则愈愈易易引引起起砂砂土土液液化化，，而而且且波波及及范范围围愈愈广广。。Ⅵ度度以以下下地地区区很很少少有有液液化化现现象象；；ⅦⅦ度度区区只只能能使使疏疏松松的的粉粉、、细细砂砂层层液液化化；；而而ⅨⅨ度度以以上上地地区区才才能能使使粗粗粒粒及及粘粘粒粒含含量量较较高高的的土土液液化化。。强强度度很很高高的的地地区区即即震震中中区区附附近近，，因因地地振振动动以以垂垂直直为为主主，，也也不不易易产产生生液液化化。。液液化化范范围围（（液液化化最最远远点点，，以以震震中中距距R表示示，，Km））lgR=0.77M-3.6砂土土液液化化的的防防护护措措施施（1））慎慎重重选选择择场场地地（2））选选择择基基础础类类型型（3））地地基基处处理理处理理标标准准：：★应处处理理至至液液化化深深度度下下限限★处理理后后的的土土层层标标贯贯击击数数实实测测值值应应大大于于临临界界值值压密密通过过振振动动、、夯夯击击、、爆爆破破等等手手段段，，使使砂砂土土急急剧剧液液化化排排水水，，而而达达到到压压密密，，提提高高天天然然地地基基土土的的相相对对密密度度Dr排渗渗法法通过过排排渗渗井井等等来来消消散散因因振振动动时时而而产产生生的的孔孔隙隙水水压压力力，，防防止止液液化化换土土或或盖盖重重用非非液液化化土土更更换换地地表表的的液液化化土土层层，，或或在在地地表表液液化化土土层层上上覆覆盖盖填填土土。。五、、场场地地工工程程地地质质条条件件对对震震害害的的影影响响目前前为为止止，，将将地地震震烈烈度度和和