第三章 地震工程地质研究

工程地质学资环学院吴道祥第三章地震工程地质研究在地壳表层，因弹性波传播所引起的振动作用或现象，称为地震(earthquake)。地震按其发生的原因，可分为构造地震、火山地震和陷落地震。此外，还有因水库蓄水、深井注水和核爆炸等导致的诱发地震。南地壳运动引起的构造地震，是地球上规模最大、数量最多、危害最严重的一类地震。世界上90％以上的地震均属此类。它一般分布在活动构造带中，当地壳运动所积累的应变能一旦超过了地壳岩体的强度极限时，岩体就会发生破裂，应变能突然释放而表现为弹性波的形式，使地壳振动而发生地震。

据统计，全世界每年大约发生几百万次地震，人们能感觉到的仅占1％左右，7级以上的灾害性地震每年多则二十几次，少则三、五次。我国位于环太平洋和地中海一南亚两个地震带之间，是一个多地震活动的国家。在我国三千多年的历史资料中，记录地震近万次，其中破坏性地震达6000多次；据1200～1989年资料统计，7级地震为147次，8级及其以上巨大地震共19次。1966年至今，大地震已达20余次。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；新疆和西藏次之一次6级地震可释放6×1020尔格的能量，大致相当于30～40万吨TNT炸药的巨大爆炸，7级地震可释放2×1022尔格的能量，8级地震可释放6×1026尔格的能量。可见地震释放能量之大。而且绝大部分能量的集中释放，于数秒种内完成。因此，地震灾害的猝发性和惨重性往往给人类生命以极大威胁，给经济财产以巨大损失。据美国联邦政府统计，仅二十世纪以来，全世界就有120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。我国地处环太平洋地震带和地中海-喜马拉雅地震带这两大地震带间，是世界上最大的一个大陆地震区，地震活动具有分布广、频度高、强度大、震源浅的特点，因而酿成的灾害尤为严重。据记载，世界上最惨重的震例几乎都发生在我国。中国的地震灾害居世界之首。在我国历史记载中，1556年陕西华县地震死亡人口达80万；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，死亡24万多人，工业城市毁于一旦，为世界地震史所罕见。地震前后水平位移监测结果(GPS)地震前后垂直位移监测结果(GPS)地震引起大坝破坏(台中石岗)地震引起埠丰桥断裂，河床抬高8m,形成叠水(石岗)地震引起房屋倒塌(台中石岗)地震引起桥梁断裂(南投集集镇)地震引起稻田隆起(台中雾峰)地震引起操场隆起(台中国小)汶川地震汶川地震一、地震发生的主要条件介质条件坚硬岩石结构条件活断层的一些特定部位：端点、拐点、交汇点等构造应力条件现代构造运动强烈的部位，应力集中研究构造应力主要包括大小主应力的方向及其实测值，并研究构造应力方向与断层的关系。二、基本概念构造地震火山地震陷落地震

人工诱发地震按成因分类震源：地壳内部振动的发源地

震中：震源在地面上的垂直投影浅源地震：<70km中源地震：70~300km深源地震：>300km震源深度：地震：在地壳表层，因弹性波传播所引起的振动作用或现象体波：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(初波,P):压缩波，对应于介质体应变，三维扩散横波(次波,S):剪切波，对应于切应变，二维扩散破坏性最大

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）二、基本概念（续1）震级：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。M＝lgAA：距震中100公里处标准地震仪在地面所记录的最大振幅。（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。M<2微震2~4有感地震>5破坏性地震>7强烈地震二、基本概念（续2）烈度：地面震动强烈程度受地震释放的能量大小、震源深度、震中距、震域介质条件的影响。震源深度和震中距越小，地震烈度越大。在震源深度和震中距相同的条件下，坚硬基岩场地较松软土场地烈度小。（1）地震基本烈度：在今后一定时间（一般按１００年考虑）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）设防烈度（设计烈度）：是抗震设计所采用的烈度。是根据建筑物的重要性、经济性等的需要，对基本烈度的调整。二、基本概念（续3）二、基本概念（续4）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

表3—2中国地震烈度表(1980)

《中国地震烈度表（1980）》使用说用（１）烈度>VI度，判定地震烈度以房屋震害为主，人的感觉仅供参考；>X度应结合建筑物或构筑物的破坏程度，并根据地表现象来确定；XI、XII度的评定，需要专门研究。

（２）“一般房屋”在《中国地震烈度表（1980）》中指土构架和土、石砖墙构造的旧式房屋和单层或多层未经抗震设计的新式砖房。由于我国城市目前一般都已设防，有的乡村也开始设防，烈度表中的“一般房屋”一般已不普遍，调查中应区别设防与不设防的房屋破坏程度对烈度的反映，给出合理的烈度值。对于质量特别差或特别好的房屋，可根据具体情况，对表列各烈度的震害程度和震害指数予以提高或降低。（３）“人的感觉”指平房内或楼房低层内人的感觉。（４）表中震害指数是对上述“一般房屋”而言。“完好”为０，“毁灭”为１，中间按表列震害程度分级。平均震害指数是对所有房屋的震害指数的总平均值而言，可以用普查或抽查的方法确定之。（５）使用本表时可根据地区具体情况，作出临时的补充规定。（６）烟囱指工业或取暖用的锅炉房烟囱。（７）表中数量词的说明：个别：１０％以下；少数：１０％～５０％；多数：５０％～７０％；大多数：７０％～９０％；普遍：９０％以上。（８）对重要的工业设施，如桥梁、重要车间、高层建筑、巷道等，要进行专门的调查，在调查中应结合设防情况进行评估。表3－3震害指数等级划分表序数震害类型震害描述iⅠ

Ⅱ

Ⅲ

Ⅳ倒平

墙倒架歪

墙倒架正

局部墙倒房屋全部倒塌

墙体全部倒塌，房架倾斜显著

墙体大部分倒塌，房架基本未倾斜

主要墙体局部倒塌1.0

0.8

0.6

0.4ⅤⅥ裂缝严重轻微主要墙体无塌落，但严重裂缝，须修复才能使用

墙体无塌落，但有小裂缝，未经修复仍可使用0.27

0.130.20完好基本无损或完好01、震源机制：地震发生的物理过程或震源物理过程。＋＋－－－－＋＋1313单力偶双力偶三、震源机制和震源参数三、震源机制和震源参数（续1）P波的初动具有明显的象限分布特点。平移断层正断层逆断层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。（1）等震线的几何特征等震线图上最内一根等震线的长轴方向就是断层断层面的走向。三、震源机制和震源参数（续2）三、震源机制和震源参数（续3）当极震区两侧的等震线基本对称时，断层面近乎直立，当等震线不对称时，断层面向波及得宽的那个方向倾斜，不对称性愈显著，说明断层面愈缓。三、震源机制和震源参数（续4）（2）地表断层和裂缝一般认为：大地震时在地面产生的地震断层和地裂缝的走向代表了震源断层面的走向。1、强震活动受活动构造的控制2、大陆地震受控于现代构造应力场3、强震活动经常发生在断裂带应力集中的特定地段上4、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。5、裂谷型的断陷盆地尤其是晚第三纪、第四纪新生代盆地也常发生强震。四、地震地质的基本特征地震效应：在地震作用影响所及的范围内，地表出现的各种震害和破坏。与场地工程地质条件、震级、震中距、震源参数、建筑物类型、结构等因素有关。振动破坏效应地面破坏效应

斜坡破坏效应（一）振动破坏效应—由于地震力作用直接引起建筑物的破坏地震地面运动建筑物振动建筑物破坏地震波五、地震效应假设：1）建筑物是刚体，即建筑物的各部分作为一个整体（一个质点），具有相同的加速度。2）建筑物受力振动加速度和地面加速度是相同的3）将地震力视为由地面振动最大加速度amax引起建筑物的惯性力，即地震力就是建筑自身的惯性力，固定不变。建筑物受到的地震力P为：其中

当amax为水平矢量，称其为水平地震系数kc，相应地为垂直地震系数k/c；g为重力加速度；PW1.静力法五、地震效应（续1）（一）振动破坏效应

我国规定Kc’=(1/2-1/3)Kc

一般：不考虑Kc’,但在有倾覆、滑动危险的结构，如挡土墙、水坝等，需用Kc’核算。在高烈度（VI度以上）区必须考虑地震力核算的稳定性。（1）工业与民用建筑，建筑物的破坏主要与水平地震力作用下的水平滑动及结点脱开有关，故实际上为稳定性课题，其表达为：

式中：f、c为地基与基础间或滑动面上的摩擦系数及粘聚力；W为建筑物的重量；A为建筑物基础底面或滑动面的面积；Kc为水平地震系数。

（2）水坝应考虑两种情况：只考虑水平地震力作用时，在水平与铅直地震力共同作用时，Hs-库水及渗透水流等形成的水平推力Hs′-地震加大了的静水压力2.动力分析法振动破坏效应并不仅仅决定于地面振动最大加速度值的大小，还与地震波在介质中的振动持续时间、振动周期以及建筑物结构特性有关。地震波在介质中的振动持续时问和振动周期，主要取决于岩土体的类型、性质和厚度等因素。因此，分析地震对建筑物振动作用时，应按实际情况将地震力视为大小和方向随时间而变化的振动力；要考虑到地振动的幅度、周期和持续时间。同时，应考虑建筑物的材料、结构和高度，并将它作为弹性体或弹塑性体来看待。三种方法：模型模拟、计算机模拟分析、简化反应谱计算机模拟分析——输入强震波谱模拟地震作用，了解振动过程，求振动阻力和动位移。将建筑控制在弹性变形限度内。

简化反应谱法

假定建筑物结构为单质点系的弹性体，作用于其基底的地震运动为简谐振动。结构的自振周期和阻尼比是其动力特性中两个最重要的参数。所测得的结构相同的动力反应不仅取决于地面运动的最大加速度，还取决于结构本身的动力特征，最主要的是结构的自振周期和阻尼比。阻尼比越大，建筑物固有周期与地面振动周期差别越大，越难引起共振。在地震振动力作用下，对于结构的某一特定阻尼比来说，其体系的最大位移(或最大速度、最大加速度)与自振周期间的关系可表示成一条曲线。取几种各不相同的阻尼比就可以给出一组曲线，即为最大位移(或最大速度、最大加速度)反应谱(图7－12)。有了反应谱就可以决定已知自振周期和阻尼比的任何单质点系的最大位移(或最大速度、最大加速度)反应，也可计算出相应的应力状态。

※卓越周期(特征周期，Tg）：地震波在地层中传播时，经过各种不同性质的界面时，由于多次反射、折射，将出现不同周期的地震波，而土体对于不同的地震波有选择放大的作用，某种岩土体总是对某种周期的波选择放大得突出、明显，这种被选择放大的波的周期即称为该岩土体的卓越周期（特征周期）。卓越周期与土层的厚度、土层的性质，尤其是剪切波在土层中的传播速度有关。五、地震效应（续3）五、地震效应（续4）单一土层：不同土层：※地震影响系数：单质点弹性结构在地震作用下的最大加速度与重力加速度比值的统计平均值。破裂效应地基效应地震断层地面裂缝沉降砂土液化地基滑移五、地震效应（续5）（二）地面破坏效应地面破坏效应可分为破裂效应和地基效应两种基本类型。前者指的是强震导致地面岩土体直接出现破裂和位移，从而引起附近的或跨越破裂带的建筑物变形或破坏。后者指的是地震使松软土体压密下沉、砂土液化、淤泥塑流变形等，而导致地基失效，使上部建筑物破坏。

1.地面破裂效应

指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。

走向断裂—地表断裂方向与之相吻合。逆断裂—地表断裂与原断层有一定偏移。正断裂—介于走、逆之间。

强烈地震发生时，在地表一般都会出现地震断层和地裂缝。在宏观上，它仍沿着一定方向展布在一个狭长地带内，绵延数十至数百公里，对工程建设意义重大。地裂缝是指因强烈地震而在高烈度区(>Ⅶ度)地面上出现的非连续性变形现象。按形成机制，地裂缝又可分为构造性的和非构造性的两种。构造性地裂缝对应于一定的震源机制，具有明显的力学属性和一定的方向性；分布受地震断层控制。非构造性地裂缝是由于地震力作用而使某一部位岩土体沿重力方向产生的相对位移，所以也叫做重力性地裂缝；它的分布常与微地貌界限吻合。

构造性地裂的错动效应，可引起跨越的某些刚度较小的地面工程设施发生结构性损坏，也可能使某种地基失稳或失效。但这些震害效应不是毁灭性的。不少强震实例表明，由于地裂缝的出现，可能会吸收部分地面振动能量，减少振动历时，因而在一定程度上减轻了震害。重力性地裂的表现形式有两种:①由于斜坡失稳造成土体滑动，在滑动区边缘产生张性地裂；②平坦地面的覆盖层沿着倾斜的下卧层层面滑动，导致地面产生张性地裂。此种形式大多发生在土质软弱的故河床内填筑土层的边界上。它对建筑物的危害不容忽视。

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。

萨尔瓦多地震引发泥石流1200多人遇难机理：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。1液化机理：砂土的抗剪强度：砂基液化问题：日本新泻1964年地震时砂土液化影响。这些设计为抗震的建筑物倾斜而未受损坏。加州沃森维尔附近的野外涌沙砂土液化（横向移动）系因地震时球粒（理想砂粒）的重新堆集。地震振动造成这种固体颗粒堆集更加有效，这会占据少量体积。一部分覆盖层荷载由水来支撑，这就无法阻止水体运移。（三）斜坡破坏效应斜坡破坏效应包括地震导致的滑坡、崩塌或泥石流等，主要发生在山区和丘陵地带。

地震时巨大的滑坡和崩塌，会摧毁斜坡上、下的建筑物，酿成严重灾害。我国1920年宁夏海原8.5级大地震，死亡20余万人，其中大部分是由于黄土滑坡和窑洞坍塌所致。1964年美国阿拉斯加8.4级地震，滨海的安克雷季市发生多处滑坡，其中最大的滑坡发生在塔那根地区，滑坡体长2500m，宽180―360m。有的地方滑入海中达600m。滑坡后缘多形成地堑，其上建筑物毁坏甚多；前缘地基隆起，也造成大量建筑物毁坏。滑坡发生的主要原因是厚层灵敏粘土层的破坏和透镜状薄砂层的振动液化。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：①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。②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。六、场地工程地质条件对震害的影响（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，如下图：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原因：软层的隔震作用，软层埋深25m以上越厚影响越显著；阻尼增大，吸收许多短周期波成分，减弱了地面反应。

（3）土层结构

软硬层结构不同，震害有着明显的差别（软层一般剪切波速100m/s左右；或相对而言，当某层Vs比相邻层小30%时，也视为软层）

土层对建筑物的破坏作用，是因为它对长周期波放大（软土自身周期较长），某一类土层往往对某一类周期的波放大明显。实质是这种土层有自身的固有周期，他与同周期的地震波产生共振作用，因而提出“卓越周期”慨念。

由土层剪切震动微分方程式推得：H—土层厚度（m）；Vs—土层剪切波（横波）速度通过测定土层的剪切波速可以获得土层的To设计上，尽可能不要把与土样卓越周期相同周期的建筑建于该土层处。2.地形条件

局部地形对震害影响显著。一般，孤立突出地形、台地边缘、地形较高处（高差30-50m明显增大）较之平地的地震烈度高0.5-2度。原因：弧类处产生驻波作用，地形越高这种作用越明显。实际工作中：地形坡度7度以下，不考虑影响。丘陵区，坡中点以下不考虑影响。3.地下水影响

地下水位埋深越浅，震害越大，1-5m的影响最大。对软土层及砂层土层影响最大。一般饱水土比不饱水土烈度偏高0.4-0.6度。4.断裂影响离发震断裂越近，震害越大，上盘尤重于下盘。（一）场地选择原则1、避开活断层2、尽可能避开具有强烈振动效应和地面效应的地段3、避开不稳定斜坡地段4、尽可能避开孤立地区、地下水埋深浅的地区七、震区抗震原则及措施七、震区抗震原则及措施（续）（二）抗震措施（持力层和基础方案的选择）1、基础砌置在坚硬土层上2、砌置深度应大一些，以防发震时倾斜3、不宜使建筑物跨越性质不明的土层上4、建筑物结构设计要加强整体强度，提供抗震性能。地震区划抗震设计原则1选择场地和地基选择对抗震设计有利的场地和地基是抗震设计中最重要的一环。最主要的有：(1)尽可能避开产生强烈地基失效及其它加重震害地面效应的场地或地基，用于这类场地或地基的主要有：活断层带．可能产生地震液化的砂层或强烈沉降的淤泥层，厚填土层，可能产生不均匀沉降的地基以及可能受地震引起的崩塌、滑坡等斜坡效应影响的地区，如陡山坡、斜坡及河坎旁。(2)考虑到地基土石的卓越周期和建筑物的自振周期，尽可能避免结构与地基土石之间产生共振。也就是自振周期长的建筑物尽可能不建在深厚松软沉积之上，而刚性建筑物则不建于卓越周期短的地基上。(3)岩溶地区地下不深处有大溶洞，地震时可能塌陷的地区不宜作为场地。(4)避免以加重震害的孤立突出地形作为建筑场地。对抗震有利的场地条件是；地形开阔平坦；基岩地区岩性均一坚硬或上有较薄的覆盖层；若为较厚的覆盖层则应较密实；地下水埋藏较深；崩塌、滑波泥石流等不发育。2选探适宜的持力层和基础方案场地如已选定，即应根据详细查明的场地内地质条件，为各类不同建筑物选择适宜的持力层和基础方案。例如守屋喜久夫(1977)根据地震资料和震害之间关系的研究，预测了日本各大城市基础不同、持力层不同的各类建筑物的震害情况，从而为防震设计提供持力层和基础选择方面的对策，其典型实例如图5—53。

一般说来，在地震区的松散层上进行建筑，有地下室的深基础有利；如采用桩基应为支撑桩而不能用摩擦桩，且桩基不能改变地基土的类别；高层建筑物以采用达到良好持力层的管桩基础为宣，有的资料认为圆柱形薄壳基础能大大提高地基承强力和减少基础变形，对抗震有利；在易于产生不均匀沉降的地基上以采用钢筋混疑土条形基础或筏式基础为宜。建筑物合理布置和结构选型

1工业民用建筑物1.选择有利抗震的平面和立面是抗震设计的重要环节，尽量使建筑物的质量中心和刚度中心重合，平面上选择矩形、方形、圆形或其它没有凸出凹进的形状，立面上各部分层数尽量一致，以避免各个部分之间振型不同，受力不同，使平面转折或立面上层数不同的两部分连接处受扭转而断裂、倒塌。如必须采用平面转折或立面层数有变化的型式，则应在转折处、层数有变化的部分之间的连接处留抗震缝，使之分割为平面、立面上简单均一的独立单元。

2．减轻重量、降低重心，加强整体性使各部分、各构件之间有足够的刚度和强度。一般砖石承重墙抗拉或抗剪强度较低，抗震性能较差，但在我国目前情况下却应用最为广泛，对其破坏方式及抗震措施的研究极为重要。与水平振动力方向平行的砖石承重墙是承担地震力的主要构件。在地震作用下最早出现的破坏是在下层墙体出现斜裂缝或交叉裂缝，继而部分式全墙倒塌引起楼板或屋顶陷落。一般认为斜裂缝或交叉裂缝属剪裂缝，但仔细观察可以发现裂缝主要是追踪砌缝产生的，剪断砖石者极为少见，所以应属受反复水平剪切变形产生的次生拉应力所造成的破坏，且愈是灰缝强度低则震害愈烈。如我国云南龙陵地震时，有些地区因为砖石结构，灰缝均用石灰而不用水泥，因而震害特别严重。所以改善砌体方式及提高灰缝强度以增强抗拉强度，是这类结构抗层的主要措施。钢筋混凝土框架结构抗震性能良好。但也有承重柱薄弱环节破坏的例子。底层角柱承受两个主轴方向的地震荷载，如果强度不足，其破坏的可能性最大。破坏多产生于柱脚，且往往是混凝土扭裂或弯裂继之破碎，之后钢筋压弯，最后柱顶破坏。其主要抗震措施是增加角柱配筋和加强柱的箍筋以增加抗弯抗扭性能。

木构架承重的房屋，粱柱之间的连接点往往为榫接，柱子往往浮搁在柱脚石上。这些都是整体性不足的薄弱环节，其侧向刚度很差，地震时极易发生倾斜，倾斜严重时榫接处会发生拔榫以致散架落顶，木柱也易从柱脚石上滑落。其抗震措施主要是加强刚度和整体性。其主要措施有如下几点：(1)屋架(梁)与柱的连接处，除柱顶用榫还应加