工程地质学基础（5-6章）汇编

第二篇与区域稳定性有关的

工程地质问题

包括：①(第四章)活断层

②(第五章)地震与水库诱发地震√③(第六章)砂土液化④(第七章)地面沉降工程地质学基础1河北工程大学·程祖锋5.1概述3

5.2地震波与地震地质知识85.3地震危险性分析与地震区划简介325.4地震效应与地震小区划简介385.5地震区抗震设计原则595.6水库诱发地震简介(略)工程地质学基础河北工程大学·程祖锋2第5章地震与诱发地震工程地质研究第5章地震与诱发地震的工程地质研究第5章地震与诱发地震工程地质研究5.1概述

5.1工程地质学基础河北工程大学·程祖锋3地震：因弹性波的传播而引起地表震动的现象。一、成因类型包括：一、成因类型二、几何要素三、研究意义

工程地质学基础河北工程大学·程祖锋4二、几何要素如图：第5章地震与诱发地震工程地质研究5.1震源深度：震源与震中之间距(H)。震源：地壳或地幔中震动的发源地。(O)震中：震源在地面上的铅直投影。(O')，从深至浅，危害性依次增大。按震源深度划分

近几年发震震源深度大多数为5-25km，可见“浅源地震”应进一步细分。

震域：在地面上地震波所波及的范围。(理论上为地球全表面)5河北工程大学·程祖锋次数：全球每年近500万次，其中感知地震5万次，破坏性地震数千次，强烈破坏性地震十几次。2011年1-3月发生了7级以上地震达十多次，说明现今处于地震活跃期。工程地质学基础第5章地震与诱发地震工程地质研究5.1震害(为破坏性最大的自然地质灾害)：

按震害的形成机理：

我国地处环太平洋地震带与地中海-喜马拉雅地震带之间，为多震、强震国。1976年唐山M7.9地震死亡24万人；2008年5·12汶川地震M8.0。详见P149表5-1

6河北工程大学·程祖锋工程地质学基础第5章地震与诱发地震工程地质研究5.1P149表5-1①地震波与地震地质知识；②地震区划与地震危险性分析简介；③地震效应与地震小区划；④地震区的抗震设计原则；

⑤水库诱发地震简介(略)。工程地质学基础河北工程大学·程祖锋7第5章地震与诱发地震工程地质研究5.1本章内容：三、研究意义工程地质研究：

5.2地震波与地震地质知识8河北工程大学·程祖锋为了进行地震的工程地质研究，必须具备必要的地震波与地震地质知识。包括：一、地震波工程地质学基础第5章地震与诱发地震工程地质研究5.2二、震源机制和震源参数三、震级和烈度四、地震地质特征工程地质学基础河北工程大学·程祖锋9一、地震波

属于弹性应力波，是破坏的力源。

分类第5章地震与诱发地震工程地质研究5.2

波速：E、μ、ρ→V，VP＞VS＞VLQ＞VLR(如下图)

破坏力：P＜S＜L工程地质学基础河北工程大学·程祖锋10第5章地震与诱发地震工程地质研究5.2

若VP、VS已知，可据△ts-△tp，估算震中距L。确定震中方法

确定震中：分别以两个地震台站为圆心、以相应的震中距为半径画圆，交点即为震中位置。如图。多台站互相校核，最终确定。工程地质学基础河北工程大学·程祖锋11二、震源机制和震源参数对区域稳定性分析至关重要。震源机制—发生地震的物理过程或震源物理过程。

内容包括：发震断层类型；走向、错动方向；地应力场特点等。㈠震源机制

研究途径：根据发震时，地面各点(台站)的P波初动特征(是拉或压？)初动：第一相位，初动压缩(+)初动膨胀(-)第5章地震与诱发地震工程地质研究5.2为何用P波初动特征来分析震源机制，而不用S波、L波初动？

因为P波最先到达，因而干扰小、波形简单、易于识别。工程地质学基础河北工程大学·程祖锋12分析求解震源机制的原理：

利用P波初动具有明显的象限分布特点，并与发震断层两盘的活动方向相关的特点。(P151图5-2)第5章地震与诱发地震工程地质研究5.2上图：逆断层；下图：平推断层上图中，左侧的初动方向画反了13河北工程大学·程祖锋工程地质学基础第5章地震与诱发地震工程地质研究5.2以平推型断层为例：在单力偶作用下，若突然错动，则两盘在：1.单力偶震源错动模式(P151图5-3)这种相关关系可用发震断层的单力偶、双力偶模式来解释。压缩波与膨胀波的分界面——节面节面与地面的交线——节线如下图：工程地质学基础河北工程大学·程祖锋14第5章地震与诱发地震工程地质研究5.2

每次地震，有两条正交的节线：

两条节线分成4个象限：相对者，初动符号相同；相邻者，初动符号相反。15河北工程大学·程祖锋工程地质学基础第5章地震与诱发地震工程地质研究5.2

合成的σ2直立，σ1、σ3水平。实际上是共轭剪切面，其中之一为走滑型震源断层面。P152图5-4与下图，仅看a、c图(P波)

两节面(线)均有力偶作用，但错动方向相反。2.双力偶震源错动模式16河北工程大学·程祖锋工程地质学基础第5章地震与诱发地震工程地质研究5.2上述仅以平推型断层为例介绍了震源的发震模式。对于倾滑型及其过渡类型同理，只不过节面倾斜。

光靠P波初动特征不能确定哪一节面是震源断层面，还需结合震中区地质结构、地表错动方向与等震线的长轴方向等综合判定。工程地质学基础河北工程大学·程祖锋17另外，上述仅介绍了用P波初动特征来求解震源机制的原理，其具体求解操作步骤：(了解)①收集各台站的地震谱，确定初动“+”、“-”；②用“ο”或“·”分别表示“+”或“-”，投在平面图的各台站相应位置上；③计算节线；④以节线交点为网心，按相应方位将节线投在赤平网上；⑤在赤平网上确定两节面的产状、错动方向、主应力方向等；⑥结合其它证据，确定两节面之一为发震断层，即得震源机制断层面解。见图(P152图5-5、5-6)

第5章地震与诱发地震工程地质研究5.2若为不对称，则为过渡型。工程地质学基础河北工程大学·程祖锋18第5章地震与诱发地震工程地质研究5.2

a.平推型b.正断型c.逆断型工程地质学基础河北工程大学·程祖锋19震源参数—表征震源物理过程的物理量。包括发震断层的产状，错动方向、幅度、长度、宽度，破碎速度等。㈡震源参数

求参途径(4条)：

根据极震区的形状分析发震断层的走向、倾角：长轴方向—断层走向；对称时—断层面直立；不对称时—断层面倾斜，倾向宽缓一侧，越宽缓则倾角越小。

等震线—震域内的等烈度线。(封闭)①震源机制断层面解(见前述)。②等震线的几何特征：

极震区—最内圈等震线所围的范围。第5章地震与诱发地震工程地质研究5.2③地表错动和地表变形带的形态。④大地测量资料。工程地质学基础河北工程大学·程祖锋20三、震级和烈度震级和烈度，二者既有区别，又有联系。震级：为表征地震大小的参数，由地震时释放的总能量(E)决定。E大，则M大，一次地震只有一个M。㈠震级(M)

震级的确定：地震仪测最大振幅(A)后，估算M(或E)。

因A与仪器种类及震中距有关，所以应该用：第5章地震与诱发地震工程地质研究5.2对应的标准振幅A

◆近震(震中距△＜1000km)用体波震级(ML)，ML=lgAμ+R(△)，R(△)—起算函数，据仪器种类与台站震中距查表。◆远震(震中距△＞1000km)用面波震级(MS)，MS=lg()+σ(△)+C

其中T—面波周期，σ(△)—起算函数(查表)，C—台站校正值(查表)。工程地质学基础河北工程大学·程祖锋21

我国规定：第5章地震与诱发地震工程地质研究5.2

据理查特(Richter)：M=lgA，A--标准振幅(μm)该M称理氏震级。

通常，随机的震中与特定的地震台网导致震中距△≠100km，则需对A进行修正。工程地质学基础河北工程大学·程祖锋22

国际上通用面波震级(MS)作M。

体波震级换算：M=MS=1.13ML-1.08

地震等级分类：P155,4～5级呢？不合理！

由于岩体能积累的应变能有上限，决定了M也有上限。

2011年3月11日日本发生的9.0级地震，为有资料记录以来的最大地震。(之前几十年来一直是智利的8.9级)第5章地震与诱发地震工程地质研究5.2震级(M)地震强度等级＜2微震2-4有感地震＞5破坏性地震＞7强烈地震工程地质学基础河北工程大学·程祖锋23烈度：为表征地震时一定地点地面震动程度的参数。㈡烈度(I)I←第5章地震与诱发地震工程地质研究5.2P159表5-4

24河北工程大学·程祖锋

一次地震的不同地点，烈度I可以不同。震中处(极震区)的I0(极震烈度)最大，向外渐降。

评价方法工程地质学基础第5章地震与诱发地震工程地质研究5.21.按破坏后果(宏观烈度)

①定性法

据感知和建筑物破坏程度确定并划分I。

我国划分成Ⅰ-Ⅻ度。用罗马数字表示。(P157表5-3)由于破坏程度与震动强度、建筑物抗震性能、场地条件等有关，因此该法不够准确。评价方法包括定性法与定量法。工程地质学基础河北工程大学·程祖锋25第5章地震与诱发地震工程地质研究5.226河北工程大学·程祖锋工程地质学基础第5章地震与诱发地震工程地质研究5.2工程地质学基础河北工程大学·程祖锋272.按反映破坏力的物理量如地面震动加速度(a)，可实测，方便准确。工程力学所统计表明，I(a)-I(

)的相关性很好，因此可用a来评价I。第5章地震与诱发地震工程地质研究5.2中科院工程力学所提出平均震害指数法()，使宏观烈度评价定量化，更准确。a.设震害指数i=0-1.0，据破坏程度分档；b.在特定小区域内，对建筑物按结构类型(抗震性能)分类；c.分类统计各档的间数；d.计算平均震害指数；e.按评价I。

②定量法工程地质学基础河北工程大学·程祖锋28四、地震地质特征㈠形成强震的条件1.介质条件

硬、脆性岩体能积累高应变能—强震。我国华北：结晶基底由花岗岩组成，强震多；华南：基底由较软弱的变质岩组成，强震少。2.结构条件

断层面曲率大的部位，易积累高应变能—强震。如端点、拐点、交汇点、分支点。3.构造应力条件

新构造运动强烈地段，应变速率大、易呈弹性破坏—强震。第5章地震与诱发地震工程地质研究5.2工程地质学基础河北工程大学·程祖锋29㈡地震分布与板块运动的关系全球分成三个地震带：①环太平洋地震带；②地中海-喜马拉雅地震带(又称欧亚地震带)；③大洋海岭地震带。

地震与板块运动的关系：

(新教材P161,按地质成因可分为板块消减带地震、转换断层地震与板块增生带(海岭)地震)板块运动分带地震程度板块消减带最发育板块碰撞带次之板块增生(海岭)带弱震第5章地震与诱发地震工程地质研究5.2

2008年的5.12汶川8.0级地震：于盆地与隆起带交界处，龙门山断层长300km、深8-9km(浅源)，从汶川向东北向一端断裂，属于新华夏构造体系。

2011年的3.11日本9.0级地震：位于欧亚、太平洋、菲律宾、北非四大板块交汇处，构造作用强烈。工程地质学基础河北工程大学·程祖锋30㈢我国的地震分布与地震地质特征

我国位于环太平洋地震带与地中海-喜马拉雅地震带交汇处，多震、强震。

以东经105°为界，1.地震分布特点由西向东，震源深度依次增大。第5章地震与诱发地震工程地质研究5.22.地震地质特征我国地震分布有如下地质特征(5点)

：了解①与活动断裂带有关(多发育于交汇点、转折段、锁固段、端点及强烈活动段)；②与断陷盆地有关(多发育于边界、尖端、横向断裂、次级凹陷带)；工程地质学基础河北工程大学·程祖锋31③与断裂深度有关(强震多发育于深大断裂上)；如郯庐断裂④与现代构造应力场有关(多发育于强烈挤压带上，如西藏高原)；⑤与现代地壳垂直变形有关(多发育于差异升降强烈处)。第5章地震与诱发地震工程地质研究5.25.3地震危险性分析与地震区划简介工程地质学基础河北工程大学·程祖锋32地震是人类最大的、人为难以制止的自然灾害，只能减轻灾害。

减轻震灾的途径：地震学家→地震预报，包括

其中“地震工程”工作步骤(4步)：⑴地震危险性分析,地震区划(本节);⑵抗震规范,抗震设计;(采取合理抗震措施,使建筑物“小震不坏,中震可修,大震不倒”)第5章地震与诱发地震工程地质研究5.3⑶抗震鉴定和加固;(含震前、震后，如汶川地震后全国中小学校舍普查、加固)

⑷抗震救灾。

汶川地震前两天的四川阿里地区简报：成功挫败来了一起地震谣言....工程地质学基础河北工程大学·程祖锋33第⑴步的“地震危险性分析与地震区划”中包括两方面：①针对特定的工程(使用年限已定)或地区，估计地震动强度、地震设计参数和地震发生概率—地震危险性分析；②以地震危险性的代表性参数(如烈度、加速度等)为指标划分危险性不同的区域--地震区划。以为后3步提供依据。

“地震危险性分析与地震区划”是在地质学、地震学、工程学等多专业人员配合下完成的。成果是“地震区划图”。我国以基本烈度为划分指标，属于“地震烈度区划”，成果称为“烈度区划图”(P171图5-27)。国家质量技术监督局2001年颁布了“峰值加速度区划图”(P172图5-28)。

第5章地震与诱发地震工程地质研究5.334河北工程大学·程祖锋工程地质学基础第5章地震与诱发地震工程地质研究5.335河北工程大学·程祖锋工程地质学基础第5章地震与诱发地震工程地质研究5.3工程地质学基础河北工程大学·程祖锋36

基本烈度：在今后的一定时期(100年)内、一定地区范围内的一般场地条件下，可能遇到的最大烈度。(I基)编制方法：了解①分析区域地震地质条件、地震活动规律，充分考虑地震活动的时空不均匀性，估计百年内可能发生的最大震级，据历史地震震级与震中烈度的经验关系确定震中烈度；②据烈度衰减规律圈定烈度等值线图，即地震烈度区划图。只要求会用地震区划图即可：据建筑场地所在的位置查得基本烈度，并据查明的场地条件作必要的场地地震效应分析，如砂土液化、场地震陷、边坡失稳等评价等。亦可进一步提出抗震设计建议。第5章地震与诱发地震工程地质研究5.3工程地质学基础河北工程大学·程祖锋37场地烈度(I场)：根据具体的场地工程地质条件而对基本烈度作调整后的烈度。

如坚硬地基则可适当降低烈度，而松软地基则可适当提高烈度。修正范围△I=±0.5-1.0度。“场地烈度”的概念目前已经停止使用设计烈度(设防烈度)(I设)：据建筑物的重要性或地区的重要性而对基本烈度作调整后的烈度，抗震设计所用。

一般建筑物、一般地区：直接用基本烈度或场地烈度；

重大建筑物、重要地区：适当提高，一般提高一度，如深圳、北京等地。

又如位于邯郸市高开区的某工程，在领导干预下按Ⅷ度设防。尽管如此，2013年的建筑基础施工现场检查时，某领导当场表示，钢筋太细，拆了重铺钢筋！第5章地震与诱发地震工程地质研究5.3除了基本烈度外，还有2个烈度概念在此一并介绍：38河北工程大学·程祖锋工程地质学基础第5章地震与诱发地震工程地质研究5.3因此美国的Cornell提出来地震危险性概率分析法：了解认为地震是一种随机事件，发震的时间、地点、大小均不确定，假定可用一定的概率分布来描述：若i表示一次地震事件，则地震发生过程可用三维随机过程{Li(震源位置),Ti(发震时间),Mi(震级)}来描述。由于该三维联合分布模型十分复杂且建模非常困难，通常将这三个参数独立开来分别研究其统计特征。该模型可提供场地在指定的时间内遭遇到不同强度地震动(如烈度与基岩峰值加速度等)的超越概率水平(或场地地震动超越某一定值的概率)，从而使设计部门可根据工程使用年限、工程重要性和工程结构类型来选择不同的抗震设防标准。

使用年限越长或超越概率越低，则遇到的地震动强度越高。如：一般工程，可按50年超越概率为10%的地震动强度设防；重大工程，可按100年超越概率为10%、100年超越概率为5%，或甚至500年超越概率为5%的地震动强度设防。上述的地震烈度区划及地震峰值加速度区划均是利用确定的指标来表示地震这一不确定的随机事件，存在缺陷！5.4地震效应与地震小区划简介工程地质学基础河北工程大学·程祖锋39本节包括一、地震效应(震害)地震效应：地震时所产生的各种破坏作用。

按破坏机理分为：场地破坏效应和地震动效应。㈠场地破坏效应场地破坏效应：地震时，因建筑场地破坏而导致的各种破坏作用。包括地面破裂、地基失效和斜坡破坏效应。第5章地震与诱发地震工程地质研究5.4

前两部分属于《岩土工程勘察》本身的工作。工程地质学基础河北工程大学·程祖锋40

地震时

构造性地裂的成因：具有方向性的P波到达地面时振幅放大，反复拉、压作用使地表定向开裂，是震动的结果。它与发震断裂不相通，但力学属性、分布方向等均与发震断层有关。

措施：结构难以抵御，避开。跨越建筑物破坏第5章地震与诱发地震工程地质研究5.42.地基失效地基失效：地震导致地基承载力降低或丧失而失效，使建筑物破坏。P179图5-35

4种形式：①强烈沉降(松软地基)；②不均匀沉降(岩性或厚度不均匀)；③水平位移(可滑地基)；④砂土地基液化。1.地面破裂效应工程地质学基础河北工程大学·程祖锋41

措施：建筑施工前判定并处理。

地震时因斜坡破坏而导致的建筑物破坏。

措施：建筑施工前判定，加固或避开。3.斜坡破坏效应第5章地震与诱发地震工程地质研究5.4工程地质学基础河北工程大学·程祖锋42㈡地震动效应

地震动直接引起建筑物的破坏。最普遍、最主要。

措施：确定场地地震动参数，进行抗震设计。P=W×amax/g=W·K(K—地震系数)，amax或K∝P。1.地震动参数(振幅、周期、持续时间)⑴振幅，其中amax→地震力(P)；⑵周期(T)：当建筑物的自振周期接近地震波周期时，破坏较重。

一般地，地震波周期较长+高层建筑的自振周期较长→高层破坏重于低层、多层。

原因：共振效应。

措施：使结构自振周期避开地震波周期。第5章地震与诱发地震工程地质研究5.4工程地质学基础河北工程大学·程祖锋43⑶震动持续时间

地震动持续时间越长，则破坏越重。2.地震动效应的分析方法(静力分析法、动力分析法)

⑴静力分析法(古典法)

设(建筑amax=地面a0max)又因为aaHmax、aVmax，其中amax2=aHmax2+aVmax2

水平向地震力：PH=W·KH，KH=aHmax/g，KH—水平地震系数

资料表明，当KH≥0.01时，建筑物开始破坏。

铅直向地震力：PV=W·KV，KV=aVmax/g，KV—铅直地震系数K2=KH2+KV2。KV与震中距密切相关。震中处KV≈K(因为KH≈0)，向外迅速衰减。第5章地震与诱发地震工程地质研究5.4工程地质学基础河北工程大学·程祖锋44

设计时下列情况应考虑KV：

静力分析法因其前提假设的先天不足，其分析结果不准确，但其简单易行。

⑵动力分析法动力分析法考虑了建筑物的动力反应(响应)。常用：简化反应谱法。第5章地震与诱发地震工程地质研究5.4

假设

地震力P0(t)=m·a0(t)(为变扰力)工程地质学基础河北工程大学·程祖锋45

对结构系统，输入P0(t)进行分析：

若ξ一定，算出结构的amax、Vmax、dmax与T的关系曲线；

一组ξ，可算出结构amax、Vmax、dmax与T的一组关系曲线。

该组曲线，即称为特定P0(t)下结构物的amax(或Vmax，或dmax)反应谱。第5章地震与诱发地震工程地质研究5.4

a、v、d可以通过微分、积分相互换算。

P186图5-43所示的为加速度反应谱。46河北工程大学·程祖锋工程地质学基础第5章地震与诱发地震工程地质研究5.4建筑结构的T、ξ由结构的材料和结构类型决定，可实测。

若建筑结构一定，则T、ξ一定，即可据反应谱求出相应的amax(或Vmax,或dmax)，进而求出相应的应力、位移。

若求出的应力、位移超过允许值，修改结构方案后重算，直至满足《建筑结构抗震设计规范》要求为止。二、场地条件对地震效应(震害)的影响

影响震害的因素工程地质学基础河北工程大学·程祖锋47第5章地震与诱发地震工程地质研究5.4

对震害有影响的场地因素包括：①岩土类型与地层结构；②地质构造；③局部地形；④砂土液化；

⑤地裂缝、软弱夹层等。

1、岩土类型→震害

大量观测资料表明：

坚实地基，振幅小、周期短、持续时间短，震害轻；

松软地基，振幅大、周期长、持续时间长，震害重。

松散层越厚，则震害越重，长周期的高层建筑震害更重。㈠岩土类型与地层结构的影响48河北工程大学·程祖锋工程地质学基础第5章地震与诱发地震工程地质研究5.4

这里有必要提出表层土卓越周期的概念：大量证据表明，地震波从基岩传入松散层后，某些较长周期的波经多次反射叠加后传到地面时，其幅值(amax、dmax)与频度明显放大，该周期即为该表层土的卓越周期(Ts)。P183图5-37，地表的位移振幅远大于18m深处砾石层的振幅。

工程地质学基础河北工程大学·程祖锋49第5章地震与诱发地震工程地质研究5.4

2、地层结构→震害

上硬下软时，下伏软层吸能隔震，震害轻；

上软下硬时，震害重。

Ts在勘察中确定：

Ts是场地表层土的重要特征周期，是抗震设计的重要依据。

一般，松散层越厚、越软弱→Ts越大→高层建筑越易破坏。见右图50河北工程大学·程祖锋㈡地质构造的影响

1、地形→地震动→震害：

突出、孤立地形→山体共振与多次反射→震动放大、震害加剧；

低洼、沟谷地形→震动减弱、震害减轻。如P185图5-40，山咀处烈度为Ⅸ度，而鞍部为Ⅶ、Ⅷ度。

㈢局部地形的影响工程地质学基础第5章地震与诱发地震工程地质研究5.4

2、地形→斜坡失稳→震害。工程地质学基础河北工程大学·程祖锋51㈣砂土液化的影响阻尼大、吸能隔震→减轻震害。㈤某些因素的有利影响第5章地震与诱发地震工程地质研究5.4工程地质学基础河北工程大学·程祖锋52三、地震小区划前述的地震区划只是对较大地区、一般场地条件下，可能遇到的最大烈度作的一个平均估计。但同一个基本烈度区的范围往往很大，其中的不同小区域的震害因其场地条件的不同而往往差别很大。为了给抗震设计提供更具体、更精确的依据，有必要在地震区划的基础上考虑场地条件对震害的影响作更具体、更准确的分区—地震小区划。第5章地震与诱发地震工程地质研究5.4按小区划原理：调整烈度法、调整反应谱法、设计地震动法。

工程地质学基础河北工程大学·程祖锋53㈠调整烈度小区划(静力法)(已停止使用)调整内容：(三方面)

△I1=f1(ρ.v)ρ—地层密度，v—地层波速，ρ.v—地基刚度。1.地基刚度调整(△I1)2.地下水埋深调整(△I2)

△I2=f2(hW)hW—地下水埋深。第5章地震与诱发地震工程地质研究5.43.土层共振效应调整(△I3)

△I3=f3(ρ，v，Ts，H)H—土层厚度。

△I=△I1+△I2+△I3，则I场=I基+△I。

再据各方格的I场绘制等值线图—调整烈度小区划图。

缺点：以静求动，不客观，已停止使用。

方法：将工作区划分成300-2000m的小方格，逐格调整。

应用：(前两步是岩土工程勘察的任务!)

①据覆盖层20m以内的(厚度加权平均值)将场地土划分成坚硬、中硬、中软和软弱四类；(P188表5-7，老规范)工程地质学基础河北工程大学·程祖锋54第5章地震与诱发地震工程地质研究5.4㈡调整反应谱小区划(准动力法)

将地震力简化成等效静力：P=βKW(K—地震系数、W—建筑物重量)动力系数β=

对于特定的场地条件，a0max一定，则β∝amax。

因此，将amax反应谱的纵坐标除一个系数a0max即得β反应谱。

②据覆盖层厚度(dov，以VS≥500m/s为限)与场地土类型将场地划分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四类；(P188表5-7)工程地质学基础河北工程大学·程祖锋55第5章地震与诱发地震工程地质研究5.4

③考虑震中距和I基、场地类型制成五类标准反应谱，并按P188表5-8确定反应谱类别

；P188表5-8、P187图5-44

④据结构的T找出相应的β或amax。工程地质学基础河北工程大学·程祖锋56第5章地震与诱发地震工程地质研究5.4工程地质学基础河北工程大学·程祖锋57

思路：据地震地质条件进行地震危险性概率分析→基岩地震动参数(amax、T、t)→模拟合成基岩加速度a0(t)→铅直向上输入场地土层→据场地条件(Vs剖面)建立场地力学模型→计算地面a0(t)(加速度反应)及其反应谱→绘制地面a0max与β反应谱分区图，即得设计地震动小区划图。P189图5-45，P190图5-46、5-48㈢设计地震动小区划简介(动力法或动态法)第5章地震与诱发地震工程地质研究5.458河北工程大学·程祖锋工程地质学基础第5章地震与诱发地震工程地质研究5.459河北工程大学·程祖锋工程地质学基础第5章地震与诱发地震工程地质研究5.45.5地震区抗震设计原则工程地质学基础河北工程大学·程祖锋60

对于高烈度(≥Ⅶ)区或重大工程均需进行抗震设计。内容包括：一、建筑场地选择(至关重要)

要点：①查明基本烈度、场地条件；②评价场地地震效应；③选择抗震有利地段作为建筑场地；④找出不利因素，并对抗震设计提出建议。

注意避开：

①结构难以抵御的地震效应地段，如发震断裂带、斜坡、砂土液化地段；第5章地震与诱发地震工程地质研究5.5工程地质学基础河北工程大学·程祖锋61二、持力层与基础方案的选择(场地选定后进行)①坚硬、密实、均匀地层；②砌置深度较大；③同一建筑物尽量用同一基础型式。三、建筑物布置与结构类型选择(略)

对工业民用建筑，参见新教材P192-193、老教材P232-233。第5章地震与诱发地震工程地质研究5.5

②震害较重地段(如土层松软，突出、孤立地形等)；

③长周期建筑物避开长卓越周期地段；短周期建筑物避开短卓越周期地段。5.6水库诱发地震(略)第六章地震引起的区域性

砂土液化问题

资源学院勘查系

金超

主要内容6.1概述6.2饱和砂土的液化机制6.3砂土地震液化的形成条件6.4砂土地震液化的叛别6.5砂土地震液化的预防措施6.1概述砂土液化：饱和砂土在强烈的振动作用下，空隙水压力增大，抗剪强度及承载力降低或丧失，导致地基失效的现象。

喷水冒砂（或喷砂冒水）：（液化的常见后果、现象）液化层在孔隙水压力作用下以砂水混合物突破覆盖层而喷出地表的现象。砂土液化的危害：因易液化层（饱水疏松粉细砂）常分布于海滨、湖滨、冲积平原，而这些地区往往人口、建筑物、农田密集；另一方面，因液化吸能隔震，使外围地区震害减轻。

6.1概述

砂土液化的危害(1)涌砂：涌出的砂掩盖农田，压死作物，使沃土盐碱化、砂质化，同时造成河床、渠道、井筒等淤塞，使农业灌溉设施受到严重损害。6.1概述

砂土液化的危害(2)地基失效：随粒间有效正应力的降低，地基土层的承裁能力也迅速下降，甚至砂体呈悬浮状态时地基的承载能力完全丧失。这类地基上的建筑物就会产生强烈沉陷、倾倒以至倒塌。如日本新漏1964年地震引起的砂土液化，由于地基失效使建筑物倒塌2130所，严重破坏6200所，轻微破坏31000所。6.1概述

砂土液化的危害(3)滑塌：由于下伏砂层或敏感粘土层震动液化和流动，可引起大规模滑坡。这类滑坡可以产生在极缓，甚至水平场地。如1964年阿拉斯加地震，安科雷奇市就因敏感粘土层中的砂层透镜体液化而产生大滑坡。6.1概述

砂土液化的危害(4)地面沉降及地面塌陷：饱水疏松砂因振动而变密，地面也随之而下沉，低平的滨海湖平原可因下沉而被海湖及洪水浸淹。地震引起砂土液化(台中港1-4码头)6.2饱和砂土的地震液化机制砂土受振动时，每个颗粒都受到大小相当于振动加速度与颗粒质量乘积的惯性力的反复作用。由于颗粒间没有内聚力或内聚力很小，反复受力时，各颗粒都处于运动状态，颗粒之间必发生相互错动并调整相互位置，以便降低总势能最终达到最稳定状态。如振动前砂体处于紧密排列状态，经震动后砂粒的排列和砂体的孔隙度不会有很大变化；若振动前砂土处于疏松状态，反复受力时必逐步加密。

包气带水——直接压缩变密饱和水——压缩时必须排水6.2饱和砂土的地震液化机制饱和水：地层的振动频率大约为1～2周期／秒，在这种急速变化的周期性荷载作用下，每一次振动使孔隙度瞬时减小都需要排出一些水，对低渗透性砂，排水不通畅，前一周期的排水尚未完成，下一周期的孔隙又再减小。需要排出的水不能及时排出，水不可压缩，则孔隙水必然承受由孔隙度减小而产生的挤压力——剩余孔隙水压力或超孔隙水压力。前一个周期的超孔隙水压尚未消散，下一周期产生新的超孔隙水压力又迭加上来，故随振动持续时间的增长，超孔隙水压会不断增大。6.2饱和砂土的地震液化机制已知饱水砂体的抗剪强度τ由下式确定τ＝（σn-pw)tgφ=σ0·tgφ式中：pw为孔隙水压；σ0为有效正压力。震前外力全部由骨架砂承担，此时空隙水压力称中性压力，只承担本身压力即静水压力。令此时的空隙水压力为pw0，振动过程中的超空隙水压力为△pw，则振动前：砂的抗剪强度为：

τ＝（σ-pw0）tgφ

振动时：

τ＝[σ-（pw0+△pw）]tgφ（7－1）随△pw累积性增大，最终pw0+△pw＝σ，则τ＝06.2饱和砂土的地震液化机制此时砂土抗剪强度降为零，完全不能承受外荷载而呈液化状态。思考：①有没有τ<0的情况？

②饱和密砂地震液化的体积变化情况？6.2饱和砂土的地震液化机制为了研究砂土的液化机理与进行实验判别，美国的Seed和Ile于1966年提出了动三轴剪切试验（循环荷载三轴压缩试验）P226图7-3：试样在均等围压σa（σ1=σ2=σ3=σa）下排水固结6.2饱和砂土的地震液化机制6.2饱和砂土的地震液化机制6.2饱和砂土的地震液化机制应力特点：

①σ1、σ3

方向交替变化；

②x-x、y-y面上的正应力值不变（σa

）

③x-x、y-y面上的剪应力值相同

且不变，但剪切方向交替变化，成为最大循环剪应力。6.2饱和砂土的地震液化机制6.2饱和砂土的地震液化机制观察并记录加荷周期数、空隙水压力和轴向变形随循环荷载周期数的变化，轴向应变达20%即认为试样已破坏，即当试样对振幅超过20%的轴向变形失去抵抗能力——全液化。图7-4区别：密砂先由密变松，后再由松变密，过程长，需能大，不易液化；松砂容易液化，体积增大，变形需能小。（a）密砂：初始相对密实度Dr=0.90，e=0.56。左图对于非饱和砂：地震、颗粒变位，先排气体积变小，后排水液化→地面沉降。（b）松砂：初始相对密实度Dr=0.50，e=0.68。右图随着循环的次数增加，u上升且很快达到初始围压σa，体积迅速增大，很快达到液化。6.2饱和砂土的地震液化机制二、渗流液化砂土经振动液化之后，某点的空隙水压力不仅有振动前的静水压力(Pw0)，还有由于砂粒互相不接触悬浮在水中而使全部骨架砂压力转化成的超空隙水压力(Pwe)，则该点的总空隙水压力(Pw)为：Pw=Pw0+Pwe为求简化，假设砂层无限延伸，地下水位面为地表面，则在深度z处有：Pw0=

γw•zPwe=(γ-γw)•z则Pw=γw•z+(γ-γw)•z=γ•z其中：γ、γw分别为土和水的重度。6.2饱和砂土的地震液化机制地震前和地震液化后的空隙水压力图形及测压水位如图7-5.从图上看出：震前空隙水压呈静水压力分布，不同深度处测压水位相同，无水头差。振动液化产生超空隙水压力后，不同深度的测压水位不同，随深度增加，测压水位增高，任意深度两点z2和z1间的水头差公式为：震前震后6.2饱和砂土的地震液化机制γwhZ2-Z1=(γsat-γw)Z2–(γsat-γw)Z1水头差hZ2-Z1=(γsat-γw)(Z2-Z1)/γw水力梯度J=hZ2-Z1/(Z2-Z1)=(rsat-rw)/γw此时液化时的J—临界水力梯度Jcr。在Jcr作用下，砂土颗粒悬浮，发生渗流液化。与振动液化联系起来，整个过程为：饱水砂土在强烈地震作用下先产生振动液化，空隙水压力迅速上升，产生上下水头差和空隙水自下而上的运动，动水压力推动砂粒向悬浮态转化，形成渗流液化使砂层变松。若没有不透水盖层的情况下出现遍地冒水，上部砂层松胀，强度丧失，但不喷水冒砂。由于地震时松散地层容易开裂，裂缝处上升水流流速大，水头损失小，在裂缝处出现喷水冒砂现象。若地表有不透水的粘土盖层，则渗流液化与上述情况不同。液化砂层的空隙水压力不能自由的向地表消散。液化砂层内的超空隙水压力，通过液体压力传导作用于盖层底板，形成一个暂时的承压水层。由静水压力原理，液化砂层内任意点的测压水位都相等，其压力图形及测压水位如右图。剩余水压由两部分组成：液化层的骨架压力和盖层压力。6.2饱和砂土的地震液化机制6.2饱和砂土的地震液化机制设液化砂层厚M1，盖层厚M2，则超空隙水压力公式：Pwe=(γ-γw)M1+γgM2其中：γg为盖层的重度由上式可知:只有当超空隙水压力超过盖层强度，才能沿裂缝产生喷水冒砂，渗流液化仅局限于喷口附近。若盖层较厚，隔水性越强，液化形成的暂时性承压水层的水头越高，一旦突破盖层，则喷水的水头越高，冒砂越强烈。但对建筑物的严重破坏和砂层因渗流而变松，往往局限于喷水口的局部地段。若盖层较薄，易突破薄弱环节而形成喷水冒砂。6.3砂土地震液化的形成条件从砂土地震液化机制的讨论中得出，砂土层本身和地震这两方面具备一定条件才能产生砂土液化。砂土层本身方面一般认为砂土的成分、结构以及饱水砂层的埋藏条件这几个方面需具备一定条件才易于液化。需要指出：凡具备上述易于液化的条件而又在广大区域内产出的砂土层，往往具有特定的成因与时代特征。地震方面主要是地震的强烈程度和持续时间。一、砂土特性对地震液化的产生具有决定性作用的，是土在地震时易形成较高的超空隙水压力。高的超空隙水压力形成的必要条件，一是地震时砂土必须有明显的体积缩小从而产生空隙水的排水。二是向砂土外的排水滞后于砂体的振动变密，即砂体的渗透性能不良，不利于超空隙水压力的迅速消散，于是随荷载循环的增加空隙水压力因不断累积而升高。通常以砂土的相对密度Dr和砂土的粒径和级配来表征砂土的液化条件。6.3砂土地震液化的形成条件6.3砂土地震液化的形成条件1．砂土的相对密度——密实度从动三轴试验得知,松砂极易完全液化,而密砂则经多次循环的动荷载后也很难达到完全液化。即砂的结构疏松是液化的必要条件。表征砂土的疏与密界限的定量指标，过去采用临界孔隙度，目前较普遍采用的是相对密度Dr

Dr=emax—e/emax—emin其中：e土的天然空隙比；emax和emin分别为该土的最大、最小空隙比。

砂土的相对密度越大，需要越大的振动强度或更多的振动循环次数N才能使土液化。如图7-8Dr越大，液化所需的应力比（烈度）与循环次数（历时）越大。6.3砂土地震液化的形成条件例：据海城地震砂土液化的调查资料，在Ⅶ度烈度区（盘锦）Dr>0.55发生液化,而在Ⅷ度烈度区（营口）Dr>0.70就不发生液化。砂土的相对密度低并不是砂土地震液化的充分条件，有些颗粒比较粗的砂，相对密度虽然很低但却很少液化。通过分析邢台、通海和海城砂土液化时喷出的78个砂样表明，粉、细砂占57.7％，塑性指数＜7的粉土占34.6％，中粗砂及塑性指数为7～10的粉土仅占7.7％，而且全发生在IX度烈度区。所以具备一定粒度成分和级配是一个很重要的液化条件。6.3砂土地震液化的形成条件2.砂土的粒度和级配最易液化的土：均粒的粉细砂，粗粒土；粘性土难（或不）液化。Why?6.3砂土地震液化的形成条件2.砂土的粒度和级配当空隙水压大于砂粒间有效应力时才产生液化，而根据土力学原理可知，土粒间有效应力由土的自重应力决定，位于地下水位以上的土内某一深度Z处的自重应力Pz为：

Pz＝γz(7—8)式中γ为土的容重。如地下水埋深为h，Z位于地下水位以下，由于地下水位以下土的悬浮减重，Z处自重压力则应按下式计算：

Pz=γh十(γ—γw)(Z-h)(7—9)6.3砂土地震液化的形成条件3.饱和砂土的埋藏条件当地下水位位于地表，即h＝0，则：Pz=(γ—γw)Z显然，这种情况自重压力随深度的增加最小，即直接在地表出露的饱水砂层最易于液化。而液化的发展也总是由接近地表处逐步向深处发展。如液化达某一深度z1，则z1以上通过骨架传递的有效应力即由于液化而降为零，于是液化又由z1向更深处发展而达z2，直到砂粒间的侧向压力足以限制液化产生为止。显然，如果饱水砂层埋藏较深，上覆土层的盖重足以抑制地下水面附近产生液化，液化也就不会向深处发展。6.3砂土地震液化的形成条件3.饱和砂土的埋藏条件包括上覆盖层厚度Z0

和地下水埋深hw,二者决定

。

Z0

越大

或→越大→越不易液化

hw

越大

调查资料表明：当Z0>10m时或h>5m时，一般不发生液化。6.3砂土地震液化的形成条件3.饱和砂土的埋藏条件具备上述的颗粒粗细、结构疏松、上覆非液化盖层薄和地下水埋深浅等条件，而又广泛分布的砂体，是什么沉积环境下的砂体？6.3砂土地震液化的形成条件4.饱水砂层的成因和时代主要是近代河口三角洲砂体和近期河床堆积砂体，其中河口三角洲砂体是造成区域性砂土液化的主要砂体。已有的大区域砂土地震液化实例，主要形成于河口三角洲砂体内。而是往往有史时期或全新世形成的疏松沉积物。引起砂土液化的动力是地震加速度，显然地震愈强、加速度愈大，则愈容易引起砂土液化。简单评价砂土液化的地震强度条件的方法是按不同烈度评价某种砂土液化的可能性。例如，根据观测得出，在VII、VIII、IX度烈度区可能液化的砂土的D50分别为0.05一0.15，0.03一0.25，0.015一0.5mm。即地震烈度愈高，可液化的砂土的平均粒径范围愈大。6.3砂土地震液化的形成条件二.地震强度和历时条件（动力因素）又如，烈度不同可液化砂土的相对密度值也不同，烈度愈高可液化砂土的相对密度值也愈大。确切评价砂土液化的地震强度条件需实测出地震时最大地面加速度，计算在地下某一深度处由于地震而产生的实际剪应力，再用以判定该深度处的砂土层能否液化。6.3砂土地震液化的形成条件二.地震强度和历时条件（动力因素）

烈度或amax

（地震时地表最大加速度）→

τd

（地下某一深度处由地震产生的剪应力）→液化能力

资料显示：随烈度增大，可液化土的均增大

说明越容易引起砂土液化或地震的液化能力增强。

注意：极震区的烈度很高，但以avmax

为主，难以形成大的τd

，液化能力低。

对地震动强度条件的理论统计方法---剪应力对比法。其思想：据a0max

计算不同深度处的τd

，与τf

对比，判别。6.3砂土地震液化的形成条件1.地震强度？希德：地震在土层中任一点的剪应力主要是由于剪切波向上传播而产生的，设深度为h的某一土单元上的土柱(图7-17a)为刚体，地表实测最大加速度为amax，则土单元上的最大剪切应力τmax6.3砂土地震液化的形成条件1.地震强度表7-1ξ的平均值深度01.534.567.5910.5121.000.9850.9750.9650.9550.9450.9350.9150.8950.8566.3砂土地震液化的形成条件1.地震强度6.3砂土地震液化的形成条件1.地震强度(3)实际上，地震时土内任一点的剪应力随时间的变化是不规则的(图7-18)，所以需要求出一个等效均匀剪应力τa,经大量统计得出τa=0.65τmax土内任一深度处地震引起的平均剪应力为：

↓↓↓↓↓

越大越长越多越长，越大越强

P235表7-2

地震强度M等效剪应力循环次数N7107.5208306.3砂土地震液化的形成条件2.地震历时

砂土地震液化的判别是地震效应评价的内容之一。

判别内容：6.4砂土地震液化的判别初判的界限指标包括地震条件、地质条件、土质条件、埋藏条件、成因年代。

1.地震条件6.4砂土地震液化的判别一、初判的界限指标分析我国1955年以前近900a间历次地震喷水冒砂资料得出震级(M)与液化最大震中距(Dmax)有如下关系：

Dmax＝0.82×100.862(M-5)由上式判定，如M＝5则液化范围限于震中附近1km之内。我国地震文献中没有地震震级小于5级的喷水冒砂记录。故液化最低烈度(I)为VI度。2.地质条件震级5级震中烈度为VI度，近年来历次地震震后调查发现，发生液化处多为全新世乃至近代海相及河湖相沉积平原，河口三角洲，特别是洼地、河流的泛滥地带、河漫滩、古河道、滨海地带及人工填土地带等。6.4砂土地震液化的判别3.土质条件

可能液化土的指标6.4砂土地震液化的判别按上述判别条件进行初判可归纳为图7—19的流程图。初判结果虽偏于安全，但可将广大非液化区排除，把进一步的工作集中于可能液化区。图7－19地震砂土液化限界指标初判流程图

深度>15m

不液化

水位埋深大于8m6.4砂土地震液化的判别4.埋藏条件1).最大液化深度一般液化判断应在地下15m范围内，最大液化深度可达20m，对一般基础而言，若15m以下液化，建筑物受影响很小。2).最大地下水位深度喷砂冒水严重的地区，地下水埋深一般≤3m,超过5m没有喷砂冒水实例。《工业与民用建筑抗震设计规范》修订稿将液化的最大地下水位埋深定为8米。二、现场测试法

几第一阶段初步判别认为有可能液化或需考虑液化影响的饱和砂土或粉土，都应进行以现场测试为主的进一步判别。