1、第8章宏观地震学,第1节 烈度与区划,1.1 地震的一些基本知识,地震是指因地球内部缓慢积累的能量突然释放而引起的地球表层的振动 。,地震是一种自然现象，地球上每天都在发生地震，一年约有500万次。其中约5万次人们可以感觉到；能造成破坏的约有1000次； 7级以上的大地震平均一年有十几次。目前记录到的世界上最大地震是 8.9级，发生于1960年5月22日的智利地震。,什么是地震？,复习：什么叫震源、震中、震中距？,地球内部发生地震的地方叫震源；,震源在地面上的投影点称为震中；,震中及其附近的地方称为震中区，也称极震区 ；,从震中到地面上任何一点的距离称为震中距。,地震分类,一.按地震成因分类,
2、-天然地震包括构造地震、火山地震、陷落地震,1.构造地震,破坏性地震主要属于构造地震。据统计，构造地震占90%以上。,92%的地震发生在地壳中， 其余的发生在地幔上部,2.火山地震,由于火山作用，如岩浆活动、气体爆炸等引起的地震称为火山地震，这类地震只占全世界地震的7%左右。,1914年日本樱岛火山爆发，产生的震动相当于一个6.7级地震。,3.陷落地震,由于地下溶洞或矿井顶部塌陷而引起的地震称为塌陷地震。这类地震的规模比较小，次数也很少。,人工地震,因人为因素直接造成的地震是人工地震。,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蓄水后增加了地壳的压力，有时也会诱发地震。,
3、1962年3月19日在广东河源新丰江水库坝区发生了迄今我国最大的水库诱发地震，震级为6.1级。,二.按震源深浅分类,浅源地震震源深度小于60千米的称为浅源地震。全世界85%以上的地震都是浅源地震。,中源地震震源深度在60至300千米的称为中源地震。,深源地震震源深度在300千米以上的称为深源地震。,浅源地震波及范围小，但破坏力大；深源地震波及范 围大，但破坏力小。,2002年6月29日晨1：20发生于吉林的7.2级地震，震源深度为540km，无破坏。,目前有记录的最深震源达720公里。,地震分类,一.按地震成因分类,1960年2月29日发生于摩洛哥艾加迪尔城的5.8级地震， 深度为3km。震中
4、破坏极为严重，但破坏仅局限在震中8km内。,地震波,地震波是地震发生时由震源地方的岩石破裂产生的弹性波。,地震波分为体波和面波。,横波特点:周期长、振幅大、波速慢,100-800m/s,纵波特点:周期短,振幅小,波速快,200-1400m/s,面波比体波衰减慢、振幅大、 周期长、传播远。建筑物破坏 主要由面波造成。,杂波,P波开始,S波开始,面波开始,1.2 震级与烈度,一、 地震震级,1.定义,能量越大，震级就越大；震级相差一级，能量相差约32倍；相差二级，能量相差1000倍。,反映一次地震本身大小的等级，用M表示,式中A表示标准地震仪距震中100km纪录的最大水平地 动位移，单位为微米。,
5、2.震级与能量的关系,一个6级地震相当于一个两万吨级的原子弹。,能量E的单位：尔格（1尔格= ）,3.按震级的地震分类,微震- 2级以下。 人感觉不到,有感地震- 2-4级 人有感觉,破坏性地震- 5级以上 有破坏,强烈地震- 7级以上 有破坏,特大地震- 8级以上 有破坏,由于震源深浅、震中距大小等不同，地震造成 的破坏也不同。震级大，破坏力不一定大；震级小， 破坏力不一定就小。,二、 地震烈度,一般而言，震级越大，烈度就越大。同一次地震，震中距小烈度就高，反之烈度就低。影响烈度的因素，除了震级、震中距外，还与震源深度、地质构造和地基条件等因素有关。,1.定义及影响因素,一次地震对某一地区的
6、影响和破坏程度称地震烈度， 简称为烈度。用I表示。,2.地震烈度表,地震烈度表是评定烈度的标准和尺度。,我国在1980年制定了中国地震烈度表。,中国地震烈度表将地震烈度分为1-12度。,个别：10%以下 少数：10%50% 多数：50%70% 大多数：70%90% 普遍：90%以上,3.基本烈度,一个地区未来50年内一般场地条件下可能遭受的具有10%超越概率的地震烈度值称为该地区的基本烈度。用Ib表示。,相当于475年一遇的最大地震的烈度。,各地区的基本烈度由中国地震动参数区划图（GB18306-2001)确定。,（下图是原中国地震烈度区划图）,基本烈度也称为偶遇烈度或中震烈度。,中国地震烈度
7、区划图,按国家规定的权限批准作为一个地区抗震设防依据的地震烈度称为设防烈度，用Id表示。）,规范规定：一般情况下，可采用中国地震动参数区划图中的地震基本烈度。对已编制抗震设防区划的城市可按批准的抗震设防烈度进行抗震设防。,4.设防烈度,设防烈度的取值依据：,规范规定： 抗震设防烈度为6度及以上地区的建筑必须进行抗震设计,建筑所在地区在设计基准期（50年）内出现的频度最 高的烈度。也称为常遇烈度、小震烈度，用Is表示。其超 越概率为63.2%，重现期为50年。,5.多遇烈度,6.罕遇烈度,建筑所在地区在设计基准期（50年）内具有超越概率 2%-3%的地震烈度。也称为大震烈度，重现期约为2000年
8、。,三、地震烈度、震级与地震影响的关系,（1）5.0-5.4级地震，震中烈度多为六度，其面积小于500平方公里。 （2）5.5-5.9级地震，震中烈度多为七度，其面积不超过200平方公里；六度区面积也只有数百平方公里。 （3）6.0-6.4级地震，震中烈度多数为八度，其面积几十平方公里；七度区不超过200平方公里，六度区数百平方公里，如震中烈度为七度，则与5.5-5.9级地震结果相同。 （4）6.5-6.9地震，震中烈度一半为八度，结果与6.0-6.4级地震一样；另一半为九度，其面积小于100平方公里，八度区不超过500平方公里，七度区则在1500平方公里以内。,（1）5.0-5.9级地震造成
9、人员伤亡者占24%。而仅引起人员死亡的地震更少，只占11.5%。一次5级多地震中死亡人数最多为117人，而死亡29人以上的地震都发生在夜间。 （2）6.0-6.9级地震有43%造成人员伤亡，而只有人员死亡仅占35%，一次地震死亡人数最多为600人。,震级与伤亡的关系,基岩与人工填充域,1.3 设计地震分组,请思考：图中的两座建筑在经历不同周期特点的地震作用下，那座建筑更易破坏？,设计地震分组是新规范新提 出的概念，用以代替旧规范设计 近震、设计远震的概念。,在宏观烈度大体相同 条件下，处于大震级远离 震中的高耸建筑物的震害 比中小级震级近震中距的 情况严重的多。,设计地震分三组,对于类场地，第
10、一、二、三组 的设计特征周期分别为：0.35s、0.40s、0.45s.,1.3 设计地震分组,1.4 地震地面运动的一般特征,1.地面运动最大加速度,2.地面运动的周期,3.强震的持续时间,地面运动的一般特征可用地面运动加速度记录曲线来说明。,1.5 地震的破坏作用（震害现象）,由地震的原生现象如地震断层错动，以及地震波引起的强烈地面振动所造成的灾害。主要有：,1、地面破坏。如地面裂缝、错动、塌陷、喷水冒砂等；,一、直接灾害：,2、建筑物与构筑物的破坏如房屋倒塌、桥梁断落、水坝开裂、铁轨变形等；,2、建筑物与构筑物的破坏如房屋倒塌、桥梁断落、水坝开裂、铁轨变形等；,2、建筑物与构筑物的破坏如
11、房屋倒塌、桥梁断落、水坝开裂、铁轨变形等；,2、建筑物与构筑物的破坏如房屋倒塌、桥梁断落、水坝开裂、铁轨变形等；,3、山体等自然物的破坏。如山崩、滑坡等；,4、海啸。海底地震引起的巨大海浪冲上海岸，可造成沿海地区 的破坏；,二、次生灾害：,直接灾害发生后，破坏了自然或社会原有的平衡、稳定状态，从而引发出的灾害。有时，次生灾害所造成的伤亡和损失比直接灾害还大。,1、火灾由震后火源失控引起；,1923年日本关东地震，东京市内227处起火，33处未能扑灭造成火灾蔓，旧市区烧毁约50%；横滨市烧毁80%，死亡10万。,主要的次生灾害有：,2、水灾。由水坝决口或山崩拥塞河道等引起；,3、毒气泄漏。由建筑
12、物或装置破坏等引起；,4、瘟疫。由震后生存环境的严重破坏而引起.,三、工程结构破坏现象,1、结构丧失整体性,2、承重结构强度不足,3、结构变形过大导致倒塌,4、结构构件连接支撑失效,5、地基失效,6、非结构构件破坏,第2节 工程地震,概要,工程地震学（engineering seismology）是地震学中为工程建设服务的一个分支，主要研究强烈地震运动及其效应。早期的地震学家主要把地震当作一种自然现象来进行研究，但亦涉及强烈地震时建筑物的破坏。1891年在日本发生了浓尾地震,接着,1906年在美国发生了旧金山地震，1920年在中国发生了海原地震，1923年在日本又发生了关东地震。这几次地震造成
13、了巨大损失和惨重伤亡，从而使地震及其防御的研究受到了社会的高度重视。1931年日本地震学者末广恭二赴美国讲学,讲题为“工程地震学”,侧重强地面运动的观测和建筑物振动性能的测量，这便是工程地震学成为学科名称的起源。1962年苏联梅德韦杰夫工程地震学一书，内容包括地震区划和小区划以及结构在地震作用下的反应。1983年日本又出版了金井清著的工程地震学，涉及了地震观测、地震活动性、地面和建筑物的振动、地震破坏现象、工程抗震设计准则等方面。由此可见，工程地震学的领域还没有明确的界限，因时因人而异。,研究主题,地震宏观考察 强震观测 近场地面运动 地震区域划分和地震危险性分析 地震小区划 近场地震学,我国
14、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，大致以东经105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，东部域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。,我国地震地质的基本特征,我国地震地质的基本特征,对于工程抗震设防，要求烈度标准提出抗震设计所需的工程参数，即定量指标。由于地震荷载是一种惯性力，一般认为这种惯性力对工程结构的影响，主要取决于地面最大加速度。然而，地震加速度的量值与地震所释放的能量和地壳表层岩体的物质组成、结构特征及力学性状等复杂因素有关，研究难度
15、相当大。虽然各国学者进行了大量的研究工作，但至今尚未有效解决该项问题，目前能够给出的相关数值关系见表b。,地震区划及地震危险性分析,地震区划及地震危险性分析,减轻地震灾害有两种途径。一种是地震预报，它是以地震发生前应变能积累过程中地球物理场的变化而出现的前兆和历史地震活动规律为依据，以短期内准确预报出地震发生的时间、地点、强度为主要目标，以便人员及时撤离或其他防范措施。其优点是可以避免重大人员伤亡，但缺点为即使预报准确，如果建筑物没有进行防震设计或采取抗震措施，仍然会造成局部或全部毁坏。,地震区划及地震危险性分析,另一种地震工程途径，它是以地震地质和地震活动规律研究所做出的地震发生时间、地点、
16、强度、频度的长期预报为依据，经济、安全而又合理地规定新建工程的抗震设防技术措施，使所兴建的工程能抗御未来发生的地震，即 “小震不坏，中震可修，大震不倒”，从而大大减轻人民生命财产在地震中的损失。按其工程阶段可以分为地震危险性分析与地震区划、抗震规范、抗震设计、抗震鉴定和加固和抗震救灾五个部分,地震区划及地震危险性分析,地震区划、地震危险性分析的原则和方法(1) 地震烈度区划 基本烈度:一个地区未来50年内一般场地条件下可能遭受的具有10%超越概率的地震烈度值称为该地区的基本烈度。用Ib表示。基本烈度也称为偶遇烈度或中震烈度。地震烈度区域原则： （1）曾经发生过地震的地区，同样强度的地震可以重演
17、，或简称历史地震重演； （2）地质构造（或地质特征）相同的地区，地震活动也可能相同，或简称构造外推，同一构造地震带可以发生相同强度的地震。,地震区划及地震危险性分析,编图方法是先判定各地震区，编制出以最大可能震级为标志的地震活动区划图，再根据我国历史地震震级和震中烈度的经验关系，将各级地震危险区换算成相应的震中烈度，地震影响烈度及其分布范围，则可根据所在地震区、带的烈度衰减统计规律圈定。最终将全国区划为X，IX，VIII，VII，VI及VI类地震危险区。 各地区的基本烈度由中国地震动参数区划图（GB18306-2001)确定。,地震区划及地震危险性分析,潜在震源区的划分潜在震源区指未来可能发生
18、破坏性地震的部位，其可能出现的最大地震危险程度用地震上限Mu表示。潜在震源区的划分是地震危险性概率分析中的最重要的工作内容。它是反映场地所在地区地震地质条件，区域构造稳定性、历史大地震、近代小地震的活动规律，以及其它地球物理场分布特征的基本标志，也是控制工程设计地震动参数的决定性因素，特别是场地周围大约40km内潜在震源区，对地震的危险性最终计算结果会产生相当敏感的影响。,地震区划及地震危险性分析,地震活动性参数的确定地震活动性是指地震活动的时、空、强度和频度的规律，即各地震区、带内各种大小的地震在时间上的分布规律。地震活动性参数则是描述潜在震源区地震危险性程度的指标。主要有上限震级Mu和起算
19、震级M0，震级-频度关系式中的b值和各级地震年发生率。 震级上限Mu指潜在震源区可能发生的最大震级，当潜在震源区距场点较近时， Mu的取值对计算结果影响较大。 决定Mu主要根据历史地震资料和构造类比,地震动衰减规律 地震宏观影响场和地震烈度衰减关系地震影响场是指地震在地表造成的影响及其分布状况，用地震烈度表示的影响场称做宏观影响场，是地震危险性分析中的重要资料之一。地震烈度的衰减与震级和震源距有关。 基岩地震动衰减关系我国缺乏近场强震加速度记录，所以一般采用胡笔贤建议的方法推求基岩峰值加速度的衰减关系式：首先统计出当地地震烈度衰减公式，再选择一个构造条件比较接近，强震观测资料丰富，且区内烈度衰
20、减公式和基岩峰值加速度衰减公式均已具备的地区作为参考区确定。,震级-频度关系式中的b值 lgN=a-bMN地震频数，M震级， a为地震总次数有关的统计常数，b值代表一个地震区或带内不同大小地震频数的比例关系，是lgN=a-bM曲线图上的斜率，b值愈小震级较高的地震所占的比例愈大。是一个重要参量。 地震活动的年发生率（) 指一定范围内每年发生等于和大于震级M0以上的地震数 1-F(m)=e-(M-M0) =(1/b)10(a-bM),场地地震效应及地震小区划 场地破坏效应 （1）地面破坏效应:破坏性地震如果震源较浅，断层错动可以直达地表造成地表错断，对建于其上的房屋、大坝、道路、管线等造成直接破
21、坏。 （2）地基失效：如果建筑物地基强度很低或地震动加速度很大，就会导致地基承载力的下降、丧失以致变位、移动，由此造成的建筑物破坏即属地基失效造成的破坏。 （3）斜坡破坏效应斜坡破坏效应包括地震诱发的滑坡、崩塌和泥石流。,场地地震反映及地震小区划,地震砂土液化,El Centro, CA,1979,断层错动直接导致建筑物的毁坏,地震引起海啸,持续时间不同地震持续时间变化较大，变化在几秒至数十秒。时间长者破坏性大，短者破坏性小。 场地条件对震害和地震动的影响场地条件一般指局部地形地质条件，如近地表几十米至几百米内的地基土石性质、地下水水位等水文地质条件，微地形以及有无断层破碎带等。 基岩上地震动
22、幅值小、持续短、震害轻1976年唐山地震，1996年丽江地震建在基岩上的毛主席塑像未受到破坏。,深厚覆盖层上地震动周期长巨厚冲积层上低加速度的远震可以使高层或其它长周期建筑物遭到破坏。引起破坏的主要原因是共振，这类自由震动长周期的结构在厚层冲积层上易于产生共振则表明厚层冲积层上地表震动周期往往比较长。1985年9月19日，墨西哥城Michoacam发生里氏8、1级的地震。距震中400km处的墨西哥城出现了严重的震害，地面摇动强烈，部分地区烈度达到9度，地震引起许多建筑物基础产生非常大的沉陷和倾斜，建筑物的上部结构亦遭到破坏 。墨西哥城遭受如此严重的震害与软土地基的放大作用有关,表层沉积能对基岩
23、传来的地震波起选择放大作用，某些周期的地震波在表土层中多次反射的结果，由于叠加而增强，这样就会使表层震动中这类周期的波多而长，这就是该表层土的卓越周期。也就是它的自震周期。散土层地面震动有卓越周期是它显著不同于基岩的震动特点，基岩中因为没有显著不同的介质分解面而不存在卓越周期。基岩的震动周期约为0.15s,更新统坚实土层为0.2-0.5s，全新统较松散软土层0.3-0.8s，巨厚松散软土层为0.5-1.1s。,我国的地震小区划及其演进 调整烈度小区划据同一场地内不同地段水文地质工程地质条件差异，得出各地段的场地烈度，从而区划出具不同场地烈度的各小区，每一小区按其场地烈应选用相应的地震系数(及)再按静力法确定该小区设计用地震力。区划方法是将场地划分为边长300一2000m的方格。每格内应有一代表性地层剖面和地下水埋深资科。然后根据地基土层的地震刚度(弹性坡传播速度与密度之积)、地下水位的深浅和土层共振特性的不同，确定每格内的烈度增量值。,场地地震反映及地震小区划,
