1、工程地质学,ENGINEERING GEOLOGY主讲人：刘岁海lecturer：Liu Suihai,地震工程地质研究,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。,分类,按成因分类,震源深度,按震级M大小, 地震序列：在一定时间内（一般是几十天至数月）相继发生在同一地区一系列大小地震称为地震序列。 主震：在某一地震序列中，其中最大的一次地震叫主震。 前震：在主震之前发生的地震。 余震：在主震之后发生的地震。,余震时间序列图(5级以上),5.12 汶川特大地震主震余震分布图, 主震型地震：
2、在一个地震序列中，若主震震级很突出，其释放的能量占全序列中的绝大部分，叫主震型地震。是一种破坏性地震类型。 震群型或多发型地震：在一个地震序列中，若主震震级不突出，主要地震能量是由多个震级相近地震释放出来的。 孤立型或单发型地震：在一个地震序列中，若前震和余震都很少，甚至没有，绝大部分地震能量都是通过主震一次释放出来的。,发生地震的根本原因是地球内部物质处在不断运动中，一般把地球分为地壳、地幔和地核等部分。其中地幔又分为岩石圈、软流圈以及下地幔部分。由于温度的差异，地幔发生大规模的对流，带动了上覆的岩石圈运动，板块产生大规模的漂移运动。在各板块的接缝部位或张裂部位，产生岩块的碰撞、挤压和强烈变
3、形，应力在某些部位高度集中，在超过岩块强度极限的时候，产生突然破裂，引起大地剧烈振动，地震波向四周发射。产生地面变形、开裂和建筑物的严重破坏。,构造地震最严重一类，数量多规模大，波及面广，破坏性大，世界90%以上属于此类。,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级以上强烈破坏性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-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，其中上世纪以来破坏性地震达6000多次；据12001989年资料统计，7级地震147次，8级及其以上巨大地震共19次。建国以来发生
4、=7级的地震 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。,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往往给人类生命以极大威胁，造成经济财产巨大损
5、失。,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）。,19002008年世界各国地震死亡人数直方图,(南投集集镇),地震引起
6、大坝破坏(台中石岗),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),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
7、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,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,芦山地震区活动断层与余震分布图,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
8、），破坏源动力，信息载体，透、反、折射传播。,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,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）,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
9、P、S波。,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。,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,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,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，
10、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,中国地震局发布汶川8.0级地震烈度分布图,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
11、害程度，加速度和速度（参考）等，划分为12级。,（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。,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
12、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,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。,2、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
13、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。,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。,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
14、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。,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,(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。,(3)、强震
15、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。,3、我国大陆地震活动与现代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。,4、我
16、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，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。,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。,1,3,1,3,单力偶,双力偶,2、震源参数
17、：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形推求断层位量、方向、错距、类型等,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,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
18、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,二、地面破坏效应,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,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。,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,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）,日本新泻
19、1964年地震时砂土液化影响,唐山地造成的喷水冒砂区分布图震,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do+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液化土特征深度（m）, 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：,
20、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,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,等级判别：I15 严重
21、，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。,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,三、斜坡破坏效应,如：滑坡、崩
22、塌等（下章学习）,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,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
23、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,（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,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）,（4）、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
24、）较之平地的地震烈度高0.5-2度。 原因：弧立处产生驻波作用，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。,（5）、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。,（6）、断裂影响发震断裂：强震时的地表变形破裂，对跨越其上的建筑物来说是不可抵御的，所以采取提高烈度的办法无济于事，而应在选址时避开非发震断裂：若破碎带胶结较好，则并无加重震害的趋势。所以，非发震断裂应根据断裂带物质的性质，按一般岩土对待即可，不应提高烈度,第五节 震区抗震原则及措施,一、
25、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,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4、建筑物结构设计要加强整体强度，提供抗震性能,三、建筑物结构型式和抗震措施 1、在强震区的工业与民用建筑，其平立面形状以简单方整为好，否则应在转折处或层数变化处留抗震缝2、减轻结构重量，降低重心，加强整体性，并有足够的刚度和强度3、木架结构抗震措施加支撑4、砖混承重墙结构抗震措施灰浆强度、补强措施5、高层建筑钢筋混凝土结构,思考题1.解释震级、烈度的含义，基本烈度与场地烈度的区别。 2.地震效应的类型。 3.场地地质条件对震害的影响。,END,
