教学课件PPT工程地质学地震与活断层.ppt

第三章地震与活断层 主要内容 1 活动断裂工程地质研究2 地震工程地质研究3 诱发地震4 砂土液化 第一节区域稳定性 1 定义 指工程建设区域的现今地壳 由于天然或工程因素引起的地应力变化 主要产生构造 火山 地震等活动所造成的具有区域性的地壳表层位移和破坏的程度 2 建筑措施 1 区域地壳稳定性分析 2 合理选址 避开火山 构造 地震等活动强烈地区 3 分析构造发育史 近期构造活动情况 3 地壳表层位移及破坏 1 现代发生发展的地壳升降 翘起 褶皱 断裂 2 有区域分布的物理地质作用 如岩崩 滑坡 砂土液化 粘土塑流 地面不均匀沉降 诱发因素 应力平衡被打破 地应力变化 对工程的影响程度 1 新构造运动在较长地质年代里大范围内进行 易于避免 2 活断层危害严重 3 地震将造成灾难性损失 4 产生滑坡 泥石流 第一节区域稳定性 4 区域稳定性及边坡稳定性的工程地质研究区域稳定性重点研究抗震和抗断问题 关键是找出控制区域稳定性的优势断裂和优势段5 区域地壳稳定性问题1 区域地壳稳定性问题主要有 活断层 地震具有区域性 突发性 大灾难等性质 并且90 以上的地震是由活断层所引起的 2 活断层并不一定诱发地震 主要分 粘滑断层和蠕滑断层 其中粘滑断层是发震断层 而蠕滑断层是非发震断层 第一节区域稳定性 第二节活动断裂工程地质研究 一 活断层1 活断层定义 现今仍在活动的 近期曾经活动过的 将来可能会活动的断层 潜在的活动断层 2 对活断层的有关讨论 1 现今仍在活动的 没有任何争议 2 潜在的活动断层 对其时间上限有争议 对于曾经活动的断层 主要有 第四纪以来活动过 晚更新世之内活动过 是近3 5万年以来活动过 全新世以来活动过 第二节活动断裂工程地质研究 地壳并非铁板一块 而是由若干被称为 构造板块 的巨大固态岩石块组成的 贯穿于美国加利福尼亚州圣安德烈斯断层即为两大构造板块之间的断裂线 在这里 北美板块正在向北移动 而太平洋板块则正在向南移动 两大板块以每年约13毫米的速率相互间在一侧擦滑而过 有时 它们的通道平滑 平安无事 有时 它们相互间磨擦或碰撞 当发生断裂 脱落时 便可能引发大地震 1989年一次地震使一段1 5千米的高架公路倒坍在下面一层的公路上 许多小汽车和卡车被压坏 63人丧生 建筑物 各种设施以及水和煤气管道损值计70亿美元 约有2000万人生活在沿断层一带的地震威胁下 圣安德烈斯断层长1050千米 伸入地面以下约16千米 断层大部分是隐蔽的 但在有些地方则留下了明显的断裂痕迹 沿着断层的地壳运动有时达到相当大的规模 裂缝一侧的某条河流的断头与处于裂缝另一侧的这条河流的其余部分竟偏离了120米 圣安德烈斯断层 风火山隧道北部断裂切割表层第四系和公路的裂缝延伸特征 镜向西 美国原子能委员会 狭义上 是全新世一万年以内 广义上 能动的断层 过去3 5万年内活动过 过去50万年内反复活动过 与之有联系的断层 有地震活动记录的断层 在我国 铁路1万年内 核电站5万年内 第二节活动断裂工程地质研究 3 活断层的基本特征 1 深大断裂反复活动的产物 2 具有继承性 反复性 3 具有两种活动方式 a 粘滑断层 由突发性滑动完成 滑动迅速 b 蠕滑断层 由持续性滑动完成 滑动缓慢 第二节活动断裂工程地质研究 二 活断层研究1 产状 考虑走向 倾向 倾角 2 断层长度 断距 m 3 3 2 1lglm 断层震级 l 相应的最长地面断裂长度 以km计 第二节活动断裂工程地质研究 3 错动速率和错动周期a 错动速率 mm a 一般是通过重复精密地形测量和研究第四纪沉积物年代及其错位量而获得的 重复精密地形测量可以精确得测定活断层不同地段得现今错动速率 而第四纪沉积物年代及其错位量的研究 则只能确定活断层在最新地质时期内的平均错动速率 b 错动周期 活断层每两次突然错动的时间间隔 其主要取决于断层周围地壳应变速率和断层面锁固段的强度 与地壳应变速率和断层走向长度有关 第二节活动断裂工程地质研究 4 活断层的年龄判据 其主要判据有错断地层年龄和断层物质绝对年龄法 a 错断地层年龄 此法适用于错断断层带及其所在地质体上覆盖第四纪沉积物的条件上 b 此法是从断层内采取样品 并用专门仪器测定样品重某些矿物 岩石 化石的物理 化学性质和显微结构的变化等 用以确定绝对年龄 如下图所示 第二节活动断裂工程地质研究 第二节活动断裂工程地质研究 2 5 活断层研究举例 第二节活动断裂工程地质研究 三 活断层鉴别1 地质 地貌 水文地质特征 a 地质特征 最新沉积物的地层错开 是活断层最可靠的地质特征 一般来说 只要见到第四纪中晚期的沉积物被错断 一般其断裂带由松散的破碎物质组成 滑坡 新断层中的胶结物较少 b 地貌特征 活断层往往构成两种截然不同的地貌单元的分界线 并加强各地貌单元之间的差异性 典型的地形是 一边是断限区 一边是隆起区 两者界线孑然分明 c 水文地质特征 活动断裂带的透水性和导水性较强 因此当地形 地貌条件合适时 沿断裂带泉水常呈现状分布 且植被发育 第二节活动断裂工程地质研究 2 资料鉴别 历史地震和历史地表错断资料 记录 佐证 考古方法等 3 仪器测定 利用精密仪器进行位移测定 如 利用密集的地震台网能确切的测定小震震中位置 并确定活断层的存在 第二节活动断裂工程地质研究 四 活断层的工程地质对策区分老断层 活断层和新断层 1 进行区域稳定性研究 区别老断层 活断层和新断层 并找出优势断裂 2 选址要慎重 避开活动断裂带 主断层 重大建筑物放在下盘为主 3 采取避让 大角度相交的措施 4 建筑物采取结构措施 结构采用抗震 减震方式 第二节活动断裂工程地质研究 第三节地震工程地质研究 一 地震的有关概念1 地震 地壳表层因弹性波传播引起其振动作用的现象 分类 构造地震 火山地震 陷落地震 还有水库地震 深井注水地震 采矿和核爆炸地震等 2 地震研究 地震研究 对建筑物的破坏 场地地震效应 砂土液化 地震波传播 地震小区划 地震区选址 工程抗震 全球地震带分布图 中国地震主要分布在五个区域 台湾地区 西南地区 西北地区 华北地区 东南沿海地区和23条地震带上 我国地震带的分布 苏门答腊岛 在印尼西部 2007年3月6号发生6 6级地震 二 地震地质及地震波1 发震的地质条件 1 呈带状分布 有太平洋板块 欧亚板块 印度洋板块 美洲板块 地中海 喜马拉雅板块 环太平洋板块等交界部位 2 发生的必备条件 a 介质条件 岩性呈脆性 硬脆性岩层 b 结构条件 构造条件 如活断层断 拐 交汇 分支 错列点 c 构造应力场 积累 第三节地震工程地质研究 构造地震 地下深处岩层错动 破裂 约占全球地震数的90 以上 第三节地震工程地质研究 2 地震波 1 地震波 是弹性波 破坏的原动力 是地震发生时引起建筑物破坏的原动力 由震源发出的弹性波 2 分有 体波 通过地球本体传播的波 纵波 横波面波 由体波产生的次生波 经过反射 折射后沿地面传播的波 3 震源机制及震源参数 1 震源机制 地震发生时的物理过程 地震台网监测 解释 研究表明 可由力偶 赤平极射投影解释 2 震源参数 地震发生时 震源处的一些物理量用来描述震源物理过程 由断层面的走向 倾向 倾角 断层两盘的错动方向 幅度 震源断层长度 震源主应力状态等组成 第三节地震工程地质研究 3 震级 由地震发生时释放出的能量大小的尺度 能量大则震级大 a 震级 m lga a 振幅 距离震中100km处地面标准地震仪所记录的以微米表示的最大振幅的对数值 b 在我国 使用的是非标准地震仪 近震 距离1000km 采用面波震级 ms lg au t max c au 微米表示的实际地动位移 r 起算函数 t 面波周期 面波起算函数 c 站台校正值 第三节地震工程地质研究 c 能量和震级 lge 4 8 1 5m 则m 2 3 lge 3 2d 震级上限 震级在理论上是没有上限的 实际上是由于岩体强度有限 目前已经记录的最大震级为8 9级 第三节地震工程地质研究 4 烈度 衡量地震引起的地面振动强烈程度的尺度 于震源分布 传播介质 震源深度 震中距等有关 烈度表 大多数烈度表反映的烈度缺乏定量标准 以致烈度的评介不够准确 为了使宏观烈度定量化 国内外地震工作者力求用与振动有关的物理量来划分烈度 在地震烈度六度以上必须进行抗震设计 基本烈度 在今后一定时间内 100年 和一定地区范围内一般场地条件下可能遭遇的最大烈度 作为工程抗震设计的一般依据 设防烈度 使抗震设计采用的烈度 对于一般建筑物采用基本烈度 中大建筑物应提高烈度级别 六级以上必须进行抗震设计 第三节地震工程地质研究 4 地震带分布及地震地质基本特征 1 基本分布规律 板块接缝和板内地震 2 我国有23个地震带 3 5点基本特征 a 强震活动发生在区域地震带内 受构造活动影响 b 我国大陆地区地震受控于现代构造应力场特征 c 强震活动经常在断裂带应力集中的特定地段上 d 绝大多数强震发生在一些稳定断块边缘的深大断裂上 而稳定断快内部很少活基本没有强震分布 e 裂谷断陷盆地控制了强震发生 第三节地震工程地质研究 5 地震工程分析 1 振动破坏效应a 静力分析 建筑物刚性 地震力不变 加速度各处不相等 水平状态 p m a0max w kc 垂直状态 p m a0 max w kc 其中 kc a0max g kc a0 max g 一般建筑物的竖向安全系数储备较大 能承受附加的垂直地震荷载 可以不考虑铅直地震荷载的影响 第三节地震工程地质研究 b 动力分析法 采用反映谱法 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运动 主要参数有 卓越周期和地震影响系数卓越周期 震源发出地震波传到地表岩土体 迫使其振动 由于表层岩土体对不同周期的地震波有选择放大作用 某种岩土体总是以某种周期的弹性波选择放大尤为明显和突出 使地震记录图上的这种波记录得多而好 也为特征周期 地震影响系数 amax g 第三节地震工程地质研究 2 地面振动效应a 砂土液化 破坏地基基础及地面建筑物 b 破裂效应 产生地裂缝 第三节地震工程地质研究 6 场地工程地质条件对震害的影响 1 岩土体性质 岩土体得软硬程度 松软土的厚度 地层结构 相同的地震力作用下 基岩上的震害最轻 其次为硬土 而软土是最重的 松软土的厚度必须考虑特征周期的作用 2 断裂 区分为发震断裂和非发震断裂 3 地形地貌 孤立突出的地形震害加重 而低洼平坦的地形震害减轻 4 地下水 地下水埋深越浅 震害越大 埋深越深 则震害影响越不明显 第三节地震工程地质研究 7 抗震结构设计原则及措施 1 选址 震害估计正确 提出措施得力 选择抗御有力的地段 2 持力层及基础方案选择 坚硬土层 岩层 采用桩基础 提出地基的加固措施 3 采取有利的结构形式和抗震措施 平 立面简洁 设置抗震缝 加大结构体的刚度 降低其重心 第三节地震工程地质研究 第四节诱发地震 一 概念诱发地震 为人类工程活动 经济活动所引起而导致的地震活动 二 基本特征1 空间范围小 影响仅局限于局部范围 2 与人类的工程经济活动等有关 3 有序列特征 存在主地震和余地震等 4 掌握地震发生的机制 可以防范 5 采用的治理方法 创新 我国水库诱发地震部分实例 第四节砂土地震液化工程地质 4 1概述4 2砂土地震液化的机理4 3影响砂土液化的因素4 4砂土地震液化的判别4 5砂土地震液化的防护措施 4 1概述 一 定义饱水砂土在地震 动力荷载或其它外力作用下 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称为砂土液化 sandliquefaetion 或振动液化 地震导致砂土液化往往是区域性的 可使广大地域内的建筑物遭受毁坏 地點 彰化縣伸港鄉大肚溪土壤液化 921集集大地震 員林 南投 大肚溪以及台中港等地區 都有土壤液化的現象 導致地層下陷 噴砂 房屋倒塌 傾斜 破壞的情形 陷落的情形 彰化縣伸港鄉大肚溪土壤化 彰化縣伸港鄉的大肚溪口 南側河道高灘地部份 其噴砂口的形狀好像火山口 從底下湧出的泥砂 成輻射狀向四周流下 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 唐山地震造成的喷水冒砂区分布图 地震导致的砂土液化现象在饱水疏松砂层广泛分布的海滨 湖岸 冲积平原 以及河漫滩 低阶地等地区尤为发育 使位于这些地区的城镇 农村 道路 桥梁 港口 农田 水渠 房屋等工程经济设施深受其害 1 地面下沉 饱水疏松砂土因振动而趋于密实 地面随之下沉 结果可使低平的滨海 湖 地带居民生活受到影响 甚至无法生活 1964年阿拉斯加地震时 波特奇市因砂土液化地面下沉很多 每当海水涨潮即受浸淹 迫使该市不得不迁址 唐山地震时 烈度为 度的天津汉沽区富庄大范围下沉 原来平坦的地面整体下沉达1 6 2 9m 2 地表塌陷 地震时砂土中孔隙水压力剧增 当砂土出露地表或其上覆土层较薄时 即发生喷砂冒水 造成地下淘空 地表塌陷 如海城地震时 在震中以西的下辽河 盘锦地区大量喷砂冒水 一般开始于主震过后数分钟 持续时间5 6小时甚至数日 喷出的砂水混合物高达3 5m 形成许多圆形 椭圆形陷坑 坑口直径3 4m至7 8m 深数十厘米至数米 给交通和水利设施 农田 房屋 地下管道和油井等造成严重损害 唐山地震时 自滦河口以西直至宁河一带 数千平方公里范围内到处喷砂冒水 使十几万亩农田被喷砂掩覆 十几万口机井淤塞 不少房屋和公路 铁路桥墩毁坏 3 地基土承载力丧失 持续的地震动使砂土中孔凉水压力上升 而导致土粒间有效应力下降 当有效应力趋于零时 砂粒即处于悬浮状态 丧失承载能力 引起地基整体失效 如1064年日本新泻地震 由于地基失效使建筑物倒塌2130座 严重破坏6200座 轻微破坏达31000座 唐山地震时 唐山和天津地区的许多房屋 桥梁和铁路路段也因地基失效而破坏 4 地面流滑 斜坡上若有液化土层分布时 地震会导致液化流滑而使斜坡失稳 1960年智利8 9级大震时 内华湖附近圣佩德罗河上最大一个滑坡体的发生 是由于粘土层中含有大量粉砂土透镜体的液化所致 图3 2 有时场地地面极缓甚至近于水平也发生滑移 如1971年美国圣费尔南德地震滑移地段 地面坡度仅2度 唐山地震时 天津市河东区柳林一带的严重滑移 也为水平场地 砂土液化在宏观震害中的双重作用 即产生液化的场地往往比同一震中距范围内未发生液化场地的宏观烈度要低些 这是因地震剪切波在此层中受阻 流体不能传递剪力 使传至地面上的地震波相应地衰减 砂土地震液化问题 作为一种自然灾害现象进行深入研究 从20世纪60年代才开始 1864年阿拉斯加和新泻两次地震所造成的严重破坏 均为砂土液化的缘故 故在美国 日本和其它一些国家的工程地质界引起了很大的关注 4 2砂土地震液化的机理 砂土地震液化的机理影响砂土液化的因素砂土地震液化的判别防护措施等问题 4 2砂土地震液化的机理 饱和砂土是砂和水的复合体系 砂土是一种散体物质 它主要依靠颗粒间的摩擦力承受外力和维持本身的稳定 而这种摩擦力主要取决于粒间的法向压力 水是一种液体 它的突出力学特性是体积难于压缩 能承受极大的法向压力 不能承受剪力 泡和砂土由于孔隙水压力pw0作用 抗剪强度将小于干砂的抗剪强度 0即为有效法向压力 显然 0 在地震过程中 疏松的饱和砂土在震动引起的剪应力反复作用下 砂粒问相对位置必然产生调整 而使砂土趋于密实 以期最终达到最稳定的紧密排列状态 砂土要变密实就势必排水 在急剧变化的周期性荷载作下 伴随孔隙度减小 必须排挤出一些水 且透水性变差 如果砂土透水性不良而排水不通畅的话 则前一周期的排水尚末完成 下一周期的孔隙度再减少又产生了 应排除的水来不及排走 而水又是不可压缩的 于是就产生了剩余孔隙水压力或超孔隙水压力 excessporepressure 随振动持续时间的增长 剩余孔隙水压力不断叠加而积累增大 而使砂土的抗剪强度不断降低 甚至完全丧失 砂土液化判别砂土的抗剪强度 与作用于该土体上的往复剪应力 d的比值来判定砂土是否会发生液化 当 d 1时 不会产生液化当 d 1 处临界状态 砂土开始发生剪切破坏 此时称为砂土的初始液化状态砂土的抗剪强度随振动历时增大而降低 当 d 1时 则沿剪切面的塑性变形增加 导致剪切破坏加剧 而当孔隙水压力继续上升 直至与总法向压力相等 有效法向压力及抗剪强度均下降为零 即当 d 0时 砂土颗粒间将脱离接触而处于悬浮状态 此时即为完全液化状态 可将砂土液化的发展过程划分为三个阶段 稳定状态 d 1 临界状态或初始液化状态 d 1 完全液化状态 d 0 从初始液化状态至完全液化状态往往发展很快 二者界线不易判断 为了保证安全 可把初始液化视作液化 液化的形成过程和机理 西德 h b seed 等人自1966年就进行室内动力剪切试验 发现变向循环荷裁 振动 作用下饱和砂土最易液化 循环荷载三轴压缩试验 动三轴剪 试样首先在各向均等的静压力 a下固结 然后在不排水条件下同时在竖向上施加 1 2 d 压 拉 侧向施加 1 2 d 压 拉 的循环荷载 循环荷载的频率近乎地震频率 即l 2r s d max 1 3 2 d 2为最大循环剪应力 取松砂和密砂试样分别进行试验 发现试验结果明显不同 当随着动荷载循环周期数的增加 孔隙水压力不断增大 直至pw a时 砂的剪切变形开始增大 继续反复加荷 松砂变形迅速加大 不久即全液化 而密砂变形则缓慢增大 难于全液化 当饱和砂土完全液化时 在一定深度z处的总孔隙水压力pw pw0 假设地下水面位于地表面 其中 m g z 则 pw m g z w g z m w g z g z 式中 m 分别为砂土的饱和密度和浮密度 w为水的密度 砂土的深度愈大 完全液化时的超孔隙水压力就愈大 当地表有不透水的粘土盖层时 超孔隙水压力超过盖层强度或盖层有裂缝时 就沿裂缝产生喷砂冒水 4 3影响砂土液化的因素 饱和砂土和地震是发生振动液化的必备条件 土的类型及性质饱和砂土的埋藏分布条件地震动的强度及历时 土的类型及性质 土的类型及性质是砂土液化的内因 宏观考察资料表明 极易液化土的特征是 平均粒度0 02 0 10mm 粘粒含量 10 粉细砂土最易液化 随着地震烈度的增高 亚砂土 轻亚粘土 中砂土等也会发生液化 我国对邢台 通海和海城地震砂土液化的78件喷砂样品粒度分析表明 粉 细砂土占57 7 亚砂土 ip 7 占34 6 中粗砂土及轻亚粘土 ip 7 10 占7 7 而且全部发生在烈度为 度区内 唐山地震时天津市区为 度区 出现许多亚砂土和轻亚粘土液化现象 其界限是 粉粒含量大于40 极易液化 粘牲含量大于12 5 则极难液化 粉粒含量大有助于液化 粘粒含量大则不易液化 密实度松砂极易液化 密砂不易液化 相对密度dr80 时 不易液化 成因及年代多为冲积成因的粉细砂土 如滨海平原 河口三角洲等 沉积年代较新 结构松散 含水量丰富 地下水位浅根据我国一些地区液化土层的统计资料 最易发生液化的粒度组成特征值是 平均粒径 d50 为0 02 0 10mm 不均粒系数 为2 8 粘粒含量小于10 二 饱和砂土的埋藏分布条件 饱和砂层埋藏条件主要包括饱水砂层的厚度 砂层上非液化粘性土层厚度以及地下水埋深这三方面 它们决定了超孔隙水压力和有效覆盖压力的大小 饱水砂层愈厚 地震变密时所产生的超孔隙水压力愈大 当液化砂层埋藏较深 上覆以较厚的非液化粘性土层时抑制了液化 而直接出露地表的饱水砂层最易于液化 一般饱水砂层埋深大于20m时难于液化 可以把液化最大地下水埋深定为5m 因为当地下水埋深为3 4m时 液化现象很少 三 地震动的强度及历时 地震震动的强度和历时是砂土液化的动力 显然 地震愈强 历时愈长 则愈易引起砂土液化 且波及范围愈广 破坏愈严重 4 4砂土地震液化的判别 工程设计需要的判别内容应该包括 估计液化的可能性 估计掖化的范围 估计液化的后果 判别砂土地震液化可能性的方法较多 近年来国内外最常用的三种方法 标准贯入击数法 剪应力对比法综合指标法 1 标准贯入击数法 我国已将此法列入 建筑抗震设计规范 gb 50011 2001 在砂土液化现场以砂层埋深3m 地下水埋深2m作为基本健况 通过标贯试验找出不同地震烈度下的临界贯入击数 当烈度为 度时n0 6 度时n0 10 度时n0 16 采用下述经验公式修正 n n0 1 0 125 h 3 0 05 h 2 式中 h为砂土埋深 m h为地下水埋深 m 如果实际贯入击数大于临界贯入击数 则不液化 反之即液化 此法适用于饱水砂土埋深在15m范围之内 试验操作方法标准 以用泥浆回转钻进 自动脱钩控制吊锤 对于重要的工程 每层土不应少于5个钻孔 试验次数不应少于15次 分层求取平均值以消除偶然误差 临界贯入击数随深度的变化 在近地表处为垂直线 向下转折成斜线 总体应为一条折线 2 剪应力对比法 此法是希德在日本新泻地震后提出的 是目前国内外比较流行的判别方法 其原理是 引起砂土液化的地震剪切波大致以垂直方向自基岩向覆盖层传播 并在不同深处产生随时间而变化的不均匀的反复剪切应力 当地震剪切波在砂土中引起的剪应力超过该砂土的抗剪强度时 pz 1 2 cr pz为某深度z处的有效上覆压力 1 2 为动三轴压缩试验所求得的应力比 pz有三种情况 z处于地下水位以上 则pz g z z处于地下水位以下 则pz g h g z h 若地下水出露地表 则pz g z pz 1 2 cr dr 0 5求出 后再与 d max值对比 即可判别液化的可能性 3 综合指标法 由于砂土液化的影响因素较多 从实际资料中加