2-地震工程地质研究

第二章地震工程地质研究,第一节概述,地震(earthquake)就是地球表层的快速振动，在古代又称为地动。它就象刮风、下雨、闪电、山崩、火山爆发一样，是地球上经常发生的一种自然现象。它发源于地下某一点，该点称为震源(focus)。振动从震源传出，在地球中传播。地面上离震源最近的一点称为震中，它是接受振动最早的部位。大地振动是地震最直观、最普遍的表现。在海底或滨海地区发生的强烈地震，能引起巨大的波浪，称为海啸。地震是极其频繁的，全球每年发生地震约500万次，对整个社会有着很大的影响。,一.几个概念1.地震：地壳表层弹性波传播所引起的震动作用或现象.是地壳运动所表现出来的一种现象。地震是地球内部介质局部发生急剧的破裂，产生地震波，从而在一定范围内引起地面振动的现象。2.震源：地壳内部震动的发源地。3.震中：震源在地面上的投影.。4.震源深度：震中到震源的距离。5.震域：地面上地震所涉及的范围。6.震中距：震中距观察点的距离。7.极震区：破坏性地震的地面振动最烈处称为极震区，极震区往往也就是震中所在的地区。,二.分类1.按成因分类1）构造地震:由地球构造运动引起的地震。是由于地下深处岩层错动、破裂所造成的地震，约占地震总数的90,其破坏性最强,规模最大,数量最多,为主要研究对象。2）火山地震:由火山活动引起的地震.震源较浅,数量较少,约占7,主要分布于火山活动带.3）陷落地震:在重力作用下,由山崩或地下.地面塌陷引起.占3。4）诱发地震:由于水库蓄水、油田注水等活动而引发的地震称为诱发地震。这类地震仅仅在某些特定的水库库区或油田地区发生。是由人类活动诱发形成的地震。5）人工地震：地下核爆炸、炸药爆破等人为引起的地面振动称为人工地震。人工地震是由人为活动引起的地震。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。,2.按震源深度分类可分为浅源地震(震源深度小于70公里);中源地震(70-300公里)和深源地震(大于300公里)。破坏性地震一般是浅源地震。如1976年的唐山地震的震源深度为12公里。3.按震中距分类:分为地方震(震中距小于100公里);近震(小于1000公里)和远震(大于1000公里).4.按震级分类:弱震(震级小于3);有感地震(3-4.5);中强地震(4.5-6)和强震(大于6).其中震级大于或等于8级的又称为巨大地震。3级以下的地震人无感觉，称为微震；5级以上的地震具有不同程度的破坏性，称为破坏性地震。三.地震灾害,我国最著名的八大地震,序号地震名称日期时间震级(Ms)震中烈度震源深度(Km)1河北邢台地震1966.3.805:29:14.06.8IX10河北宁晋东汪1966.3.2216:19:46.07.2X102云南通海地震1970.1.501:00:37.07.7X133四川炉霍地震1973.2.618:37:08.37.9X174云南昭通地震1974.5.1103:25:18.37.1IX145辽宁海城地震1975.2.0419:36:06.07.3IX126云南龙陵地震1976.5.2920:23:18.07.3IX241976.5.2922:00:22.57.4IX207河北唐山地震1976.7.2803:42:53.87.8XI228四川松潘地震1976.8.1622:06:46.27.2IX241976.8.2311:30:10.07.2VIII23,二十世纪以来的八大最强地震,苏门答腊岛附近海域2005年3月28日(北京时间29日零时9分)发生里氏8.5级地震，这是自1900年以来人类历史上发生的八大最强烈地震之一。造成300多人死亡。以下是八次大地震的基本情况(按震级排列)：1、智利大地震(1960年5月22日)：里氏9.5级。发生在智利中部海域，并引发海啸及火山爆发。此次地震共导致5000人死亡，200万人无家可归。2、美国阿拉斯加大地震(1964年3月28日)：里氏9.2级。此次引发海啸，导致125人死亡，财产损失达3.11亿美元。阿拉斯加州大部分地区、加拿大育空地区及哥伦比亚等地都有强烈震感。3、美国阿拉斯加大地震(1957年3月9日)：里氏9.1级，发生在美国阿拉斯加州安德里亚岛及乌那克岛附近海域。地震导致休眠长达200年的维塞维朵夫火山喷发，并引发15米高的大海啸，影响远至夏威夷岛。,4、(并列)印度尼西亚大地震(2004年12月26日)：里氏9.0级，发生在位于印度尼西亚苏门答腊岛上的亚齐省。地震引发的海啸席卷斯里兰卡、泰国、印度尼西亚及印度等国，导致约30万人失踪或死亡。4、(并列)俄罗斯大地震(1952年11月4日)：里氏9.0级。此次地震引发的海啸波及夏威夷群岛，但没有造成人员伤亡。5、厄瓜多尔大地震(1906年1月31日)：里氏8.8级，发生在厄瓜多尔及哥伦比亚沿岸。地震引发强烈海啸，导致1000多人死亡。中美洲沿岸、圣-费朗西斯科及日本等地都有震感。6、(并列)印度尼西亚大地震(2005年3月28日)：里氏8.7级，震中位于印度尼西亚苏门答腊岛以北海域，离三个月前发生9.0级地震位置不远。目前已经造成1000人死亡，但并未引发海啸。6、(并列)美国阿拉斯加大地震(1965年2月4日)：里氏8.7级。地震引发高达10.7米的海啸，席卷了整个舒曼雅岛。,7、中国西藏大地震(1950年8月15日)：里氏8.6级。2000余座房屋及寺庙被毁。印度雅鲁藏布江损失最为惨重，至少有1500人死亡。8、(并列)俄罗斯大地震(1923年2月3日)：里氏8.5级，发生在俄罗斯堪察加半岛。9、(并列)印度尼西亚大地震(1938年2月3日)：里氏8.5级，发生在印度尼西亚班达附近海域。地震引发海啸及火山喷发，人员及财产损失惨重10、(并列)俄罗斯千岛群岛大地震(1963年10月13日)：里氏8.5级，并波及日本及俄罗斯等地。,第二节地震地质和地震波基础,一.地震发生的地质条件全球震中总体呈带状分布,可划分出环太平洋,地中海喜马拉雅,大洋海岭及大陆裂谷四大地震活动带.板块交接部位和大洋板块中脊近期构造运动最活跃。经分析,介质条件,结构条件和构造应力场条件是强震发生的必备条件.介质条件:硬脆性的介质材料能积累很大的弹性应变能,当超过岩体的极限强度时,会导致突然脆性破裂,大量释放应变能而产生地震;软塑性的介质材料在应力作用下多以塑性形变来调节,应变能逐渐释放,故不可能产生强震.,一）世界范围内的主要地震带及其形成的大地构造环境1环太平洋地震带这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。以浅源地震为主，中源地震在帕米尔、喜马达雅地区有所分布，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是多为强震，所以以前未被人注意，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才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30km，震级除少数例外均不超5级。,结构条件:大量震例表明,活断层上地应力高度集中部位才能发生强震,这些部位是:活断层的端点,拐点,交汇点,分支点和错列点,这些锁固段即为控制地震源.构造应力场条件:强震一般都发生在新构造活动强烈的地段,故对新构造应力场的研究具有重要意义.它有助于判断现代构造应力场的特征.据介质断裂特征和构造应力状态的不同,可将地震分四类:单一主震型;主震-余震型;前震-主震-余震型和群震型.,二.地震波基础1.地震波:地震时震源释放的应变能以弹性波的形式向周围传播,这种弹性波就是地震波.它是地震破坏的原动力.2.分类1)体波:分为纵波和横波纵波(P波,膨胀波,疏密波,初波):由震源传出,质点振动与波前进方向一致或相反.一疏一密前进其周期短,振幅小,速度快.横波(S波,剪切波):由震源传出,质点震动方向与波前进方向垂直,其周期长,振幅大,速度慢,只能在固体介质中传播.纵波最先到达,故也称初波(P波,primarywave),横波次之,故亦称次生波(S波,secondarywave).2)面波(L波):体波达地表后激发的次生波,只限于地面运动,故称面波.其振幅最大,波长和周期最长,故称L波(longwave),又分两种:瑞利波和勒夫波.,三.震源机制和震源参数1.震源机制:地震发生的物理过程或震源物理过程.扼要地说是分析地震的发动方式,并从而推断地震的直接成因.P波初动的推拉分布能确定出震源物理过程,研究证实,震源断层发生地震时,不同地区波初动呈压缩和拉伸有规律分布,此可用单力偶和双力偶模式解释:1)单力偶模式:2)双力偶模式:,平移断层正断层逆断层,2.震源参数:地震发生时震源处的一些特征量或震源物理过程的一些物理量,可由地震记录图按弹性变位理论进行复杂计算求出.还可以由多种途径定性求解:1)震源机制断层面解(P波初动);2)等震线的几何特征;3)地表地震断层和裂缝带;4)大地测量资料等,第三节地震震级和烈度,一.地震震级是表示地震本身大小的尺度,是由地震释放出来的能量大小所决定的.释放出的能量越大则震级越大.因一次地震释放出的能量是固定的,故无论在何地测定都只有一个震级.震级(M)是距震中100km处标准地震仪(自振周期0.8秒,阻尼比0.8,放大倍率2800倍)在地表所记录的以微米表示的最大振幅(A)的对数值:M=logA修正:计算近震用体播震级Mb:Mb=logA+R()计算远震用面波震级Ms:Ms=log(A/T)max+()+c体波震级与面波震级关系:Ms=1.13Mb-1.08,二.地震烈度1.概念：衡量地震所引起的地面震动强烈程度的尺度。它不仅取决欲地震能量，还受震源深度、震中距、地震波传播介质的性质等因素制约。在不同地点，烈度大小是不同的。故地震烈度可定义为：地震时一定地点地面震动强弱的尺度，是该地点范围内的平均值。地震烈度是根据地震时人的感觉、建筑物的破坏程度等宏观标志来划分，经各类标志的对比分析来划分。将烈度相同的地区用等烈度线联结成封闭的曲线即为等震线图。其中最大烈度的中心即为震中。,2.分类：可分为基本烈度、场地烈度和设防烈度三种。1）基本烈度：是指今后一定时期内（一般取100年或几百年），在一定地域范围内，一般场地下可能遭遇的最大烈度。用以指导工程设计。2）场地烈度：据建筑场地具体工程地质条件对基本烈度调整或修正得出的烈度。它可大于或小于基本烈度。3）设防烈度：亦称设计烈度，是抗震设计所采用的烈度。它是据建筑物的重要性、经济性等的需要，对基本烈度的调整。,第四节地震效应,地震效应：在地震影响范围内，在地面出现的各种震害或破坏作用。可分为振动破坏效应、地面破坏效应和斜坡破坏效应。一.振动破坏效应1.概念：由于地震力作用直接引起建筑物的破坏。2.分析方法：有净力法和动力法。1）净力法：设建筑物重为W，质量为W/g，地震时介质质点的最大水平加速度amax=T(2/T),A振幅,T振动周期，则在地震波作用下，建筑物所承受的最大水平惯性力（水平惯性力）P为：P=Wamax/g令Kc=amax/g,则P=KcW式中：g为重力加速度，a为最大水平加速度，Kc为。水平地震系数。地震力既有水平，亦有垂直的。垂直地震力P:P=KcWKc=amax/g式中Kc和amax分别为垂直地震系数和最大垂直加速度。,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（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，,动力法：目前最常用的方法是简化反应谱法。她假定借光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。结构动力特征中的两个最重要的参数是自振周期和阻尼比，对一定的阻尼比，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一曲线，取几个阻尼比就可给出一组曲线，这一组曲线就是最大位移（或最大速度、最大加速度）反应谱。据此可计算出相应的应力状态。,地面破坏效应可分为破裂效应和地基效应两种.1.地面破裂效应:指强震导致地面岩土体直接出现的破裂和位移,从而使附近或跨越破碎带的建筑物变形或破坏.2.地基效应:指地震使松软土体压密下沉、砂土液化、淤泥塑流变形等，从而导致地基失效，使上部建筑物破坏。3.斜坡破坏效应：由地震引起斜坡的变形和破坏，包括崩塌、滑坡或泥石流等，主要发生在陡峭山区和丘陵地带。,第五节场地工程地质条件对震害和地震动的影响,场地条件一般指地形地质条件，如近地表几十米至几百米内的地基土石性质、地下水位等水文地质条件，微地形以及有无断层破碎带等。一.岩土类型及其性质1.基岩上地震动幅度小、持时短、震害轻许多震例标明，与其它地基相比，基岩地基上的结构物震害总是较轻，一般震害按坚硬基岩砾岩致密粘性土饱水粉细砂淤泥及人工填土的顺序增强。,2.松散沉积物厚度的影响：深厚松散覆盖层上地震动周期长，沉积物厚度越大，震害越大。因土质愈松软，厚度加大，特征周期愈长，故对建筑物可引起共振，加重震害。3.地层结构对震害的影响对双层结构的地基，如软弱土层在表层，则地基抗震性能差；若软弱层在下部，其上为较坚实的粘土层覆盖，则地基抗震性能较高。,二.地质构造主要指场地内断裂的影响，分发震断层和非发震断层分别考虑。1.发震断层：是具以下特点的活断层：1）能突然错动并释放出弹性应变能；2）会在工程使用年限内产生突然错动。发震断层是引起地基和结构震动的地震波的来源和发震时断层面两侧有相对错位的地方，故震害较其它地动重。2.非发震断层：指场地内与震源无构造联系的断层。据统计，非发震对震害无明显的影响。,三.地形地貌条件据统计，使地震动加强的地形为突出孤立地形，相反，低洼河