7 地震工程地質(zhì)研究

地震工程地質(zhì)

第一節(jié)概述

地震:在地殼表層,因彈性波傳播所引起的振動(dòng)作用或現(xiàn)象。

構(gòu)造地震火山地震陷落地震誘發(fā)地震按成因分類

淺源地震：0<70km大陸地震多屬此類，占73%，30km以內(nèi)更多中源地震：70~300km占23%深源地震：>300km占4%，最深達(dá)720km震源深度

大地震：M>=7級(jí)強(qiáng)烈破壞地震中地震：7>M>=5破壞性地震小地震：5>M>=3,2-4級(jí)有感地震微地震：3>M>=1

超地震：M<=1按地震M級(jí)大小構(gòu)造地震最嚴(yán)重一類，數(shù)量多規(guī)模大，涉及面廣，破壞性大，世界90%以上屬于此類。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界每年大約發(fā)生幾百萬(wàn)次地震，人們能感覺到的僅占1％左右，7級(jí)以上強(qiáng)烈破壞性的災(zāi)害性地震每年多那么二十幾次，少那么三、五次。我國(guó)位于環(huán)太平洋和地中海一南亞兩個(gè)地震帶之間，是一個(gè)多地震活動(dòng)的國(guó)家。

在我國(guó)三千多年的歷史資料中，記錄地震近萬(wàn)次，其中上世紀(jì)以來(lái)破壞性地震達(dá)6000屢次；據(jù)1200～1989年資料統(tǒng)計(jì)，7級(jí)地震147次，8級(jí)及其以上巨大地震共19次。建國(guó)以來(lái)發(fā)生>=7級(jí)的地震12次。我國(guó)地震分布以西南、西北、華北、東南沿海和臺(tái)灣省區(qū)破壞性地震最多。其中臺(tái)灣尤甚，大震多，頻度高；新疆和西藏次之。假設(shè)以地震烈度6度為輕微以上破壞性標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)約575萬(wàn)平方公里屬于輕微以上破壞區(qū)，其中，寧夏、蘭州、?？?、北京、太原、大同、西安、昆明、天津、呼市、汕頭位于8度區(qū)。一次6級(jí)地震可釋放6×1020爾格的能量，大致相當(dāng)于30～40萬(wàn)噸TNT炸藥的巨大爆炸，7級(jí)地震可釋放2×1022爾格的能量，8級(jí)地震可釋放6×1026爾格的能量。可見地震釋放能量之大。而且絕大局部能量的集中釋放，于數(shù)秒種內(nèi)完成。因此，地震災(zāi)害的猝發(fā)性和沉重性往往給人類生命以極大威脅，造成經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)巨大損失。據(jù)美國(guó)聯(lián)邦政府統(tǒng)計(jì)，僅二十世紀(jì)以來(lái)，全世界就有12O余萬(wàn)人遇難于地震災(zāi)害；五十年代以來(lái)，全球破壞性地震造成的經(jīng)濟(jì)損失已逾2000億美元。地震災(zāi)害是最重要的自然災(zāi)害之一。中國(guó)的地震災(zāi)害又居世界之首。在我國(guó)歷史記載中，1556年陜西華縣地震8級(jí)死亡人口達(dá)83萬(wàn)；1920年寧夏海原地震死亡人數(shù)也超過(guò)20萬(wàn)。令人痛心的1976年唐山地震7.9級(jí)，死亡24.2萬(wàn)多人，工業(yè)城市毀于一旦，直接經(jīng)濟(jì)損失100億元，為世界地震史所罕見。還有66年的邢臺(tái)地震，70年通海地震，75年海域地震?！参覈?guó)這些地震震源深都在13km左右〕。我國(guó)有3000多年地震記錄歷史，創(chuàng)造了地震儀，編制了地震區(qū)劃圖，制定了抗震標(biāo)準(zhǔn)，建立了地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)，組建了諸多地震研究工作機(jī)構(gòu)及一大批從事地震的科技工作者。工程地質(zhì)研究：區(qū)域穩(wěn)定性問(wèn)題，建筑抗震，建筑場(chǎng)地選擇，地震穩(wěn)定性，抗震措施工程地質(zhì)論證——為規(guī)劃設(shè)計(jì)提供依據(jù)。第二節(jié)地震基礎(chǔ)知識(shí)一、幾個(gè)概念：1、震源：地震發(fā)源地〔能量E、深度H〕2、震中：震源正對(duì)著的地面3、震中距：地面受地震影響的位置距離震中的距離4、震源深度：震中到震源的垂向距離5、地震區(qū)〔烈度>6度區(qū)〕；地震作用；遠(yuǎn)場(chǎng)〔烈度衰減2度以上〕近場(chǎng)地震6、地震波：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)，彈性波，能量傳播，產(chǎn)生振動(dòng)〔地震力〕，破壞源動(dòng)力，信息載體，透、反、折射傳播。體波：通過(guò)地球本體傳播的波面波：體波經(jīng)過(guò)反射、折射后，在介質(zhì)的界面或自由面（如地面）傳播縱波（P）：壓縮波，對(duì)應(yīng)于介質(zhì)體應(yīng)變，三維擴(kuò)散橫波（S〕：剪切波，對(duì)應(yīng)于切應(yīng)變，二維擴(kuò)散破壞

性最大

體波瑞利波（R）：質(zhì)點(diǎn)在XZ面上橢圓滾動(dòng)前進(jìn)勒夫波（Q）：質(zhì)點(diǎn)在XY面上曲線前進(jìn)面波〔L〕瑞利波

振幅A周期T波長(zhǎng)波速VP波最小最短最短最快S波最大長(zhǎng)長(zhǎng)慢R波、Q波最大最長(zhǎng)最長(zhǎng)最慢地面為自由界面，建筑位于其上，該面只存在面波，它對(duì)建筑的根底破壞性大；體波對(duì)建筑破壞性最大，P波能量最大，S涉及L波波長(zhǎng)大，使建筑晃動(dòng)最大。地震部門最關(guān)心P、S波。勒夫波一般情況下，一般地震外表秒，對(duì)建筑界面，P波先到達(dá)，然后是S波，最后L波。7.震級(jí)〔M〕：是衡量地震本身大小的尺度，由地震所釋放出來(lái)的能量大小所決定。M＝LOGAA：距震中100公里處標(biāo)準(zhǔn)地震儀在地面所記錄的震波最大振幅?！参⒚住硺?biāo)準(zhǔn)地震儀：自振周期0.8秒，阻尼比0.8，最大靜力放大倍率為2800。能量E〔J〕與震級(jí)〔M)關(guān)系：理論上M無(wú)上限，實(shí)際上，因地殼巖石強(qiáng)度有限，即累積應(yīng)變能有限，目前最大M為8.9級(jí)。logE=4.8+1.5M8烈度：一次地震于某地地面震動(dòng)強(qiáng)烈程度。與地震釋放的能量大小、震源深度、震中距、震域介質(zhì)條件有關(guān)。一次地震只有一個(gè)M，但有不同I。震中烈度用I0表示。震源深度和震中距越小，地表巖土越軟弱，地震烈度越大。淺源地震〔據(jù)152次大震統(tǒng)計(jì)〕震級(jí)與烈度的關(guān)系：M=0.68I0+0.98烈度是估算災(zāi)情，進(jìn)行區(qū)劃，抗震設(shè)計(jì)的直接依據(jù)。震害大小取決于地震破壞力和地物本身抗震性兩方面，烈度劃分以兩方面作為標(biāo)準(zhǔn)。目前全世界均是以一次地震造成一個(gè)地區(qū)的宏觀震害〔如房屋倒塌程度等〕，同時(shí)引入地震加速度等物理指標(biāo)作為參考，劃分烈度。國(guó)際上有數(shù)十種劃分標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)是國(guó)家地震局制定的標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)一個(gè)地區(qū)某一地震及代表性地質(zhì)條件〔一般二類土層〕建筑破壞情況劃分烈度。根據(jù)：人的感覺，房屋及器物地物震害程度，加速度和速度〔參考〕。等級(jí)：I——級(jí)幾個(gè)烈度概念：〔1〕地震根本烈度〔I基〕：一定時(shí)間和一定地區(qū)范圍內(nèi)一般場(chǎng)地條件下可能遭遇的最大烈度。一個(gè)地區(qū)的平均烈度?！?〕場(chǎng)地烈度〔I場(chǎng)〕：同一I基區(qū)，場(chǎng)地條件不同而進(jìn)一步劃分，對(duì)I基修正。〔3〕設(shè)防烈度〔設(shè)計(jì)烈度〕〔I設(shè)〕：是抗震設(shè)計(jì)所采用的烈度。依建筑物重要性、抗震性、經(jīng)濟(jì)性、對(duì)I基調(diào)整。原那么上一般建筑用I基，重要建筑適當(dāng)提高。設(shè)計(jì)部門很少用I場(chǎng)。V度區(qū)不設(shè)防。二、地震地質(zhì)基本特征1.介質(zhì)條件堅(jiān)硬巖石2.結(jié)構(gòu)條件活斷層的一些特定部位：端點(diǎn)、拐點(diǎn)、交匯點(diǎn)等。3.構(gòu)造應(yīng)力條件現(xiàn)代構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈的部位，應(yīng)力集中構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)包括1、3的大小方向，構(gòu)造應(yīng)力方向與斷層的關(guān)系。4.強(qiáng)震活動(dòng)受活動(dòng)構(gòu)造的控制5.絕大多數(shù)強(qiáng)震發(fā)生在一些穩(wěn)定斷塊邊緣的深大斷裂帶上,而穩(wěn)定斷塊內(nèi)部很少或根本沒有強(qiáng)震分布。6.裂谷型的斷陷盆地尤其是晚第三紀(jì)、第四紀(jì)新生盆地業(yè)常發(fā)生強(qiáng)震。一〕世界范圍內(nèi)的主要地震帶及其形成的大地構(gòu)造環(huán)境1環(huán)太平洋地震帶這是世界上最大的地震帶，在狹窄條帶內(nèi)震中密度也最大，全世界約80％的淺源地震、90％的中源地震和幾乎全部深源地震集中于此帶，釋放的能量約為全世界地震釋放能量的80％。很早以前就已經(jīng)知道，此帶的震源深度有自島孤外線的深海溝向大陸內(nèi)部逐步加深的規(guī)律，并解釋為大陸與大洋之間的一條傾向大陸的大斷裂面。2地中海喜馬拉雅地震帶或歐亞地震帶

僅次于環(huán)太平洋地震帶的第二大地震帶，震中分布較前者為分散，所以帶的寬度大且有分支。以淺源地震為主，中源地震在帕米爾、喜馬達(dá)雅地區(qū)有所分布，深源地震主要分布于印尼島弧。環(huán)太平洋地震帶以外的幾乎所有深源、中源和大的淺源地震均發(fā)生于此帶，釋放能量約占全球地震能量的15％。

3大洋海嶺地震帶主要呈線狀分布于各大洋的接近中部。這一地震帶遠(yuǎn)離大陸是多為強(qiáng)震，所以以前未被人注意，60年代以前不把它作為一個(gè)地震帶，海底擴(kuò)張和板塊構(gòu)造的開展才使人們注意到這一地震帶。這一帶的所有地震均產(chǎn)生于巖石圈內(nèi)，震源深度小于30km，震級(jí)除少數(shù)例外均不超5級(jí)。二)我國(guó)地震地質(zhì)的根本特征1我國(guó)強(qiáng)震空間分布及地震區(qū)帶劃分我國(guó)大于6級(jí)的強(qiáng)震的空間分布極不均勻，大致以105度為界。西部地震廣泛分布，東部地震相對(duì)稀少，震級(jí)均未到達(dá)8級(jí)。在上述兩地震區(qū)域內(nèi)強(qiáng)震分布也是極不均勻的，東部域分布于華北及東南沿海一帶，而西局部布面積大，但塔里木、準(zhǔn)噶爾和鄂爾多斯盆地等那么地震分布較為零星。2我國(guó)強(qiáng)震發(fā)生的地質(zhì)條件(1)強(qiáng)震與活動(dòng)斷裂帶的關(guān)系不同方向的斷裂的交匯部位活動(dòng)性深大斷裂的轉(zhuǎn)折部位活動(dòng)性深大斷裂的端部或其它鎖閉段(2)強(qiáng)震與斷陷盆地的關(guān)系傾斜斷陷盆地的較深、較陡一側(cè)活動(dòng)斷裂的最大斷距段上；兩盆地間或盆地內(nèi)部由橫向斷裂控制的橫向隆起帶兩側(cè)；斷陷盆地的銳角尖端，或斷陷盆地帶內(nèi)多組斷裂交匯部位；受不同方向多組斷裂控制，內(nèi)部構(gòu)造又比較強(qiáng)烈的復(fù)合盆地的次級(jí)凹陷帶上，如1966年邢臺(tái)地震。

(3)強(qiáng)震產(chǎn)生的深部構(gòu)造條件我國(guó)大陸板內(nèi)地震多發(fā)生在地殼內(nèi)10-25km深處，在我國(guó)西部還發(fā)生在地殼內(nèi)31-37km。由此可見，地殼深部構(gòu)造活動(dòng)和受力狀態(tài)，對(duì)地震的孕育和發(fā)生，是更為直接的因素。不同級(jí)別的斷裂如蓋層斷裂、基底斷裂、巖石圈斷裂和超巖石圈斷裂，層間斷裂在深部的活動(dòng)往往是地震發(fā)生的主要原因。3我國(guó)大陸地震活動(dòng)與現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)與形變場(chǎng)的關(guān)系根據(jù)大量震源機(jī)制解及地震時(shí)地表斷層錯(cuò)動(dòng)方式分析，我國(guó)廣闊地區(qū)主壓應(yīng)力以近水平方向者為主。主壓應(yīng)力仰角小于30度者占80%以上，且以東經(jīng)105o為界，可區(qū)分出兩大應(yīng)力系統(tǒng)。西部為近南北向-北北東向擠壓應(yīng)力場(chǎng)。東部為大面積的近東西的水平擠壓應(yīng)力場(chǎng)。來(lái)自板塊邊界的作用力是中國(guó)大陸新生代和現(xiàn)今構(gòu)造變形的主要?jiǎng)恿υ?我國(guó)現(xiàn)代地殼垂直形變與地震活動(dòng)的相關(guān)性研究中國(guó)大陸垂直形變的的總趨勢(shì)是南升北降，最大上升量在喜馬拉雅山地區(qū)，年速率達(dá)10mm左右。下降最強(qiáng)烈的新疆準(zhǔn)噶爾盆地，年速率為-3到-4mm。大致以銀川-昆明一線為界，西部線條密集，等值線多呈東西或北西西走向，與主要斷裂線方向一致，其地形變斷裂線多由3-4條等值線組成的梯度帶繪出，說(shuō)明其活動(dòng)強(qiáng)度較大。東部線條相對(duì)稀疏，等值線走向多為北北東向-北東向，局部為東西向及南北向，也與構(gòu)造線吻合較好。東部地區(qū)的垂直變形大致分為三區(qū)：華南-西南區(qū)，華北區(qū)和東北區(qū)。5我國(guó)大陸板塊現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)特征我國(guó)大陸處于歐亞大陸的東部，是一個(gè)被周圍板塊擠壓圍限的區(qū)域，影響板內(nèi)變形和運(yùn)動(dòng)狀況的邊界動(dòng)力環(huán)境十分復(fù)雜：〔1〕有印度板塊與歐亞大陸在喜馬拉雅一帶的碰撞及向亞洲內(nèi)部的繼續(xù)擠壓；〔2〕西太平洋板塊向亞洲大陸的俯沖與擠壓；〔3〕菲律賓板塊向西的俯沖和在臺(tái)灣一帶的會(huì)聚；〔4〕日本海、東海東部沖繩海槽及南海盆地的弧后局部擴(kuò)張。在周邊板塊碰撞或俯沖的推動(dòng)下，板塊之間就產(chǎn)生了不同形式、不同規(guī)模和速率的相互錯(cuò)動(dòng)。大體上又可分為西部板內(nèi)聚斂為主的擠壓區(qū)，東部東北、華北的拉張裂陷區(qū)和東南部處于西部擠壓與北部圍限下整體穩(wěn)定滑移區(qū)。西部擠壓區(qū)東南部滑移區(qū)東及東北部張裂區(qū)三、震源機(jī)制和震源參數(shù)1.震源機(jī)制：地震發(fā)生的物理過(guò)程或震源物理過(guò)程?？梢酝ㄟ^(guò)多個(gè)地震臺(tái)的地震記錄圖來(lái)確定。主要依據(jù)初到P波的方向。＋＋－－＋＋－－1313單力偶雙力偶2.震源參數(shù)

：反映震源斷層的一些特征量或物理量包括：斷層走向、傾向、傾角、斷層錯(cuò)動(dòng)方向、震源斷層長(zhǎng)度、寬度、斷層錯(cuò)距、震源應(yīng)力方向等。求解：〔1〕震源機(jī)制解〔2〕等震線的幾何特征〔3〕根據(jù)第一章介紹的經(jīng)驗(yàn)式，據(jù)震級(jí)等計(jì)算斷層長(zhǎng)度、錯(cuò)距，〔4〕根據(jù)震前后大地變形推求斷層位量、方向、錯(cuò)距、類型等

第三節(jié)地震效應(yīng)

取決于三方面：場(chǎng)地工程地質(zhì)條件；震級(jí)、震中距；建筑物類型及結(jié)構(gòu)。

地震效應(yīng)——地震作用影響所及的范圍內(nèi)，地表出現(xiàn)的各種震害和破壞。振動(dòng)破壞效應(yīng)——引起建筑物破壞地面破壞效應(yīng)——地面破裂及地基液化、沉陷等斜坡破壞效應(yīng)——滑坡等三種破壞的效應(yīng)一、振動(dòng)破壞效應(yīng)地震地面運(yùn)動(dòng)建筑物振動(dòng)建筑物破壞(強(qiáng)度、剛度、整體性不夠產(chǎn)生破裂或倒塌〕地震〔a,v,A)兩種分析方法1.靜力法2.動(dòng)力分析法二地面破壞效應(yīng)地面破裂效應(yīng)地基基底效應(yīng)地震斷層地面裂縫沉降砂土液化地基滑移1.地面破裂效應(yīng)

指地震時(shí)斷層錯(cuò)斷及地面裂縫引起的破壞。強(qiáng)烈地震均會(huì)出現(xiàn)。斷層長(zhǎng)度及寬度可按估計(jì)的震級(jí)用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。延伸數(shù)十至數(shù)百公里不等。位置一般按已有的主干斷層線或分支斷裂線出現(xiàn)。

走向斷裂—地表斷裂方向與之相吻合。逆斷裂—地表斷裂與原斷層有一定偏移。正斷裂—介于走、逆之間。

走滑型

逆斷型

正斷型

AD、AB、AD最易出現(xiàn)的斷裂及范圍。主要產(chǎn)生于上盤。產(chǎn)生的可能性：與斷層活動(dòng)方式、震源深、M、覆蓋層厚等有關(guān)?！?〕斷裂活動(dòng)就可能產(chǎn)生地表斷裂。〔2〕與上部土層厚有關(guān)。臨界厚度

—土層剪損應(yīng)變臨界值，硬土5%，軟土10%。—下部斷裂錯(cuò)動(dòng)垂直位移〔m〕，一般<3m。

一般覆蓋層30-50m以上很少出現(xiàn)地表斷裂。

〔3〕M>7.2級(jí)幾乎都產(chǎn)生，M=6級(jí)、震源10-30Km時(shí)，很少產(chǎn)生。地表斷裂寬度：由一條主干斷裂帶構(gòu)成，可能為狹長(zhǎng)斷面，或一個(gè)帶包括影響帶常常有幾英尺至幾十英尺以上。且逆斷層>正斷層>走滑。對(duì)于傾角45-90度斷層，寬度約等于

2.地基效應(yīng)—強(qiáng)烈震動(dòng)作用下，土體較大變形移動(dòng)，使地基承載力下降或喪失，由此造成建筑物的破壞。

薩爾瓦多地震引發(fā)泥石流1200多人遇難地基失效問(wèn)題中，滑坡、砂土液化、巖溶塌陷，這些特殊問(wèn)題必須采用專門的研究方法。下面介紹關(guān)于地基土產(chǎn)生震陷情況的評(píng)價(jià)方法。方法：影響因素綜合打分法影響因素：土類型、厚度、埋藏條件、物理力學(xué)指標(biāo)〔—承載力指標(biāo)值；—剪切波速〕

某一個(gè)單元得分

是分別對(duì)因素的等級(jí)打分。

按大小評(píng)出沉陷的不同等級(jí)。

標(biāo)準(zhǔn)中標(biāo)準(zhǔn)：假設(shè)土的fk、vs大于表中數(shù)字，不考慮震陷問(wèn)題

烈度789fk(KPa)>80>130>160vs(m/s)>90>140>200機(jī)理：飽水砂土在地震、動(dòng)力荷載或其它物理作用下，受到強(qiáng)烈振動(dòng)而喪失抗剪強(qiáng)度，使砂粒處于懸浮狀態(tài)，致使地基失效的作用或現(xiàn)象。1液化機(jī)理：砂土的抗剪強(qiáng)度：砂基液化問(wèn)題：日本新瀉1964年地震時(shí)砂土液化影響。這些設(shè)計(jì)為抗震的建筑物傾斜而未受損壞。加州沃森維爾附近的野外涌沙砂土液化〔橫向移動(dòng)〕系因地震時(shí)球?！怖硐肷傲！车闹匦露鸭?。地震振動(dòng)造成這種固體顆粒堆集更加有效，這會(huì)占據(jù)少量體積。一局部覆蓋層荷載由水來(lái)支撐，這就無(wú)法阻止水體運(yùn)移。唐山地造成的噴水冒砂區(qū)分布圖震第四節(jié)場(chǎng)地工程地質(zhì)條件對(duì)震害的影響及地震小區(qū)劃

一、場(chǎng)地工程地質(zhì)條件對(duì)震害的影響目前為止，將地震烈度和地震力作用運(yùn)用于工程設(shè)計(jì)中時(shí)，都沒有很好考慮一個(gè)場(chǎng)地實(shí)際地質(zhì)條件的影響。實(shí)際上，例如場(chǎng)地條件的差異，可能使同一根本烈度區(qū)不同場(chǎng)地的實(shí)際烈度相差2-3度。解決途徑：①按場(chǎng)地條件進(jìn)行動(dòng)力分析；②場(chǎng)地烈度小區(qū)主要影響因素：巖土類型、地形地貌、斷裂、地下水。

1.巖土類型及性質(zhì)〔1〕強(qiáng)度及剛度震害程度：巖性：時(shí)代：

以基巖為準(zhǔn)，高1-2倍小

大基巖——密實(shí)礫石——粘土——飽水砂——淤泥、填土老