工程地質學基礎（5-6章）匯編

第二篇與區(qū)域穩(wěn)定性有關的

工程地質問題

包括：①(第四章)活斷層

②(第五章)地震與水庫誘發(fā)地震√③(第六章)砂土液化④(第七章)地面沉降工程地質學基礎1河北工程大學·程祖鋒5.1概述3

5.2地震波與地震地質知識85.3地震危險性分析與地震區(qū)劃簡介325.4地震效應與地震小區(qū)劃簡介385.5地震區(qū)抗震設計原則595.6水庫誘發(fā)地震簡介(略)工程地質學基礎河北工程大學·程祖鋒2第5章地震與誘發(fā)地震工程地質研究第5章地震與誘發(fā)地震的工程地質研究第5章地震與誘發(fā)地震工程地質研究5.1概述

5.1工程地質學基礎河北工程大學·程祖鋒3地震：因彈性波的傳播而引起地表震動的現(xiàn)象。一、成因類型包括：一、成因類型二、幾何要素三、研究意義

工程地質學基礎河北工程大學·程祖鋒4二、幾何要素如圖：第5章地震與誘發(fā)地震工程地質研究5.1震源深度：震源與震中之間距(H)。震源：地殼或地幔中震動的發(fā)源地。(O)震中：震源在地面上的鉛直投影。(O')，從深至淺，危害性依次增大。按震源深度劃分

近幾年發(fā)震震源深度大多數(shù)為5-25km，可見“淺源地震”應進一步細分。

震域：在地面上地震波所波及的范圍。(理論上為地球全表面)5河北工程大學·程祖鋒次數(shù)：全球每年近500萬次，其中感知地震5萬次，破壞性地震數(shù)千次，強烈破壞性地震十幾次。2011年1-3月發(fā)生了7級以上地震達十多次，說明現(xiàn)今處于地震活躍期。工程地質學基礎第5章地震與誘發(fā)地震工程地質研究5.1震害(為破壞性最大的自然地質災害)：

按震害的形成機理：

我國地處環(huán)太平洋地震帶與地中海-喜馬拉雅地震帶之間，為多震、強震國。1976年唐山M7.9地震死亡24萬人；2008年5·12汶川地震M8.0。詳見P149表5-1

6河北工程大學·程祖鋒工程地質學基礎第5章地震與誘發(fā)地震工程地質研究5.1P149表5-1①地震波與地震地質知識；②地震區(qū)劃與地震危險性分析簡介；③地震效應與地震小區(qū)劃；④地震區(qū)的抗震設計原則；

⑤水庫誘發(fā)地震簡介(略)。工程地質學基礎河北工程大學·程祖鋒7第5章地震與誘發(fā)地震工程地質研究5.1本章內容：三、研究意義工程地質研究：

5.2地震波與地震地質知識8河北工程大學·程祖鋒為了進行地震的工程地質研究，必須具備必要的地震波與地震地質知識。包括：一、地震波工程地質學基礎第5章地震與誘發(fā)地震工程地質研究5.2二、震源機制和震源參數(shù)三、震級和烈度四、地震地質特征工程地質學基礎河北工程大學·程祖鋒9一、地震波

屬于彈性應力波，是破壞的力源。

分類第5章地震與誘發(fā)地震工程地質研究5.2

波速：E、μ、ρ→V，VP＞VS＞VLQ＞VLR(如下圖)

破壞力：P＜S＜L工程地質學基礎河北工程大學·程祖鋒10第5章地震與誘發(fā)地震工程地質研究5.2

若VP、VS已知，可據(jù)△ts-△tp，估算震中距L。確定震中方法

確定震中：分別以兩個地震臺站為圓心、以相應的震中距為半徑畫圓，交點即為震中位置。如圖。多臺站互相校核，最終確定。工程地質學基礎河北工程大學·程祖鋒11二、震源機制和震源參數(shù)對區(qū)域穩(wěn)定性分析至關重要。震源機制—發(fā)生地震的物理過程或震源物理過程。

內容包括：發(fā)震斷層類型；走向、錯動方向；地應力場特點等。㈠震源機制

研究途徑：根據(jù)發(fā)震時，地面各點(臺站)的P波初動特征(是拉或壓？)初動：第一相位，初動壓縮(+)初動膨脹(-)第5章地震與誘發(fā)地震工程地質研究5.2為何用P波初動特征來分析震源機制，而不用S波、L波初動？

因為P波最先到達，因而干擾小、波形簡單、易于識別。工程地質學基礎河北工程大學·程祖鋒12分析求解震源機制的原理：

利用P波初動具有明顯的象限分布特點，并與發(fā)震斷層兩盤的活動方向相關的特點。(P151圖5-2)第5章地震與誘發(fā)地震工程地質研究5.2上圖：逆斷層；下圖：平推斷層上圖中，左側的初動方向畫反了13河北工程大學·程祖鋒工程地質學基礎第5章地震與誘發(fā)地震工程地質研究5.2以平推型斷層為例：在單力偶作用下，若突然錯動，則兩盤在：1.單力偶震源錯動模式(P151圖5-3)這種相關關系可用發(fā)震斷層的單力偶、雙力偶模式來解釋。壓縮波與膨脹波的分界面——節(jié)面節(jié)面與地面的交線——節(jié)線如下圖：工程地質學基礎河北工程大學·程祖鋒14第5章地震與誘發(fā)地震工程地質研究5.2

每次地震，有兩條正交的節(jié)線：

兩條節(jié)線分成4個象限：相對者，初動符號相同；相鄰者，初動符號相反。15河北工程大學·程祖鋒工程地質學基礎第5章地震與誘發(fā)地震工程地質研究5.2

合成的σ2直立，σ1、σ3水平。實際上是共軛剪切面，其中之一為走滑型震源斷層面。P152圖5-4與下圖，僅看a、c圖(P波)

兩節(jié)面(線)均有力偶作用，但錯動方向相反。2.雙力偶震源錯動模式16河北工程大學·程祖鋒工程地質學基礎第5章地震與誘發(fā)地震工程地質研究5.2上述僅以平推型斷層為例介紹了震源的發(fā)震模式。對于傾滑型及其過渡類型同理，只不過節(jié)面傾斜。

光靠P波初動特征不能確定哪一節(jié)面是震源斷層面，還需結合震中區(qū)地質結構、地表錯動方向與等震線的長軸方向等綜合判定。工程地質學基礎河北工程大學·程祖鋒17另外，上述僅介紹了用P波初動特征來求解震源機制的原理，其具體求解操作步驟：(了解)①收集各臺站的地震譜，確定初動“+”、“-”；②用“ο”或“·”分別表示“+”或“-”，投在平面圖的各臺站相應位置上；③計算節(jié)線；④以節(jié)線交點為網(wǎng)心，按相應方位將節(jié)線投在赤平網(wǎng)上；⑤在赤平網(wǎng)上確定兩節(jié)面的產(chǎn)狀、錯動方向、主應力方向等；⑥結合其它證據(jù)，確定兩節(jié)面之一為發(fā)震斷層，即得震源機制斷層面解。見圖(P152圖5-5、5-6)

第5章地震與誘發(fā)地震工程地質研究5.2若為不對稱，則為過渡型。工程地質學基礎河北工程大學·程祖鋒18第5章地震與誘發(fā)地震工程地質研究5.2

a.平推型b.正斷型c.逆斷型工程地質學基礎河北工程大學·程祖鋒19震源參數(shù)—表征震源物理過程的物理量。包括發(fā)震斷層的產(chǎn)狀，錯動方向、幅度、長度、寬度，破碎速度等。㈡震源參數(shù)

求參途徑(4條)：

根據(jù)極震區(qū)的形狀分析發(fā)震斷層的走向、傾角：長軸方向—斷層走向；對稱時—斷層面直立；不對稱時—斷層面傾斜，傾向寬緩一側，越寬緩則傾角越小。

等震線—震域內的等烈度線。(封閉)①震源機制斷層面解(見前述)。②等震線的幾何特征：

極震區(qū)—最內圈等震線所圍的范圍。第5章地震與誘發(fā)地震工程地質研究5.2③地表錯動和地表變形帶的形態(tài)。④大地測量資料。工程地質學基礎河北工程大學·程祖鋒20三、震級和烈度震級和烈度，二者既有區(qū)別，又有聯(lián)系。震級：為表征地震大小的參數(shù)，由地震時釋放的總能量(E)決定。E大，則M大，一次地震只有一個M。㈠震級(M)

震級的確定：地震儀測最大振幅(A)后，估算M(或E)。

因A與儀器種類及震中距有關，所以應該用：第5章地震與誘發(fā)地震工程地質研究5.2對應的標準振幅A

◆近震(震中距△＜1000km)用體波震級(ML)，ML=lgAμ+R(△)，R(△)—起算函數(shù)，據(jù)儀器種類與臺站震中距查表?！暨h震(震中距△＞1000km)用面波震級(MS)，MS=lg()+σ(△)+C

其中T—面波周期，σ(△)—起算函數(shù)(查表)，C—臺站校正值(查表)。工程地質學基礎河北工程大學·程祖鋒21

我國規(guī)定：第5章地震與誘發(fā)地震工程地質研究5.2

據(jù)理查特(Richter)：M=lgA，A--標準振幅(μm)該M稱理氏震級。

通常，隨機的震中與特定的地震臺網(wǎng)導致震中距△≠100km，則需對A進行修正。工程地質學基礎河北工程大學·程祖鋒22

國際上通用面波震級(MS)作M。

體波震級換算：M=MS=1.13ML-1.08

地震等級分類：P155,4～5級呢？不合理！

由于巖體能積累的應變能有上限，決定了M也有上限。

2011年3月11日日本發(fā)生的9.0級地震，為有資料記錄以來的最大地震。(之前幾十年來一直是智利的8.9級)第5章地震與誘發(fā)地震工程地質研究5.2震級(M)地震強度等級＜2微震2-4有感地震＞5破壞性地震＞7強烈地震工程地質學基礎河北工程大學·程祖鋒23烈度：為表征地震時一定地點地面震動程度的參數(shù)。㈡烈度(I)I←第5章地震與誘發(fā)地震工程地質研究5.2P159表5-4

24河北工程大學·程祖鋒

一次地震的不同地點，烈度I可以不同。震中處(極震區(qū))的I0(極震烈度)最大，向外漸降。

評價方法工程地質學基礎第5章地震與誘發(fā)地震工程地質研究5.21.按破壞后果(宏觀烈度)

①定性法

據(jù)感知和建筑物破壞程度確定并劃分I。

我國劃分成Ⅰ-Ⅻ度。用羅馬數(shù)字表示。(P157表5-3)由于破壞程度與震動強度、建筑物抗震性能、場地條件等有關，因此該法不夠準確。評價方法包括定性法與定量法。工程地質學基礎河北工程大學·程祖鋒25第5章地震與誘發(fā)地震工程地質研究5.226河北工程大學·程祖鋒工程地質學基礎第5章地震與誘發(fā)地震工程地質研究5.2工程地質學基礎河北工程大學·程祖鋒272.按反映破壞力的物理量如地面震動加速度(a)，可實測，方便準確。工程力學所統(tǒng)計表明，I(a)-I(

)的相關性很好，因此可用a來評價I。第5章地震與誘發(fā)地震工程地質研究5.2中科院工程力學所提出平均震害指數(shù)法()，使宏觀烈度評價定量化，更準確。a.設震害指數(shù)i=0-1.0，據(jù)破壞程度分檔；b.在特定小區(qū)域內，對建筑物按結構類型(抗震性能)分類；c.分類統(tǒng)計各檔的間數(shù)；d.計算平均震害指數(shù)；e.按評價I。

②定量法工程地質學基礎河北工程大學·程祖鋒28四、地震地質特征㈠形成強震的條件1.介質條件

硬、脆性巖體能積累高應變能—強震。我國華北：結晶基底由花崗巖組成，強震多；華南：基底由較軟弱的變質巖組成，強震少。2.結構條件

斷層面曲率大的部位，易積累高應變能—強震。如端點、拐點、交匯點、分支點。3.構造應力條件

新構造運動強烈地段，應變速率大、易呈彈性破壞—強震。第5章地震與誘發(fā)地震工程地質研究5.2工程地質學基礎河北工程大學·程祖鋒29㈡地震分布與板塊運動的關系全球分成三個地震帶：①環(huán)太平洋地震帶；②地中海-喜馬拉雅地震帶(又稱歐亞地震帶)；③大洋海嶺地震帶。

地震與板塊運動的關系：

(新教材P161,按地質成因可分為板塊消減帶地震、轉換斷層地震與板塊增生帶(海嶺)地震)板塊運動分帶地震程度板塊消減帶最發(fā)育板塊碰撞帶次之板塊增生(海嶺)帶弱震第5章地震與誘發(fā)地震工程地質研究5.2

2008年的5.12汶川8.0級地震：于盆地與隆起帶交界處，龍門山斷層長300km、深8-9km(淺源)，從汶川向東北向一端斷裂，屬于新華夏構造體系。

2011年的3.11日本9.0級地震：位于歐亞、太平洋、菲律賓、北非四大板塊交匯處，構造作用強烈。工程地質學基礎河北工程大學·程祖鋒30㈢我國的地震分布與地震地質特征

我國位于環(huán)太平洋地震帶與地中海-喜馬拉雅地震帶交匯處，多震、強震。

以東經(jīng)105°為界，1.地震分布特點由西向東，震源深度依次增大。第5章地震與誘發(fā)地震工程地質研究5.22.地震地質特征我國地震分布有如下地質特征(5點)

：了解①與活動斷裂帶有關(多發(fā)育于交匯點、轉折段、鎖固段、端點及強烈活動段)；②與斷陷盆地有關(多發(fā)育于邊界、尖端、橫向斷裂、次級凹陷帶)；工程地質學基礎河北工程大學·程祖鋒31③與斷裂深度有關(強震多發(fā)育于深大斷裂上)；如郯廬斷裂④與現(xiàn)代構造應力場有關(多發(fā)育于強烈擠壓帶上，如西藏高原)；⑤與現(xiàn)代地殼垂直變形有關(多發(fā)育于差異升降強烈處)。第5章地震與誘發(fā)地震工程地質研究5.25.3地震危險性分析與地震區(qū)劃簡介工程地質學基礎河北工程大學·程祖鋒32地震是人類最大的、人為難以制止的自然災害，只能減輕災害。

減輕震災的途徑：地震學家→地震預報，包括

其中“地震工程”工作步驟(4步)：⑴地震危險性分析,地震區(qū)劃(本節(jié));⑵抗震規(guī)范,抗震設計;(采取合理抗震措施,使建筑物“小震不壞,中震可修,大震不倒”)第5章地震與誘發(fā)地震工程地質研究5.3⑶抗震鑒定和加固;(含震前、震后，如汶川地震后全國中小學校舍普查、加固)

⑷抗震救災。

汶川地震前兩天的四川阿里地區(qū)簡報：成功挫敗來了一起地震謠言....工程地質學基礎河北工程大學·程祖鋒33第⑴步的“地震危險性分析與地震區(qū)劃”中包括兩方面：①針對特定的工程(使用年限已定)或地區(qū)，估計地震動強度、地震設計參數(shù)和地震發(fā)生概率—地震危險性分析；②以地震危險性的代表性參數(shù)(如烈度、加速度等)為指標劃分危險性不同的區(qū)域--地震區(qū)劃。以為后3步提供依據(jù)。

“地震危險性分析與地震區(qū)劃”是在地質學、地震學、工程學等多專業(yè)人員配合下完成的。成果是“地震區(qū)劃圖”。我國以基本烈度為劃分指標，屬于“地震烈度區(qū)劃”，成果稱為“烈度區(qū)劃圖”(P171圖5-27)。國家質量技術監(jiān)督局2001年頒布了“峰值加速度區(qū)劃圖”(P172圖5-28)。

第5章地震與誘發(fā)地震工程地質研究5.334河北工程大學·程祖鋒工程地質學基礎第5章地震與誘發(fā)地震工程地質研究5.335河北工程大學·程祖鋒工程地質學基礎第5章地震與誘發(fā)地震工程地質研究5.3工程地質學基礎河北工程大學·程祖鋒36

基本烈度：在今后的一定時期(100年)內、一定地區(qū)范圍內的一般場地條件下，可能遇到的最大烈度。(I基)編制方法：了解①分析區(qū)域地震地質條件、地震活動規(guī)律，充分考慮地震活動的時空不均勻性，估計百年內可能發(fā)生的最大震級，據(jù)歷史地震震級與震中烈度的經(jīng)驗關系確定震中烈度；②據(jù)烈度衰減規(guī)律圈定烈度等值線圖，即地震烈度區(qū)劃圖。只要求會用地震區(qū)劃圖即可：據(jù)建筑場地所在的位置查得基本烈度，并據(jù)查明的場地條件作必要的場地地震效應分析，如砂土液化、場地震陷、邊坡失穩(wěn)等評價等。亦可進一步提出抗震設計建議。第5章地震與誘發(fā)地震工程地質研究5.3工程地質學基礎河北工程大學·程祖鋒37場地烈度(I場)：根據(jù)具體的場地工程地質條件而對基本烈度作調整后的烈度。

如堅硬地基則可適當降低烈度，而松軟地基則可適當提高烈度。修正范圍△I=±0.5-1.0度?！皥龅亓叶取钡母拍钅壳耙呀?jīng)停止使用設計烈度(設防烈度)(I設)：據(jù)建筑物的重要性或地區(qū)的重要性而對基本烈度作調整后的烈度，抗震設計所用。

一般建筑物、一般地區(qū)：直接用基本烈度或場地烈度；

重大建筑物、重要地區(qū)：適當提高，一般提高一度，如深圳、北京等地。

又如位于邯鄲市高開區(qū)的某工程，在領導干預下按Ⅷ度設防。盡管如此，2013年的建筑基礎施工現(xiàn)場檢查時，某領導當場表示，鋼筋太細，拆了重鋪鋼筋！第5章地震與誘發(fā)地震工程地質研究5.3除了基本烈度外，還有2個烈度概念在此一并介紹：38河北工程大學·程祖鋒工程地質學基礎第5章地震與誘發(fā)地震工程地質研究5.3因此美國的Cornell提出來地震危險性概率分析法：了解認為地震是一種隨機事件，發(fā)震的時間、地點、大小均不確定，假定可用一定的概率分布來描述：若i表示一次地震事件，則地震發(fā)生過程可用三維隨機過程{Li(震源位置),Ti(發(fā)震時間),Mi(震級)}來描述。由于該三維聯(lián)合分布模型十分復雜且建模非常困難，通常將這三個參數(shù)獨立開來分別研究其統(tǒng)計特征。該模型可提供場地在指定的時間內遭遇到不同強度地震動(如烈度與基巖峰值加速度等)的超越概率水平(或場地地震動超越某一定值的概率)，從而使設計部門可根據(jù)工程使用年限、工程重要性和工程結構類型來選擇不同的抗震設防標準。

使用年限越長或超越概率越低，則遇到的地震動強度越高。如：一般工程，可按50年超越概率為10%的地震動強度設防；重大工程，可按100年超越概率為10%、100年超越概率為5%，或甚至500年超越概率為5%的地震動強度設防。上述的地震烈度區(qū)劃及地震峰值加速度區(qū)劃均是利用確定的指標來表示地震這一不確定的隨機事件，存在缺陷！5.4地震效應與地震小區(qū)劃簡介工程地質學基礎河北工程大學·程祖鋒39本節(jié)包括一、地震效應(震害)地震效應：地震時所產(chǎn)生的各種破壞作用。

按破壞機理分為：場地破壞效應和地震動效應。㈠場地破壞效應場地破壞效應：地震時，因建筑場地破壞而導致的各種破壞作用。包括地面破裂、地基失效和斜坡破壞效應。第5章地震與誘發(fā)地震工程地質研究5.4

前兩部分屬于《巖土工程勘察》本身的工作。工程地質學基礎河北工程大學·程祖鋒40

地震時

構造性地裂的成因：具有方向性的P波到達地面時振幅放大，反復拉、壓作用使地表定向開裂，是震動的結果。它與發(fā)震斷裂不相通，但力學屬性、分布方向等均與發(fā)震斷層有關。

措施：結構難以抵御，避開?？缭浇ㄖ锲茐牡?章地震與誘發(fā)地震工程地質研究5.42.地基失效地基失效：地震導致地基承載力降低或喪失而失效，使建筑物破壞。P179圖5-35

4種形式：①強烈沉降(松軟地基)；②不均勻沉降(巖性或厚度不均勻)；③水平位移(可滑地基)；④砂土地基液化。1.地面破裂效應工程地質學基礎河北工程大學·程祖鋒41

措施：建筑施工前判定并處理。

地震時因斜坡破壞而導致的建筑物破壞。

措施：建筑施工前判定，加固或避開。3.斜坡破壞效應第5章地震與誘發(fā)地震工程地質研究5.4工程地質學基礎河北工程大學·程祖鋒42㈡地震動效應

地震動直接引起建筑物的破壞。最普遍、最主要。

措施：確定場地地震動參數(shù)，進行抗震設計。P=W×amax/g=W·K(K—地震系數(shù))，amax或K∝P。1.地震動參數(shù)(振幅、周期、持續(xù)時間)⑴振幅，其中amax→地震力(P)；⑵周期(T)：當建筑物的自振周期接近地震波周期時，破壞較重。

一般地，地震波周期較長+高層建筑的自振周期較長→高層破壞重于低層、多層。

原因：共振效應。

措施：使結構自振周期避開地震波周期。第5章地震與誘發(fā)地震工程地質研究5.4工程地質學基礎河北工程大學·程祖鋒43⑶震動持續(xù)時間

地震動持續(xù)時間越長，則破壞越重。2.地震動效應的分析方法(靜力分析法、動力分析法)

⑴靜力分析法(古典法)

設(建筑amax=地面a0max)又因為aaHmax、aVmax，其中amax2=aHmax2+aVmax2

水平向地震力：PH=W·KH，KH=aHmax/g，KH—水平地震系數(shù)

資料表明，當KH≥0.01時，建筑物開始破壞。

鉛直向地震力：PV=W·KV，KV=aVmax/g，KV—鉛直地震系數(shù)K2=KH2+KV2。KV與震中距密切相關。震中處KV≈K(因為KH≈0)，向外迅速衰減。第5章地震與誘發(fā)地震工程地質研究5.4工程地質學基礎河北工程大學·程祖鋒44

設計時下列情況應考慮KV：

靜力分析法因其前提假設的先天不足，其分析結果不準確，但其簡單易行。

⑵動力分析法動力分析法考慮了建筑物的動力反應(響應)。常用：簡化反應譜法。第5章地震與誘發(fā)地震工程地質研究5.4

假設

地震力P0(t)=m·a0(t)(為變擾力)工程地質學基礎河北工程大學·程祖鋒45

對結構系統(tǒng)，輸入P0(t)進行分析：

若ξ一定，算出結構的amax、Vmax、dmax與T的關系曲線；

一組ξ，可算出結構amax、Vmax、dmax與T的一組關系曲線。

該組曲線，即稱為特定P0(t)下結構物的amax(或Vmax，或dmax)反應譜。第5章地震與誘發(fā)地震工程地質研究5.4

a、v、d可以通過微分、積分相互換算。

P186圖5-43所示的為加速度反應譜。46河北工程大學·程祖鋒工程地質學基礎第5章地震與誘發(fā)地震工程地質研究5.4建筑結構的T、ξ由結構的材料和結構類型決定，可實測。

若建筑結構一定，則T、ξ一定，即可據(jù)反應譜求出相應的amax(或Vmax,或dmax)，進而求出相應的應力、位移。

若求出的應力、位移超過允許值，修改結構方案后重算，直至滿足《建筑結構抗震設計規(guī)范》要求為止。二、場地條件對地震效應(震害)的影響

影響震害的因素工程地質學基礎河北工程大學·程祖鋒47第5章地震與誘發(fā)地震工程地質研究5.4

對震害有影響的場地因素包括：①巖土類型與地層結構；②地質構造；③局部地形；④砂土液化；

⑤地裂縫、軟弱夾層等。

1、巖土類型→震害

大量觀測資料表明：

堅實地基，振幅小、周期短、持續(xù)時間短，震害輕；

松軟地基，振幅大、周期長、持續(xù)時間長，震害重。

松散層越厚，則震害越重，長周期的高層建筑震害更重。㈠巖土類型與地層結構的影響48河北工程大學·程祖鋒工程地質學基礎第5章地震與誘發(fā)地震工程地質研究5.4

這里有必要提出表層土卓越周期的概念：大量證據(jù)表明，地震波從基巖傳入松散層后，某些較長周期的波經(jīng)多次反射疊加后傳到地面時，其幅值(amax、dmax)與頻度明顯放大，該周期即為該表層土的卓越周期(Ts)。P183圖5-37，地表的位移振幅遠大于18m深處礫石層的振幅。

工程地質學基礎河北工程大學·程祖鋒49第5章地震與誘發(fā)地震工程地質研究5.4

2、地層結構→震害

上硬下軟時，下伏軟層吸能隔震，震害輕；

上軟下硬時，震害重。

Ts在勘察中確定：

Ts是場地表層土的重要特征周期，是抗震設計的重要依據(jù)。

一般，松散層越厚、越軟弱→Ts越大→高層建筑越易破壞。見右圖50河北工程大學·程祖鋒㈡地質構造的影響

1、地形→地震動→震害：

突出、孤立地形→山體共振與多次反射→震動放大、震害加??；

低洼、溝谷地形→震動減弱、震害減輕。如P185圖5-40，山咀處烈度為Ⅸ度，而鞍部為Ⅶ、Ⅷ度。

㈢局部地形的影響工程地質學基礎第5章地震與誘發(fā)地震工程地質研究5.4

2、地形→斜坡失穩(wěn)→震害。工程地質學基礎河北工程大學·程祖鋒51㈣砂土液化的影響阻尼大、吸能隔震→減輕震害。㈤某些因素的有利影響第5章地震與誘發(fā)地震工程地質研究5.4工程地質學基礎河北工程大學·程祖鋒52三、地震小區(qū)劃前述的地震區(qū)劃只是對較大地區(qū)、一般場地條件下，可能遇到的最大烈度作的一個平均估計。但同一個基本烈度區(qū)的范圍往往很大，其中的不同小區(qū)域的震害因其場地條件的不同而往往差別很大。為了給抗震設計提供更具體、更精確的依據(jù)，有必要在地震區(qū)劃的基礎上考慮場地條件對震害的影響作更具體、更準確的分區(qū)—地震小區(qū)劃。第5章地震與誘發(fā)地震工程地質研究5.4按小區(qū)劃原理：調整烈度法、調整反應譜法、設計地震動法。

工程地質學基礎河北工程大學·程祖鋒53㈠調整烈度小區(qū)劃(靜力法)(已停止使用)調整內容：(三方面)

△I1=f1(ρ.v)ρ—地層密度，v—地層波速，ρ.v—地基剛度。1.地基剛度調整(△I1)2.地下水埋深調整(△I2)

△I2=f2(hW)hW—地下水埋深。第5章地震與誘發(fā)地震工程地質研究5.43.土層共振效應調整(△I3)

△I3=f3(ρ，v，Ts，H)H—土層厚度。

△I=△I1+△I2+△I3，則I場=I基+△I。

再據(jù)各方格的I場繪制等值線圖—調整烈度小區(qū)劃圖。

缺點：以靜求動，不客觀，已停止使用。

方法：將工作區(qū)劃分成300-2000m的小方格，逐格調整。

應用：(前兩步是巖土工程勘察的任務!)

①據(jù)覆蓋層20m以內的(厚度加權平均值)將場地土劃分成堅硬、中硬、中軟和軟弱四類；(P188表5-7，老規(guī)范)工程地質學基礎河北工程大學·程祖鋒54第5章地震與誘發(fā)地震工程地質研究5.4㈡調整反應譜小區(qū)劃(準動力法)

將地震力簡化成等效靜力：P=βKW(K—地震系數(shù)、W—建筑物重量)動力系數(shù)β=

對于特定的場地條件，a0max一定，則β∝amax。

因此，將amax反應譜的縱坐標除一個系數(shù)a0max即得β反應譜。

②據(jù)覆蓋層厚度(dov，以VS≥500m/s為限)與場地土類型將場地劃分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四類；(P188表5-7)工程地質學基礎河北工程大學·程祖鋒55第5章地震與誘發(fā)地震工程地質研究5.4

③考慮震中距和I基、場地類型制成五類標準反應譜，并按P188表5-8確定反應譜類別

；P188表5-8、P187圖5-44

④據(jù)結構的T找出相應的β或amax。工程地質學基礎河北工程大學·程祖鋒56第5章地震與誘發(fā)地震工程地質研究5.4工程地質學基礎河北工程大學·程祖鋒57

思路：據(jù)地震地質條件進行地震危險性概率分析→基巖地震動參數(shù)(amax、T、t)→模擬合成基巖加速度a0(t)→鉛直向上輸入場地土層→據(jù)場地條件(Vs剖面)建立場地力學模型→計算地面a0(t)(加速度反應)及其反應譜→繪制地面a0max與β反應譜分區(qū)圖，即得設計地震動小區(qū)劃圖。P189圖5-45，P190圖5-46、5-48㈢設計地震動小區(qū)劃簡介(動力法或動態(tài)法)第5章地震與誘發(fā)地震工程地質研究5.458河北工程大學·程祖鋒工程地質學基礎第5章地震與誘發(fā)地震工程地質研究5.459河北工程大學·程祖鋒工程地質學基礎第5章地震與誘發(fā)地震工程地質研究5.45.5地震區(qū)抗震設計原則工程地質學基礎河北工程大學·程祖鋒60

對于高烈度(≥Ⅶ)區(qū)或重大工程均需進行抗震設計。內容包括：一、建筑場地選擇(至關重要)

要點：①查明基本烈度、場地條件；②評價場地地震效應；③選擇抗震有利地段作為建筑場地；④找出不利因素，并對抗震設計提出建議。

注意避開：

①結構難以抵御的地震效應地段，如發(fā)震斷裂帶、斜坡、砂土液化地段；第5章地震與誘發(fā)地震工程地質研究5.5工程地質學基礎河北工程大學·程祖鋒61二、持力層與基礎方案的選擇(場地選定后進行)①堅硬、密實、均勻地層；②砌置深度較大；③同一建筑物盡量用同一基礎型式。三、建筑物布置與結構類型選擇(略)

對工業(yè)民用建筑，參見新教材P192-193、老教材P232-233。第5章地震與誘發(fā)地震工程地質研究5.5

②震害較重地段(如土層松軟，突出、孤立地形等)；

③長周期建筑物避開長卓越周期地段；短周期建筑物避開短卓越周期地段。5.6水庫誘發(fā)地震(略)第六章地震引起的區(qū)域性

砂土液化問題

資源學院勘查系

金超

主要內容6.1概述6.2飽和砂土的液化機制6.3砂土地震液化的形成條件6.4砂土地震液化的叛別6.5砂土地震液化的預防措施6.1概述砂土液化：飽和砂土在強烈的振動作用下，空隙水壓力增大，抗剪強度及承載力降低或喪失，導致地基失效的現(xiàn)象。

噴水冒砂（或噴砂冒水）：（液化的常見后果、現(xiàn)象）液化層在孔隙水壓力作用下以砂水混合物突破覆蓋層而噴出地表的現(xiàn)象。砂土液化的危害：因易液化層（飽水疏松粉細砂）常分布于海濱、湖濱、沖積平原，而這些地區(qū)往往人口、建筑物、農(nóng)田密集；另一方面，因液化吸能隔震，使外圍地區(qū)震害減輕。

6.1概述

砂土液化的危害(1)涌砂：涌出的砂掩蓋農(nóng)田，壓死作物，使沃土鹽堿化、砂質化，同時造成河床、渠道、井筒等淤塞，使農(nóng)業(yè)灌溉設施受到嚴重損害。6.1概述

砂土液化的危害(2)地基失效：隨粒間有效正應力的降低，地基土層的承裁能力也迅速下降，甚至砂體呈懸浮狀態(tài)時地基的承載能力完全喪失。這類地基上的建筑物就會產(chǎn)生強烈沉陷、傾倒以至倒塌。如日本新漏1964年地震引起的砂土液化，由于地基失效使建筑物倒塌2130所，嚴重破壞6200所，輕微破壞31000所。6.1概述

砂土液化的危害(3)滑塌：由于下伏砂層或敏感粘土層震動液化和流動，可引起大規(guī)?；隆＿@類滑坡可以產(chǎn)生在極緩，甚至水平場地。如1964年阿拉斯加地震，安科雷奇市就因敏感粘土層中的砂層透鏡體液化而產(chǎn)生大滑坡。6.1概述

砂土液化的危害(4)地面沉降及地面塌陷：飽水疏松砂因振動而變密，地面也隨之而下沉，低平的濱海湖平原可因下沉而被海湖及洪水浸淹。地震引起砂土液化(臺中港1-4碼頭)6.2飽和砂土的地震液化機制砂土受振動時，每個顆粒都受到大小相當于振動加速度與顆粒質量乘積的慣性力的反復作用。由于顆粒間沒有內聚力或內聚力很小，反復受力時，各顆粒都處于運動狀態(tài)，顆粒之間必發(fā)生相互錯動并調整相互位置，以便降低總勢能最終達到最穩(wěn)定狀態(tài)。如振動前砂體處于緊密排列狀態(tài)，經(jīng)震動后砂粒的排列和砂體的孔隙度不會有很大變化；若振動前砂土處于疏松狀態(tài)，反復受力時必逐步加密。

包氣帶水——直接壓縮變密飽和水——壓縮時必須排水6.2飽和砂土的地震液化機制飽和水：地層的振動頻率大約為1～2周期／秒，在這種急速變化的周期性荷載作用下，每一次振動使孔隙度瞬時減小都需要排出一些水，對低滲透性砂，排水不通暢，前一周期的排水尚未完成，下一周期的孔隙又再減小。需要排出的水不能及時排出，水不可壓縮，則孔隙水必然承受由孔隙度減小而產(chǎn)生的擠壓力——剩余孔隙水壓力或超孔隙水壓力。前一個周期的超孔隙水壓尚未消散，下一周期產(chǎn)生新的超孔隙水壓力又迭加上來，故隨振動持續(xù)時間的增長，超孔隙水壓會不斷增大。6.2飽和砂土的地震液化機制已知飽水砂體的抗剪強度τ由下式確定τ＝（σn-pw)tgφ=σ0·tgφ式中：pw為孔隙水壓；σ0為有效正壓力。震前外力全部由骨架砂承擔，此時空隙水壓力稱中性壓力，只承擔本身壓力即靜水壓力。令此時的空隙水壓力為pw0，振動過程中的超空隙水壓力為△pw，則振動前：砂的抗剪強度為：

τ＝（σ-pw0）tgφ

振動時：

τ＝[σ-（pw0+△pw）]tgφ（7－1）隨△pw累積性增大，最終pw0+△pw＝σ，則τ＝06.2飽和砂土的地震液化機制此時砂土抗剪強度降為零，完全不能承受外荷載而呈液化狀態(tài)。思考：①有沒有τ<0的情況？

②飽和密砂地震液化的體積變化情況？6.2飽和砂土的地震液化機制為了研究砂土的液化機理與進行實驗判別，美國的Seed和Ile于1966年提出了動三軸剪切試驗（循環(huán)荷載三軸壓縮試驗）P226圖7-3：試樣在均等圍壓σa（σ1=σ2=σ3=σa）下排水固結6.2飽和砂土的地震液化機制6.2飽和砂土的地震液化機制6.2飽和砂土的地震液化機制應力特點：

①σ1、σ3

方向交替變化；

②x-x、y-y面上的正應力值不變（σa

）

③x-x、y-y面上的剪應力值相同

且不變，但剪切方向交替變化，成為最大循環(huán)剪應力。6.2飽和砂土的地震液化機制6.2飽和砂土的地震液化機制觀察并記錄加荷周期數(shù)、空隙水壓力和軸向變形隨循環(huán)荷載周期數(shù)的變化，軸向應變達20%即認為試樣已破壞，即當試樣對振幅超過20%的軸向變形失去抵抗能力——全液化。圖7-4區(qū)別：密砂先由密變松，后再由松變密，過程長，需能大，不易液化；松砂容易液化，體積增大，變形需能小。（a）密砂：初始相對密實度Dr=0.90，e=0.56。左圖對于非飽和砂：地震、顆粒變位，先排氣體積變小，后排水液化→地面沉降。（b）松砂：初始相對密實度Dr=0.50，e=0.68。右圖隨著循環(huán)的次數(shù)增加，u上升且很快達到初始圍壓σa，體積迅速增大，很快達到液化。6.2飽和砂土的地震液化機制二、滲流液化砂土經(jīng)振動液化之后，某點的空隙水壓力不僅有振動前的靜水壓力(Pw0)，還有由于砂粒互相不接觸懸浮在水中而使全部骨架砂壓力轉化成的超空隙水壓力(Pwe)，則該點的總空隙水壓力(Pw)為：Pw=Pw0+Pwe為求簡化，假設砂層無限延伸，地下水位面為地表面，則在深度z處有：Pw0=

γw?zPwe=(γ-γw)?z則Pw=γw?z+(γ-γw)?z=γ?z其中：γ、γw分別為土和水的重度。6.2飽和砂土的地震液化機制地震前和地震液化后的空隙水壓力圖形及測壓水位如圖7-5.從圖上看出：震前空隙水壓呈靜水壓力分布，不同深度處測壓水位相同，無水頭差。振動液化產(chǎn)生超空隙水壓力后，不同深度的測壓水位不同，隨深度增加，測壓水位增高，任意深度兩點z2和z1間的水頭差公式為：震前震后6.2飽和砂土的地震液化機制γwhZ2-Z1=(γsat-γw)Z2–(γsat-γw)Z1水頭差hZ2-Z1=(γsat-γw)(Z2-Z1)/γw水力梯度J=hZ2-Z1/(Z2-Z1)=(rsat-rw)/γw此時液化時的J—臨界水力梯度Jcr。在Jcr作用下，砂土顆粒懸浮，發(fā)生滲流液化。與振動液化聯(lián)系起來，整個過程為：飽水砂土在強烈地震作用下先產(chǎn)生振動液化，空隙水壓力迅速上升，產(chǎn)生上下水頭差和空隙水自下而上的運動，動水壓力推動砂粒向懸浮態(tài)轉化，形成滲流液化使砂層變松。若沒有不透水蓋層的情況下出現(xiàn)遍地冒水，上部砂層松脹，強度喪失，但不噴水冒砂。由于地震時松散地層容易開裂，裂縫處上升水流流速大，水頭損失小，在裂縫處出現(xiàn)噴水冒砂現(xiàn)象。若地表有不透水的粘土蓋層，則滲流液化與上述情況不同。液化砂層的空隙水壓力不能自由的向地表消散。液化砂層內的超空隙水壓力，通過液體壓力傳導作用于蓋層底板，形成一個暫時的承壓水層。由靜水壓力原理，液化砂層內任意點的測壓水位都相等，其壓力圖形及測壓水位如右圖。剩余水壓由兩部分組成：液化層的骨架壓力和蓋層壓力。6.2飽和砂土的地震液化機制6.2飽和砂土的地震液化機制設液化砂層厚M1，蓋層厚M2，則超空隙水壓力公式：Pwe=(γ-γw)M1+γgM2其中：γg為蓋層的重度由上式可知:只有當超空隙水壓力超過蓋層強度，才能沿裂縫產(chǎn)生噴水冒砂，滲流液化僅局限于噴口附近。若蓋層較厚，隔水性越強，液化形成的暫時性承壓水層的水頭越高，一旦突破蓋層，則噴水的水頭越高，冒砂越強烈。但對建筑物的嚴重破壞和砂層因滲流而變松，往往局限于噴水口的局部地段。若蓋層較薄，易突破薄弱環(huán)節(jié)而形成噴水冒砂。6.3砂土地震液化的形成條件從砂土地震液化機制的討論中得出，砂土層本身和地震這兩方面具備一定條件才能產(chǎn)生砂土液化。砂土層本身方面一般認為砂土的成分、結構以及飽水砂層的埋藏條件這幾個方面需具備一定條件才易于液化。需要指出：凡具備上述易于液化的條件而又在廣大區(qū)域內產(chǎn)出的砂土層，往往具有特定的成因與時代特征。地震方面主要是地震的強烈程度和持續(xù)時間。一、砂土特性對地震液化的產(chǎn)生具有決定性作用的，是土在地震時易形成較高的超空隙水壓力。高的超空隙水壓力形成的必要條件，一是地震時砂土必須有明顯的體積縮小從而產(chǎn)生空隙水的排水。二是向砂土外的排水滯后于砂體的振動變密，即砂體的滲透性能不良，不利于超空隙水壓力的迅速消散，于是隨荷載循環(huán)的增加空隙水壓力因不斷累積而升高。通常以砂土的相對密度Dr和砂土的粒徑和級配來表征砂土的液化條件。6.3砂土地震液化的形成條件6.3砂土地震液化的形成條件1．砂土的相對密度——密實度從動三軸試驗得知,松砂極易完全液化,而密砂則經(jīng)多次循環(huán)的動荷載后也很難達到完全液化。即砂的結構疏松是液化的必要條件。表征砂土的疏與密界限的定量指標，過去采用臨界孔隙度，目前較普遍采用的是相對密度Dr

Dr=emax—e/emax—emin其中：e土的天然空隙比；emax和emin分別為該土的最大、最小空隙比。

砂土的相對密度越大，需要越大的振動強度或更多的振動循環(huán)次數(shù)N才能使土液化。如圖7-8Dr越大，液化所需的應力比（烈度）與循環(huán)次數(shù)（歷時）越大。6.3砂土地震液化的形成條件例：據(jù)海城地震砂土液化的調查資料，在Ⅶ度烈度區(qū)（盤錦）Dr>0.55發(fā)生液化,而在Ⅷ度烈度區(qū)（營口）Dr>0.70就不發(fā)生液化。砂土的相對密度低并不是砂土地震液化的充分條件，有些顆粒比較粗的砂，相對密度雖然很低但卻很少液化。通過分析邢臺、通海和海城砂土液化時噴出的78個砂樣表明，粉、細砂占57.7％，塑性指數(shù)＜7的粉土占34.6％，中粗砂及塑性指數(shù)為7～10的粉土僅占7.7％，而且全發(fā)生在IX度烈度區(qū)。所以具備一定粒度成分和級配是一個很重要的液化條件。6.3砂土地震液化的形成條件2.砂土的粒度和級配最易液化的土：均粒的粉細砂，粗粒土；粘性土難（或不）液化。Why?6.3砂土地震液化的形成條件2.砂土的粒度和級配當空隙水壓大于砂粒間有效應力時才產(chǎn)生液化，而根據(jù)土力學原理可知，土粒間有效應力由土的自重應力決定，位于地下水位以上的土內某一深度Z處的自重應力Pz為：

Pz＝γz(7—8)式中γ為土的容重。如地下水埋深為h，Z位于地下水位以下，由于地下水位以下土的懸浮減重，Z處自重壓力則應按下式計算：

Pz=γh十(γ—γw)(Z-h)(7—9)6.3砂土地震液化的形成條件3.飽和砂土的埋藏條件當?shù)叵滤晃挥诘乇?，即h＝0，則：Pz=(γ—γw)Z顯然，這種情況自重壓力隨深度的增加最小，即直接在地表出露的飽水砂層最易于液化。而液化的發(fā)展也總是由接近地表處逐步向深處發(fā)展。如液化達某一深度z1，則z1以上通過骨架傳遞的有效應力即由于液化而降為零，于是液化又由z1向更深處發(fā)展而達z2，直到砂粒間的側向壓力足以限制液化產(chǎn)生為止。顯然，如果飽水砂層埋藏較深，上覆土層的蓋重足以抑制地下水面附近產(chǎn)生液化，液化也就不會向深處發(fā)展。6.3砂土地震液化的形成條件3.飽和砂土的埋藏條件包括上覆蓋層厚度Z0

和地下水埋深hw,二者決定

。

Z0

越大

或→越大→越不易液化

hw

越大

調查資料表明：當Z0>10m時或h>5m時，一般不發(fā)生液化。6.3砂土地震液化的形成條件3.飽和砂土的埋藏條件具備上述的顆粒粗細、結構疏松、上覆非液化蓋層薄和地下水埋深淺等條件，而又廣泛分布的砂體，是什么沉積環(huán)境下的砂體？6.3砂土地震液化的形成條件4.飽水砂層的成因和時代主要是近代河口三角洲砂體和近期河床堆積砂體，其中河口三角洲砂體是造成區(qū)域性砂土液化的主要砂體。已有的大區(qū)域砂土地震液化實例，主要形成于河口三角洲砂體內。而是往往有史時期或全新世形成的疏松沉積物。引起砂土液化的動力是地震加速度，顯然地震愈強、加速度愈大，則愈容易引起砂土液化。簡單評價砂土液化的地震強度條件的方法是按不同烈度評價某種砂土液化的可能性。例如，根據(jù)觀測得出，在VII、VIII、IX度烈度區(qū)可能液化的砂土的D50分別為0.05一0.15，0.03一0.25，0.015一0.5mm。即地震烈度愈高，可液化的砂土的平均粒徑范圍愈大。6.3砂土地震液化的形成條件二.地震強度和歷時條件（動力因素）又如，烈度不同可液化砂土的相對密度值也不同，烈度愈高可液化砂土的相對密度值也愈大。確切評價砂土液化的地震強度條件需實測出地震時最大地面加速度，計算在地下某一深度處由于地震而產(chǎn)生的實際剪應力，再用以判定該深度處的砂土層能否液化。6.3砂土地震液化的形成條件二.地震強度和歷時條件（動力因素）

烈度或amax

（地震時地表最大加速度）→

τd

（地下某一深度處由地震產(chǎn)生的剪應力）→液化能力

資料顯示：隨烈度增大，可液化土的均增大

說明越容易引起砂土液化或地震的液化能力增強。

注意：極震區(qū)的烈度很高，但以avmax

為主，難以形成大的τd

，液化能力低。

對地震動強度條件的理論統(tǒng)計方法---剪應力對比法。其思想：據(jù)a0max

計算不同深度處的τd

，與τf

對比，判別。6.3砂土地震液化的形成條件1.地震強度？希德：地震在土層中任一點的剪應力主要是由于剪切波向上傳播而產(chǎn)生的，設深度為h的某一土單元上的土柱(圖7-17a)為剛體，地表實測最大加速度為amax，則土單元上的最大剪切應力τmax6.3砂土地震液化的形成條件1.地震強度表7-1ξ的平均值深度01.534.567.5910.5121.000.9850.9750.9650.9550.9450.9350.9150.8950.8566.3砂土地震液化的形成條件1.地震強度6.3砂土地震液化的形成條件1.地震強度(3)實際上，地震時土內任一點的剪應力隨時間的變化是不規(guī)則的(圖7-18)，所以需要求出一個等效均勻剪應力τa,經(jīng)大量統(tǒng)計得出τa=0.65τmax土內任一深度處地震引起的平均剪應力為：

↓↓↓↓↓

越大越長越多越長，越大越強

P235表7-2

地震強度M等效剪應力循環(huán)次數(shù)N7107.5208306.3砂土地震液化的形成條件2.地震歷時

砂土地震液化的判別是地震效應評價的內容之一。

判別內容：6.4砂土地震液化的判別初判的界限指標包括地震條件、地質條件、土質條件、埋藏條件、成因年代。

1.地震條件6.4砂土地震液化的判別一、初判的界限指標分析我國1955年以前近900a間歷次地震噴水冒砂資料得出震級(M)與液化最大震中距(Dmax)有如下關系：

Dmax＝0.82×100.862(M-5)由上式判定，如M＝5則液化范圍限于震中附近1km之內。我國地震文獻中沒有地震震級小于5級的噴水冒砂記錄。故液化最低烈度(I)為VI度。2.地質條件震級5級震中烈度為VI度，近年來歷次地震震后調查發(fā)現(xiàn)，發(fā)生液化處多為全新世乃至近代海相及河湖相沉積平原，河口三角洲，特別是洼地、河流的泛濫地帶、河漫灘、古河道、濱海地帶及人工填土地帶等。6.4砂土地震液化的判別3.土質條件

可能液化土的指標6.4砂土地震液化的判別按上述判別條件進行初判可歸納為圖7—19的流程圖。初判結果雖偏于安全，但可將廣大非液化區(qū)排除，把進一步的工作集中于可能液化區(qū)。圖7－19地震砂土液化限界指標初判流程圖

深度>15m

不液化

水位埋深大于8m6.4砂土地震液化的判別4.埋藏條件1).最大液化深度一般液化判斷應在地下15m范圍內，最大液化深度可達20m，對一般基礎而言，若15m以下液化，建筑物受影響很小。2).最大地下水位深度噴砂冒水嚴重的地區(qū)，地下水埋深一般≤3m,超過5m沒有噴砂冒水實例?！豆I(yè)與民用建筑抗震設計規(guī)范》修訂稿將液化的最大地下水位埋深定為8米。二、現(xiàn)場測試法

幾第一階段初步判別認為有可能液化或需考慮液化影響的飽和砂土或粉土，都應進行以現(xiàn)場測試為主的進一步判別。