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地震的工程地质研究
1 基本概念及研究意义
地震: 地表岩层中因弹性波的传播所引起的震动。
震源: 地球深处因岩石破裂引起地壳振动的发源地。
震中: 震源在地面的投影。
震源深度: 震中至震源的距离。
按震源深度将地震分为:
浅源地震( 0~70km)
中源地震( 70~300km)
深源地震( 300~700km)
中国地处两大地震带, 是地震多发国家。
2 地震及地震波
2.1 地震波
地震时, 震源释放的能量以弹性波的形式向四处传播, 这种弹性波就是地震波。
地震波种类: 体坡 P波( 纵波) 、 S波( 横波)
面坡 R波( 瑞利波) 、 Q波( 勒夫波)
2.2 震源机制和震源参数
震源机制: 地震发生时震源的物理过程。
震源参数: 指描述震源物理过程的一组物理量。
一、 震源机制
推拉模式
单力偶模式
双力偶模式
震源机制断层面解
利用赤平投影能够表示地震P波初动最适合的象限分布特征。
[实例]解水河断裂带震源机制解与断裂带变形组合的关系。
二、 震源参数
震源实际上一个产生有限错动的断层面。
限定一个震源需要以下七个物理是:
断层面长度、 宽度、 走向、 倾向和倾角、 断层错动方向、 错距、 破裂扩展速度。
2.3 地震的震级和烈度
震级是表示地震发生时, 震源释放的能量大小。震波与释放能量大小的关系为:
lgE=11.8+1.5M
地震烈度是表示地震发生时对一个具体地点的实际震动的强弱程度。它不但取决于地震能量大小, 还与震源深度、 震中距离、 传播介质特征等因素有关。
按地震发生时对人或地面的影响程度, 可分为十二度。( 见表5－2)
平均震害指数:
i=震害指数 0≤i≤1
仅相类似条件比较才能真正确定出地震烈度的相对强弱。
有的学者想用地震力的大小来表描地震的破坏力。但统计也较困难。
基本烈度: 指在今后一定时期内, 在一定地点的一般场地可能遭受的最大烈度。
3 中国地震地质的基本特征
3.1 世界范围内的主要地震带及其大地构造环境
地震并非均匀分布在地球各部分, 而是集中于某些特定的条带, 称为地震带。
世界范围的地震带主要为:
一、 环太平洋带 集中了全世界的绝大部分地震
二、 地中海—喜马拉雅地震带 以浅源地震为主
三、 大洋海岭地震带 以浅源地震为主, 震级也不大
上述三大地震带均处于板块构造的边缘。
由于地幔物质对流, 运载着深浮其上的刚性极块运移, 因而造成了板块增生带、 板块消减带和转换断层三个发震构造带。
a. 板块增生带
地幔软流图圈在海岭两侧作相反方向流动, 使海岭中轴承受拉应力, 产生正断层面发生地震。
 b. 转换断层
在海岭间形似走滑断层, 在转换断层上常发生走滑断层地震。
c. 板块消减带
两大板块相接触, 产生两种运动方式: 俯冲和碰撞。
太平洋板块向欧亚板块下俯冲, 在泮壳一侧形成正断型地震, 陆壳一侧产生逆断型地震, 其中洋壳可俯冲至720km深度形成深源地震。
印度板块与欧亚板块发生碰撞, 欧亚板块以低角度仰冲起覆于印度板块之上, 形成喜马拉雅山强烈隆开, 并伴随地震, 以低角度逆动型地震为主。
3.2 中国地震的基本特征
中国除台湾东部、 西藏南部和吉林东部深源地震外, 其余地区的地震均属大陆板块内部地震。
一、 中国强震空间分布及地震带划分
以东经105º为界, 西部地震广泛分布、 东部仅华北和东南沿海一带有地震分布, 西部地震强度和数量也大于东部, 西部塔里木、 准噶尔等盆地地震亦少发生。
有的研究者将中国及邻近区域共划分为12个地震区见P194页图5-21。
从西部看, 地震以喜马拉雅南缘、 青藏高原南部最强, 向北减弱, 但天山南北地震有所增强。
地震发震深度西部40~70km, 东部20km, 东南沿海仅10km。
二、 中国强震发生的地质构造条件
已有资料表明, 绝大多数强震都发生在稳定地块边缘的深达岩石圈, 基底岩层深大活动断裂或断陷盆地中。
a. 强震与活动断裂的关系
强震经常发生在活动断裂的应力集中的特定部位上, 如:
①活动得大断裂的交汇部位, 约占50%;
②活动性得大断裂的转折段, 约占15%;
③活动性得大断裂的端部或锁固段( 错裂段)
在发震断裂中, 第四纪以来有明显活动的、 晚第三纪以来有活动者和新生代以来有活动者的比例为7∶2∶1。
由此看来, 新近活动的第四纪活动断裂活动性最强。
b. 强震与断陷盆地的关系
断陷盆地受活动断裂的影响和控制, 因而也是强震的多发地。其主要发震构造部位为:
①对于倾斜的断陷盆地, 其较深、 较陡的一侧的活动断裂易形成地震。
②盆地间或盆地内由横向断裂控制的隆起带两侧。
③断陷盆地的锐角形端部。
④断陷盆地内多组断裂交汇部位。
⑤复合盆地中的次级凹陷带。
c. 地震活动与深部构造的关系
主要是地壳厚度的梯度异常带或莫霍面的梯度异常带, 如青藏高原周边, 常发育深达地壳的地壳断裂, 或岩石圈断裂, 常发生强震。
4 地震区划
即根据基本烈度对地震的可能危害程度进行分区。1977年内国家地震局已编制了《中国地震烈火度区域划分图》, 作为工程建设参考。
其方法是首先地震区或地震带在未来1 内可能发生的各极地震的地点、 地段、 勾划出各极地震活动危险区。
其后, 根据地震活动危险区, 以及中国历史地震的震级与震中烈度的经验关系, 将各级地震危险区核算为相应的震中烈度。地震影响烈度及其分布范围。编制地震烈度区划图。
当前地震区划多采用概率模型。( 略)
5 场地地震反应及地震小区划
上述的地震区划图比例尺太小, 是较大地区内地震危险性的平均估计。显然, 对于某一特定的场地或工程建设项目, 由于具体的工程地质条件不同, ( 包括地形、 地质、 水文地质条件等) , 因而地震震害的影响也就不同, 因而有必要根据具体场地的工程地质条件, 编制适合于工程建设和土地规划利用的地震小区划图。
地震的小区划图的编制需要结构场地的具体工程地质条件, 根据地震破坏效应来进行。
地震破坏效应: 在地震波的作用下, 场地会出现的各种破坏作用。
它包括两个方面的内容: 场地破坏效应和强烈震动效应。
5.1 场地破坏效应
一、 地面破裂效应
分两种情况:
其一, 活动断裂错动, 直接将地面错裂。
其二, 地震力超过地面质点的弹性极限, 从而形成地面破裂。
二、 地基失效
松散土体震动变形造成沉降或不均匀沉降。如地震砂土液化引起地基失效。
三、 斜坡破坏效应
包括地震诱发的崩塌、 滑坡、 地震水体溃决等, 引起的附加破坏效应。
5.2 强烈地震动
强烈地震动造成的地震力是造成人员伤亡的直接原因, 地震力的大小为:
F=ma==k•m
K: 地震系数: 垂直、 水平
描述地震强烈程度的参数为: 振幅、 频谱和地震持续时间。
一、 振幅
由地震加速度:
A即为振幅, 是质点的最大位移。
二、 频谱
地震波是由不同振幅、 不同频率的谐波合成的, 不同振幅、 不同相位的谐波随频率的变化规律称为频谱。
由于地震波频谱复杂, 因而地基对某些频率的波有选择性放大的作用。当震动的频率与地基的固有频率( 特征周期、 卓越周期) 相同( 相近) 时, 地基发生共振, 震达到最大值。
建筑物与地基也有共振的问题。
三、 持续时间
震动持续时间愈长, 对建筑物的危害也愈大。
5.3 场地条件对地震动的影响
一、 基岩
基岩在地震动时振幅小, 持续时间短, 因基岩地基一般震害小。
图5-38和表5-8( P220)
二、 深厚松散覆盖层
松散覆盖层自振周期长, 震动持续时间也较长, 因一般震害较重。
沉积物的厚度对建筑物的危害影响较大, 一般厚度大的覆盖层( 160m以上) , 对高层建筑影响大; 中等厚度覆盖层对中等高度建筑物影响较大。
表5-9 ( P221)
随沉积层厚度的增大, 木结构房屋破坏严重。
一般卓越周期 T=
H: 沉积层厚 Vs: 剪切波速
因此抗震设计中应避开地基的卓越周期。
三、 局部地形对震害
一般突出、 孤立地形对震害有加强作用, 而低洼地带对震害有减弱的作用。
另外, 岩、 土体不稳定地形有加重震害的作用。
四、 砂土液化
a. 砂土液化机理
砂土液化按形成机制可分为振动液化和渗流液化。
b. 振动液化
松散砂体饱水, 由于砂粒振动挤密排水, 当排水不畅时将形成孔隙水压力增高, 以致于抵削了有效应力, 砂粒处于无联接状态而液化。
b. 渗流液化
①渗流液化产生条件
渗流段微元左端作用的水压力为:
F1=
右 F2=
合力为: F=F1-F2= F1=
当水石流动时, , 相当于土体微元固体积水作用于渗流方向上地分力。( 重力分力)
因此, 水流动时, 作用于土体微元上地动水压力合力
FW=F-F0
=
定义: 将作用于单位体积土骨架上的力称为动水压力( fd)
则 fd =
=J
J为水力坡度
颗粒流动条件为: 动水压力要克服土粒的有效重度( 水下重度)
即: fd =
由此得: 称临界水力坡度。
②渗流液化
对于砂土渗流液化来说, 除原有的静水压力Pwo外, 还有因振动所产生的超孔隙水压力Pwe。( 内骨架转化而来)
总孔隙水压力PW = Pwo + Pwe
而 Pwo =
Pwe =
则 Pw = Pwo + Pwe = 即起孔隙水压力随深度的增加而增大。将向压力小的方向消散。
在深度Z1和Z2上, 水头差h为:
• h =( -w) Z2-( -w) Z1
=( -w) •
则水力坡度
③地震砂土液化的评价
相对象度判别
地面最大加速度
不发生流化的相对密度
0.10g
Dr>53
0.15g
Dr>64
0.20g
Dr>78
0.30g
Dr>90
砂土的粒度和级配
中、 粗砂, 排水条件好, 不易形成超孔隙水压力, 不易液化。
粘粒, 具有较大的粒间粘结力, 对液化有抵卸作用。
因此, 当粉、 细砂、 粘土中粉粒含量少时, 有可能液化。
对于粉土不液化条件:
地震烈度
7
8
9
粘粒含量( %)
10
13
16
不发生液化
原位试验判别( 粉、 细砂、 粉土)
Ncr = No [ 0.9+0.1 ( ds-dw) ]
N0: 基准标贯击数;
ds: 标贯深度
dw: 地下水位
: 粉粒含量百分比
烈 度
7
8
9
近 震
6
10
16
远 震
8
12
—
当N>Ncr时, 不易液化。
埋藏条件
根据砂土液化机理, 只有当孔隙水压力大于砂粒间的有效应力时, 才能产生液化, 而有效应力取决于固结压力的大小和固结时间。
从固结压力来讲, 埋藏愈深, 自重压力愈大, 有利于产生较大的有效应力。
如果饱水砂层埋藏很深, 则由上覆自重建以抑制砂土液化, 则砂土液化将不会产生。
工程上, 当上覆土层厚度和地下水深度符合下列条件之一, 则不考虑液化。
du>dp+db-2
dw>do+db-3
du+dw>1.5do+2db-4.5
du: 上覆非液化土层厚度( m)
do: 基础深度
dw: 地下水位深度
db: 液化土层特征深度, 按下表取值
烈 度
7
8
9
粉 土
6
7
8
砂 土
7
8
9
饱水砂层的成因和时代
时代古老的土、 固结时间长、 固结程度高、 密实, 不易产生液化。故, 一般晚更新世( Q3) 以前的土可判定为不液化。
砂土液化前若上覆土层能保持一定的强度从而使地基不失效的话, 则下伏的液化层能起到阻止地震剪切波的作用进而免除建筑物遭受震害威胁。