与区域稳定性有关工程地质问题课件

p第四讲 与区域稳定性有关的工程地质问题第四讲 与区域稳定性有关的工程地质问题一、区域稳定性的概念二、活断层三、地震四、区域稳定性评价区域稳定性是指在内、外动力作用下，现今一定区域地壳表层的相对稳定程度及其对工程建筑安全的影响程度。区域稳定性与区域地壳稳定性或区域构造稳定性不同。区域稳定性包含后者，后者通常不包括区域性外动力地质作用，而只是现代地壳活动性及其对工程建设影响的研究与评价。一、区域稳定性的概念研究区域工程地质特征；进行区域稳定性评价；研究区域工程地质改造，并强调对任何重大工程项目都应该研究区域稳定性问题。区域稳定性研究的基本任务区域稳定性研究的基本任务1 区域地壳结构与组成研究区域地壳结构与组成研究区域地壳结构与组成研究是区域稳定性研究的重要地质基础，它主要包括岩石圈结构演化，层圈对流和深断裂的分布及其对表层构造格架的影响研究，地壳厚度变化，重力梯度带，布格异常变化带的研究，构造动力来源研究，表层构造格架研究等。2 区域新构造运动与应力场研究区域新构造运动与应力场研究区域新构造运动与应力场是区域稳定性研究的主要内容之一。它主要包括区域新构造运动形式、特点、强度及其变化趋势，区域地壳形变特征，新构造应力场特征、最大主应力与最小主应力及剪应力的分布状态，现今地应力测量，区域现今应力场反演、模拟计算，应力场演化趋势及其与活动断裂和地震活动关系模拟计算分析等。区域稳定性研究的基本内容区域稳定性研究的基本内容3 区域断裂现今活动性研究区域断裂现今活动性研究区域断裂现今活动性是区域稳定性研究的另一主要内容之一。它主要包括区域活动断裂分布、产状、规模和类型，断裂分段性活动特征，断裂活动年代，活动强度与活动速率测试估算，活动周期，微震台网监测研究其活动性，主要活动断裂演化趋势及其对工程建设可能的危险性分析等。4 区域地震活动与火山活动研究区域地震活动与火山活动研究区域地震活动与火山活动研究是区域稳定性研究的中心内容，特别是地震强烈活动地区，对区域稳定性具有决定性作用。它主要包括区域地震活动和火山活动基本特征、空间分布，历史地震活动分析，发震断裂构造或潜在震源区确定，地震强度、最大震级和活动周期，地震带的潜在演化趋势，潜在震源区划分及其对工程建设地区的危险性评价等。5 区域重大地质灾害研究区域重大地质灾害研究区域重大地质灾害研究主要包括区域地质灾害分布，主要地质灾害类型和危害性分析，重点是崩塌、滑坡、泥石流、地裂缝、地面塌陷和地面沉降等灾害的分布特征及其发展趋势；地质灾害预测、危险性评估和对工程危害程度分析等。1、概念、概念活断层:指目前正在活动着的断层或近期有过活动且不久的将来可能会重新发生活动的断层。二、活断层二、活断层美国原子能委员会（USNRC）：（1）在3.5万年内有过一次或多次活动的断层（2）与其他活动断层有联系的断层（3）沿该断裂发生过蠕动或微震活动岩土工程勘察规范全新地质时期（11.1万年）中国水利水电工程地质勘察规范晚更新世（10万年）西安地裂缝：临潼长安活动断裂带活断层的地面错断直接危害跨越该断层的建筑物2、活断层的危害、活断层的危害伴有地震发生的活断层，强烈的地面振动对较大范围内的建筑物损害石岗大坝全长石岗大坝全长700m,台湾台湾1999.9.21地震中被断层切错地震中被断层切错3、活断层的基本特征活断层是深大断裂复活的产物深度地震活动盖层断裂切穿沉积盖层，达到基底顶面地震M3基底断裂切穿岩浆岩层，达到玄武岩顶面M6，不形成地震带地壳断裂切穿地壳，达到地幔顶面M6，形成地震带岩石圈断裂切穿岩石圈，达到软流圈M6，形成控制性地震带活断层的继承性和反复性（1）地震断层（粘滑型活断层）以地震方式产生间歇性突然滑动发生在强度较高的岩石中，断层带锁固能力强，危害大（2）蠕变断层（蠕滑型活断层）沿断层面两侧岩层连续缓慢地滑动发生在强度较低的软岩中，断层带锁固能力弱一般无震发生，有时可伴有小震活断层的活动方式4、活断层的参数产状断层面的走向、倾向和倾角遥感判读、宏观地质调查、震源机制断层面解、裂缝、地震特征1970年通海地震的等震线图 地震时地表断裂带长度和断层最大位移量.一般：震级越大，震源深度越浅，地表断裂越长，断距越大。7.5级以上地震均出现地表错断，而小于5.5级的较少出现.长度和断距唐山大地震地表断层错动 靠近旧靠近旧金山第金山第六街的六街的布鲁克布鲁克桑姆街桑姆街路面出路面出现了深现了深深的地深的地裂缝并裂缝并有明显有明显的垂直的垂直位错位错海城县析木公社近海城县析木公社近SNSN向和向和近近EWEW向锯齿状地裂缝向锯齿状地裂缝,具有具有左旋扭动性质左旋扭动性质,位移位移36cm36cm地震震级与地表错断长度的关系 地震震级与地表最大位移的关系 错动速率现今错动速率：精密地形测量确定平均错动速率：最新沉积物的错动位移与沉积年代之比等级AAABCD错动速率(/a)101100.110.010.10.01活动性很高高中等低非活动性美国美国 圣安德烈斯断层圣安德烈斯断层,错动速率错动速率4-5cm/a错动周期应变能积累的速度：地壳应变速率S地质体能够承受应变能的极限：断层 锁固段的强度d：一次地震的错移量 S：断层的平均错动速率年龄判据直接法：断层物质绝对年龄法C14、热发光法等间接法：错动地层年龄法最新沉积物的错断（1）地质方面）地质方面5、活断层的识别活断层带物质结构松散伴有地震现象的活断层，地表出现断层陡坎和地裂缝断崖：活断层两侧往往是截然不同的地貌单元直接相接的部位（2）地貌方面）地貌方面N（1）一系列的水系河谷向同一方向同步移错（2）主干断裂控制主干河道的走向宝成铁路：长609公里，灾害112处水系：对于走滑型断层不良地质现象呈线形密集分布导水性和透水性较强，泉水常沿断裂带呈线状分布，植被发育（3）水文地质方面）水文地质方面古建筑的错断、地面变形考古地震记载（4）历史资料方面）历史资料方面水准测量、三角测量（5）地形变监测方面）地形变监测方面6、活断层的研究方法野外调查野外调查 活断层的位置、方向、长度活断层的位置、方向、长度遥感解译遥感解译勘探勘探 地形变测量、微震测震地形变测量、微震测震安全评估安全评估对活断层进行研究，首先调查其展布情况，即活断层的位置、方向、长度等。可根据已有区地质、航磁和重力异常资料，与卫星影象、航空照片对照，进行初步判释，勾划出所有可能对场地有影响的活断层。在卫（航）片判释的基础上，要进行区域性踏勘，进一步验证判释成果。一般是根据发震断层的地质、地貌和水文地质鉴别标志来进行，并作详细研究。对建筑场地内及其附近的活断层要进行详尽的研究。为了确定活断层近期及现今活动的参数，需进行钻探、坑探、物探和绝对年龄测定等工作。对于蠕滑型活断层，可通过跨断层的地面精密水准和精密三角测量、地震测震以及地下洞室中跨断层埋设位移计、激光测距仪等监测，以获取某些活动参数。还是确定活断层最新一次活动的地质年代和绝对年龄，这对对工程建设和活断层危险性评估也至关重要。活断层工程安全性评估（1）通过野外地质地貌调查、探槽与实验室年代测定，根据活动断层鉴定的标准，确定工程场区及区域范围内的断层是否为活动断层，为工程选址避开活动断层提供科学依据。（2）查明活动断层的长度、宽度、运动性质、错动方式、滑动速率、一次错动的位移量与重复特征以及分段性等特征，在此基础上要评价活动断层对工程场地的影响。（3）根据发震断层最大潜在地震及地震发生特征的分析，划分潜在震源区和评价地震活动性参数。通过对工程场地的地震危险性分析，给出场址不同风险概率水平的抗震设防参数，据此进行工程抗震设计，从而保证工程设施在遭遇未来地震时的安全性。（4）根据工程场地的地质条件，结合地震危险性分析结果，进行地震地质灾害评价，评估工程场地遭受上述灾害的可能性及程度，作为工程场地避让潜在地震地质灾害地带或采取相应工程安全措施的依据。我国活断层的分布特征我国活断层的分布特征我国活断层的分布总体上继承了老的断裂构我国活断层的分布总体上继承了老的断裂构造造大多处于活动性强的现代地应力场中，受控大多处于活动性强的现代地应力场中，受控于现代应力场。于现代应力场。以东经以东经105度为界，分为东西两部分，东部度为界，分为东西两部分，东部以以NE和和NNE走向为主的正断层和走滑正地走向为主的正断层和走滑正地层为主，西部以层为主，西部以NW和和NWW走向的走滑和逆走向的走滑和逆冲冲-走滑断层为主。走滑断层为主。7、活断层区的建筑原则建筑物场址一般应避开活动断裂带线路工程必须跨越活断层时，尽量使其大角度相交，并尽量避开主断层必须在活断层地区兴建的建筑物，应尽可能地选择相对稳定地块即“安全岛”，尽量将重大建筑物布置在断层的下盘。在活断层区兴建工程，应采用适当的抗震结构和建筑型式据统计，全世界每年大约发生几百万次地震，人们能感觉到的仅占1左右，7级以上的灾害性地震每年多则二十几次，少则三、五次。我国位于环太平洋和地中海一南亚两个地震带之间，是一个多地震活动的国家。在我国三千多年的历史资料中，记录地震近万次，其中破坏性地震达6000多次；据1200 1989年资料统计，7级地震为 147次，8级及其以上巨大地震共 19次。1966年至今，大地震已达20余次。我国地震分布以西南、西北、华北、东南沿海和台湾省区破坏性地震最多。其中台湾尤甚，大震多，频度高；新疆和西藏次之。三、地震三、地震三、地震三、地震一、基本概念一、基本概念1、地震：在地壳表层,因弹性波传播所引起的振动作用或现象。2、震源：地壳内部振动的发源地。3、震中：震源在地面上的垂直投影。浅源地震：300km震源深度：4、地震波体波：通过地球本体传播的波面波：体波经过反射、折射后，沿地面传播的波体波纵波（P）：压缩波横波（S：剪切波破坏性最大面波（L）瑞利波（R）：质点在XZ面上椭圆滚动前进勒夫波（Q）：质点在XY面上曲线前进VpVsVL5、震级：是衡量地震本身大小的尺度，由地震所释放出来的能量大小所决定。MLOGAM5 破坏性地震7 强烈地震A：距震中100公里处标准地震仪在地面所记录的最大振幅（微米）。标准地震仪：自振周期0.8秒，阻尼比0.8，最大静力放大倍率为2800。6、烈度：地面震动强烈程度受地震释放的能量大小、震源深度、震中距、震域介质条件的影响。震源深度和震中距越小，地震烈度越大。在震源深度和震中距相同的条件下，坚硬基岩场地较松软土场地烈度小。（1）地震基本烈度：一定时间和一定地区范围内一般场地条件下可能遭遇的最大烈度。一个地区的平均烈度（2）设防烈度（设计烈度）：是抗震设计所采用的烈度。是根据建筑物的重要性、经济性等的需要，对基本烈度的调整。建筑物等级 抗震设防烈度 甲类：特殊要求的后果极为严重（放射性、毒气、大爆炸）特殊抗震、专门研究 乙类：国家重点抗震城市的生命线工程（交通、通讯）基本烈度提高一度 丙类：一般工业民用建筑物 基本烈度 丁类：次要的临时性建筑物 降低一度或不设防 二、地震发生的主要条件二、地震发生的主要条件1、介质条件坚硬岩石2、结构条件活断层的一些特定部位：端点、拐点、交汇点等。3、构造应力条件现代构造运动强烈的部位，应力集中研究构造应力重要包括1、3的方向及其实测值，并研究构造应力方向与断层的关系。三、震源机制和震源参数三、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。单力偶133双力偶1P波的初动具有明显的象限分布特点。平移断层正断层逆断层2.震源参数：反映震源断层的一些特征量或物理量包括：断层走向、倾向、倾角、断层错动方向、震源断层长度、宽度、断层错距、震源应力方向等。（1）等震线的几何特征（2）地表断层和裂缝四、地震效应四、地震效应在地震作用影响所及的范围内，地表出现的各种震害和破坏。场地工程地质条件、震级、震中距、震源参数、建筑物类型、结构等因素有关。振动破坏效应地面破坏效应斜坡破坏效应（一）振动破坏效应地震 地面运动 建筑物振动 建筑物破坏地震波1、静力法建筑物受到的水平地震力P为：其中称为水平地震系数PW铅直地震力P：其中 ：铅直地震系数，：最大铅直加速度一般：2、动力分析法考虑地震对建筑物的作用与场地工程地质条件、建筑物结构特点、地震历时等因素。反应谱法时程分析法简化反应谱法地震影响系数：单质点弹性结构在地震作用下的最大加速度与重力加速度比值的统计平均值。(二）地面破坏效应破裂效应地基效应地震断层地面裂缝沉降砂土液化地基滑移不同地质条件下地基失效造成的建筑物破坏 砂土液化：饱水砂土在地震、动力荷载或其它物理作用下，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。影响砂土液化的因素1）土的类型及性质粒度粉、细砂土最易液化。密实度松砂极易液化，密砂不易液化。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2）饱和砂土的埋藏分布条件砂层上覆非液化土层愈厚，液化可能性愈小。地下水位埋深愈大，愈不易液化。3）地震活动的强度及历时地震愈强，历时愈长，则愈引起砂土液化，而且波及范围愈广。五、场地工程地质条件对震害的影响五、场地工程地质条件对震害的影响1、岩土类型及性质软土硬土，土体基岩 松散沉积物厚度越大，震害越大 土层结构对震害的影响 软弱土层埋藏愈浅、厚度愈大，震害愈大。2.地质构造离发震断裂越近，震害越大，上盘尤重于下盘。3.地形地貌突出、孤立地形震害较低洼、沟谷平坦地区震害大4.水文地质条件地下水埋深越小，震害越大。一、烈度小区划静态小区划（1）将同一基本烈度区划分成方格单元（3002000m）（2）计算“地震刚度”引起的烈度增量I1vii单元内土层的地震刚度；vii 由基本烈度研究时所确定的标准土层的地震刚度（3）计算“地下水埋深”所引起的烈度增量I2h 地下水埋深（m）当h610m时，I20（4）计算“土层共振”引起的烈度增量I3可通过有关参数mi、si查表得出（5）计算烈度增量I II1I2 I3 I可正，可负（6）绘制各单元内的地震烈度等值线，各单元内按场地烈度进行设计。二、调整反应谱小区划动态小区划（1）划分网格单元，单元大小可视精度、比例尺而定；（2）确定网格中代表性地层剖面，计算不同土层的地震反应；（3）根据区域地质背景条件，假定一最大震级及震中位置；（4）选用近期记录到的强震波谱，以此为依据计算各单元土层的地震加速度反应谱，即（t）曲线七、震区抗震原则及措施七、震区抗震原则及措施（一）场地选择原则1.避开活断层2.尽可能避开具有强烈振动效应和地面效应的地段3.避开不稳定斜坡地段4.尽可能避开孤立地区、地下水埋深浅的地区（二）抗震措施（持力层和基础方案的选择）1.基础砌置在坚硬土层上2.砌置深度应大一些，以防发震时倾斜3.不宜使建筑物跨越性质不明的土层上4.建筑物结构设计要加强整体强度，提供抗震性能。第四节 诱发地震水库地震向地下深部注液或抽液引起的地震采矿诱发地震地下爆炸诱发地震岩溶气冒型地震一、区域稳定性分区分级方法一、区域稳定性分区分级方法 区域稳定性分区分级目的：将一个区域划分成不同稳定程度的区或块，供工程设计部门利用和决策，以便选择稳定条件较好的地区和指定合理的建设、规划方案。第五节 区域稳定性评价2010年9月25日上午，建成后的北川新县城将由山东援建方整体移交给北川。移交结束后，新县城将正式启用。据了解，北川新县城总体预算为153.7亿元。北川人口22万，2020年规划县城人口为7万。为了北川孩子们在一个安全的环境中读书，8层高的教学楼下，打下了10层楼高的地基为了让北川的居民睡得踏实，花30万匹砖盖起5层楼房，却用了45万匹砖打下地基1、区域稳定性级别、区域稳定性级别区域稳定性级别划分是在区域稳定性各因素或条件工程地质研究评价基础上进行的。首先考虑地震作用，其次考虑山体及地表稳定性和地震对岩土体稳定性的影响。按稳定性程度通常可划分为不稳定、次不稳定、基本稳定和稳定四个不同级别。区域稳定性分级以工程抗震指标、地震灾害为主，其它灾害为辅，各级区的划分界限亦如此。不稳定区域：区内有强烈活动断裂或附近强烈活动断裂、可能发生强震，影响该区烈度为或度以上，可能引起区内某些断裂复活及山体失稳、地表开裂，难以进行建筑或需采取特别防护措施才能进行建筑的区域。次不稳定区域：指区内或附近活动断裂发震、影响烈度为度，也可能引起某些坡体失稳滑动以及某些地段地面发生震陷、变形破坏，进行建筑必需抗震设防的区域。基本稳定区域：指基本烈度为度，地震作用对岩土体稳定无影响，除特殊重要建筑物外，一般建筑物都可不进行抗震设防的区域。稳定区域：指烈度为度和度以下，地壳及其表面处于稳定状态，任何建筑物都不需抗震设防的区域。2、区域稳定性分区分级方法、区域稳定性分区分级方法对一个大区域，可按稳定性相同或相似程度，由大而小划分为地区、地带、地段和地点四级：地区主要按活动构造体系存在与否划分；地带可按一个体系各部分活动程度划分；地段可按一个地带内断裂构造的活动程度划分；地点可按一个断裂各段的不同活动程度划分。区域稳定性分级分区综合表地区地带地段地点不稳定地区不稳定地带不稳定地段不稳定地点，次不稳定地点，基本稳定地点，稳定地点次不稳定地段次不稳定地点，基本稳定地点，稳定地点基本稳定地段基本稳定地点，稳定地点次不稳定地带次不稳定地段次不稳定地点，基本稳定地点，稳定地点基本稳定地段基本稳定地点，稳定地点稳定地段基本稳定地带基本稳定地段基本稳定地点，稳定地点稳定地段稳定地带次不稳定地区基本稳定地带次不稳定地段次不稳定地点，基本稳定地点，稳定地点基本稳定地段基本稳定地点，稳定地点稳定地段稳定地带基本稳定地区基本稳定地带基本稳定地段基本稳定地点，稳定地点稳定地带稳定地段稳定地区稳定地带稳定地段二、区域稳定性评价方法首先收集分析区域性地质、地震资料、地球物理探测资料，遥感图像资料以及自然气象水文资料等等。在室内进行分析，应着重分析构造体系和构造应力场，判断断裂的力学性质，断裂复合形式及形态的特定部位，分析第四纪地壳活动特征和沉积物特征等。在此基础上进行野外调查研究工作，应着重调查研究断裂构造的发育演变历史，新近活动迹象和各种动力地质作用、现象的发育分布规律及其成灾情况。随后再开展室内研究，主要有光弹模拟试验、相似材料模型模拟试验和数值模拟分析等等，旨在分析验证区域构造应力分布状态与应力能密度变化情况，并参照震源机制解、地壳形变测量资料等进行论证。最后综合全部调查研究资料进行评价与分区。综合评价的方法，可依次在建设区域地壳稳定性评价，建设地区地表稳定性和工程场址岩土体稳定性评价基础上进行综合评价。按不同层次，由工程建筑区域、地区以至工程场址依次划分为区域地壳稳定性、建设地区地表稳定性和工程场址岩土体稳定性三类。地壳稳定性指主要在地球内因，包括现代地壳运动、地震活动、岩浆活动等引起的地壳及其表层的相对稳定程度，也包括人类工程及其他活动诱发的地震活动、断层活动及火山活动的研究和预测。地表稳定性指地壳表面在地球内、外动力地质作用和人类工程经济活动影响下的相对稳定程度。如各种原因产生的地面沉降、塌陷及地裂缝；各种斜坡、边坡的变形和破坏现象；也包括湿陷性土、涨缩性土、易液化土、盐渍土等土层性状变化引起的地表变形等。地表变形可能直接影响工程岩土体失稳。工程岩土体稳定性即具体指工程建筑物影响范围内岩土体的稳定性，如地基、边坡、堤坝及硐室围岩的稳定性等。工程地质区域稳定性研究和评价主要是研究、评价工程建设区域地壳稳定性和建设地区地表稳定性问题，但也涉及工程场址和工程建筑直接联系的岩土体的稳定性问题。地壳稳定性分级与单因素评价指标分 级指标基本烈度（度）地震活动第四纪地壳升降速率mm/a断裂活动速率mm/a地壳结构类型深部构造异常特征工程建筑适宜性稳定6M4.5块体适宜基本稳定64.5M5.50.10.1镶嵌重大工程设防次不稳定7-85.5M6.50.10.50.11.0块裂深部构造异常带附近按抗震规范进行抗震设计不稳定9M6.50.51.0深部构造异常带上不适宜地面稳定性分级及评价指标分 级指标灾害及对地面破坏优等级灾害极少发生，地面极轻度破坏，对工程建筑无不良影响良好级灾害少量发生，地面有轻微破坏，对工程建筑无明显破坏中等级有一定数量灾害发生，地面受到相当程度破坏，但可以采取措施避免使建筑破坏劣等级灾害大量反复发生，无法避免使建筑遭到严重破坏，以致毁坏地基稳定性分级及单因素评价指标分 级指标场地土类别场地平均剪切波速（m/s）卓越周期（s）承载力（Mpa）地下水条件地形条件级坚硬5000.250.4埋深6m无侵蚀性平垣，坡度5场地相对高差2m级中硬500-2700.25-0.40.4-0.15埋深4m微侵蚀性平缓 坡度10场地相对高差5m级中软270-1400.4-0.60.15-0.08埋深2m中等侵蚀地形复杂，坡度1020，场地相对高差10m切割中等级软弱1400.60.08埋深2m强烈侵蚀地形极复杂，坡度20相对高差10m切割强烈工程地质区域稳定性综合评价指标SR SC地壳稳定性评价指标；SG地表稳定性评价指标；SM工程岩土体稳定性评价指标。区域地壳稳定性综合评价