地震工程地质研究.ppt

第三章地震工程地质 第一节概述地震 在地壳表层 因弹性波传播所引起的振动作用或现象 按成因分类 构造地震最严重一类 数量多规模大 波及面广 破坏性大 世界90 以上属于此类 本章介绍此类地震及水库诱发地震 第二节地震一 几个概念 1 震源 地震发源地 能量E 深度H 2 震中3 震中距4 震源深度 震源深度 5 地震波 地震波是指从震源产生向四外辐射的弹性波 体波 面波 L Vp Vs VL 6 震级 M 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 M LOGA A 距震中100公里处标准地震仪在地面所记录的震波最大振幅 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 能量E J 与震级 M 关系 理论上M无上限 实际上 因地壳岩石强度有限 即累积应变能有限 目前最大M为9 0级 logE 4 8 1 5M 按地震M级大小 7 烈度 一次地震于某地地面震动强烈程度 与地震释放的能量大小 震源深度 震中距 震域介质条件有关 一次地震只有一个M 但有不同烈度I 震中烈度用I0表示 震源深度和震中距越小 地表岩土越软弱 地震烈度越大 浅源地震 据152次大震统计 震级与烈度的关系 M 0 68I0 0 98 烈度是估算灾情 进行区划 抗震设计的直接依据 震害大小取决于地震破坏力和地物本身抗震性两方面 烈度划分以两方面作为标准 目前全世界均是以一次地震造成一个地区的宏观震害 如房屋倒塌程度等 同时引入地震加速度等物理指标作为参考 划分烈度 国际上有数十种划分标准 我国是国家地震局制定的标准 根据一个地区某一地震及代表性地质条件 一般二类土层 建筑破坏情况划分烈度 根据 人的感觉 房屋及器物地物震害程度 加速度和速度 参考 等级 I 级几个烈度概念 1 地震基本烈度 I基 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 场地烈度 I场 同一I基区 场地条件不同而进一步划分 对I基修正 3 设防烈度 设计烈度 I设 是抗震设计所采用的烈度 依建筑物重要性 抗震性 经济性 对I基调整 原则上一般建筑用I基 重要建筑适当提高 设计部门很少用I场 二 地震发生的主要条件 1 介质条件 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 研究构造应力主要包括 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 坚硬岩石 现代构造运动强烈的部位 应力集中 三 地震地质的基本特征 1 强震活动受活动构造的控制 2 大陆地震受控于现代构造应力场 3 强震活动经常发生在断裂带应力集中的特定地段上 4 绝大多数强震发生在一些稳定断块边缘的深大断裂带上 而稳定断块内部很少或基本没有强震分布 5 裂谷型的断陷盆地尤其是晚第三纪 第四纪新生盆地也常发生强震 四 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 可以通过多个地震台的地震记录图来确定 主要依据初到P波的方向 1 3 1 3 单力偶 双力偶 P波的初动具有明显的象限分布特点 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 求解 1 震源机制解 2 等震线的几何特征 3 根据经验公式 据震级等计算断层长度 错距 4 根据震前后大地变形推求断层位量 方向 错距 类型等 1 等震线的几何特征等震线图上最内一根等震线的长轴方向就是断层断层面的走向 当极震区两侧的等震线基本对称时 断层面近乎直立当等震线不对称时 断层面向波及得宽的那个方向倾斜 不对称性愈显著 说明断层面愈缓 2 地表断层和裂缝一般认为 大地震时在地面产生的地震断层和变形带的走向代表了震源断层面的走向 第三节地震效应 地震效应 地震作用影响所及的范围内 地表出现的各种震害和破坏 取决于三方面 场地工程地质条件 震级 震中距 建筑物类型及结构 振动破坏效应 引起建筑物破坏地面破坏效应 地面破裂及地基液化 沉陷等斜坡破坏效应 滑坡 崩塌 泥石流等 三种破坏效应 一 振动破坏效应 地震地面运动建筑物振动建筑物破坏 强度 刚度 整体性不够产生破裂或倒塌 地震 a v A 两种分析方法1 静力法2 动力分析法 假设 1 建筑物是刚体 即建筑物的各部分作为一个整体 一个质点 具有相同的加速度 2 建筑物受力振动加速度和地面加速度是相同的3 将地震力视为由地面振动amax引起的惯性力 是固定不变的 建筑物受到的地震力P为 其中 当amax为水平矢量 称其为水平地震系数kc 相应地为垂直地震系数k c g为重力加速度 P W 1 静力法 我国规定Kc 1 2 1 3 Kc在震中区铅直地震力不能忽视 甚至可与水平加速度相等远离震中区 铅直加速度大为减少一般 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 VII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 K 1时 建筑物稳定 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 式中 Hs 由库水及渗透水流等形成的水平推力 Hs 为地震加大了的静水压力 静力分析方法虽较简便 但往往与实际情况有较大出入 随着强震仪器记录资料的积累 发现在很多情况下地面最大加速度值与相应的地震破坏并不完全吻合 振动破坏效应并不仅仅决定于地面振动最大加速度值的大小 还与地震波在介质中的振动持续时间 振动周期以及建筑物结构特性有关 地震波在介质中的振动持续时问和振动周期 主要取决于岩土体的类型 性质和厚度等因素 因此 分析地震对建筑物振动作用时 应按实际情况将地震力视为大小和方向随时间而变化的振动力 要考虑到地振动的幅度 周期和持续时间 同时 应考虑建筑物的材料 结构和高度 并将它作为弹性体或弹塑性体来看待 2 动力分析法 实际情况 a A v方向随时间变化 建筑与地面物理特性不同 不同建筑的反应也不同 如 a T等 故广泛用动力分析法评价地震对建筑物的作用 考虑场地工程地质条件 建筑物结构特点 地震历时等因素 视地面与建筑为一个动态系统 三种方法 模型模拟 计算机模拟分析 简化反应谱计算机模拟分析 输入强震波谱模拟地震作用 了解振动过程 求振动阻力和动位移 将建筑控制在弹性变形限度内 简化反应谱法认为建筑结构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 所测得结构系统的动力反应 不仅取决于地面振动的最大加速度 还取决于结构本身的动力特性 结构振动性能由其自振周期和阻尼比决定 考查在受到不同时刻的地震加速度a0后 建筑所表现的加速度a的大小 原理 由质点受振动后的性能可建立微分方程 该方程中包括了质点a及地面a0 解方程时 按简化的办法输入一次地震的不同时刻的a0 得到一系列amax值 得到一个特定T 阻尼下反应谱曲线 不同阻尼时的加速度反应谱 卓越周期 地震波在地层中传播时 经过各种不同性质的界面时 由于多次反射 折射 将出现不同周期的地震波 而土体对于不同的地震波有选择放大的作用 某种岩土体总是对某种周期的波选择放大得突出 明显 这种被选择放大的波的周期即称为该岩土体的卓越周期 卓越周期与土层的厚度 土层的性质 尤其是剪切波在土层中的传播速度有关 动力系数 不同自振周期的单质点弹性结构在水平地震力作用下的最大加速度与地面最大加速度的比值 物理含义是质点对a0的放大倍数 地震影响系数 Kc 不同土层 单一土层 标准反应谱由于强震地面运动受许多因素影响 准确确定某地区的a0 t 及 T 有困难 抗震部门是根据不同岩土地面所有强震平均值a0的平均反应谱计算出 T 曲线 并从安全及最低设计标准考虑对谱的高低值作了处理 制定供设计用的这一谱称为设计用标准反应谱 二斜坡破坏效应 包括地震导致的滑坡 崩塌 泥石流等次生地质灾害主要发生在山区和丘陵地带需要采用专门的研究方法进行这些次生地质灾害的研究 三地面破坏效应 地面破裂效应地基基底效应 地震断层地面裂缝沉降砂土液化地基滑移 1 地面破裂效应指地震时断层错断及地面裂缝引起的破坏 强烈地震均会出现 断层长度及宽度可按估计的震级用经验公式计算 延伸数十至数百公里不等 位置一般按已有的主干断层线或分支断裂线出现 走滑断裂 地表断裂方向与之相吻合 逆断裂 地表断裂与原断层有一定偏移 正断裂 介于走 逆之间 地面破裂产生的可能性 与断层活动方式 震源深度 M 覆盖层厚等有关 1 断裂活动就可能产生地表断裂 2 与上部土层厚有关 一般覆盖层30 50m以上很少出现地表断裂 3 M 7 2级几乎都产生 M 6级 震源10 30Km时 很少产生 地表断裂宽度 由一条主干断裂带构成 可能为狭长断面 或一个带包括影响带常常有几英尺至几十英尺以上 且逆断层 正断层 走滑 对于倾角45 90度断层 宽度约等于 上部土层临界厚度 2 地基效应 强烈震动作用下 土体较大变形移动 使地基承载力下降或丧失 由此造成建筑物的破坏 地基强烈沉降或不均匀沉降地基水平滑移砂基地震液化 机理 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 1 液化机理 砂土的抗剪强度 砂基液化问题 2 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 高烈度时 亚砂土 轻亚粘土 中砂也可液化 我国90 发生在粉 细砂土 亚砂土中 粉粒含量 40 时 极易液化 粘粒含量 12 5 时 极难液化 极易液化土的特征是 平均粒度0 02 0 10mm 不均匀系数Cu 2 8 粘粒含量 10 密实度松砂极易液化 密砂不易液化 相对密度Dr80 时 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埋藏条件包括 砂层厚度 上覆非液化土层厚度 即埋藏深度 地下水埋深 砂层上覆非液化土层愈厚 液化可能性愈小 一般埋深大于10 15m就难以液化了 地下水位埋深愈大 愈不易液化 实际上 地下水埋深3 4m时 液化现象很少 一般把液化最大地下水埋深定为5m 砂层越厚越易液化 3 地震活动的强度及历时地震力 剪应力 是砂土液化的动力 地震愈强 历时愈长 则愈易引起砂土液化 而且波及范围愈广 度以下地区很少有液化现象 度区只能使疏松的粉 细砂层液化 而 度以上地区才能使粗粒及粘粒含量较高的土液化 强度很高的地区即震中区附近 因地振动以垂直为主 也不易产生液化 液化范围 液化最远点 以震中距R表示 Km lgR 0 77M 3 6 3 砂土液化的判别 根据地质条件 可初步判定该区土层是否存在液化的可能 若有可能 需进一步的工作 作出准确判别 1 初步判别饱和砂土或粉土 当符合下列条件之一 可判为不液化土或不考虑液化作用 Q3及Q3以前的土 粉土的粘粒含量大于表列数据 上覆非液化土层厚度和地下水埋深符合下列条件之一 du do db 2dw do db 3du dw 1 5do 2db 4 5dw 地下水埋深 m 年最高水位du 上覆非液化土层厚 m db 基础砌置深度 m do 液化土特征深度 m 液化土特征深度 现场标准贯入试验 地面以下15m以内的液化土应符合下列要求 其中 N63 5 饱和土标贯实测值Ncr 判别砂土液化的临界锤击N0 基准锤击数 查表ds 饱和土标准贯入试验点深度 m dw 地下水埋深 m c 粘粒百分含量 当 c 3 时 取 c 3 判据 Ncr N63 5不液化 2 进一步判别方法有 现场实验 剪应力对比法 4 砂土液化的防护措施 1 慎重选择场地 2 选择基础类型 3 地基处理 处理标准 应处理至液化深度下限 处理后的土层标贯击数实测值应大于临界值 穿入深度计算确定 坚硬粘土 砾 粗砂土 0 5m其他非岩石 2m 低层或多层 阀片基础高层 支承桩或管柱基础 压密法通过振动 夯击 爆破等手段 使砂土急剧液化排水 而达到压密 提高天然地基土的相对密度Dr 排渗法通过排渗井等来消散因振动时而产生的孔隙水压力 防止液化 换土或盖重用非液化土更换地表的液化土层 或在地表液化土层上覆盖填土 第四节场地工程地质条件对震害的影响及地震小区划 一 场地工程地质条件对震害的影响目前为止 将地震烈度和地震力作用运用于工程设计中时 都没有很好考虑一个场地实际地质条件的影响 实际上 例如场地条件的差别 可能使同一基本烈度区不同场地的实际烈度相差2 3度 解决途径 按场地条件进行动力分析 场地烈度小区划主要影响因素 岩土类型 地形地貌 断裂 地下水等 1 岩土类型及性质 1 岩土类型 震害程度 岩性 时代 以基岩为准 高1 2倍 小大 基岩 密实砾石 粘土 饱水砂 淤泥 填土 老新 原因 介质对波的吸收放大作用 软土对低频率周期波选择放大作用较大 A T a 持续时间 对长周期建筑 如高层建筑 破坏大 地基震动破坏效应不同 基岩强度高 在相同地震能量作用下 基岩振幅小而持时短 震害较轻 而土体相反 2 松软土层厚度土层厚度越大 震害越大 但对于不同建筑影响程度不同原因 地震波多次反射 长周期波叠加卓越周期增大 振动历时加长 震害加大 旧金山地震 土层对10层房屋最大底部剪力 原因 软层的隔震作用 软层埋深25m以上越厚影响越显著 阻尼增大 吸收许多短周期波成分 减弱了地面反应 3 土层结构软硬层结构不同 震害有着明显的差别 软层一般剪切波速100m s左右 或相对而言 当某层Vs比相邻层小30 时 也视为软层 基于卓越周期的概念 设计上 尽可能不要把与土体卓越周期相同周期的建筑建于该土层处 4 地形条件局部地形对震害影响显著 一般 孤立突出地形 台地边缘 地形较高处 高差30 50m明显增大 较之平地的地震烈度高0 5 2度 原因 孤立处产生驻波作用 地形越高这种作用越明显 5 地下水影响地下水位埋深越浅 震害越大 1 5m的影响最大 对软土层及砂层土层影响最大 一般饱水土比不饱水土烈度偏高0 4 0 6度 6 断裂影响 略 离发震断裂越近 震害越大 上盘尤重于下盘 二 地震小区划 1 烈度小区划 静态小区划 步骤如下 1 将同一基本烈度区划分成方格单元 300 2000m 2 考虑土层地震刚度的烈度增量 I1 vi i 被研究土层的地震刚度 v1p1 由基本烈度研究时所确定的标准土层的地震刚度 3 考虑地下水埋深的烈度增量 I2 h 地下水埋深 m 当h 6 10m时 I2 0 4 考虑土层共振的烈度增量 I3通过下覆基岩刚度和卓越周期和波速查表计算得出 5 某一单元的烈度增量 I 可正可负 I I1 I2 I3 6 绘制各单元内的地震烈度等值线 各单元内按调整后的场地烈度进行设计 2 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 获得网格中代表性地层剖面 分别测定各层的Vs及阻尼h 3 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标准反应谱 4 将标准划反应谱与设计用反应谱对照比较确定场地类型 进行规划 第五节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 第六节水库诱发地震 水库诱发地震是指因水库蓄水而诱使坝区 水库库盆或近岸范围内发生的地震 最早的 1931年希腊马拉松水库诱发地震震级最高的 1967年印度柯依纳水库M 6 5据世界大坝登记 至1986年 共有29个国家报导了116例水库地震 其中 美国19例 中国18例 印度12例 其中6级以上4例 李祖武等 1984 建议 以水库地质环境和释放应变能的类型 把水库地震分为3类 一 水库诱发地震的类型 1 构造型构造应变能聚集于活动断层的活动地段 初始应力较高的状态下 由于库水的各种物理 化学作用而诱发 这类水库地震震级大 频度高 延续时间长 震源较深等特点 地震序列上 多属于前震 主震 余震型 3 混合型在同一水库区同时或先后发生有构造型和非构造型的地震 其特点兼而有之 2 非构造型 岩溶塌陷或重力 碳酸盐岩地区的岩溶发育 水库蓄水改变了外力地质作用的条件 导致地表和深度不等的局部岩体失稳 发生破坏而伴生的地震现象 具有震级小 频度低 延续时间短 震源极浅等特点 在序列上 属于群震型 二 水库诱发地震的基本特征 空间分布特征震中位置震源深度等震线形状地震活动与库水位的关系地震活动的序列特点震型地震频度与震级的关系主震M0与最大余震M1的震级关系 震中位置震中主要集中在断层破碎带附近往往密集成条带状或团块状 其延伸方向大体与库区主要断裂线平行或与X型共轭剪切断裂平行常分布于库区岩溶发育部位或断裂构造与岩溶裂隙带的复合部位震源较浅 震源体较小 一般发生在低烈度区 空间分布特征 等震线形状主要与库区构造 岩性条件有关构造型水库地震 椭圆形 长轴方向与所在地段的主要构造线或发震断层走向一致或平行发生于新老地层接合部位的水库地震 等震线的长轴方向与新老地层的接合线方向一致岩溶区发生的水库地震 等震线多为不规则的多边形或近似圆形 且与当地发育的岩溶形态一致或基本一致 绝大多数水库的地震活动与库水位呈正相关随着水库的蓄水 库区的地震活动逐步增强 且经过几个高水位之后即发生主震 当库水位达到某一特定高程时并突然增高 便随之发生主震 少数水库区的地震活动性随着库水位的增加而明显地降低 呈负相关 地震活动与库水位的关系 地震活动的序列特点 1 震型 2 地震频度与震级的关系 N a bM其中 N 震级 M的地震数a 与观测周期 观测区大小 地震活动水平有关的常数b 受震源深度 震源均一性 震源应力条件的控制水库地震 b值大于当地同震级的天然地震 b 1 前震的b值一般略高于余震 水库地震 M0 M1 1 M1 M0 1天然地震 M0 M1 1 2 浅源大震 M0 M1与地震区应力状态和介质的不均一性有关 主震M0与最大余震M1的震级关系 三 水库诱发地震的水诱发机制 一 水岩作用机理 1 水的物理化学效应 降低岩体及结构面强度 润滑作用 软化作用 泥化作用 促进岩体断裂的生长 楔裂作用 当裂隙岩体处于封闭水环境中时 由于高压水体局部集中于有限的裂隙带而产生 楔入推移力 造成裂缝尖端的破坏和裂隙的发展 应力腐蚀作用 在地下水和应力的持续作用下 当应力强度因子高于某一界限值 但又低于快速破裂传播的临界应力强度因子时 岩石所发生的缓慢的 亚临界的裂纹生长过程 2 水的荷载效应 水荷载 附加应力 垂直变形 挠曲变形 3 水的孔隙水压力效应 二 不同天然构造应力场条件下水库地震的诱发机制 水荷载效应 孔隙水应力效应 1 1 3 3 正断层 蓄水后 水荷载效应 长期蓄水后 孔隙水压力效应 走滑型 蓄水后 水荷载效应 长期蓄水后 孔隙水压力效应 3 1 逆断层 蓄水后 水荷载效应 长期蓄水后 孔隙水压力效应 3 1 四 水库诱发地震的预测 预测内容 强度预测 空间预测 时间预测 1 区域地质条件查明库区及邻区地质构造特征及水文地质条件 特别要查明有无活动断层 用地质和地球物理方法 遥感遥测技术确定活动断层 并确定其活动方式及速度 分析活动断层的活动特征与地震活动性之间的关系 以便预测地震强度和时间 2 水库区历史地震资料的分析注意历史地震及近期地震的震级 烈度 震中分布 震源深度 震源机制及其与活动断层的关系 3 若判定地质条件有可能产生水库地震 则应对下述问题作出布置和深入研究 建立高灵敏和高频率的地震观测网 监视地震活动装置地应力仪观测地应力的大小 方向及变化 装置倾斜仪观测地应变 在水库附近设置精确水准点 观测蓄水后水位变化地面变形的发展 计算库底岩石应力增量 在可能活动的断裂带中 观测岩层的透水性和孔隙水压力 研究地下水变动与地震频度的关系对地震序列进行详细分析 4 进行水库模型试验 验证极限荷载值