第3節(jié)地震的工程地質(zhì)研究-PPT課件

1、第3節(jié)、地震的工程地質(zhì)研究第2節(jié)、活斷層的工程地質(zhì)研究第1節(jié)、基本概念第4節(jié)、水庫地震第四章 區(qū)域穩(wěn)定性問題第1節(jié) 基本概念 指工程建設(shè)區(qū)內(nèi)，在內(nèi)、外力（以內(nèi)動力為主）的綜合作用下，現(xiàn)今地殼及其表層的相對穩(wěn)定程度。分析工作的重點是：1研究區(qū)內(nèi)大地構(gòu)造特征；2研究區(qū)域所受構(gòu)造應(yīng)力場的歷史；3研究新生代以來，繼承性活動的區(qū)域性大斷裂的空間分布規(guī)律和活動特征；4研究表征地殼活動程度的地震指標(biāo)；5探討地震效應(yīng)和地震動力學(xué)問題，評價場地地震危險性。第2節(jié) 活斷層的工程地質(zhì)研究一、活斷層的定義 活斷層active fault或稱活動斷裂，是指現(xiàn)今仍在活動，在人類歷史記載時期或近代地質(zhì)時期曾有過活動，不久的

2、將來還可能從新活動的斷層。后一種情況也可稱潛在活斷層。目前，活斷層的時間界限不很明確，有代表性的觀點有：1艾倫將活斷層限定為10萬年或1萬年來有過活動的斷層；2華萊士將時間限定為1萬年或晚第四紀(jì)以來；3松田時彥將時間限定為第四紀(jì)或晚第四紀(jì)以來；4鄧起東把晚第三紀(jì)活動過的斷層也包括在活斷層中；5美國核管理委員會則將3.5萬年作為時間界限。 1973年提出能動斷層這一術(shù)語代替活斷層。美國核管理委員會和國際原子能委員會規(guī)定，具有下列一個或幾個特征的斷層，即可認(rèn)為是能懂得：（1）在過去3.5萬年內(nèi)，在地表或近地表處至少發(fā)生過一次運動，或在過去50萬年內(nèi)發(fā)生過重復(fù)性質(zhì)的活動；（2）有足夠精確的儀器測定的

3、記錄證明大地震活動與斷層有直接關(guān)系；（3）與由(1）和(2）的特征確定的能動斷層油構(gòu)造聯(lián)系，當(dāng)已知能動斷層運動時，它會預(yù)期伴隨活動。在一定義已經(jīng)在我國核安全局、國家地震局有關(guān)規(guī)定中采用。6我國水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范（99年），根據(jù)第四紀(jì)構(gòu)造運動的研究，應(yīng)力場的變遷和地質(zhì)年齡的測定，把晚更新世（距今1015萬年）以來活動過的斷層定義為活斷層。7美國墾務(wù)局在1976年勘察設(shè)計規(guī)范中，提出以晚更新世早期（10萬年）以來活動過的斷層定為活斷層。二、活斷層的鑒定標(biāo)志 活斷層可從地質(zhì)、地貌、水文地質(zhì)、地球物理、地邊性測量等方面的標(biāo)志進(jìn)行判別。1.地質(zhì)標(biāo)志（1）第四紀(jì)地層，特別是晚更新世以來的地層產(chǎn)生斷裂

4、錯動、變形、褶曲，礫石層中的礫石受剪斷或壓碎；（2）斷層構(gòu)造帶松散、未膠結(jié)，構(gòu)造巖成分新鮮；（3）沿斷層帶第四紀(jì)火山錐或熔巖作線狀排列；2.地貌標(biāo)志(1)兩大地貌單元長距離直線相接；(2)夷平面解體；(3)深切的直線型河谷或沉陷谷地，斷層陡坎，斷層三角面新鮮； (4)同級階地的高程在斷層兩側(cè)發(fā)生突然變化，有時可相差 數(shù)十米； (5)陡坎山山前經(jīng)常分布有大規(guī)模的崩塌或滑坡； (6)山脊、山谷被錯開，這是平移斷層的標(biāo)志； (7)水系作規(guī)律變遷。3.水文地質(zhì)標(biāo)志: (1)地下水位在斷層兩側(cè)有明顯的變化; (2)沿斷層帶溫泉、地?zé)岙惓С蕩罘植迹?(3)水化學(xué)成分異常；4.歷史地震標(biāo)志 (1)沿斷層

5、帶歷史上有發(fā)生地震的記錄，震中呈有規(guī)律的帶狀分布；(2)沿斷層帶有發(fā)生地震斷層的歷史記錄(3)水化學(xué)成分異常；5.其它標(biāo)志(1)根據(jù)大地測量所取得的地變形資料，表明斷層有明顯的位移或蠕動，可用地變形速率表示。位移大于0.1毫米每年的即為活斷層；(2)地球物理場分布和變化異常(3)斷層錯動，往往拌有小地震；(1）r射線法(2）熱釋光法（TL法）；(3）14C測定法。其他方法研究活斷層常采用測年方法:地震斷層的特點和活動機制-對活斷層的研究有特殊意義。 活斷層判別-密切結(jié)合現(xiàn)場工程地質(zhì)勘察，采用綜合分析的方法。三、活斷層的工程地質(zhì)研究活斷層的基本特征包括：1活斷層的類型 （1）走向滑動斷層主要是沿

6、斷層面兩側(cè)相對的水平運動，相對的垂直升降很小； （2）逆斷層在上沖時，上盤往往拌以多個分支或次級斷層的錯動，斷層線往往是波狀起伏彎曲的，斷層帶寬。逆斷層如重新活動，確切的位置難以確定和預(yù)測，錯動的不位往往也不固定。 （3）張性活斷層的變形和分支斷層錯動，主要集中于下降盤；2活斷層的長度與錯距 在活斷層區(qū)修建大壩和核電站等重要建筑物時，需要活斷層最大錯距的資料；在地震預(yù)報、水庫誘發(fā)地震和場地危險性評價時，也需要了解地震震級與地表斷裂長度和錯距的關(guān)系3活斷層錯動幅度的測量和平均錯動速率的計算 錯動幅度是指斷層自某一時期以來的總錯動量；平均錯動（或蠕滑）速率是斷層單位時間內(nèi)錯動的距離。 測量活斷層水

7、平錯距用得最多的方法是調(diào)查錯斷水系；階地、夷平面、古海岸線和古海蝕洞是測量斷層垂直斷距最常用的地貌標(biāo)志。4地震重復(fù)間隔和逼近時間計算（活動周期） 斷層活動和沿斷層發(fā)生的地震是有節(jié)律的，有時活動，有時平靜，表現(xiàn)出某種周期性。 活斷層有突然錯動和緩慢蠕動兩種基本方式；蠕動可分為強震前后蠕動和平時蠕動兩種。5斷層活動度和危險度的評定 日本活斷層研究會根據(jù)活斷層長期平均滑動速率，將活斷層分為四級；斷層的危險度是指活斷層未來實際發(fā)生破壞性地震的危險水平或程度考慮長期平均滑動速率、同時還考慮地震重復(fù)間隔的綜合定量指標(biāo) 第3節(jié) 地震的工程地質(zhì)研究 一、地震基本概念 earthquake1地震的類型（1）自然

8、地震（構(gòu)造地震tectonic earthquake 斷層地震fault earthquake）（2）火山地震volcanic earthquake （3）陷落地震collapse earthquake（4）人工誘發(fā)地震 induced earthquake (men-made earthquake)水庫誘發(fā)地震； 深井注水誘發(fā)地震；核爆炸和地下爆破誘發(fā)的地震地下流體資源開采誘發(fā)的地震；礦山開采、排水誘發(fā)的地震2地震要素震源seismic focus、震中episentre、等震線isoseismal line、烈度區(qū)等。根據(jù)震源的深度分為淺源地震shallow-focus earthquak

9、e（60公里）、中源地震intermediate-focus earthquake（60300公里）深源地震deep-focus earthquake（大于300公里）3地震波seismic wave (1）體波body wave 縱波longitudinal wave P wave； 橫波transverse wave S wave (2）面波surface wave 瑞利波 Rayleigh wave； 勒夫波Love wave4地震形成機制 地震地面運動可由加速度acceleration、速度和位移幅度來表示。(1）地震地面運動強度：表示某一給定地點發(fā)生地震地面運動量的大小。(用峰值加速

10、度和峰值速度表示)(2)頻譜特征：地震動不是簡單的諧和振動，而是振幅和頻率都在變化的振動，可看作隨機振動或無規(guī)律振動。二、地震震級erathquake magnitude (magnitude of earthquake) 地震震級表示地震規(guī)模的大小，是由地震釋放出來的能量大小決定的。1地震震級的確定（1）淺源地震震級的確定：震中距為100公里處采用公式4-5確定震級；震中大于1000公里（遠(yuǎn)震）采用公式4-7確定遠(yuǎn)震面波震級；震中小于1000公里（近震）采用公式4-6確定近震體波震級；（2）深源地震震級的確定： 因面波太微弱或幾乎測不到面波，只能先計算出體波震級，再用公式4-8換算出面波震級

11、；（3）如果能夠查清地震斷層參數(shù)，長度和相對位移，可用經(jīng)驗公式4-104-17確定震級。如震級已知，可利用公式4-6、-7計算任意震中距的工程場地的最大地面運動位移振幅2地震震級與釋放能量地震震級與釋放能量的關(guān)系可用公式4-18 確定。從公式中可以看出，每增加一級地震，能量釋放增加約30倍。三、地震烈度earthquake intensity地震裂度是指某地區(qū)的地面和各種建筑物、構(gòu)筑物遭受一次地震時，影響和破壞程度。1基本烈度（區(qū)域烈度）： 今 后一定時期內(nèi)，一個地區(qū)在一般場地條件下，可能遇到的最大烈度。是根據(jù)百年以上的歷史地震資料，用數(shù)理統(tǒng)計法整理出的較大區(qū)域或地區(qū)的烈度。一般由國家或省、地

12、區(qū)的地震部門給出。2場地烈度： 根據(jù)基本烈度或場地烈度，結(jié)合建筑物的重要性及結(jié)構(gòu)物的特點，將基本烈度或場地烈度加以調(diào)整、修正，在設(shè)計中采用的烈度。 一般由設(shè)計部門給出。 指一個地區(qū)或場區(qū)，根據(jù)其場區(qū)地質(zhì)條件（巖性、地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、地下水、自然地質(zhì)現(xiàn)象等）的不同，參照該地區(qū)的基本烈度而加以修正的烈度。一般由地質(zhì)部門或勘察單位，結(jié)合當(dāng)?shù)貤l件給出。場地烈度有時可以等同基本烈度。3設(shè)防烈度（設(shè)計烈度或計算烈度）：我國水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范（1987）規(guī)定：1)水工建筑物抗震設(shè)計一般采用基本烈度作為設(shè)計烈度；2）對于一級擋水建筑物，應(yīng)根據(jù)其重要性和遭受震害的危險性，可按基本烈度提高一讀。但應(yīng)按規(guī)定報

13、請有關(guān)部門批準(zhǔn)。3）對于次要建筑物（如，倉庫或輔助建筑物），設(shè)防烈度可以降低一度。但基本烈度為度時不降。 根據(jù)我國經(jīng)驗，一般在度以上，以下的基本烈度區(qū)設(shè)防，而在以下，以上的基本烈度區(qū)不設(shè)防。四、地基的地震效應(yīng)1.場地地質(zhì)因素對烈度的影響(1)巖土層類型及性質(zhì)的影響 a.地基剛度的不同對建筑場地的烈度具有明顯的影響 b.土層的厚度對震害也有明顯影響(2)地形條件的影響 在孤立突出的山丘、山梁、山脊、河谷邊岸或懸崖陡壁邊緣部位，都表現(xiàn)為震害加大，烈度增高，而低洼溝谷則震害減小。 (3)地下水的影響 地下水影響了巖土層的物理力學(xué)性質(zhì)，也影響地震波的傳播。飽水的粉細(xì)砂地層，地震時容易發(fā)生液化現(xiàn)象，地表

14、噴水冒砂，地基強度喪失。特別飽水的軟粘土強度明顯降低。a地下水埋深為01米時，土層的地震烈度增值為0.51度；b地下水埋深4米時，土層的地震烈度增值為0.250.5度；c.地下水埋深大于10米時，土層的地震烈度不受影響；（4）斷層帶的影響建筑場地有較大的斷層時，對地震烈度的影響是復(fù)雜的。（這一問題有待于深入研究）斷層的隔震效應(yīng)（減震效應(yīng)或屏蔽效應(yīng)）則已經(jīng)被肯定。2.地震對建筑物的影響（1）地震力seismic force 地震波傳播時施加于建筑物的慣性力。由于地震波的垂直加速度分量較水平的小，僅為其1/21/3，且建筑物的豎向安全儲備一般較大，所以設(shè)計時，在一般情況下只考慮水平地震力。（水平地

15、震系數(shù)也稱地震系數(shù)）（2）振動周期與振動時間的影響a 振動周期vibration period：建筑物地基受地震波沖擊而振動，同時也引起建筑物的振動。當(dāng)?shù)鼗恋淖吭街芷谂c建筑物的自振周期相等或相近時，兩者便發(fā)生共振resonance，從而使振動作用力、振幅和時間大大增加，導(dǎo)致建筑物的嚴(yán)重破壞。地基土的卓越周期；取決于地基土的性質(zhì)，松軟地基周期長，堅硬地基周期短。（可用儀器測定或經(jīng)驗公式計算）建筑物的自振周期 own vibration period； 取決于建筑物所用的材料、尺寸、高度及結(jié)構(gòu)類型。柔性建筑物周期長，剛性建筑物周期短。（可用儀器測定或經(jīng)驗公式計算） 據(jù)統(tǒng)計：1、2層結(jié)構(gòu)物約為0.

16、2秒；4、5層結(jié)構(gòu)物約為0.4秒；11、12層可達(dá)1秒。建筑物越高自振周期也越長。（2）振動時間vibration time； 地振動持續(xù)的時間越長，建筑物的破壞也越嚴(yán)重。土質(zhì)越軟弱、土層越厚，振動的歷時也越長。軟土場地可比堅硬場地歷時長幾秒十幾秒。3地面破壞與斜坡破壞效應(yīng)(1）地面破壞效應(yīng)： 是指地震形成地裂縫以及沿破裂面可能產(chǎn)生較小的相對錯動，但不是發(fā)震斷層或活斷層。(2）斜坡破壞效應(yīng)：是指在地震作用下邊坡失穩(wěn),發(fā)生崩塌collapse、 滑坡slide等現(xiàn)象。4地基失效foundation effect；5水工建筑物的地震效應(yīng) 地震時，軟弱地基土的物理力學(xué)性質(zhì)會發(fā)生變化，使地基喪失承載能

17、力或出現(xiàn)殘余變形，發(fā)生砂土地基液化、軟土地基震陷、導(dǎo)致建筑物突然下沉、傾斜，土石壩則發(fā)生潰決、滑坡，這就是地基失效。(1)如果抗震設(shè)計合理，用現(xiàn)代技術(shù)建成的土石壩可以在烈度 5度以上地區(qū)不發(fā)生嚴(yán)重破壞.(2)碾壓式土壩抗震性強，在強震區(qū)內(nèi)不宜采用水力沖填壩(3)鋼筋混凝土壩的震害實例較少(4)土石壩最普遍的震害是裂縫和變形一些認(rèn)識：五、地震導(dǎo)致的區(qū)域性砂土液化定義：液化liquefaction 飽和砂土在振動荷載或地震作用下，土顆粒間因孔隙水壓力的增加和有效應(yīng)力的減小，導(dǎo)致喪失其抗剪強度，由固態(tài)而變?yōu)榻咏黧w狀態(tài)。噴水冒砂土體中剩余孔隙水壓力區(qū)的管涌所導(dǎo)致的水和砂的噴出。地震導(dǎo)致的區(qū)域性砂土液

18、化是指宏觀液化。宏觀液化 宏觀液化的唯一鑒定標(biāo)志就是該場地是否發(fā)生了噴水冒砂或液化變形。不論噴水冒砂或液化變形嚴(yán)重，人們都可以肯定該土層發(fā)生了液化，和就是宏觀液化1）只有宏觀液化才是實際有效進(jìn)行判別的客觀標(biāo)準(zhǔn)；2）只有產(chǎn)生了噴水冒砂或液化變形的液化， 才有明顯的工程意義。1.液化的影響因素(1)地震因素a.產(chǎn)生液化的烈度閥值為度。當(dāng)?shù)卣鹦∮?級時，從中國的地震文獻(xiàn)中沒有發(fā)現(xiàn)噴水冒砂紀(jì)錄。震級5級時震中烈度為度，據(jù)此估計，砂土液化的最低烈度是度。b.液化最大震中距可由4-24、4-25確定。(2)地質(zhì)地貌因素a.土層液化的臨界深度。 天然平坦場地且無深基礎(chǔ)的情況，在15米的深度內(nèi)考慮地震液化危害

19、。巖土工程勘察規(guī)范（94）；b.最大地下水位埋深 地下水位埋深小于3米（甚至小于1米），噴冒嚴(yán)重； 地下水位埋深34米時，發(fā)生液化的現(xiàn)象就很少； 地下水位埋深大于5米時，液化幾乎不發(fā)生。(3)土層因素 飽和的礫、粗砂、中砂，特別是粉、細(xì)砂和少粘性的粉土，在一定條件下均可以產(chǎn)生液化。a.可液化土的平均粒徑為0.021.0毫米之間；b.粘粒含量，在烈度為、時，分別不大于10%、13%、16%。c.不均均系數(shù)不大于10。d.相對密度不大于0.75；e.塑性指數(shù)不大于10。c. 地貌條件 發(fā)生液化的場所，多是全新世海相和河相沉積平原。2.液化勢的判別法則(1)對于天然土層構(gòu)成的平坦場地上的砂土和粉土液

20、化問題，可采用宏觀判別法則；(2)傾斜場地或人工填筑土體的液化勢以微觀判別方法為主。3.液化土的現(xiàn)場判別方法(1)標(biāo)準(zhǔn)貫入判別法建筑抗震設(shè)計規(guī)范（89）規(guī)定：4-26、4-27公式；水運工程水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范（89）規(guī)定：4-29式。(2)靜力觸探試驗判別法（公式4-30、4-31）(3)等效均勻循環(huán)剪力法（席德法）（公式4-32）六、軟土地基震陷 七、地面脈動卓越周期的測試八、工程場地的地震危險性評價1.地震危險性評價的確定性方法2.地震危險性評價的概率性方法第4節(jié) 水庫地震一、概述 水庫誘發(fā)地震reservior induced seismicity-水庫地震，是指水庫蓄水后，改變了庫

21、區(qū)的水文地質(zhì)條件和天然應(yīng)力廠，使庫區(qū)及其鄰近地帶的地震活動性明顯增強的現(xiàn)象。二、水庫地震的特征 與一般構(gòu)造地震相比，水庫地震主要有以下特征：1震中分布在水庫的邊緣或庫底，特別是大壩附近的峽谷區(qū)，常密集在特定范圍內(nèi)，一般不超過庫周外10公里，空間上重復(fù)率較高；2蓄水初期，地震活動與庫水位變化相關(guān)性密切；3震級有限，多為微震、弱震，少數(shù)為強震。一般震級小，但震中烈度大，破壞性強。4震型上常為前震foreshock主震main shock余震aftershock型（少數(shù)為群震型），與天然地震相比，余震衰減率緩慢的多；(地震序列seismic sequence)5具有較高的地面峰值加速度，但持續(xù)時間短

22、；6標(biāo)示大小地震比例關(guān)系，即頻率與震級關(guān)系的b值較高。三、誘發(fā)水庫地震的工程地質(zhì)條件engineering geological conditions 1巖性characters of rock 以碳酸鹽巖地區(qū)水庫誘震率較高，但震級則以火山巖特別是花崗巖地區(qū)較高。 2地質(zhì)構(gòu)造geologic structure 水庫地震大多出現(xiàn)在活動性大地構(gòu)造環(huán)境中，尤其以新生代斷陷盆地、第三紀(jì)以來的斷陷谷地及其邊緣為多。3地應(yīng)力natural stress 大多數(shù)的發(fā)震構(gòu)造的力學(xué)性質(zhì)是剪切破裂，已有斷裂能否產(chǎn)生新的剪切破裂，取決于區(qū)域最大主應(yīng)力與斷裂走向的夾角。因此，查明現(xiàn)代地殼活動的應(yīng)力場是十分重要的； 4水文地質(zhì)條件hydrogeological conditions 庫區(qū)周圍隔水層的分布，可形成大致封閉的水文地質(zhì)條件，有利于保持較大的水頭壓力，使庫水得以向深部滲入，增加構(gòu)造裂隙及斷層中的孔隙水壓力pore water pressure，降低巖體的抗剪強度shear strengh，因而 容易誘發(fā)水庫地震5歷史地震6壩高dam 和庫容高壩誘發(fā)水庫地震的機率大，高壩與誘震強度有明顯的正相關(guān)。四、水庫地震的成因1水庫荷載成因說其依據(jù)是：1）水庫蓄水前，庫區(qū)沒有或很少有地震歷史，蓄水后庫底庫區(qū)邊緣地帶地震活動頻繁，集中或局限于庫區(qū)周圍；2）地震的頻度和強度隨著庫水位的升降