工程地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)（5-6章）匯編

第二篇與區(qū)域穩(wěn)定性有關(guān)的

工程地質(zhì)問(wèn)題

包括：①(第四章)活斷層

②(第五章)地震與水庫(kù)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(zhì)學(xué)基礎(chǔ)1河北工程大學(xué)·程祖鋒5.1概述3

5.2地震波與地震地質(zhì)知識(shí)85.3地震危險(xiǎn)性分析與地震區(qū)劃簡(jiǎn)介325.4地震效應(yīng)與地震小區(qū)劃簡(jiǎn)介385.5地震區(qū)抗震設(shè)計(jì)原則595.6水庫(kù)誘發(fā)地震簡(jiǎn)介(略)工程地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)河北工程大學(xué)·程祖鋒2第5章地震與誘發(fā)地震工程地質(zhì)研究第5章地震與誘發(fā)地震的工程地質(zhì)研究第5章地震與誘發(fā)地震工程地質(zhì)研究5.1概述

5.1工程地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)河北工程大學(xué)·程祖鋒3地震：因彈性波的傳播而引起地表震動(dòng)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(zhì)學(xué)基礎(chǔ)河北工程大學(xué)·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(zhì)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(dòng)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(yīng)進(jìn)一步細(xì)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(xué)·程祖鋒次數(shù)：全球每年近500萬(wàn)次，其中感知地震5萬(wàn)次，破壞性地震數(shù)千次，強(qiáng)烈破壞性地震十幾次。2011年1-3月發(fā)生了7級(jí)以上地震達(dá)十多次，說(shuō)明現(xiàn)今處于地震活躍期。工程地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)第5章地震與誘發(fā)地震工程地質(zhì)研究5.1震害(為破壞性最大的自然地質(zhì)災(zāi)害)：

按震害的形成機(jī)理：

我國(guó)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(qiáng)震國(guó)。1976年唐山M7.9地震死亡24萬(wàn)人；2008年5·12汶川地震M8.0。詳見P149表5-1

6河北工程大學(xué)·程祖鋒工程地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)第5章地震與誘發(fā)地震工程地質(zhì)研究5.1P149表5-1①地震波與地震地質(zhì)知識(shí)；②地震區(qū)劃與地震危險(xiǎn)性分析簡(jiǎn)介；③地震效應(yīng)與地震小區(qū)劃；④地震區(qū)的抗震設(shè)計(jì)原則；

⑤水庫(kù)誘發(fā)地震簡(jiǎn)介(略)。工程地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)河北工程大學(xué)·程祖鋒7第5章地震與誘發(fā)地震工程地質(zhì)研究5.1本章內(nèi)容：三、研究意義工程地質(zhì)研究：

5.2地震波與地震地質(zhì)知識(shí)8河北工程大學(xué)·程祖鋒為了進(jìn)行地震的工程地質(zhì)研究，必須具備必要的地震波與地震地質(zhì)知識(shí)。包括：一、地震波工程地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)第5章地震與誘發(fā)地震工程地質(zhì)研究5.2二、震源機(jī)制和震源參數(shù)三、震級(jí)和烈度四、地震地質(zhì)特征工程地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)河北工程大學(xué)·程祖鋒9一、地震波

屬于彈性應(yīng)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(zhì)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(zhì)學(xué)基礎(chǔ)河北工程大學(xué)·程祖鋒10第5章地震與誘發(fā)地震工程地質(zhì)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(gè)地震臺(tái)站為圓心、以相應(yīng)的震中距為半徑畫圓，交點(diǎn)即為震中位置。如圖。多臺(tái)站互相校核，最終確定。工程地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)河北工程大學(xué)·程祖鋒11二、震源機(jī)制和震源參數(shù)對(duì)區(qū)域穩(wěn)定性分析至關(guān)重要。震源機(jī)制—發(fā)生地震的物理過(guò)程或震源物理過(guò)程。

內(nèi)容包括：發(fā)震斷層類型；走向、錯(cuò)動(dòng)方向；地應(yīng)力場(chǎng)特點(diǎn)等。㈠震源機(jī)制

研究途徑：根據(jù)發(fā)震時(shí)，地面各點(diǎn)(臺(tái)站)的P波初動(dòng)特征(是拉或壓？)初動(dòng)：第一相位，初動(dòng)壓縮(+)初動(dòng)膨脹(-)第5章地震與誘發(fā)地震工程地質(zhì)研究5.2為何用P波初動(dòng)特征來(lái)分析震源機(jī)制，而不用S波、L波初動(dòng)？

因?yàn)镻波最先到達(dá)，因而干擾小、波形簡(jiǎn)單、易于識(shí)別。工程地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)河北工程大學(xué)·程祖鋒12分析求解震源機(jī)制的原理：

利用P波初動(dòng)具有明顯的象限分布特點(diǎn)，并與發(fā)震斷層兩盤的活動(dòng)方向相關(guān)的特點(diǎn)。(P151圖5-2)第5章地震與誘發(fā)地震工程地質(zhì)研究5.2上圖：逆斷層；下圖：平推斷層上圖中，左側(cè)的初動(dòng)方向畫反了13河北工程大學(xué)·程祖鋒工程地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)第5章地震與誘發(fā)地震工程地質(zhì)研究5.2以平推型斷層為例：在單力偶作用下，若突然錯(cuò)動(dòng)，則兩盤在：1.單力偶震源錯(cuò)動(dòng)模式(P151圖5-3)這種相關(guān)關(guān)系可用發(fā)震斷層的單力偶、雙力偶模式來(lái)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(zhì)學(xué)基礎(chǔ)河北工程大學(xué)·程祖鋒14第5章地震與誘發(fā)地震工程地質(zhì)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(gè)象限：相對(duì)者，初動(dòng)符號(hào)相同；相鄰者，初動(dòng)符號(hào)相反。15河北工程大學(xué)·程祖鋒工程地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)第5章地震與誘發(fā)地震工程地質(zhì)研究5.2

合成的σ2直立，σ1、σ3水平。實(shí)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(cuò)動(dòng)方向相反。2.雙力偶震源錯(cuò)動(dòng)模式16河北工程大學(xué)·程祖鋒工程地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)第5章地震與誘發(fā)地震工程地質(zhì)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(duì)于傾滑型及其過(guò)渡類型同理，只不過(guò)節(jié)面傾斜。

光靠P波初動(dòng)特征不能確定哪一節(jié)面是震源斷層面，還需結(jié)合震中區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地表錯(cuò)動(dòng)方向與等震線的長(zhǎng)軸方向等綜合判定。工程地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)河北工程大學(xué)·程祖鋒17另外，上述僅介紹了用P波初動(dòng)特征來(lái)求解震源機(jī)制的原理，其具體求解操作步驟：(了解)①收集各臺(tái)站的地震譜，確定初動(dòng)“+”、“-”；②用“ο”或“·”分別表示“+”或“-”，投在平面圖的各臺(tái)站相應(yīng)位置上；③計(jì)算節(jié)線；④以節(jié)線交點(diǎn)為網(wǎng)心，按相應(yīng)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(cuò)動(dòng)方向、主應(yīng)力方向等；⑥結(jié)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(jī)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(zhì)研究5.2若為不對(duì)稱，則為過(guò)渡型。工程地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)河北工程大學(xué)·程祖鋒18第5章地震與誘發(fā)地震工程地質(zhì)研究5.2

a.平推型b.正斷型c.逆斷型工程地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)河北工程大學(xué)·程祖鋒19震源參數(shù)—表征震源物理過(guò)程的物理量。包括發(fā)震斷層的產(chǎn)狀，錯(cuò)動(dòng)方向、幅度、長(zhǎng)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(zhǎng)軸方向—斷層走向；對(duì)稱時(shí)—斷層面直立；不對(duì)稱時(shí)—斷層面傾斜，傾向?qū)捑徱粋?cè)，越寬緩則傾角越小。

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

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

震級(jí)的確定：地震儀測(cè)最大振幅(A)后，估算M(或E)。

因A與儀器種類及震中距有關(guān)，所以應(yīng)該用：第5章地震與誘發(fā)地震工程地質(zhì)研究5.2對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)振幅A

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

其中T—面波周期，σ(△)—起算函數(shù)(查表)，C—臺(tái)站校正值(查表)。工程地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)河北工程大學(xué)·程祖鋒21

我國(guó)規(guī)定：第5章地震與誘發(fā)地震工程地質(zhì)研究5.2

據(jù)理查特(Richter)：M=lgA，A--標(biāo)準(zhǔn)振幅(μm)該M稱理氏震級(jí)。

通常，隨機(jī)的震中與特定的地震臺(tái)網(wǎng)導(dǎo)致震中距△≠100km，則需對(duì)A進(jìn)行修正。工程地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)河北工程大學(xué)·程祖鋒22

國(guó)際上通用面波震級(jí)(MS)作M。

體波震級(jí)換算：M=MS=1.13ML-1.08

地震等級(jí)分類：P155,4～5級(jí)呢？不合理！

由于巖體能積累的應(yīng)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(jí)地震，為有資料記錄以來(lái)的最大地震。(之前幾十年來(lái)一直是智利的8.9級(jí))第5章地震與誘發(fā)地震工程地質(zhì)研究5.2震級(jí)(M)地震強(qiáng)度等級(jí)＜2微震2-4有感地震＞5破壞性地震＞7強(qiáng)烈地震工程地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)河北工程大學(xué)·程祖鋒23烈度：為表征地震時(shí)一定地點(diǎn)地面震動(dòng)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(zhì)研究5.2P159表5-4

24河北工程大學(xué)·程祖鋒

一次地震的不同地點(diǎn)，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(píng)價(jià)方法工程地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)第5章地震與誘發(fā)地震工程地質(zhì)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(guó)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(dòng)強(qiáng)度、建筑物抗震性能、場(chǎng)地條件等有關(guān)，因此該法不夠準(zhǔn)確。評(píng)價(jià)方法包括定性法與定量法。工程地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)河北工程大學(xué)·程祖鋒25第5章地震與誘發(fā)地震工程地質(zhì)研究5.226河北工程大學(xué)·程祖鋒工程地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)第5章地震與誘發(fā)地震工程地質(zhì)研究5.2工程地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)河北工程大學(xué)·程祖鋒272.按反映破壞力的物理量如地面震動(dòng)加速度(a)，可實(shí)測(cè)，方便準(zhǔn)確。工程力學(xué)所統(tǒng)計(jì)表明，I(a)-I(

)的相關(guān)性很好，因此可用a來(lái)評(píng)價(jià)I。第5章地震與誘發(fā)地震工程地質(zhì)研究5.2中科院工程力學(xué)所提出平均震害指數(shù)法()，使宏觀烈度評(píng)價(jià)定量化，更準(zhǔn)確。a.設(shè)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(nèi)，對(duì)建筑物按結(jié)構(gòu)類型(抗震性能)分類；c.分類統(tǒng)計(jì)各檔的間數(shù)；d.計(jì)算平均震害指數(shù)；e.按評(píng)價(jià)I。

②定量法工程地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)河北工程大學(xué)·程祖鋒28四、地震地質(zhì)特征㈠形成強(qiáng)震的條件1.介質(zhì)條件

硬、脆性巖體能積累高應(yīng)變能—強(qiáng)震。我國(guó)華北：結(jié)晶基底由花崗巖組成，強(qiáng)震多；華南：基底由較軟弱的變質(zhì)巖組成，強(qiáng)震少。2.結(jié)構(gòu)條件

斷層面曲率大的部位，易積累高應(yīng)變能—強(qiáng)震。如端點(diǎn)、拐點(diǎn)、交匯點(diǎn)、分支點(diǎn)。3.構(gòu)造應(yīng)力條件

新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈地段，應(yīng)變速率大、易呈彈性破壞—強(qiáng)震。第5章地震與誘發(fā)地震工程地質(zhì)研究5.2工程地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)河北工程大學(xué)·程祖鋒29㈡地震分布與板塊運(yùn)動(dòng)的關(guān)系全球分成三個(gè)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(yùn)動(dòng)的關(guān)系：

(新教材P161,按地質(zhì)成因可分為板塊消減帶地震、轉(zhuǎn)換斷層地震與板塊增生帶(海嶺)地震)板塊運(yùn)動(dòng)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(zhì)研究5.2

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

2011年的3.11日本9.0級(jí)地震：位于歐亞、太平洋、菲律賓、北非四大板塊交匯處，構(gòu)造作用強(qiáng)烈。工程地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)河北工程大學(xué)·程祖鋒30㈢我國(guó)的地震分布與地震地質(zhì)特征

我國(guó)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(qiáng)震。

以東經(jīng)105°為界，1.地震分布特點(diǎn)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(zhì)研究5.22.地震地質(zhì)特征我國(guó)地震分布有如下地質(zhì)特征(5點(diǎn))

：了解①與活動(dòng)斷裂帶有關(guān)(多發(fā)育于交匯點(diǎn)、轉(zhuǎn)折段、鎖固段、端點(diǎn)及強(qiáng)烈活動(dòng)段)；②與斷陷盆地有關(guān)(多發(fā)育于邊界、尖端、橫向斷裂、次級(jí)凹陷帶)；工程地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)河北工程大學(xué)·程祖鋒31③與斷裂深度有關(guān)(強(qiáng)震多發(fā)育于深大斷裂上)；如郯廬斷裂④與現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)有關(guān)(多發(fā)育于強(qiáng)烈擠壓帶上，如西藏高原)；⑤與現(xiàn)代地殼垂直變形有關(guān)(多發(fā)育于差異升降強(qiáng)烈處)。第5章地震與誘發(fā)地震工程地質(zhì)研究5.25.3地震危險(xiǎn)性分析與地震區(qū)劃簡(jiǎn)介工程地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)河北工程大學(xué)·程祖鋒32地震是人類最大的、人為難以制止的自然災(zāi)害，只能減輕災(zāi)害。

減輕震災(zāi)的途徑：地震學(xué)家→地震預(yù)報(bào)，包括

其中“地震工程”工作步驟(4步)：⑴地震危險(xiǎn)性分析,地震區(qū)劃(本節(jié));⑵抗震規(guī)范,抗震設(shè)計(jì);(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(zhì)研究5.3⑶抗震鑒定和加固;(含震前、震后，如汶川地震后全國(guó)中小學(xué)校舍普查、加固)

⑷抗震救災(zāi)。

汶川地震前兩天的四川阿里地區(qū)簡(jiǎn)報(bào)：成功挫敗來(lái)了一起地震謠言....工程地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)河北工程大學(xué)·程祖鋒33第⑴步的“地震危險(xiǎn)性分析與地震區(qū)劃”中包括兩方面：①針對(duì)特定的工程(使用年限已定)或地區(qū)，估計(jì)地震動(dòng)強(qiáng)度、地震設(shè)計(jì)參數(shù)和地震發(fā)生概率—地震危險(xiǎn)性分析；②以地震危險(xiǎn)性的代表性參數(shù)(如烈度、加速度等)為指標(biāo)劃分危險(xiǎn)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(xiǎn)性分析與地震區(qū)劃”是在地質(zhì)學(xué)、地震學(xué)、工程學(xué)等多專業(yè)人員配合下完成的。成果是“地震區(qū)劃圖”。我國(guó)以基本烈度為劃分指標(biāo)，屬于“地震烈度區(qū)劃”，成果稱為“烈度區(qū)劃圖”(P171圖5-27)。國(guó)家質(zhì)量技術(shù)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(zhì)研究5.334河北工程大學(xué)·程祖鋒工程地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)第5章地震與誘發(fā)地震工程地質(zhì)研究5.335河北工程大學(xué)·程祖鋒工程地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)第5章地震與誘發(fā)地震工程地質(zhì)研究5.3工程地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)河北工程大學(xué)·程祖鋒36

基本烈度：在今后的一定時(shí)期(100年)內(nèi)、一定地區(qū)范圍內(nèi)的一般場(chǎng)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(zhì)條件、地震活動(dòng)規(guī)律，充分考慮地震活動(dòng)的時(shí)空不均勻性，估計(jì)百年內(nèi)可能發(fā)生的最大震級(jí)，據(jù)歷史地震震級(jí)與震中烈度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)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(huì)用地震區(qū)劃圖即可：據(jù)建筑場(chǎng)地所在的位置查得基本烈度，并據(jù)查明的場(chǎng)地條件作必要的場(chǎng)地地震效應(yīng)分析，如砂土液化、場(chǎng)地震陷、邊坡失穩(wěn)等評(píng)價(jià)等。亦可進(jìn)一步提出抗震設(shè)計(jì)建議。第5章地震與誘發(fā)地震工程地質(zhì)研究5.3工程地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)河北工程大學(xué)·程祖鋒37場(chǎng)地烈度(I場(chǎng))：根據(jù)具體的場(chǎng)地工程地質(zhì)條件而對(duì)基本烈度作調(diào)整后的烈度。

如堅(jiān)硬地基則可適當(dāng)降低烈度，而松軟地基則可適當(dāng)提高烈度。修正范圍△I=±0.5-1.0度?！皥?chǎng)地烈度”的概念目前已經(jīng)停止使用設(shè)計(jì)烈度(設(shè)防烈度)(I設(shè))：據(jù)建筑物的重要性或地區(qū)的重要性而對(duì)基本烈度作調(diào)整后的烈度，抗震設(shè)計(jì)所用。

一般建筑物、一般地區(qū)：直接用基本烈度或場(chǎng)地烈度；

重大建筑物、重要地區(qū)：適當(dāng)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(lǐng)導(dǎo)干預(yù)下按Ⅷ度設(shè)防。盡管如此，2013年的建筑基礎(chǔ)施工現(xiàn)場(chǎng)檢查時(shí)，某領(lǐng)導(dǎo)當(dāng)場(chǎng)表示，鋼筋太細(xì)，拆了重鋪鋼筋！第5章地震與誘發(fā)地震工程地質(zhì)研究5.3除了基本烈度外，還有2個(gè)烈度概念在此一并介紹：38河北工程大學(xué)·程祖鋒工程地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)第5章地震與誘發(fā)地震工程地質(zhì)研究5.3因此美國(guó)的Cornell提出來(lái)地震危險(xiǎn)性概率分析法：了解認(rèn)為地震是一種隨機(jī)事件，發(fā)震的時(shí)間、地點(diǎn)、大小均不確定，假定可用一定的概率分布來(lái)描述：若i表示一次地震事件，則地震發(fā)生過(guò)程可用三維隨機(jī)過(guò)程{Li(震源位置),Ti(發(fā)震時(shí)間),Mi(震級(jí))}來(lái)描述。由于該三維聯(lián)合分布模型十分復(fù)雜且建模非常困難，通常將這三個(gè)參數(shù)獨(dú)立開來(lái)分別研究其統(tǒng)計(jì)特征。該模型可提供場(chǎng)地在指定的時(shí)間內(nèi)遭遇到不同強(qiáng)度地震動(dòng)(如烈度與基巖峰值加速度等)的超越概率水平(或場(chǎng)地地震動(dòng)超越某一定值的概率)，從而使設(shè)計(jì)部門可根據(jù)工程使用年限、工程重要性和工程結(jié)構(gòu)類型來(lái)選擇不同的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。

使用年限越長(zhǎng)或超越概率越低，則遇到的地震動(dòng)強(qiáng)度越高。如：一般工程，可按50年超越概率為10%的地震動(dòng)強(qiáng)度設(shè)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(dòng)強(qiáng)度設(shè)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(biāo)來(lái)表示地震這一不確定的隨機(jī)事件，存在缺陷！5.4地震效應(yīng)與地震小區(qū)劃簡(jiǎn)介工程地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)河北工程大學(xué)·程祖鋒39本節(jié)包括一、地震效應(yīng)(震害)地震效應(yīng)：地震時(shí)所產(chǎn)生的各種破壞作用。

按破壞機(jī)理分為：場(chǎng)地破壞效應(yīng)和地震動(dòng)效應(yīng)。㈠場(chǎng)地破壞效應(yīng)場(chǎng)地破壞效應(yīng)：地震時(shí)，因建筑場(chǎng)地破壞而導(dǎo)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(yīng)。第5章地震與誘發(fā)地震工程地質(zhì)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(zhì)學(xué)基礎(chǔ)河北工程大學(xué)·程祖鋒40

地震時(shí)

構(gòu)造性地裂的成因：具有方向性的P波到達(dá)地面時(shí)振幅放大，反復(fù)拉、壓作用使地表定向開裂，是震動(dòng)的結(jié)果。它與發(fā)震斷裂不相通，但力學(xué)屬性、分布方向等均與發(fā)震斷層有關(guān)。

措施：結(jié)構(gòu)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(zhì)研究5.42.地基失效地基失效：地震導(dǎo)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?gòu)?qiáng)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(yīng)工程地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)河北工程大學(xué)·程祖鋒41

措施：建筑施工前判定并處理。

地震時(shí)因斜坡破壞而導(dǎo)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(yīng)第5章地震與誘發(fā)地震工程地質(zhì)研究5.4工程地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)河北工程大學(xué)·程祖鋒42㈡地震動(dòng)效應(yīng)

地震動(dòng)直接引起建筑物的破壞。最普遍、最主要。

措施：確定場(chǎng)地地震動(dòng)參數(shù)，進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。P=W×amax/g=W·K(K—地震系數(shù))，amax或K∝P。1.地震動(dòng)參數(shù)(振幅、周期、持續(xù)時(shí)間)⑴振幅，其中amax→地震力(P)；⑵周期(T)：當(dāng)建筑物的自振周期接近地震波周期時(shí)，破壞較重。

一般地，地震波周期較長(zhǎng)+高層建筑的自振周期較長(zhǎng)→高層破壞重于低層、多層。

原因：共振效應(yīng)。

措施：使結(jié)構(gòu)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(zhì)研究5.4工程地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)河北工程大學(xué)·程祖鋒43⑶震動(dòng)持續(xù)時(shí)間

地震動(dòng)持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，則破壞越重。2.地震動(dòng)效應(yīng)的分析方法(靜力分析法、動(dòng)力分析法)

⑴靜力分析法(古典法)

設(shè)(建筑amax=地面a0max)又因?yàn)閍aHmax、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(dāng)KH≥0.01時(shí)，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(guān)。震中處KV≈K(因?yàn)镵H≈0)，向外迅速衰減。第5章地震與誘發(fā)地震工程地質(zhì)研究5.4工程地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)河北工程大學(xué)·程祖鋒44

設(shè)計(jì)時(shí)下列情況應(yīng)考慮KV：

靜力分析法因其前提假設(shè)的先天不足，其分析結(jié)果不準(zhǔn)確，但其簡(jiǎn)單易行。

⑵動(dòng)力分析法動(dòng)力分析法考慮了建筑物的動(dòng)力反應(yīng)(響應(yīng))。常用：簡(jiǎn)化反應(yīng)譜法。第5章地震與誘發(fā)地震工程地質(zhì)研究5.4

假設(shè)

地震力P0(t)=m·a0(t)(為變擾力)工程地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)河北工程大學(xué)·程祖鋒45

對(duì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，輸入P0(t)進(jìn)行分析：

若ξ一定，算出結(jié)構(gòu)的amax、Vmax、dmax與T的關(guān)系曲線；

一組ξ，可算出結(jié)構(gòu)amax、Vmax、dmax與T的一組關(guān)系曲線。

該組曲線，即稱為特定P0(t)下結(jié)構(gòu)物的amax(或Vmax，或dmax)反應(yīng)譜。第5章地震與誘發(fā)地震工程地質(zhì)研究5.4

a、v、d可以通過(guò)微分、積分相互換算。

P186圖5-43所示的為加速度反應(yīng)譜。46河北工程大學(xué)·程祖鋒工程地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)第5章地震與誘發(fā)地震工程地質(zhì)研究5.4建筑結(jié)構(gòu)的T、ξ由結(jié)構(gòu)的材料和結(jié)構(gòu)類型決定，可實(shí)測(cè)。

若建筑結(jié)構(gòu)一定，則T、ξ一定，即可據(jù)反應(yīng)譜求出相應(yīng)的amax(或Vmax,或dmax)，進(jìn)而求出相應(yīng)的應(yīng)力、位移。

若求出的應(yīng)力、位移超過(guò)允許值，修改結(jié)構(gòu)方案后重算，直至滿足《建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》要求為止。二、場(chǎng)地條件對(duì)地震效應(yīng)(震害)的影響

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

對(duì)震害有影響的場(chǎng)地因素包括：①巖土類型與地層結(jié)構(gòu)；②地質(zhì)構(gòu)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(cè)資料表明：

堅(jiān)實(shí)地基，振幅小、周期短、持續(xù)時(shí)間短，震害輕；

松軟地基，振幅大、周期長(zhǎng)、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，震害重。

松散層越厚，則震害越重，長(zhǎng)周期的高層建筑震害更重。㈠巖土類型與地層結(jié)構(gòu)的影響48河北工程大學(xué)·程祖鋒工程地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)第5章地震與誘發(fā)地震工程地質(zhì)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(zhǎng)周期的波經(jīng)多次反射疊加后傳到地面時(shí)，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(yuǎn)大于18m深處礫石層的振幅。

工程地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)河北工程大學(xué)·程祖鋒49第5章地震與誘發(fā)地震工程地質(zhì)研究5.4

2、地層結(jié)構(gòu)→震害

上硬下軟時(shí)，下伏軟層吸能隔震，震害輕；

上軟下硬時(shí)，震害重。

Ts在勘察中確定：

Ts是場(chǎng)地表層土的重要特征周期，是抗震設(shè)計(jì)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(xué)·程祖鋒㈡地質(zhì)構(gòu)造的影響

1、地形→地震動(dòng)→震害：

突出、孤立地形→山體共振與多次反射→震動(dòng)放大、震害加?。?/p>

低洼、溝谷地形→震動(dòng)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(zhì)學(xué)基礎(chǔ)第5章地震與誘發(fā)地震工程地質(zhì)研究5.4

2、地形→斜坡失穩(wěn)→震害。工程地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)河北工程大學(xué)·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(zhì)研究5.4工程地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)河北工程大學(xué)·程祖鋒52三、地震小區(qū)劃前述的地震區(qū)劃只是對(duì)較大地區(qū)、一般場(chǎng)地條件下，可能遇到的最大烈度作的一個(gè)平均估計(jì)。但同一個(gè)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(chǎng)地條件的不同而往往差別很大。為了給抗震設(shè)計(jì)提供更具體、更精確的依據(jù)，有必要在地震區(qū)劃的基礎(chǔ)上考慮場(chǎng)地條件對(duì)震害的影響作更具體、更準(zhǔn)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(zhì)研究5.4按小區(qū)劃原理：調(diào)整烈度法、調(diào)整反應(yīng)譜法、設(shè)計(jì)地震動(dòng)法。

工程地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)河北工程大學(xué)·程祖鋒53㈠調(diào)整烈度小區(qū)劃(靜力法)(已停止使用)調(diào)整內(nèi)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(diào)整(△I1)2.地下水埋深調(diào)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(zhì)研究5.43.土層共振效應(yīng)調(diào)整(△I3)

△I3=f3(ρ，v，Ts，H)H—土層厚度。

△I=△I1+△I2+△I3，則I場(chǎng)=I基+△I。

再據(jù)各方格的I場(chǎng)繪制等值線圖—調(diào)整烈度小區(qū)劃圖。

缺點(diǎn)：以靜求動(dòng)，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(diào)整。

應(yīng)用：(前兩步是巖土工程勘察的任務(wù)!)

①據(jù)覆蓋層20m以內(nèi)的(厚度加權(quán)平均值)將場(chǎng)地土劃分成堅(jiān)硬、中硬、中軟和軟弱四類；(P188表5-7，老規(guī)范)工程地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)河北工程大學(xué)·程祖鋒54第5章地震與誘發(fā)地震工程地質(zhì)研究5.4㈡調(diào)整反應(yīng)譜小區(qū)劃(準(zhǔn)動(dòng)力法)

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

對(duì)于特定的場(chǎng)地條件，a0max一定，則β∝amax。

因此，將amax反應(yīng)譜的縱坐標(biāo)除一個(gè)系數(shù)a0max即得β反應(yīng)譜。

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

③考慮震中距和I基、場(chǎng)地類型制成五類標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜，并按P188表5-8確定反應(yīng)譜類別

；P188表5-8、P187圖5-44

④據(jù)結(jié)構(gòu)的T找出相應(yīng)的β或amax。工程地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)河北工程大學(xué)·程祖鋒56第5章地震與誘發(fā)地震工程地質(zhì)研究5.4工程地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)河北工程大學(xué)·程祖鋒57

思路：據(jù)地震地質(zhì)條件進(jìn)行地震危險(xiǎn)性概率分析→基巖地震動(dòng)參數(shù)(amax、T、t)→模擬合成基巖加速度a0(t)→鉛直向上輸入場(chǎng)地土層→據(jù)場(chǎng)地條件(Vs剖面)建立場(chǎng)地力學(xué)模型→計(jì)算地面a0(t)(加速度反應(yīng))及其反應(yīng)譜→繪制地面a0max與β反應(yīng)譜分區(qū)圖，即得設(shè)計(jì)地震動(dòng)小區(qū)劃圖。P189圖5-45，P190圖5-46、5-48㈢設(shè)計(jì)地震動(dòng)小區(qū)劃簡(jiǎn)介(動(dòng)力法或動(dòng)態(tài)法)第5章地震與誘發(fā)地震工程地質(zhì)研究5.458河北工程大學(xué)·程祖鋒工程地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)第5章地震與誘發(fā)地震工程地質(zhì)研究5.459河北工程大學(xué)·程祖鋒工程地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)第5章地震與誘發(fā)地震工程地質(zhì)研究5.45.5地震區(qū)抗震設(shè)計(jì)原則工程地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)河北工程大學(xué)·程祖鋒60

對(duì)于高烈度(≥Ⅶ)區(qū)或重大工程均需進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。內(nèi)容包括：一、建筑場(chǎng)地選擇(至關(guān)重要)

要點(diǎn)：①查明基本烈度、場(chǎng)地條件；②評(píng)價(jià)場(chǎng)地地震效應(yīng)；③選擇抗震有利地段作為建筑場(chǎng)地；④找出不利因素，并對(duì)抗震設(shè)計(jì)提出建議。

注意避開：

①結(jié)構(gòu)難以抵御的地震效應(yīng)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(zhì)研究5.5工程地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)河北工程大學(xué)·程祖鋒61二、持力層與基礎(chǔ)方案的選擇(場(chǎng)地選定后進(jìn)行)①堅(jiān)硬、密實(shí)、均勻地層；②砌置深度較大；③同一建筑物盡量用同一基礎(chǔ)型式。三、建筑物布置與結(jié)構(gòu)類型選擇(略)

對(duì)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(zhì)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(zhǎng)周期建筑物避開長(zhǎng)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(kù)誘發(fā)地震(略)第六章地震引起的區(qū)域性

砂土液化問(wèn)題

資源學(xué)院勘查系

金超

主要內(nèi)容6.1概述6.2飽和砂土的液化機(jī)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(yù)防措施6.1概述砂土液化：飽和砂土在強(qiáng)烈的振動(dòng)作用下，空隙水壓力增大，抗剪強(qiáng)度及承載力降低或喪失，導(dǎo)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(xì)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(zhì)化，同時(shí)造成河床、渠道、井筒等淤塞，使農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)施受到嚴(yán)重?fù)p害。6.1概述

砂土液化的危害(2)地基失效：隨粒間有效正應(yīng)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(shí)地基的承載能力完全喪失。這類地基上的建筑物就會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)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(yán)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(dòng)液化和流動(dòng)，可引起大規(guī)?；?。這類滑坡可以產(chǎn)生在極緩，甚至水平場(chǎng)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(dòng)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(tái)中港1-4碼頭)6.2飽和砂土的地震液化機(jī)制砂土受振動(dòng)時(shí)，每個(gè)顆粒都受到大小相當(dāng)于振動(dòng)加速度與顆粒質(zhì)量乘積的慣性力的反復(fù)作用。由于顆粒間沒有內(nèi)聚力或內(nèi)聚力很小，反復(fù)受力時(shí)，各顆粒都處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，顆粒之間必發(fā)生相互錯(cuò)動(dòng)并調(diào)整相互位置，以便降低總勢(shì)能最終達(dá)到最穩(wěn)定狀態(tài)。如振動(dòng)前砂體處于緊密排列狀態(tài)，經(jīng)震動(dòng)后砂粒的排列和砂體的孔隙度不會(huì)有很大變化；若振動(dòng)前砂土處于疏松狀態(tài)，反復(fù)受力時(shí)必逐步加密。

包氣帶水——直接壓縮變密飽和水——壓縮時(shí)必須排水6.2飽和砂土的地震液化機(jī)制飽和水：地層的振動(dòng)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(dòng)使孔隙度瞬時(shí)減小都需要排出一些水，對(duì)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(shí)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(gè)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(lái)，故隨振動(dòng)持續(xù)時(shí)間的增長(zhǎng)，超孔隙水壓會(huì)不斷增大。6.2飽和砂土的地震液化機(jī)制已知飽水砂體的抗剪強(qiáng)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(dān)，此時(shí)空隙水壓力稱中性壓力，只承擔(dān)本身壓力即靜水壓力。令此時(shí)的空隙水壓力為pw0，振動(dòng)過(guò)程中的超空隙水壓力為△pw，則振動(dòng)前：砂的抗剪強(qiáng)度為：

τ＝（σ-pw0）tgφ

振動(dòng)時(shí)：

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(jī)制此時(shí)砂土抗剪強(qiáng)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(jī)制為了研究砂土的液化機(jī)理與進(jìn)行實(shí)驗(yàn)判別，美國(guó)的Seed和Ile于1966年提出了動(dòng)三軸剪切試驗(yàn)（循環(huán)荷載三軸壓縮試驗(yàn)）P226圖7-3：試樣在均等圍壓σa（σ1=σ2=σ3=σa）下排水固結(jié)6.2飽和砂土的地震液化機(jī)制6.2飽和砂土的地震液化機(jī)制6.2飽和砂土的地震液化機(jī)制應(yīng)力特點(diǎn)：

①σ1、σ3

方向交替變化；

②x-x、y-y面上的正應(yīng)力值不變（σa

）

③x-x、y-y面上的剪應(yīng)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(yīng)力。6.2飽和砂土的地震液化機(jī)制6.2飽和砂土的地震液化機(jī)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(yīng)變達(dá)20%即認(rèn)為試樣已破壞，即當(dāng)試樣對(duì)振幅超過(guò)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(guò)程長(zhǎng)，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(duì)密實(shí)度Dr=0.90，e=0.56。左圖對(duì)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(duì)密實(shí)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(dá)到初始圍壓σa，體積迅速增大，很快達(dá)到液化。6.2飽和砂土的地震液化機(jī)制二、滲流液化砂土經(jīng)振動(dòng)液化之后，某點(diǎn)的空隙水壓力不僅有振動(dòng)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(zhuǎn)化成的超空隙水壓力(Pwe)，則該點(diǎn)的總空隙水壓力(Pw)為：Pw=Pw0+Pwe為求簡(jiǎn)化，假設(shè)砂層無(wú)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(jī)制地震前和地震液化后的空隙水壓力圖形及測(cè)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(cè)壓水位相同，無(wú)水頭差。振動(dòng)液化產(chǎn)生超空隙水壓力后，不同深度的測(cè)壓水位不同，隨深度增加，測(cè)壓水位增高，任意深度兩點(diǎn)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(jī)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(shí)液化時(shí)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(dòng)液化聯(lián)系起來(lái)，整個(gè)過(guò)程為：飽水砂土在強(qiáng)烈地震作用下先產(chǎn)生振動(dòng)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(yùn)動(dòng)，動(dòng)水壓力推動(dòng)砂粒向懸浮態(tài)轉(zhuǎn)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(qiáng)度喪失，但不噴水冒砂。由于地震時(shí)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(nèi)的超空隙水壓力，通過(guò)液體壓力傳導(dǎo)作用于蓋層底板，形成一個(gè)暫時(shí)的承壓水層。由靜水壓力原理，液化砂層內(nèi)任意點(diǎn)的測(cè)壓水位都相等，其壓力圖形及測(cè)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(jī)制6.2飽和砂土的地震液化機(jī)制設(shè)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(dāng)超空隙水壓力超過(guò)蓋層強(qiáng)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(qiáng)，液化形成的暫時(shí)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(qiáng)烈。但對(duì)建筑物的嚴(yán)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(jī)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(rèn)為砂土的成分、結(jié)構(gòu)以及飽水砂層的埋藏條件這幾個(gè)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(nèi)產(chǎn)出的砂土層，往往具有特定的成因與時(shí)代特征。地震方面主要是地震的強(qiáng)烈程度和持續(xù)時(shí)間。一、砂土特性對(duì)地震液化的產(chǎn)生具有決定性作用的，是土在地震時(shí)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(shí)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(dòng)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(duì)密度Dr和砂土的粒徑和級(jí)配來(lái)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(duì)密度——密實(shí)度從動(dòng)三軸試驗(yàn)得知,松砂極易完全液化,而密砂則經(jīng)多次循環(huán)的動(dòng)荷載后也很難達(dá)到完全液化。即砂的結(jié)構(gòu)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(biāo)，過(guò)去采用臨界孔隙度，目前較普遍采用的是相對(duì)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(duì)密度越大，需要越大的振動(dòng)強(qiáng)度或更多的振動(dòng)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(yīng)力比（烈度）與循環(huán)次數(shù)（歷時(shí)）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(diào)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(yíng)口）Dr>0.70就不發(fā)生液化。砂土的相對(duì)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(duì)密度雖然很低但卻很少液化。通過(guò)分析邢臺(tái)、通海和海城砂土液化時(shí)噴出的78個(gè)砂樣表明，粉、細(xì)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(jí)配是一個(gè)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(jí)配最易液化的土：均粒的粉細(xì)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(jí)配當(dāng)空隙水壓大于砂粒間有效應(yīng)力時(shí)才產(chǎn)生液化，而根據(jù)土力學(xué)原理可知，土粒間有效應(yīng)力由土的自重應(yīng)力決定，位于地下水位以上的土內(nèi)某一深度Z處的自重應(yīng)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(yīng)按下式計(jì)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(dāng)?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(dá)某一深度z1，則z1以上通過(guò)骨架傳遞的有效應(yīng)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(dá)z2，直到砂粒間的側(cè)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(huì)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(diào)查資料表明：當(dāng)Z0>10m時(shí)或h>5m時(shí)，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(xì)、結(jié)構(gòu)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(shí)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(shí)例，主要形成于河口三角洲砂體內(nèi)。而是往往有史時(shí)期或全新世形成的疏松沉積物。引起砂土液化的動(dòng)力是地震加速度，顯然地震愈強(qiáng)、加速度愈大，則愈容易引起砂土液化。簡(jiǎn)單評(píng)價(jià)砂土液化的地震強(qiáng)度條件的方法是按不同烈度評(píng)價(jià)某種砂土液化的可能性。例如，根據(jù)觀測(cè)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(qiáng)度和歷時(shí)條件（動(dòng)力因素）又如，烈度不同可液化砂土的相對(duì)密度值也不同，烈度愈高可液化砂土的相對(duì)密度值也愈大。確切評(píng)價(jià)砂土液化的地震強(qiáng)度條件需實(shí)測(cè)出地震時(shí)最大地面加速度，計(jì)算在地下某一深度處由于地震而產(chǎn)生的實(shí)際剪應(yīng)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(qiáng)度和歷時(shí)條件（動(dòng)力因素）

烈度或amax

（地震時(shí)地表最大加速度）→

τd

（地下某一深度處由地震產(chǎn)生的剪應(yīng)力）→液化能力

資料顯示：隨烈度增大，可液化土的均增大

說(shuō)明越容易引起砂土液化或地震的液化能力增強(qiáng)。

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(duì)地震動(dòng)強(qiáng)度條件的理論統(tǒng)計(jì)方法---剪應(yīng)力對(duì)比法。其思想：據(jù)a0max

計(jì)算不同深度處的τd

，與τf

對(duì)比，判別。6.3砂土地震液化的形成條件1.地震強(qiáng)度？希德：地震在土層中任一點(diǎn)的剪應(yīng)力主要是由于剪切波向上傳播而產(chǎn)生的，設(shè)深度為h的某一土單元上的土柱(圖7-17a)為剛體，地表實(shí)測(cè)最大加速度為amax，則土單元上的最大剪切應(yīng)力τmax6.3砂土地震液化的形成條件1.地震強(qiáng)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(qiáng)度6.3砂土地震液化的形成條件1.地震強(qiáng)度(3)實(shí)際上，地震時(shí)土內(nèi)任一點(diǎn)的剪應(yīng)力隨時(shí)間的變化是不規(guī)則的(圖7-18)，所以需要求出一個(gè)等效均勻剪應(yīng)力τa,經(jīng)大量統(tǒng)計(jì)得出τa=0.65τmax土內(nèi)任一深度處地震引起的平均剪應(yīng)力為：

↓↓↓↓↓

越大越長(zhǎng)越多越長(zhǎng)，越大越強(qiáng)

P235表7-2

地震強(qiáng)度M等效剪應(yīng)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(shí)

砂土地震液化的判別是地震效應(yīng)評(píng)價(jià)的內(nèi)容之一。

判別內(nèi)容：6.4砂土地震液化的判別初判的界限指標(biāo)包括地震條件、地質(zhì)條件、土質(zhì)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(biāo)分析我國(guó)1955年以前近900a間歷次地震噴水冒砂資料得出震級(jí)(M)與液化最大震中距(Dmax)有如下關(guān)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(nèi)。我國(guó)地震文獻(xiàn)中沒有地震震級(jí)小于5級(jí)的噴水冒砂記錄。故液化最低烈度(I)為VI度。2.地質(zhì)條件震級(jí)5級(jí)震中烈度為VI度，近年來(lái)歷次地震震后調(diào)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(zhì)條件

可能液化土的指標(biāo)6.4砂土地震液化的判別按上述判別條件進(jìn)行初判可歸納為圖7—19的流程圖。初判結(jié)果雖偏于安全，但可將廣大非液化區(qū)排除，把進(jìn)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(biāo)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(yīng)在地下15m范圍內(nèi)，最大液化深度可達(dá)20m，對(duì)一般基礎(chǔ)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(yán)重的地區(qū)，地下水埋深一般≤3m,超過(guò)5m沒有噴砂冒水實(shí)例?！豆I(yè)與民用建筑抗震設(shè)計(jì)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(chǎng)測(cè)試法

幾第一階段初步判別認(rèn)為有可能液化或需考慮液化影響的飽和砂土或粉土，都應(yīng)進(jìn)行以現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試為主的進(jìn)一步判別。