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1、地震的工程地质研究,环境与土木工程学院地质工程系 2007年9月,掌握地震及地震波的基础知识及研究意义； 了解我国地震地质的基本特征； 掌握地震力的静力分析方法，了解地震力的动力分析方法，地震区建筑物的破坏方式； 理解场地地质条件对震害的影响，了解抗震设计中考虑场地影响的途径。 了解地震区抗震设计基本原则。,本章学习内容及要求,本章重点： （1）场地地震效应和地震力的静力分析方法； (2)地基岩（土）体的自振周期（卓越周期、特征周期）及其对建筑物的影响； (3)地震区划和地震小区划的划分方法。 本章难点： （1）地基土卓越周期; (2)地震区划和地震烈度小区划分。发展过程、现状及发展趋势。,本
2、章重点及难点,接近地球表面的岩层中弹性波传播所引起的震动称为地震。按其成因可分为构造地震、火山地震和陷落地震。 人类工程活动如采矿、水库蓄水、深井注水、地下核爆炸也可诱发地震。 构造地震是现代地壳运动所产生、分布最广、数量最多（90 ）、危害最重的地震。它产生于板块边缘和板块内部的活动构造带。岩石圈在地球内力作用下，应变能不断积累，一旦达到岩体强度极限，就会发生突然的剪切破裂(脆性破坏)或沿已有破裂面产生突然错动(粘滑)，积蓄的应变能就会以弹性波的形式突然释放使地壳震动而发生地震。,5.1 基本概念及研究意义,5.1 基本概念及研究意义,断层错动与地震形成,5.1 基本概念及研究意义,地震的孕
3、育与应力释放,全球板块与板块边界,5.1 基本概念及研究意义,5.1 基本概念及研究意义,5.1 基本概念及研究意义,5.1 基本概念及研究意义,板块运动与地震活动相关性,5.1 基本概念及研究意义,5.1 基本概念及研究意义,5.1 基本概念及研究意义,1999年9月21日凌晨1时47分，台湾省南投县集集发生7.6级大地震，震源深度10km，重灾区在日月潭地区。该区有许多活断层，开始是“双冬断层”发生活动，同时牵动相邻的车笼埔断层的大规模滑动，导致断层沿岸的丰原、大境、务峰、中兴新村、南投和名间、竹川等市县村镇地区的灾难性破坏，大部分地段已被夷为平地。整个灾区死亡2329人，伤8722人，失
4、踪39人，倒塌各种建筑9909栋，严重破坏7575栋，受灾人口250万，灾民32万，财产损失92亿美元。,5.1 基本概念及研究意义,石岗大坝全长700m, 台湾1999.9.21地震中受断层作用北段三跨泄洪道断塌，断裂处南侧拱起约9.8m，北侧约2m。蓄水功能全失，上游水库底床露出地表。,5.1 基本概念及研究意义,地震后楼房倒塌(9.21地震),地震后高架桥倒塌(9.21地震),5.1 基本概念及研究意义,地震造成中空的电杆折断,5.1 基本概念及研究意义,彰化县员林镇邦富贵名门大楼座落在中山路惠明街口，为16层钢筋混凝土集合住宅大楼。地震时其中一栋倾倒靠在呈L型平面大楼上，柱子间距7至1
5、0米。造成倾倒的原因是底层柱子数量少，间距太大数量偏少，间距太大。,5.1 基本概念及研究意义,地震后地面开裂,5.1 基本概念及研究意义,地震后桥体坍塌,5.1 基本概念及研究意义,地震导致的滑坡泥石流,5.1 基本概念及研究意义,521 地震波 地震时震源释放的应变能以弹性波的形式向四面八方传播，这种弹性被就是地震波。 地震波是使建筑物在地震中破坏的原动力、也是研究地震的最主要的信息和研究地球深部构造的有力工具。 地震波包括两种在介质内部传播的体波和两种限于界面附近传播的面波。,5.2 地震及地震波的基础知识,引自闫肖武,2006,5.2 地震及地震波的基础知识,5.2 地震及地震波的基础
6、知识,P- (压缩) 波,S- (剪切)波,注: S-波不能在液体内传播,5.2 地震及地震波的基础知识,纵波速度（Vp）和横波速度（Vs）分别由下式表示：,式中：E、G分别为介质的弹性模量、泊松比、密度和剪切模量。当=0.22时： 纵波比横波速度快，一般近地表处的岩石中，所以，仪器记录的地震波谱总是振幅小的纵波最先到达，故纵波也叫P波（初波：Primary wave），横波依次到达，故叫S波（次波：Secondary wave）。,（5-1）,（5-2）,5.2 地震及地震波的基础知识,体波包括纵波和横波 纵波是由震源传出的压缩波，质点振动与波前进方向一致，一疏一密向前推进，它周期短、振幅小
7、。 横波是震源向外传播的剪切波，质点振动方向与波前进方向相垂直，传播时介质体积不变但形状改变，周期较长振幅较大。因为该波是切变波，所以它不能通过对切变没有抵抗能力的液体。 根据弹性理论，纵波传播速度(Vp)和面波是体波到达地表后激发的次生波，限于在地面运动，向地面以下迅速消失。,5.2 地震及地震波的基础知识,这种波又有两种，一种是在地面上动的瑞利波（R），质点在平行于波传播方向的垂直平面内作椭圆运动。长轴垂直于地面，它与波的辐射有关。另一种在地平面上作蛇形运动的勒夫波（Q），质点在水平面垂直于波前进方向作水平振动。面波传播速度比体波为慢，瑞利波速（VP）近似为横波波速的，夫波在层状介质界面传
8、播，其波速在介于上下两层介质 横波速度之间 。一个地震波记录图或地震谱最先记录的总是振幅小，,5.2 地震及地震波的基础知识,周期短的P波，然后才是S波，P波到与S波到达之间的时间差（走时差），随地震台距震中愈远而愈大，故可用以测定震中距。最后到达的传播最慢、振幅最大、波长周期最长的面波，统称为L波（long wave）典型的地震记录如图5-1所示。波进一步可以区分为先到达的勒夫波（Q）和后到达的瑞利波（R）。深源地震面波往往是很微弱的，一般情况下横波和面波到达时振动最强烈。建筑物破坏通常是由于横波和面波造成的。,5.2 地震及地震波的基础知识,5.2 地震及地震波的基础知识,5.2.2震源机
9、制和震源参数 研究多个地震台的地震谱，可以确定地震性的物理过程和震源物理过程，一般称为震源机制（focal mechanism）。根据地震记录图，按照弹性变位理论进行复杂计算，还可以求出限定震源物理过程的多个物理量，通称为震源参数（source parameters） 5.22.1震源机制 地下核爆炸在地面所记录的P波初动都是推波，或第一相位压缩，表明震动源的物理过程是由于爆炸引起的膨胀向周围介质施加的压力。,5.2 地震及地震波的基础知识,5.2 地震及地震波的基础知识,5.2 地震及地震波的基础知识,地震波P波初动的推拉分布同样能确定震源物理过程。根据近几十年来的大量研究断层每一盘来说，断
10、层错动的前进方向都会受到压缩，而相反的一个方向就受到拉伸，于是就呈现如图54所示的象限分布，即这种象限型初动推拉分布是由于震源断层错动这种物理过程所造成的。所以这样求得的结果称为震源机制断层面解。后来发现，不仅P被初动是象限分布的，s波的初动分布也有如图55(b)所示的象限分布的特点。但由于s被初动难于测定，所以这一点很长时间是有争议的，直到发现由s波激起的面波(亦即勒夫波)的初动也呈象限分布后才得到公认。,5.2 地震及地震波的基础知识,为使震源机制与各种波的初动分布的实际情况相符，单力偶震源机制模式必须修正为双力偶模式，两节线上力偶错动方向相反，一为左旋另一为右旋。实测的各种波的初动分布与
11、按此模式理论推导出的完全一致。双力偶合成的最大最小主应力分别为压(P)和拉应力(T)，在垂直于中间主应力的主平面内，它的作用方向与两节线夹角平分线一致。两节线是两个最大剪应力的截面与这一平面的交线，这两个截面也就是一对共轭剪切面。其中之一为产生地震的断层。但究竟二者之中那一个是地震断层面，必须根据震中区地质结构、地表错断方向和等震线的长轴方向等才能判定图5一10(c).,5.2 地震及地震波的基础知识,5.2 地震及地震波的基础知识,图5-6 鲜水河断裂带震源机制解与断裂带形变组合关系,5.2 地震及地震波的基础知识,5.2.2.2 震源参数 以上震源机制讨论是以点源模型为基础的。实际上震源并
12、非一点，而是一个产生有限错动的断层面，限定一个震源断层就需要有以下七个物理量，即； (1)断层面长度(L)；(2)断层宽度(W)；(3)断层走向；(4)断层倾向和倾角；(5)断层错动方向；(6)断层错距(D)；(7)断层破裂的扩展速度。这些量统称震源参数。从震源参数、震中距离和场地条件推算地面运动，作为工程设计的依据，是目前国际上发展的方向。,5.2 地震及地震波的基础知识,图5-7 鲜水河断裂带的现代左旋走滑运动与局部应力形变场,5.2 地震及地震波的基础知识,二滩工程周围的震源机制,5.2 地震及地震波的基础知识,5.2.3 地震震级和烈度 地震能否使某一地区建筑物受到破坏，首先取决于地震
13、本身的大小和该建筑区距震中的远近，距震中愈远则受到的震动愈弱。所以需要有衡量地震本身大小和震动强烈程度的两个尺度，这就是震级(Magnitude，Ms)和烈度(intensity，I)，它们之间有一定联系，但却是两个不同的尺度，不能混淆起来。,5.2 地震及地震波的基础知识,5.2.3.1 地震震级 地震震级是表示地震本身大小的尺度，是由地震所释放出来的能量大小所决定的。释放出的能量愈大则震级愈大，因为一次地震释放的能量是固定的，所以无论在任何地方测定只有一个震级。 释放能量大小可根据地震波记录图的最高振幅来确定。但是由于振动远离震中而衰减，不同地震仪器的性能不同，记录的波动振幅也不同，所以必
14、须以标准地震仪和标准震中距的记录为准。因此，按李希特古登堡的最初定义，震级是距震中100km的标准地震仪(周期0.8s，阻尼比0.8，放大倍率2800倍)所记录的以微米表示的最大振幅,5.2 地震及地震波的基础知识,表-2中国地震烈度表(1980) (据国家地震局工程力学研究所),5.2 地震及地震波的基础知识,5.2 地震及地震波的基础知识,地震特别是浅源地震，其产生多与断层错动有关, 地震的分布和发生与大地构造密切相关。 用地质学的方法探索可能发生破坏性地震的危险构造或活动断层，配合震源机制的研究判定区域构造应力场和发震断层的错动机制，研究地层中存在的古地震现象，配合历史地震的研究判定古地
15、震活动周期和震级，为地震中长期预报和地震区划提供基础地质资料，是地震地质工作的基本任务。,5.3 我国地震地质的基本特征,中国地震烈度表（1980）使用说用 （）烈度VI度，判定地震烈度以房屋震害为主，人的感觉仅供参考；X度应结合建筑物或构筑物的破坏程度，并根据地表现象来确定；XI、XII度的评定，需要专门研究。 （）“一般房屋”在中国地震烈度表（1980）中指土构架和土、石砖墙构造的旧式房屋和单层或多层未经抗震设计的新式砖房。由于我国城市目前一般都已设防，有的乡村也开始设防，烈度表中的“一般房屋”一般已不普遍，调查中应区别设防与不设防的房屋破坏程度对烈度的反映，给出合理的烈度值。对于质量特别
16、差或特别好的房屋，可根据具体情况，对表列各烈度的震害程度和震害指数予以提高或降低。 （）“人的感觉”指平房内或楼房低层内人的感觉。 （）表中震害指数是对上述“一般房屋”而言。“完好”为，“毁灭”为，中间按表列震害程度分级。平均震害指数是对所有房屋的震害指数的总平均值而言，可以用普查或抽查的方法确定之。 （）使用本表时可根据地区具体情况，作出临时的补充规定。 （）烟囱指工业或取暖用的锅炉房烟囱。 （）表中数量词的说明：个别：以下；少数：；多数：；大多数：；普遍：以上。 （）对重要的工业设施，如桥梁、重要车间、高层建筑、巷道等，要进行专门的调查，在调查中应结合设防情况进行评估。,5.3 我国地震地质的基本特征,5.3.1 世界范围内的主要地震带及其形成的大 地构造环境 (1)环太平洋地震带 这是世界上最大的地震带，在狭窄
