地震的工程地质研究.ppt

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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。L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

9、源机制和震源参数 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

10、，断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波初动是象限分布的，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

11、布与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

12、源并非一点，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

13、地震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

14、以必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

15、古地震活动周期和震级，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

16、特别差或特别好的房屋，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

17、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，在狭窄条带内震中密度也最大，全世界约80的浅源地震、90的中源地震和几乎全部深源地震集中于此带，释放的能量约为全世界地震释放能量的80。此带的震源深度有自岛弧外线的深海沟向大陆内部逐步加深的规律，为大陆与大洋之间的一条倾向大陆的大断裂面(图514)。,5.3 我国地震地质的基本特征,汇聚型大陆边缘与地震分布,5.3 我国地震地质的基本特征,(2)地中海喜马拉雅地震带或欧亚地震带 此带震中分布较前者为分散，带的宽度大且有分支。以浅源震为主，中源震在帕米尔、喜马拉雅有所分布，

18、深源震主要分布于印尼岛弧。环太平洋地震带以外的几乎所有深源、中源和大的浅源地震均发生于此带，释放能量约占全球地震能量的15。 （3）大洋海岭地震带 主要呈线状分布于各大洋的接近中部(图513)。这一带的所有地震均产生于岩石圈内，震源深度小于30km，震级除少数例外均不超过5级。,5.3 我国地震地质的基本特征,5.3 我国地震地质的基本特征,5.3.2 我国地震地质的基本特征 5.3.2.1 我国强震空间分布及地震区带划分 我国大于6级的强震的空间分布极不均匀，大致以东经105为界。西部地震广泛分布，东部地震相对稀少，震级均未达到8级。在上述两地震区域内强震分布也是极不均匀的，东部域分布于华北

19、及东南沿海一带，而西部分布面积大，但塔里木、准噶尔和鄂尔多斯盆地等则地震分布较为零星。,5.3 我国地震地质的基本特征,5.3 我国地震地质的基本特征,5.3.2.2 我国强震发生的地质条件 1. 强震与活动断裂带的关系 （1）不同方向的断裂的交汇部位 （2）活动性深大断裂的转折部位 （3）活动性深大断裂的端部或其它锁闭段 2.强震与断陷盆地的关系 （1）倾斜断陷盆地的较深、较陡一侧活动断裂的最大断距段上； （2）两盆地间或盆地内部由横向断裂控制的横向隆起带两侧； （3）断陷盆地的锐角尖端，或断陷盆地带内多组断裂交汇部位； （4）受不同方向多组断裂控制，内部构造又比较强烈的复合盆地的次级凹陷带

20、上，如1966年邢台地震。,5.3 我国地震地质的基本特征,3. 强震产生的深部构造条件 我国大陆板内地震多发生在地壳内10-25km深处，在我国西部还发生在地壳内31-37km。由此可见，地壳深部构造活动和受力状态，对地震的孕育和发生，是更为直接的因素。 不同级别的断裂如盖层断裂、基底断裂、岩石圈断裂和超岩石圈断裂，层间断裂在深部的活动往往是地震发生的主要原因。,5.3 我国地震地质的基本特征,5.3.2.3 我国大陆地震活动与现代构造应力场与形变场的关系 根据大量震源机制解及地震时地表断层错动方式分析：我国广大地区主压应力以近水平方向为主。主压应力仰角小于30者占80%以上，且以东经105

21、为界，可区分出两大应力系统。 西部为近南北向-北北东向挤压应力场。 东部为大面积的近东西的水平挤压应力场。,5.3 我国地震地质的基本特征,5.3.2.4 我国现代地壳垂直形变与地震活动的相关性研究 （1）中国大陆垂直形变的的总趋势是南升北降，最大上升量在喜马拉雅山地区，年速率达10mm左右。下降最强烈的新疆准噶尔盆地，年速率为-3到-4mm。 （2）大致以银川-昆明一线为界，西部线条密集，等值线多呈东西或北西西走向，与主要断裂线方向一致，其地形变形断裂线多由3-4条等值线组成的梯度带绘出，表明其活动强度较大。东部线条相对稀疏，等值线走向多为北北东向-北东向，部分为东西向及南北向，也与构造线吻

22、合较好。 （3）东部地区的垂直变形大致分为三区：华南-西南区，华北区和东北区。,5.3 我国地震地质的基本特征,5.3.2.5 我国大陆板内现代运动特征 我国大陆处于欧亚大陆的东部，是一个被周围板块挤压围限的区域，影响板内变形和运动状况的边界动力环境十分复杂： （1）有印度板块与欧亚大陆在喜马拉雅一带的碰撞及 向亚洲内部的继续挤压； （2）西太平洋板块向亚洲大陆的俯冲与挤压； （3）菲律宾板块向西的俯冲和在台湾一带的汇聚； （4）日本海、东海东部冲绳海槽及南海盆地的弧后局部扩张。,5.3 我国地震地质的基本特征,在周边板块碰撞或俯冲的推动下，板块之间就产生了不同形式、不同规模和速率的相互错动。

23、大体上又可分为西部板内聚敛为主的挤压区，东部东北、华北的拉张裂陷区和东南部处于西部挤压与北部围限下整体稳定滑移区。 （1）西部挤压区 （2）东南部滑移区 （3）东及东北部张裂区,5.3 我国地震地质的基本特征,一个地区未来50年内一般场地条件下可能遭受的具有10%超越概率的地震烈度值称为该地区的基本烈度。用Ib表示。,相当于475年一遇的最大地震的烈度。,基本烈度也称为偶遇烈度或中震烈度。,基本烈度,5.4 地震区划及地震危险性分析,地震烈度表是评定烈度指标的具体标准。目前国际上普遍采用12度划分的烈度表，也有一些国家沿用10度或7度烈度标准(表a)。,5.4 地震区划及地震危险性分析,对于工

24、程抗震设防，要求烈度标准提出抗震设计所需的工程参数，即定量指标。由于地震荷载是一种惯性力，一般认为这种惯性力对工程结构的影响，主要取决于地面最大加速度。然而，地震加速度的量值与地震所释放的能量和地壳表层岩体的物质组成、结构特征及力学性状等复杂因素有关，研究难度相当大。虽然各国学者进行了大量的研究工作，但至今尚未有效解决该项问题，目前能够给出的相关数值关系见表b。,5.4 地震区划及地震危险性分析,5.4 地震区划及地震危险性分析,减轻地震灾害有两种途径。 一种是地震预报，它是以地震发生前应变能积累过程中地球物理场的变化而出现的前兆和历史地震活动规律为依据，以短期内准确预报出地震发生的时间、地点

25、、强度为主要目标，以便人员及时撤离或其他防范措施。其优点是可以避免重大人员伤亡，但缺点为即使预报准确，如果建筑物没有进行防震设计或采取抗震措施，仍然会造成局部或全部毁坏。,5.4 地震区划及地震危险性分析,另一种地震工程途径，它是以地震地质和地震活动规律研究所做出的地震发生时间、地点、强度、频度的长期预报为依据，经济、安全而又合理地规定新建工程的抗震设防技术措施，使所兴建的工程能抗御未来发生的地震，即 “小震不坏，中震可修，大震不倒”，从而大大减轻人民生命财产在地震中的损失。按其工程阶段可以分为地震危险性分析与地震区划、抗震规范、抗震设计、抗震鉴定和加固和抗震救灾五个部分 （表5-27）。,5

26、.4 地震区划及地震危险性分析,5.4.1 地震区划、地震危险性分析的原则和方法 (1) 地震烈度区划 基本烈度:一个地区未来50年内一般场地条件下可能遭受的具有10%超越概率的地震烈度值称为该地区的基本烈度。用Ib表示。 基本烈度也称为偶遇烈度或中震烈度。 地震烈度区域原则： （1）曾经发生过地震的地区，同样强度的地震可以重演，或简称历史地震重演； （2）地质构造（或地质特征）相同的地区，地震活动也可能相同，或简称构造外推，同一构造地震带可以发生相同强度的地震。,5.4 地震区划及地震危险性分析,编图方法是先判定各地震区，编制出以最大可能震级为标志的地震活动区划图，再根据我国历史地震震级和震

27、中烈度的经验关系，将各级地震危险区换算成相应的震中烈度，地震影响烈度及其分布范围，则可根据所在地震区、带的烈度衰减统计规律圈定。最终将全国区划为X，IX，VIII，VII，VI及VI类地震危险区。 各地区的基本烈度由中国地震动参数区划图（GB18306-2001)确定。,5.4 地震区划及地震危险性分析,5.4.2 潜在震源区的划分 潜在震源区指未来可能发生破坏性地震的部位，其可能出现的最大地震危险程度用地震上限Mu表示。 潜在震源区的划分是地震危险性概率分析中的最重要的工作内容。它是反映场地所在地区地震地质条件，区域构造稳定性、历史大地震、近代小地震的活动规律，以及其它地球物理场分布特征的基

28、本标志，也是控制工程设计地震动参数的决定性因素，特别是场地周围大约40km内潜在震源区，对地震的危险性最终计算结果会产生相当敏感的影响。,5.4 地震区划及地震危险性分析,5.4.3 地震活动性参数的确定 地震活动性是指地震活动的时、空、强度和频度的规律，即各地震区、带内各种大小的地震在时间上的分布规律。地震活动性参数则是描述潜在震源区地震危险性程度的指标。主要有上限震级Mu和起算震级M0，震级-频度关系式中的b值和各级地震年发生率。 5.4.3.1 震级上限 Mu指潜在震源区可能发生的最大震级，当潜在震源区距场点较近时， Mu的取值对计算结果影响较大。 决定Mu主要根据历史地震资料和构造类比

29、,5.4 地震区划及地震危险性分析,5.4.4 地震动衰减规律 5.4.4.1 地震宏观影响场和地震烈度衰减关系 地震影响场是指地震在地表造成的影响及其分布状况，用地震烈度表示的影响场称做宏观影响场，是地震危险性分析中的重要资料之一。地震烈度的衰减与震级和震源距有关。 5.4.4.2 基岩地震动衰减关系 我国缺乏近场强震加速度记录，所以一般采用胡笔贤建议的方法推求基岩峰值加速度的衰减关系式：首先统计出当地地震烈度衰减公式（表5-7），再选择一个构造条件比较接近，强震观测资料丰富，且区内烈度衰减公式和基岩峰值加速度衰减公式均已具备的地区作为参考区确定。,5.4 地震区划及地震危险性分析,5.4.

30、3.2 震级-频度关系式中的b值 lgN=a-bM N地震频数，M震级， a为地震总次数有关的统计常数，b值代表一个地震区或带内不同大小地震频数的比例关系，是lgN=a-bM曲线图上的斜率，b值愈小震级较高的地震所占的比例愈大。是一个重要参量。 5.4.3.3 地震活动的年发生率（) 指一定范围内每年发生等于和大于震级M0以上的地震数 1-F(m)=e-(M-M0) =(1/b)10(a-bM),5.4 地震区划及地震危险性分析,5.5.1场地地震效应及地震小区划 5.5.1.1 场地破坏效应 （1）地面破坏效应:破坏性地震如果震源较浅，断层错动可以直达地表造成地表错断，对建于其上的房屋、大坝

31、、道路、管线等造成直接破坏。 （2）地基失效：如果建筑物地基强度很低或地震动加速度很大，就会导致地基承载力的下降、丧失以致变位、移动，由此造成的建筑物破坏即属地基失效造成的破坏。 （3）斜坡破坏效应 斜坡破坏效应包括地震诱发的滑坡、崩塌和泥石流。,5.5 场地地震反映及地震小区划,萨尔瓦多地震引发滑坡泥石流1200多人遇难,5.5 场地地震反映及地震小区划,地震砂土液化,El Centro, CA,1979,断层错动直接导致建筑物的毁坏,地震引起海啸,5.5 场地地震反映及地震小区划,5.5.1.2 强烈地震动 (1).振幅：通常指地面最大加速度amax，最大速度Vmax或最大位移dmax (

32、2).频谱：地震地面运动周期与建筑物的自震周期呈三种不同的关系：,地震时介质质点的最大水平加速度为: 式中：A为最大水平振幅（质点的最大位移量）；T为振动周期。 作用在建筑物上的水平地震力为： 式中：M、W分别是建筑物的质量和重量；g为重力加速度；称为水平地震系数，K值一般均小于1，只有10度以上的极震区可以大于1（参见表5-2）。显然加速度越大则引起的惯性力也愈大。,5.5 场地地震反映及地震小区划,(3).持续时间 不同地震持续时间变化较大，变化在几秒至数十秒。时间长者破坏性大，短者破坏性小。 5.5.2 场地条件对震害和地震动的影响 场地条件一般指局部地形地质条件，如近地表几十米至几百米

33、内的地基土石性质、地下水水位等水文地质条件，微地形以及有无断层破碎带等。 5.5.2.1 基岩上地震动幅值小、持续短、震害轻 1976年唐山地震，1996年丽江地震建在基岩上的毛主席塑像未受到破坏。,5.5 场地地震反映及地震小区划,5.5.2.2 深厚覆盖层上地震动周期长 巨厚冲积层上低加速度的远震可以使高层或其它长周期建筑物遭到破坏。引起破坏的主要原因是共振，这类自由震动长周期的结构在厚层冲积层上易于产生共振则表明厚层冲积层上地表震动周期往往比较长。 1985年9月19日，墨西哥城Michoacam发生里氏8、1级的地震。距震中400km处的墨西哥城出现了严重的震害，地面摇动强烈，部分地区

34、烈度达到9度，地震引起许多建筑物基础产生非常大的沉陷和倾斜，建筑物的上部结构亦遭到破坏 。墨西哥城遭受如此严重的震害与软土地基的放大作用有关,5.5 场地地震反映及地震小区划,表层沉积能对基岩传来的地震波起选择放大作用，某些周期的地震波在表土层中多次反射的结果，由于叠加而增强，这样就会使表层震动中这类周期的波多而长，这就是该表层土的卓越周期。也就是它的自震周期。 散土层地面震动有卓越周期是它显著不同于基岩的震动特点，基岩中因为没有显著不同的介质分解面而不存在卓越周期。 基岩的震动周期约为0.15s,更新统坚实土层为0.2-0.5s，全新统较松散软土层0.3-0.8s，巨厚松散软土层为0.5-1

35、.1s。,5.5 场地地震反映及地震小区划,不同岩土类型其质点位移时程曲线也明显不同。使用微震观测资料必须考虑到以下情况，即在微震作用下岩石和土都可以看作弹性体，具有线性反应，而在超过土的弹性极限的强震作用下，土层并非弹性体，非线性变形很显著，使其刚度降低、阻尼增大，以致土层对质点位移或加速度的放大系数可能比微震小变形者小很多。所以微震时地表加速度比基岩中为大，而大震时则可能比基岩中小得多，而卓越周期则仍比基岩中振动周期长得多。,5.5 场地地震反映及地震小区划,土层的卓越周期T可由表土层剪切振动微分方程导出: T=4H/VS 式中：H为土层厚度，VS该表层土的剪切波速度，显然层厚越大，剪切波

36、速度低，卓越周期就越长。 巨厚冲积层因为不同性质土层叠置，所以其卓越周期没有较薄的单一土层显著，但其卓越周期显著偏长，因之能引起木结构及高层建筑共振而破坏。,5.5 场地地震反映及地震小区划,5.5.2.3 非发震断层对震害无明显影响 5.5.2.4 局部地形对震害影响显著 突出孤立的地形使地震动加强，低洼沟谷使地震动减弱。其原因可用山体或山体内体波多次反射来解释。其中位移放大最明显，可达7倍，速度放大3-4倍，加速度放大一般不超过2倍。 5.5.2.5 沙土液化对震害的影响有双重性 （1）强烈液化引起的喷水冒沙往往导致地裂缝、位错、滑坡、不均匀沉降等地基失效现象，从而加剧建筑物的震害。,5.

37、5 场地地震反映及地震小区划,（2）但当地表2-3m内有较密实的粘土层，能成为荷载小而基础浅的结构物稳定持力层时，在其下伏层沙土液化后，此层仍具有一定强度以支承结构物传来的荷载，此时沙土液化作用却可起隔震作用，使地下强烈震动不再能传至地表。,5.5 场地地震反映及地震小区划,5.5.3 我国的地震小区划及其演进 553.1 调整烈度小区划 据同一场地内不同地段水文地质工程地质条件差异，得出各地段的场地烈度，从而区划出具不同场地烈度的各小区，每一小区按其场地烈应选用相应的地震系数(及)再按静力法确定该小区设计用地震力。 区划方法是将场地划分为边长300一2000m的方格。每格内应有一代表性地层剖

38、面和地下水埋深资科。然后根据地基土层的地震刚度(弹性坡传播速度与密度之积)、地下水位的深浅和土层共振特性的不同，确定每格内的烈度增量值。,5.5 场地地震反映及地震小区划,5.5.3.2 调整反应与小区划 结构抗震设计的反应谱理论：假定结构为单质点弹性体，作用于其基底的地震运动则简化为简谐振动，结构系统的动力反应决定于地面运动的最大加速度和频谱特征，还取决于结构的自振周期(T)和阻尼比()。阻尼是结构物振动过程中由于能量耗散而造成的振动衰减。对某一特定结构的某一阻尼比而言，其体系的最大加速度与自振周期间的关系表示呈一条曲线，这组曲线就是就是结构的最大加速度反应谱。,5.5 场地地震反映及地震小

39、区划,5.6 地震区划抗震设计原则 5.61 选择场地和地基 （1)尽可能避开产生强烈地基失效及其它加重震害地面效应的场地或地基，用于这类场地或地基的主要有：活断层带、可能产生地震液化的砂层或强烈沉降的淤泥层，厚填土层，可能产生不均匀沉降的地基,以及可能受地震引起的崩塌、滑坡等斜坡效应影响的地区，如陡山坡、斜坡及河坎旁。,5.6 地震区划抗震设计原则,(2)考虑到地基土石的卓越周期和建筑物的自振周期，尽可能避免结构与地基土石之间产生共振。也就是自振周期长的建筑物尽可能不建在深厚松软沉积之上，而刚性建筑物则不建于卓越周期短的地基上。 (3)岩溶地区地下不深处有大溶洞，地震时可能塌陷的地区不宜作为

40、场地。,5.6 地震区划抗震设计原则,对抗震有利的场地条件是；地形开阔平坦；基岩地区岩性均一坚硬或上有较薄的覆盖层；若为较厚的覆盖层则应较密实；地下水埋藏较深；崩塌、滑波泥石流等不发育。,(4)避免以加重震害的孤立突出地形作为建筑场地。,云南某村寨,5.6 地震区划抗震设计原则,562 选探适宜的持力层和基础方案 场地如已选定，即应根据详细查明的场地内地质条件，为各类不同建筑物选择适宜的持力层和基础方案。,5.6 地震区划抗震设计原则,5.6.3 建筑物合理布置和结构选型 5.6.3.1 工业民用建筑物 选择有利抗震的平面和立面是抗震设计的重要环节，尽量使建筑物的质量中心和刚度中心重合，平面上

41、选择矩形、方形、圆形或其它没有凸出凹进的形状，立面上各部分层数尽量一致，以避免各个部分之间振型不同，受力不同，使平面转折或立面上层数不同的两部分连接处受扭转而断裂、倒塌。如必须采用平面转折或立面层数有变化的型式，则应在转折处、层数有变化的部分之间的连接处留抗震缝，使之分割为平面、立面上简单均一的独立单元。,5.6 地震区划抗震设计原则,2减轻重量、降低重心，加强整体性使各部分、各构件之间有足够的刚度和强度。 一般砖石承重墙抗拉或抗剪强度较低，抗震性能较差，震害严重。 改善砌体方式及提高灰缝强度以增强抗拉强度，是这类结构抗层的主要措施。 钢筋混凝土框架结构抗震性能良好。但也有承重柱薄弱环节破坏的

42、例子。其主要抗震措施是增加角柱配筋和加强柱的箍筋以增加抗弯抗扭性能。,5.6 地震区划抗震设计原则,木构架承重的房屋，粱柱之间的连接点往往为榫接，柱子往往浮搁在柱脚石上。侧向刚度很差，地震时极易发生倾斜，木柱也易从柱脚石上滑落。 其主要措施有如下几点： (1)屋架(梁)与柱的连接处，除柱顶用榫还应加角撑(斜撑)或夹板(图554)。 (2)增加剪刀撑(图555)或没柱间支撑或柱间砌实心墙以保证必要的纵向刚度。,5.6 地震区划抗震设计原则,（3）木柱柱脚宜用铁件与基础固定，连接宜用螺栓。 （4）所有连接的支撑、斜呈撑、夹板等均应用螺栓连接，不宜用钉结合。 砖混结构是我国目前采用极广的结构。预制混

43、凝土楼盖板往往浮搁于承重墙上，支承长度也不足，所以整体性很差，受震时地震惯性力相对集中于楼板处，各楼、盖板相推挤碰撞、移动错位，外侧的预制板撞击墙壁，使之外突，使支承长度减小，最后楼板可从墙上脱落。,5.6 地震区划抗震设计原则,主要抗震措施为加强墙体之间及墙与楼、盖板之间的整体性。墙的整体性要求咬岔砌筑，使内外墙、外墙转角、内墙交接处都有良好的连接，在VIII度区在这些部位应每隔一定高度于灰缝内配置拉接钢筋。设置抗震圈梁是加强房屋整体性、加固各部分墙体连接的有效措施。圈梁尽量设在楼盖板周围使它成为楼盖板周围的，以加强水平向整体性。盖板与盖板之间也必须锚固以增强整体性。,5.6 地震区划抗震设

44、计原则,5.6.3.2 水工建筑物 (1)选择坝型 选择抗震性能良好的坝型是很重要的。不同坝型主要震害形式如下。 土石坝：以堆石坝抗震性能最好。例如美国的卡斯泰克坝(高104m)，在197I年圣费尔南多地震时距震中32km坝址加速度水平达0.39g，垂直0.18g坝体未受损坏。墨西哥的英菲尔尼罗坝(高149m)于19641966年遭受三次IV-VIII地震，坝体未受损害。日本御母衣坝(高131m)1961年遭受VIII度以上强震除坝顶沉陷，向下游位移5cm外，坝体基本完好。,5.6 地震区划抗震设计原则,冲填土坝抗震性能较差，比较容易产生坝坡滑坡、坝顶裂缝、严重者能溃决。 混凝土坝：以重力坝及

45、拱坝整体性强抗震性能良好，而大头坝和连拱坝等，因侧向刚度不足抗震性能较差。如日本丰检油连拱坝在1946年南海地震中，坝址烈度VI度，支墩和坝接头处即多处漏水。各类混凝土坝主要震害是近坝顶部分、断面突变处为抗震薄弱环节，容易产生断裂；坝内孔口廊道附近易裂缝；坝顶相当于孤立突出山梁，地震反应强，因之其上的附属建筑物易破坏。,5.6 地震区划抗震设计原则,(2)工程措施 土石坝应防止地基失稳，提高坝体压实度，降低浸润曲线，以防坝体滑坡，适当增加坝顶宽和坝顶超高，以防涌浪和溃决。 混凝土坝中的重力坝和大头坝应适当增加坝体顶部刚度，顶部坡折宜取弧形，坝面和坝墩顶部的几何形状应尽量平缓、避免突变以减少应力集中。支墩坝应尽可能增加整体性，增强侧向刚度。拱坝应注意拱顶两岸岩体的稳定性。拱顶附属结构应力求轻型、简单、整体性好并加强连接部位。,5.6 地震区划抗震设计原则,