工程地质上活断层PPT.ppt

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1、,工程地质学 基础,主讲：李效萌,东华理工大学 水资源与环境工程学院,第四章 活断层与地震工程地质研究,活断层 提纲,1.概述 2.活断层基本特征 3.活断层鉴别标志 4.活断层调查研究方法 5.活断层区建筑原则,活断层和地震密切相关，90%的地震是由于活断层而引起。 根据活断层的活动方式分为粘滑断层和蠕滑断层： 断层错动突发错动（产生地震的粘滑）和缓慢错动（不产生地震的蠕滑）。粘滑往往和地震相伴随，蠕滑达到一定强度时可引起地面破坏,产生地裂缝、崩塌、滑波等。,第一节 概述,断层是地壳构造运动的重要形迹。有的断层形成于较晚时期，在形成以后受到晚期构造背景条件控制，仍保持着活动的特征。 早在十八

2、世纪，人们从地震活动与断层活动的关系渐渐意识到断层的活动性特征，经过几个世纪的研究，对活断层的特征有了比较深入的认识。,在世界许多地区，对活断层的辨认和研究最初是从地震断层开始的。如日本1891年浓尾地震，美国1905年旧金山地震，都产生了明显的地震地表断层，从而推动了对活断层的研究。 浓尾地震：一条通往岐阜城的大路被断层崖切断，断层东侧的地面升高约6米，并向北滑动约4米。在日本政界和学术界引起震动，并促成在日本成立了世界上最早的震害预防研究机构。 旧金山地震：圣安德列斯断层，476公里长 。这样等级的地震是第一次被清楚地以相片记录下来，也使得后来活断层科学研究蓬勃发展。,活断层受控于板块构造

3、 , 全球构造（板块构造）理论的基本点是，全球划分为六个刚性的岩石圈板块在软流层之上漂移，不断地运动。,在研究某一个地域的大陆构造变形时需要从活动论的观点，从全球构造框架或区域构造框架出发,来自板块边界的作用力是中国大陆新生代和现今构造变形的主要动力源,研究表明，印度板块与欧亚于大约3800万年前相互碰撞，此后印度板块仍以每年约5cm的速度向北北东方向推进，强力地推挤着欧亚板块, 板块接触带的两个端点位于察隅和伊斯兰堡附近。在碰撞挤压过程中欧亚板块内产生了塑性或粘性流动变形。,印度洋板块,青藏高原,关于活断层的定义，目前为止没有完全统一。主要关于过去活断层历史时间的上限界定问题看法不一，不同部

4、门、不同国家都存在差别。,活断层:一般是指现今正在活动的断层，或近期曾活动过、不久将来可能重新活动过的断层。后者也称为潜在活断层。,岩土工程勘察规范 全新活动断裂：全新世（10000）年内有过活动或近期正在活动，在将来（100年）可能继续活动的断裂。 发震断裂：近期（500年）发生过5级以上地震，或在未来100年内预测可能发生5级以上地震的断裂。 水利水电工程地质勘察规范 活断层：最后一次错动距今10-15万年（晚更新世）的断层。,美国原子能委员会（USNRC）的定义是： （1）在3.5万年内有过一次或多次活动的断层 （2）与其他活动断层有联系的断层 （3）沿该断裂发生过蠕动或微震活动,活断层

5、工程地质研究意义,活断层的活动可视为一类地质病害，可以对建筑物产生破坏作用而致害。从这个意义上讲，活断层的工程地质研究就是要研究活断层与工程建筑的关系，评价其对建筑物的破坏作用。 活断层错动变形对建筑物的直接破坏;活断层对区域地质环境的影响，如地震、区域地壳稳定、水库地震等。,活断层决定多数破坏性地震的发震位置, 活断层的规模、大小、位置和活动时代属性决定了地震震级大小，同时对地震的地面运动具有复杂的影响。,San Francisco City Hall, 1906,Cypress Freeway Structure, Oakland Loma Prieta Earthquake, 1989,

6、振动液化（ Liquefaction ）,San Andreas Fault offsetting streams On the Carrizo Plain,.,El Centro, CA,1979,Loma Prieta, CA,1989,海啸（ Tsunami）,本节主要介绍活断层的类型与活动方式、继承性与反复性、长度与断距、错动速率与周期。,第二节 活断层的基本特征,一、活断层的类型,按照位移方向与水平面的关系： （1）正断型活断层 差异升降活动为它的断陷盆地边缘。下降盘分支断层多见，形成地堑式的正断层组合。 （2）逆断型活断层 多分布于板块碰撞挤压带。上盘变形带大，出现多分支断层。 （

7、3）走滑型活断层 常分布于大陆内部的地块之间的接触部位，水平错动量大，断层带宽度不大，很少分支断裂。,（1）粘滑型活断层 间歇性突然滑动，常伴有地震活动，也称为地震断层。 发生在强度较高的岩石中，断层带锁固能力强，危害大。 发震断裂特征：深断裂，裂谷，板块接触带。 （2）蠕滑型活断层 沿断层面两侧岩层连续缓慢地滑动 发生在强度较低的软岩中，断层带锁固能力弱 一般无震发生，有时可伴有小震。,二、活断层的活动方式,活动断层的产状要素、长度等均是重要的几何要素，这些可以通过勘探等手段得到确定。而活动断裂重新活动往往并非全断裂都活动，而是部分段的活动，这里断层长度是指现活动段长度及两旁相应的错断距离。

8、 在关于活断层的建筑设计及有关稳定性的分析论证时，需要了解断层活动段长度L和断距D。 对于历史活断层长度和断距，可以从被错动的形迹得到，而对于潜在活断层，要根据有关方面进行预测。 一般认为，活断层地表产生的断裂长度与震源体处断裂长度相一致。通常是根据活断层可能产生最大地震震级M，利用统计经验方式及查表确定L和D。,三、断层活动段的长度和断距,如下关系图也可以作为确定L、D时使用,有的情况下，可以采用数字分析（如有限元）方法确定断层长度及断距。 断层长度1 数百公里不等，一般小于5.5级地震很少产生地表错动。 活断层地震活动是否在地表显现形迹，与地表覆盖层厚度、震源深度及震级有关，一般覆盖层厚度

9、大于30-50m、震源深度大于10-30km、地震震级小于6级条件下，很少出现地表断裂现象。,活断层活动速率及相应周期是表明活断层的活动强度的重要指标，是地震强度的重要资料。 1、错动速率 错动速率是指断层年错动位移量，一般是用若干年总的错动量计算得到，因而也称平均错动速率。分为水平和垂直分量。断层错动速率从两个方面获得： （1）精密地形变测量 是研究现今活动断裂的有效方法。我国许多著名活断层均设有精密水准、三角测量、激光测距等量测工作。 有了量测数据，便可以计算错动速率。,四、错动速率和活动周期,（2）根据第四纪地层、地质的年代及错动量来获得 研究夷平面、阶地、水系、断崖、土层等，通过测量错

10、动量及相对年龄，可以计算出平均错动速率。,2、错动周期,断层两次错动之间的时间间隔定义为活断层错动周期R。 断层运动是地质体能量积累释放的结果，显然能量积累 要经历一个时期，积累的过程断层处于平静期（休眠期）， 释放的过程为活动期。断层表现为活动平衡再活动 的周期恢复。断层应变速率、锁固段深度等不同，表现了不 同的错动周期。对于粘滑型断层，一次错动对应的是一次地 震活动。,可按以下四种方法确定错动周期： 按地壳应变速率（这是近似当成断层平均错动速率）S及一次地震错动量d计算R。 根据2次地震条件、时间间隔确定 根据地震震级及错动速率，由经验统计式计算,按上式计算，对于S110mm/a的A级活断

11、层，当发生M78的地震时，R1000年。,许多人研究了震级M、错动速率S与错动周期的关系；建立了许多统计关系。如日本的松田时彦对日本断层错动与地震震级关系时，得到lgd=0.6M-4.0,错动周期是R=d(错移量)/s(错动速率)，即有, 根据第四纪地层、地质错动证据，结合年龄测定确定周期。,据研究，活断层活动周期一般在12千年左右，少数上万年或几百年。,三次运动： 第一次（4200a）上盘块体下滑， 产生张裂缝，堆积W1 第二次（2700a）上盘继续下滑， 产生拉张裂缝，将W1拉开，途中 堆积W2 第三次（820a）继续下滑，出现F1 断裂，将W2错断（垂直距离0.6m）周期：一次二次 42

12、00-2700=1500年 二次三次 2700-820=1880年 速度： 二次三次 0.618800.75mm/a,北天山西部喀什河断裂,断层的活动性与否要通过一些标志加以鉴别。鉴别有直接测定活动物质年龄的方法，也可以从有关的地质、地球物理等现象间接判断。 间接鉴别标志有如下几个方面： 一、地质、地貌、水文地质标志 二、历史地震及历史期地物错段标志 三、微地震测量及地形变检测标志 四、地球物理标志,第三节 活断层的鉴别标志,1.地质方面,只要是见到第四系中、晚期的沉积物被错断，均视断层为活断层。如位于汾渭地堑中段的平遥活断层，错断晚更新世中晚期的黄土，以及早中期更新世地层，断距4050m。,

13、1.1最新沉积物被错断,如上图，可看出几期运动： C堆积以前，断层已活动，位移量大； C堆积以后，D堆积以前，断层至少一次运动 （CD的错距不同）； D堆积后，至少一次活动，CD错距不同；,1.2. 断层破碎带构造形迹,活动断层因其形成时间较晚，一般表现为构造带物质欠固结欠胶结状态，较为松散。另外，表现出脉体变形被切断，构造岩片理化，透镜化，断面新鲜无风化，第四系物质牵引弯折等。断层矿物的显微变形出现显微组构（如不等颗粒拉长，光轴微定向等）,1.3.伴有地震现象的活断层，地表出现断层陡坎和地裂缝,如，日本丹那断层带，地震产生很多地裂缝，呈雁形排列,不同地貌单元突然相接，或两边沉积物厚度显著差别

14、 例如，隆起山区与断陷盆地突然相接。一次错动量大的活断层，沿线分布断层三角面、断层崖、陡坎、垭口、“V型谷”等 地貌单元的分解和异常 例如，河流阶地、山脊、水系、娄平面、坡洪积扇等地貌单元由于活断层作用，使其产生错断、分解 活断层作用使正常发育的地貌系统出现异常形态或特殊地貌景观。如断层带一侧，河流的同步肘状拐弯、宽窄变异 断层下降盘一侧线状排列的洪积群、泥石流、滑坡、串珠状洼地等。,2.地貌方面,3.水文地质方面,由于断层带构造物质松散，容易形成强导水带，因而活断层带一线分布泉水、温泉，出现植被发育现象。也由于活断层为深大断裂，深循环水将导致水的化学异常。,二.历史地震及地物错断,我国有长达

15、3000多年的历史地震记载资料，尤其是较近的历史记载，可以帮助判别活断层的存在，可能时据以判断活断层的错距，断裂长度等。 对古代建筑物破坏、错断、掩埋等情况调查，可以帮助判断活断层当时的错距等情况。,三、微震及地形变测量,断层的现代活动，必然导致断层带内产生物理、化学变化，其中如断层气、放射性异常；重力、磁力、地温等物理异常。通过测量分析，可以间接作为活断层的佐证。,自70年代以来，我国地震部门在一些重要地区设置了密集的地震台网，监测微震震中位置用以判别活断层，尤其在一些大型水库、著名的活断层地区布置监测台站，取得了一系列监测资料。它是研究现代地震活断层的最直接有效的方法，但其费时、代价高，不

16、能作为研究活断层的主要工具。 采用精密水准测量和三角测量在可能活动断层两侧进行地形变测量，可以有效地获得断层活动性的有关证据。,四、地球化学及地球物理标志,载波相位差分技术(Real Time Kinematic）RTK技术是建立在实时处理两个测站的载波相位基础上的。载波相位差分原理为，由基准站通过数据链,实时将其载波观测量及站坐标信息一同传送给用户站。用户站接收GPS卫星的载波相位与来自基准站的载波相位，并组成相位差分观测值进行实时处理，能实时提供观测点的三维坐标(毫米级)。,第四节 活断层的调查研究方法,通过有效的调查、分析手段，才能确定断层的活动性证据，进而确定活断层的位置、展布方向、活

17、动特征等. 通常采用的方法包括：现有资料查阅；航卫片解读；区域地质调查；现场勘探；年龄测量；监测等。 活断层研究首先应从较大的地域范围内进行研究，初步确定活断层展布，和位置、长度等，这些可以采用区域地质资料，大范围地质调查，以及航卫片解译的方法进行。调查分析中，要注重区域大的地质构造背景，水系，地形地貌，第四纪沉积物等研究.,对建筑场地内或附近的活断层，要进行更加深入的研究，开展必要的钻探、坑探、物探工作。采用探槽方式揭露断层带，对揭露断层的地层及活动构造变形形迹进行细致考查研究，通常应配合岩土取样进行构造分析及有关地层的年龄测定。良好的露头，可以显示大量有用的信息，得到断层错动次数、错动量、

18、错动周期等有用参数。 年龄测定可以根据情况分别采取断层构造岩、断层带充填物、断层两侧不同时代的地层物质的样品，采用C14、热释光、电子自旋共振等方法进行年龄测定。,1. 建筑物场址一般应避开活动断裂带 2. 线路工程必须跨越活断层时，尽量使其大角度相交，并尽量避开主断层 3. 必须在活断层地区兴建的建筑物，应尽可能地选择相对稳定地块即“安全岛”，尽量将重大建筑物布置在断层的下盘。 4. 在活断层区兴建工程，应采用适当的抗震结构和建筑型式,第五节 活断层区的建筑原则,实例：大亚湾核电站,选在一完整的燕山期花岗岩岩体中，位于南岭纬向构造带与新华夏构造体系第二隆起代的交汇部位。 历史上在核电站周围曾

19、有强震和多震 大鹏半岛上有三条不到10公里的断层 这三条断层均未切割第四系沉积物 该区无切穿地壳的深大断裂，而且场区内从未有过地震记载,据统计，全世界每年大约发生几百万次地震，人们能感觉到的仅占1左右，7级以上的灾害性地震每年多则二十几次，少则三、五次。 我国位于环太平洋和地中海一南亚两个地震带之间，是一个多地震活动的国家。在我国三千多年的历史资料中，记录地震近万次，其中破坏性地震达6000多次；据1200 1989年资料统计，7级地震为 147次，8级及其以上巨大地震共 19次。1966年至今，大地震已达20余次。我国地震分布以西南、西北、华北、东南沿海和台湾省区破坏性地震最多。其中台湾尤甚

20、，大震多，频度高；新疆和西藏次之。,第二部分 地震,1.智利大地震（1960年5月21日）：矩震级9.5级.发生在智利中部海域,并引发海啸及火山爆发.此次地震共导致5000人死亡,200万人无家可归. 2.美国阿拉斯加大地震（1964年3月28日）：矩震级9.2级.此次引发海啸,导致125人死亡,财产损失达3.11亿美元.阿拉斯加州大部分地区、加拿大育空地区及哥伦比亚等地都有强烈震感. 3.印度尼西亚苏门答腊大地震（2004年12月26日）：矩震级9.1级,发生在位于印度尼西亚苏门答腊岛上的亚齐省.地震引发的海啸席卷斯里兰卡、泰国、印度尼西亚及印度等国,导致约30万人失踪或死亡. 4.东日本大

21、地震（2011年3月11日）：矩震级9.0级.震中位于宫城县以东130公里以外的太平洋海域,震源深度20公里.根据日本官方统计（截止4月14日19时）,日本东北部海域发生的强震及其引发的海啸已确认造成14063人死亡,13691人失踪.,一次6级地震可释放61020尔格的能量，大致相当于 3040万吨 TNT炸药的巨大爆炸， 7级地震可释放 2 1022尔格的能量， 8级地震可释放6 1026尔格的能量。可见地震释放能量之大。而且绝大部分能量的集中释放，于数秒种内完成。因此，地震灾害的猝发性和惨重性往往给人类生命以极大威胁，给经济财产以巨大损失。 据美国联邦政府统计，仅二十世纪以来，全世界就有

22、120余万人遇难于地震灾害；五十年代以来，全球破坏性地震造成的经济损失已逾 2 000亿美元。地震灾害是最重要的自然灾害之一。中国的地震灾害又居世界之首。在我国历史记载中，1556年陕西华县地震死亡人口达 80万；1920年宁夏海原地震死亡人数也超过 20万；1976年唐山地震，死亡24万多人。,震源：地壳内部振动的发源地,一、基本概念 1、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,震中：震源在地面上的垂直投影,震源深度：,根据介质断裂特征和构造应力状态分类 单一主震型：均匀介质 主震-余震型 ：均匀介质 唐山，汶川 前震-主震-余震型 ：不均匀介质 东日本大地震9.0

23、级 群震型：极不均匀介质,2.地震波,体波,面波（L）,VpVsVL,瑞利波,勒夫波,3.震级：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。,MLOGA,A：距震中100公里处标准地震仪在地面所记录的最大振幅。（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。,4.地震烈度：是衡量地震所引起的地面震动强烈程度的尺度。,受地震释放的能量大小、震源深度、震中距、震域介质条件的影响。 震源深度和震中距越小，地震烈度越大。 在震源深度和震中距相同的条件下，坚硬基岩场地较松软土场地烈度小。（卓越周期） 岩土类型、地质构造、地形地貌、地下水 P74,（1）地

24、震基本烈度：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）设防烈度（设计烈度）：是抗震设计所采用的烈度。 是根据建筑物的重要性、经济性等的需要，对基本烈度的调整。,二、地震发生的主要条件,1.介质条件 坚硬岩石 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 现代构造运动强烈的部位，应力集中 研究构造应力重要包括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。,三、地震地质的基本特征,1.强震活动受活动构造的控制 2.大陆地震受控与现代构造应力场 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

25、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、第四纪新生盆地业常发生强震。,四、地震效应 定义：在地震作用影响所及的范围内，地表出现的各种震害和破坏。,场地工程地质条件、震级、震中距、震源参数、建筑物类型、结构等因素有关。,（一）振动破坏效应,1.静力法（三个假设）,建筑物受到的水平地震力P为：,铅直地震力P：,其中 ：铅直地震系数， ：最大铅直加速度,一般：,2.动力分析法,考虑地震对建筑物的作用与场地工程地质条件、建筑物结构特点、地震历时等因素。,简化反应谱法,特征周期：由于表层岩土体对不同周期的地震波有选择放大作用，某种岩土体

26、总是选择某种周期的波放大得尤为明显而突出，使地震记录图上的这种波记录得多而好。 地震影响系数：单质点弹性结构在地震作用下的最大加速度与重力加速度比值的统计平均值。,(二）地面破坏效应,不同地质条件下地基失效造成的建筑物破坏,砂土液化：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：P73(重点) 砂土的抗剪强度：,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。,密实度 松砂极易液化，密砂不易液化。（课下思考题）(P75),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

27、积年代较新：结构松散、含水量丰富、地下水位浅,振动液化（ Liquefaction ）,2）饱和砂土的埋藏分布条件,砂层上覆非液化土层愈厚，液化可能性愈小。,地下水位埋深愈大，愈不易液化。,3）地震活动的强度及历时,地震愈强，历时愈长，则愈引起砂土液化，而且波及范围愈广。,3.砂土液化的判别,现场标准贯入试验,其中：N63.5饱和土标贯锤技术实测值 Ncr判别砂土液化的临界锤击数 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 c粘粒百分含量，当c3时，取c 3,判据：NcrN63.5 不液化,六、场地工程地质条件对震害的影响,1.岩土类型及性质,软土硬土，土体基岩,

28、松散沉积物厚度越大，震害越大,土层结构对震害的影响 软弱土层埋藏愈浅、厚度愈大，震害愈大。,2.地质构造 离发震断裂越近，震害越大，上盘尤重于下盘。,3.地形地貌 突出、孤立地形震害较低洼、沟谷平坦地区震害大,4.水文地质条件 地下水埋深越小，震害越大。,七、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。,本章小结,1.相关基本概念 2.活断层的基本特征及其判别 3.地震的相关基本概念 4.砂土液化的机理,谢谢大家！,