工程地质分析原理_图文


第五章 地震的工程地质研究

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5.1 基本概念及研究意义
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、 地下接爆炸也可诱发地震。 构造地震是现代地壳运动所产生的一种突发 事件,是地球上分布最广、数量最多、危害最为 严重的地震,世界上90%以上的地震和所有的强 烈地震均属构造地震。

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它产生于板块边缘和板块内部的活动构造带,地 壳和上地幔岩石在地球内力作用下,产生构造变 形积蓄应变能,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。

地震前后水平位移监测结果(GPS)

地震前后垂直位移监测结果(GPS)

地震引起大坝破坏(台中石岗)

地震引起埠 丰桥断裂, 河床抬高 8m,形成叠 水 (石岗)

地震引起房屋倒塌(台中石岗)

地震引起桥梁断裂(南投集集镇)

地震引起稻田隆起(台中雾峰)

地震引起操场隆起(台中国小)

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5.2

地震及地震波的基础知识

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5· 1 地震波 2· 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。

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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。 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)和横波速度(Vs), 可分别以下列两式计算:

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5.2.2 震源机制和震源参数
研究多个地震台的地质谱,可以确定出地震 发生的物理过程或 震源物理过程,一般称为震源 机制(local mechanism)。根据地震记录图,按 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 (sourse parameters)。

5.2.2.1 震源机制
地下核爆破在地面所记录的P波初动都是推波, 或第一相位为压缩,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压力。 地震波P波初动的推拉分布同样能确定出震源 物理过程。根据近几十年来的大量研究证实,浅 震源P波初动明显具有限象分布的特点(图5-2)。 这种分布显然不同于震源点膨胀所造成的初动分 布,震源处单向力的作用所产生的初动分布也不 同(图5-3),所以过去多年来一直用单向力偶震源 错动模式(图5-4)来解释。图中GG’和FF’线为两条 节线,是初动分布的转换线,其中之一两侧有力 偶的为震源断层,断层产生错动时,

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对于断层每一盘来说,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仲,于是 就呈现如图5—4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5—5(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才得到公认。

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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,单靠震源机制解是不能断定 的,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[参见图5一10(c)]

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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p;(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,

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5.2.3 地履震级和烈度
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,代号 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。 5.2.3.1 地震震级

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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 能量愈大则震级念大,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。但是由于波动远离震中要衰减,不同 地震仪器的性能不同,记录的波动振幅也不同, 所以必须以标准地震仪和标准震中距的记录为准。 因此,按李希特一古登堡的最初定义,震级是距 震中100km的标推地震仪(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 震

表5—2 中国地震烈度表(1980)
烈 度
一般房屋

考物理指标
平均震 害指数

人的感觉
无感 室内个别静止中的人感觉 室内少数静止中的人感觉 室内多数人感觉,少数人 梦中惊醒 室内普遍感觉,室外多数 人感觉,多数人梦中惊醒 惊慌失措,仓惶逃出

大多数房屋 震害程度

其它现象

加速度/ 速度/ 2) (CM/S2) (CM/S (水平向) (水平向)

I
II III IV V

门、窗轻微作
门窗作响 门窗、屋顶、屋架颤 动作响,灰土掉落,抹 灰出现微细裂缝

悬挂物微动 悬挂物明显摆动,器皿作响 不稳定器翻倒
0~0.10

31
(22~44)

3
(2~4)

VI

损坏——个别砖瓦 掉落、墙体微细裂 缝

河岸和松软土上出现裂缝,饱和砂层 出现喷砂冒水,地面上有的砖烟囱轻 度裂缝、掉头 饱和砂层常见喷砂冒水,松软土上地 裂缝较多,大多数砖烟囱中等破坏 干硬土上变有裂缝,大多数砖囱严重 破坏

63
(45~89)

6
(5~9)

VII VIII

大数多人仓惶逃出

轻度破坏——局部破坏、 0.11~0.30 开裂,但不防碍使用

125
(90~177)

13
(10~18)

摇晃颠簸,行走困难

中等破坏——结构 受损,需要修理

0.31~0.50

250
(178~353)

25
(19~35)

IX
X XI XII

坐立不稳,行动的人可能 摔跤
骑自行车的人会摔倒,处不稳状 态的人会摔出几尺远,有抛起感

严重破坏——墙体龟裂, 0.51~0.70 局部倒塌,修复困难

地方出现裂缝、基岩上可能出现裂缝、 500 (354~707) 滑坡、坍方常见,砖烟囱出现倒塌
山崩和地震断裂出现,基岩上的拱桥 破坏,大多数烟囱从根部破坏 地震断裂延续很长,山崩常见,基岩 上的拱桥 地面剧烈变化,山河改观

25
(19~35)

倒塌——大部倒塌, 0.71~0.90 不堪修复 毁灭
0.91~1.00

1000
(708~1414)

100
(72~141)

《中国地震烈度表(1980)》使用说用 (1)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。 (2)“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。 (3)“人的感觉”指平房内或楼房低层内人的感觉。 (4)表中震害指数是对上述“一般房屋”而言。“完好”为0,“毁灭”为1, 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。 (5)使用本表时可根据地区具体情况,作出临时的补充规定。 (6)烟囱指工业或取暖用的锅炉房烟囱。 (7)表中数量词的说明:个别:10%以下;少数:10%~50%;多数:5 0%~70%;大多数:70%~90%;普遍:90%以上。 (8)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。

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5.3 我国地震地质的基本特征
从震源机制的讨论中已知,地震特别是浅源 地震,其产生多与断层错动有关;从大区域震源 机制的研究可以确定区域构造应力场的情况这一 点也可得出,地震的分布和发生与大地构造密切 相关。所以,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,就是地震地 质工作的基本任务。

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5.3.1 世界范围内的主要地履带及其形成的大 地构造环境 (1)环太平洋地震带 这是世界上最大的地震带,在挟窄条带内震 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滦源地震集中于此带,译 放的能量约为全世界地震释放能量的80%。很早 以前就已经知道,此带的震源深度有自岛孤外线 的深海沟向大陆内部逐步加深的规律,并解释为 大陆与大洋之间的一条倾向大陆的大断裂面(因 5—14)。

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(2)地中海喜马拉雅地震带或欧亚地震带 仅次于环太平洋地震带的第二大地震带,震 中分布较前者为分散,所以带的宽度大且有分支。 以浅源震为主,中源震在帕米尔、喜马达雅有所 分布,深源震主要分布于印尼岛弧。环太平洋地 震借以外的几乎所有汉源、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5— 13)。

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这一地震带远离大陆是多为强震,所以以前未被 人注意,60年代以前不把它作为一个地震带,海 底扩张和板块构造的发展才使人们注意到这一地 震带。这一带的所有地震均产生于岩石圈内,震 源深度小于30 km,震级除少数例外均不超过5级。

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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105度为界。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。

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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;

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(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上,如1966年 邢台地震。 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。

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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 者为主。主压应力仰角小于30度者占80%以上, 且以东经105? 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。

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活跃的岩石圈动力环境

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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 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。 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,也与构造线吻合较好。 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。

5.3.2.5 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。

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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。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

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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、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。 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、

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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。 5.4.1 地震区划、地震危险性分析的原则和方法 1957年编制了中国地震烈度区域划分图,以 烈度作为地震危险性标志。当时评定各地基本烈 度的两条主要原则是:

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(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。 1977年国家地震局又编制和发表了第二代地震区 划图。该图绘制了我国各地未来100年内可能遭受的 最大烈度,称为地震基本烈度(在今后一个时期内 (一般取100年)在一定地点的一般场地条件下可能 遇到的最大烈度)。 编图原则是在总结地震地质背景、地震活动规律 的基础上充分考虑地震活动的时间非平稳性(即平静 期和活跃期之分)和空间非均匀性

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(强震发生于一定构造部位),明确确定某地未 来百年内发生地震的危险性。 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。

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5.4.2 潜在震源区的划分 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。

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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ν。 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。

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5.4.3.2 震级-频度关系式中的b值
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lgN=a-bM

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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(ν) 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-β(M-M0) ? ν =(1/b)10(a-bM)

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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。

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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。

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5.5 场地地震反映及地震小区划
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、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 失以至变位、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。

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萨尔瓦多地震引发泥石流1200多人遇难

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5.5.1.2

强烈地震动

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(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 (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: 短周期的高频振动下,建筑物的上部实际上保 持不动;当地面振动周期和建筑物的自振周期相同是, 产生共振,建筑物顶部位移可能超过地面运动许多倍。

?高层建筑物自由振动周期教长,受到振幅小但周

期相近的地面振动作用即产生共振,共振使建筑 物顶部加速度被放大,使上层的最大位移有时可 达20cm以上,这样大的位移当然会使建筑物遭到 损坏。 在长周期地面振动作用下,顶部的加速度 大于地面的加速度,这个差别和建筑物的变形随 地面振动的周期的增大而减小。 ? (3).持续时间 不同地震持续时间持续时间变化较大,变化 在几秒至数十秒。时间长者破坏性大,短者破坏 性小。

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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 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。

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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0.5-1.1s。

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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。

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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,剪切波速度低,卓越周期就越长。 巨厚冲积层因为不同性质土层叠臵,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。

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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。

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(2)但当地表2-3米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。

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5.5.3 我国的地震小区划及其演进
5.5.3.1 调整烈度小区划 在位于同一个基本烈度区内的场地内,不同 地段水文地质工程地质条件有所不同,据此调整 各地段的烈度使之较基本烈度有所增减,分别得 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。故这种小区划实质上是静力的小区划,50年 代至60年代初期我国试用过。

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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。 ?5.5.3.2 调整反应与小区划 认识到地面震动的频谱特征对建筑物因共振而 破坏的重要作用,自本世纪50年代就兴起了结构抗 震设计的反应谱理论。它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,此时 结构系统的动力反应不仅

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决定于地面运动的最大加速度和频谱特征,还取 决于结构物本身的动力特性,主要是结构的自振 周期(T)和阻尼比(ζ)。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, ζ =1时体系 转变为不发生振动的衰减运动,此时的阻尼称为 临界阻尼, ζ <1则是实际阻尼与临界阻尼之比 值,称为临界阻尼比或简称阻尼比。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

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5.6 地震区划抗震设计原则
5.6· 1 选择场地和地基 选择对抗震设计有利的场地和地基是抗震设 计中最重要的一环。最主要的有: (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。

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(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场地。 (4)避免以加重震害的孤立突出地形作为建筑 场地。 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。

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5· 2 选探适宜的持力层和基础方案 6· 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。例如守屋喜久夫(1977)根据 地震资料和震害之间关系的研究,预测 了日本各大城市基础不同、持力层不同的各类建 筑物的震害情况,从而为防震设计提供持 力层和基础选择方面的对策,其典型实例如图5— 53。

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一般说来,在地震区的松散层上进行建筑,有地 下室的深基础有利;如采用桩基应为支 撑桩而不能用摩擦桩,且桩基不能改变地基土的 类别;高层建筑物以采用达到良好持力层 的管桩基础为宣,有的资料认为圆柱形薄壳基础 能大大提高地基承强力和减少基础变形,对 抗震有利;在易于产生不均匀沉降的地基上以采 用钢筋混疑土条形基础或筏式基础为宜。

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5.6.3

建筑物合理布臵和结构选型

5.6.3.1 工业民用建筑物 1.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。

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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,但在我国目前情况下却应用最为广泛, 对其破坏方式及抗震措施的研究极为重要。与水 平振动力方向平行的砖石承重墙是承担地震力的 主要构件。在地震作用下最早出现的破坏是在下 层墙体出现斜裂缝或交叉裂缝,继而部分式全墙 倒塌引起楼板或屋顶陷落。一般认为斜裂缝或交 叉裂缝属剪裂缝,但仔细观察可以发现裂缝主要 是追踪砌缝产生的,剪断砖石者极为少见,所以 应属受反复

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水平剪切变形产生的次生拉应力所造成的破坏, 且愈是灰缝强度低则震害愈烈。如我国云南龙陵 地震时,有些地区因为砖石结构,灰缝均用石灰 而不用水泥,因而震害特别严重。 所以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例子。底层角柱承受两个 主轴方向的地震荷载,如果强度不足,其破坏的 可能性最大。破坏多产生于柱脚,且往往是混凝 土扭裂或弯裂继之破碎,之后钢筋压弯,最后柱 顶破坏。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。

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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。这些都是整 体性不足的薄弱环节,其侧向刚度很差,地震时 极易发生倾斜,倾斜严重时榫接处会发生拔榫以 致散架落顶,木柱也易从柱脚石上滑落。其抗震 措施主要是加强刚度和整体性。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5—54)。 (2)增加剪刀撑(图5—55)或没柱间支撑或柱 间砌实心墙以保证必要的纵向刚度。

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(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

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上脱落。如预制板搁臵于较薄的内墙式隔墙上, 支承长度更短,受震更易脱落。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臵拉接钢筋。设 臵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,国内外震害调查证明,不设臵 圈梁房屋破坏率比有圈梁者高多倍。

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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,如不可能也应紧贴盖板之 下设臵,此时围梁[或墙)与盖板之间必需锚固。 盖板与盖板之间也必须锚固以增强整体性。

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5· 3.2水工建筑物 6· 1.选择坝型 选择抗震性能良好的坝型是很重要的。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1964—1966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。

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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。

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(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,顶部破折宜取弧形,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。

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