第三讲与区域稳定性有关的工程地质问题课件.ppt

1、第三讲与区域稳定性有关的工程地质问题区域稳定性是指在内、外动力作用下，现今一定区域地壳表层的相对稳定程度及其对工程建筑安全的影响程度。因此，区域稳定性与区域地壳稳定性或区域构造稳定性还不是同一概念。区域稳定性包含后者，后者通常不包括区域性外动力地质作用的研究，而只是现代地壳活动性及其对工程建设影响的研究与评价。7/23/20222早在二十世纪50年代初期，前苏联工程地质学家波波夫曾经提出过“区域稳定性”一词。50年代，我国学者刘国昌、谷德振、李四光等结合国家大型工程建设规划论证，在考虑中国区域地质条件多样性和复杂性的基础上，提出区域稳定性在我国工程地质研究中的重要意义，由此开始了区域稳定性研究

2、。他们提出，区域稳定性研究的基本任务是：（1）研究区域工程地质特征；（2）区域稳定性评价；（3）研究区域工程地质改造，并强调对任何重大工程项目都应该研究区域稳定性问题。7/23/20223一、概念一、概念活断层:指目前正在活动着的断层或近期有过活动且不久的将来可能会重新发生活动的断层。建筑物的重要性运营期活动历史第一章 活断层7/23/20224美国原子能委员会（USNRC）：（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1994年岩土工程勘察规范全新地质时期（11.1万年）1989年中国水利水电工程地质勘察规范晚更新世（10万年

3、）7/23/20225黄河小浪底工程坝址区半径30公里内有8条大断裂其中王良断裂在坝下游6.5公里断层发生在Q1Q2期间断层泥热释光法测年龄：15.4-18.3万年，37.4-53.2万年Q2的中后期，Q3以来再未活动过抗震设计：8级9级水平加速度：0.3伽0.215伽，节约至少2亿元TQ1Q27/23/20226二、活断层的危害二、活断层的危害（1）活断层的地面错断直接危害跨越该断层的建筑物例：宁夏石嘴山市红果子沟明代(约400a前)长城边墙水平错开1.45m(右旋)，且西升东降垂直断距约0.9m。7/23/20227西安地裂缝：临潼长安活动断裂带7/23/202287/23/20229（2

4、）伴有地震发生的活断层，强烈的地面振动对较大范围内的建筑物损害2008年5月12日14:28四川汶川发生8.0级大地震.7/23/202210摧毁建筑物7/23/2022117/23/202212ADS40,0.3m,28/05/20087/23/2022137/23/202214ADS40GSD:0.3m15/05/20087/23/2022157/23/2022167/23/2022177/23/2022187/23/2022197/23/2022207/23/2022217/23/2022227/23/202223引发次生地质，破坏基础工程设施交通、电力、通讯、水利等7/23/20222

5、4映秀镇汶川县城7/23/2022257/23/2022267/23/202227毁田毁林、恶化地质环境7/23/202228ADS40,0.3m,28/05/2008堵塞河道形成堰塞湖7/23/2022297/23/2022307/23/2022317/23/202232引发次生地质灾害7/23/2022337/23/2022347/23/2022357/23/202236空坟子滑坡空坟子滑坡杜家台滑坡杜家台滑坡红岩村滑坡红岩村滑坡鼓儿山滑坡鼓儿山滑坡7/23/2022377/23/2022387/23/202239茂县凤仪镇回龙村7/23/2022407/23/2022417/23/202

6、242滑坡多发生于主震期间，目前基本趋于稳定；崩塌(崩滑)持续时间长，分布面积广，目前仍未稳定；泥石流则可能于雨季集中爆发。7/23/2022437/23/2022447/23/2022457/23/2022467/23/2022477/23/202248石岗大坝全长石岗大坝全长700m,台湾台湾1999.9.21地震中被断层切错地震中被断层切错7/23/202249三、活断层的基本特征1、活断层是深大断裂复活的产物深度地震活动盖层断裂切穿沉积盖层，达到基底顶面地震M3基底断裂切穿岩浆岩层，达到玄武岩顶面M6，不形成地震带地壳断裂切穿地壳，达到地幔顶面M6，形成地震带岩石圈断裂切穿岩石圈，达到

7、软流圈M6，形成控制性地震带2、活断层的继承性和反复性7/23/2022503、活断层的类型按照位移方向与水平面的关系：（1）走滑型活断层常分布于大陆内部的地块之间的接触部位（2）逆断型活断层多分布于板块碰撞挤压带上盘分支断层、次级断层较多（3）正断型活断层下降盘分支断层多见，形成地堑式的正断层组合7/23/2022511 12 22 23 31 17/23/2022521 11 13 33 32 22 27/23/2022531 11 13 33 32 22 27/23/202254（1）地震断层（粘滑型活断层）以地震方式产生间歇性突然滑动发生在强度较高的岩石中，断层带锁固能力强，危害大（2

8、）蠕变断层（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4、活断层的活动方式7/23/202255四、活断层的参数1、产状断层面的走向、倾向和倾角遥感判读、宏观地质调查、震源机制断层面解、裂缝、地震特征白 云大 白 寨核 桃 冲胜 利 桥通 海金 山小 寨白 云乃 冲小 街金 鸭 上 村海 马 格里 马 洞1970年通海地震的等震线图 7/23/202256地震时地表断裂带长度和断层最大位移量.一般：震级越大，震源深度越浅，地表断裂越长，断距越大。7.5级以上地震均出现地表错断，而小于5.5级的较少出现.2、长度和断距水 平

9、错 动0.7 0-1.0 0 m北卫生池水 平 错 动1。0 0 1。1 0 m断层汽车路水 平 错 动1.2 5 m裂缝教室垂 直 断 距0.5 0-0.8 0 mABAB粘 土断 层唐山大地震地表断层错动 7/23/2022571976年唐山地震年唐山地震时的长达时的长达8km的的地表错断。它呈地表错断。它呈北北30东方向由东方向由市区通过，最大市区通过，最大水平错距水平错距3m，垂，垂直断距直断距0.7l m，错开了道路、围错开了道路、围墙、房屋、水泥墙、房屋、水泥地面等一切地面地面等一切地面建筑物。建筑物。7/23/2022587/23/202259靠近旧靠近旧金山第金山第六街的六街的

10、布鲁克布鲁克桑姆街桑姆街路面出路面出现了深现了深深的地深的地裂缝并裂缝并有明显有明显的垂直的垂直位错位错海城县析木公社近海城县析木公社近SNSN向和近向和近EWEW向锯齿状地裂缝向锯齿状地裂缝,具有左旋扭具有左旋扭动性质动性质,位移位移36cm36cm7/23/202260东大滩地震鼓包沿走滑断裂线性分布东大滩地震鼓包沿走滑断裂线性分布7/23/2022611 0 0 08 0 06 0 04 0 02 0 01 0 08 06 04 02 01 08642123456789地表断层作用长度（km）圣 费 尔 南 多，1 9 7 1走 向 滑 动北 美 和 全 世 界所 有 的 断（世 界）层

11、 类 型所 有 的 断 层 类 型（北 美）奥 尔 维 尔，1 9 7 5地 震 震 级位 移 类 型 说 明走 向 滑 动正 向 滑 动正 斜 向 滑 动逆 向 滑 动逆 斜 向 滑 动地震震级与地表错断长度的关系 最大地表位移（m）1 0.08.06.04.02.01.00.80.60.40.20.10.0 80.0 60.0 40.0 20.0 13567894圣 费 尔 南 多，1 9 7 1奥 尔 维 尔，1 9 7 5北 美 资 料 界 限全 世 界 历 史资 料 界 限在 这 个 地 区 需 要 建 立关 系 的 另 外 资 料英 皮 里 尔，1 9 6 6地 震 震 级断 层

12、位 移 类 型 说 明走 向 滑 动正 向 滑 动正 斜 向 滑 动逆 向 滑 动逆 斜 向 滑 动地震震级与地表最大位移的关系 7/23/2022623、错动速率现今错动速率：精密地形测量确定平均错动速率：最新沉积物的错动位移与沉积年代之比等级AAABCD错动速率(/a)101100.110.010.10.01活动性很高高中等低非活动性7/23/202263美国美国 圣安德烈斯断层圣安德烈斯断层,错动速率错动速率4-5cm/a7/23/202264Q3Q1D1D3Q1以来的平均错动速率：D1/Q1Q3以来的平均错动速率：D3/Q3Q1Q3期间的平均错动速率：3131QQDD7/23/2022

13、654、错动周期应变能积累的速度：地壳应变速率S地质体能够承受应变能的极限：断层 锁固段的强度d：一次地震的错移量 S：断层的平均错动速率sdRcsdR7/23/2022665、年龄判据直接法：断层物质绝对年龄法C14、热发光法等间接法：错动地层年龄法423QQ413QQ7/23/202267五、活断层的识别地质方面地貌方面水文地质方面历史资料方面地形变监测资料7/23/202268最新沉积物的错断地质方面地质方面 活断层带物质结构松散 伴有地震现象的活断层，地表出现断层陡坎和地裂缝7/23/202269最新沉积物的错断7/23/202270断崖：活断层两侧往往是截然不同的地貌单元直接相接的部

14、位 常表现为：一侧隆起区，一侧凹陷区（1）一系列的水系河谷向同一方向同步移错（2）主干断裂控制主干河道的走向宝成铁路：长609公里，灾害112处 水系：对于走滑型断层 不良地质现象呈线形密集分布地貌方面地貌方面7/23/202271N7/23/2022727/23/202273导水性和透水性较强泉水常沿断裂带呈线状分布，植被发育例：宝鸡潼关有近30处温泉水文地质方面水文地质方面7/23/202274古建筑的错断、地面变形考古地震记载历史资料方面历史资料方面7/23/202275水准测量、三角测量地形变监测方面地形变监测方面7/23/202276六、活断层的研究方法对活断层进行研究，首先调查其展

15、布情况，即活断层的位置、方向、长度等。可根据已有区地质、航磁和重力异常资料，与卫星影象、航空照片对照，进行初步判释，勾划出所有可能对场地有影响的活断层。在卫（航）片判释的基础上，要进行区域性踏勘，进一步验证判释成果。一般是根据发震断层的地质、地貌和水文地质鉴别标志来进行，并作详细研究。对建筑场地内及其附近的活断层要进行详尽的研究。为了确定活断层近期及现今活动的参数，需进行钻探、坑探、物探和绝对年龄测定等工作。对于蠕滑型活断层，可通过跨断层的地面精密水准和精密三角测量、地震测震以及地下洞室中跨断层埋设位移计、激光测距仪等监测，以获取某些活动参数。还是确定活断层最新一次活动的地质年代和绝对年龄，这

16、对对工程建设和活断层危险性评估也至关重要。7/23/202277活断层工程安全性评估（1）通过野外地质地貌调查、探槽与实验室年代测定，根据活动断层鉴定的标准，确定工程场区及区域范围内的断层是否为活动断层，为工程选址避开活动断层提供科学依据。（2）查明活动断层的长度、宽度、运动性质、错动方式、滑动速率、一次错动的位移量与重复特征以及分段性等特征，在此基础上要评价活动断层对工程场地的影响。（3）根据发震断层最大潜在地震及地震发生特征的分析，划分潜在震源区和评价地震活动性参数。通过对工程场地的地震危险性分析，给出场址不同风险概率水平的抗震设防参数，据此进行工程抗震设计，从而保证工程设施在遭遇未来地震

17、时的安全性。（4）根据工程场地的地质条件，结合地震危险性分析结果，进行地震地质灾害评价，评估工程场地遭受上述灾害的可能性及程度，作为工程场地避让潜在地震地质灾害地带或采取相应工程安全措施的依据。7/23/202278七、活断层区的建筑原则 建筑物场址一般应避开活动断裂带 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 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。在活断层区兴建工程，应采用适当的抗震结构和建筑型式7/23/2022797/23/202280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，

18、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，大震多，频度高；新疆和西藏次之。第二章第二章 地震地震7/23/2022817/23/202282一次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

19、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。7/23/202283震源：地壳内部振动的发源地一、

20、基本概念一、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 构造地震 火山地震 人工诱发地震按成因分类震中：震源在地面上的垂直投影 浅源地震：300km震源深度：7/23/2022842.地震波体波：通过地球本体传播的波面波：体波经过反射、折射后，沿地面传播的波体波纵波（P）：压缩波横波（S：剪切波破坏性最大面波（L）瑞利波（R）：质点在XZ面上椭圆滚动前进勒夫波（Q）：质点在XY面上曲线前进VpVsVLpsL(面波)7/23/202285瑞利波瑞利波勒夫波勒夫波z(a)(b)波 的 前 进 方 向基 岩地 层 面yxyzx波 的 前 进 方 向7/23/2022863.震级

21、：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。MLOGAM5 破坏性地震7 强烈地震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。7/23/2022874.烈度：地面震动强烈程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。（1）地震基本烈度：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

22、筑物的重要性、经济性等的需要，对基本烈度的调整。7/23/202288建筑物等级 抗震设防烈度 甲类：特殊要求的后果极为严重（放射性、毒气、大爆炸）特殊抗震、专门研究 乙类：国家重点抗震城市的生命线工程（交通、通讯）基本烈度提高一度 丙类：一般工业民用建筑物 基本烈度 丁类：次要的临时性建筑物 降低一度或不设防 7/23/202289二、地震发生的主要条件二、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。7/23/20229

23、0三、地震地质的基本特征三、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。古浪(1927.8)山丹（1974.7.5）昌马(1932.7.5)海源(1920.8.5)7/23/2022917/23/202292四、地震效应四、地震效应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。振动破

24、坏效应地面破坏效应斜坡破坏效应（一）振动破坏效应地震 地面运动 建筑物振动 建筑物破坏地震波7/23/2022931.静力法建筑物受到的水平地震力P为：cmaxmaxKWagWamPgaKmaxc其中称为水平地震系数PW铅直地震力P：g aWKW Pmaxc其中 ：铅直地震系数，：最大铅直加速度cKmax a一般：c3121cK)(K7/23/202294基础底面上的抗震力为其摩擦力：AcfWF当只考虑水平力，基础底面是水平的时：gaWAcWfPFKmax稳定性系数7/23/2022952.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。反应谱法时程分析法简

25、化反应谱法地震影响系数：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。gammFmax7/23/202296(二）地面破坏效应破裂效应地基效应地震断层地面裂缝沉降砂土液化地基滑移7/23/202297饱 水 砂 土砂 丘厚 度 不 同未 压 密 的 砾 石陡 崖 上、下填 土 崩 坏软 弱 地 基地 基 岩 性 不 同填 土不 透 水 层软硬砾硬不同地质条件下地基失效造成的建筑物破坏 7/23/202298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：砂土的抗剪强度：tg)u(t

26、g)uu(tg)u(tg007/23/2022997/23/20221007/23/20221012.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。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。沉积年代较新：结构松散、含水量丰富、地下水位浅7/23/20221022）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。7/23/20221033.砂土液化的判别现场标准贯入试验cws0cr3)dd(1.09.0NN

27、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30767/23/2022104六、场地工程地质条件对震害的影响六、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 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。7/23/20221052.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

28、害越大。7/23/2022106八、震区抗震原则及措施八、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7/23/2022107（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。7/23/2022108第三章 诱发地震类型（诱发成因分类或人类活动方式）水库地震向地下深部注液或抽液引起的地震采矿诱发地震地下爆炸诱发地震岩溶气冒型地震一、概述一、概述7/

29、23/2022109最早的：1931年希腊马拉松水库诱发地震震级最高的：1967年印度柯依纳水库 M65据世界大坝登记：至1986年，共有29个国家报导了116例水库地震，其中：美国19例，中国18例，印度12例，其中6级以上4例。我国震级最高的：1962年新丰江水库地震 M617/23/2022110新丰江水库位于广东省的河源县，坝高105米，库容149亿立方米，具有发电、防洪和改善航运等效益。历史上地震极少且弱，处于北东向的河源邵武活断裂带上，延伸数百公里，沿线有6级地震的背景，基本烈度建库前定为度。1959年10月关闸蓄水后不久，库区出现了频繁的地震活动。自1960年起，大坝按度标准进行

30、紧急加固，可就在1962年3月19日即加固工程临近竣工的时刻，在大坝附近的双搪一带发生了6.1级地震，震中烈度达到了度。7/23/20221117/23/20221127/23/2022113山西大同煤矿，据不完全统计，在19561980年间，因顶板塌落而产生的有感地震达40多次，最大震级3.4级。7/23/2022114空间分布特征空间分布特征二、水库诱发地震的基本特征二、水库诱发地震的基本特征震中位置震中位置震中主要集中在断层破碎带附近往往密集成条带状或团块状，其延伸方向大体与库区主要断裂线平行或与X型共轭剪切断裂平行常分布于库区岩溶发育部位或断裂构造与岩溶裂隙带的复合部位震源较浅，震源体

31、较小，一般发生在低烈度区震源较浅，震源体较小，一般发生在低烈度区7/23/2022115等震线形状等震线形状构造型水库地震：椭圆形，长轴方向与所在地段的主要构造线或发震断层走向一致或平行发生于新老地层接合部位的水库地震：等震线的长轴方向与新老地层的接合线方向一致岩溶区发生的水库地震：等震线多为不规则的多边形或近似圆形，且与当地发育的岩溶形态一致或基本一致主要与库区构造、岩性条件有关7/23/2022116地震活动与库水位的关系绝大多数水库的地震活动与库水位呈正相关随着水库的蓄水，库区的地震活动逐步增强，且经过高水位之后发生主震。当库水位达到某一特定高程时便突然增高，并随之发生主震。少数水库区的

32、地震活动性随着库水位的增加而明显地降低，呈负相关7/23/2022117地震活动的序列特点1.震型震型物质结构特征外加应力分布类型均匀均布主余某种程度上不均匀非均匀前主余极不均匀很集中群震7/23/20221182.地震频度与震级的关系 Na-bM其中：N震级M的地震数 a与观测周期、观测区大小、地震活动水平有关的常数 b受震源深度、震源均一性、震源应力条件的控制水库地震：b值大于当地同震级的天然地震，b1，前震的b值一般略高于余震。7/23/20221193.主震M0与最大余震M1的震级关系水库地震：M0M11 M1M01天然地震：M0M11.2 (浅源大震)M0M1 与地震区应力状态和介质

33、的不均一性有关7/23/2022120（一）水岩作用机理1。水的物理化学效应降低岩体及结构面强度润滑作用软化作用泥化作用促进岩体断裂的生长楔裂作用应力腐蚀作用7/23/20221212。水的荷载效应水荷载附加应力垂直变形、挠曲变形库基垂直沉陷库基水平位移挤压拉张浅层深层3。水的孔隙水压力效应ctg)u(ctg7/23/2022122（二）不同天然构造应力场条件下水库地震的诱发机制hA水荷载效应：gh11hgwVHwV孔隙水应力效应：Vwhgu7/23/20221231 11 13 33 3正断层蓄水后：水荷载效应H33V11长期蓄水后：孔隙水压力效应3VH3V331V117/23/20221241 13 3走滑型蓄水后：水荷载效应H33H11长期蓄水后：孔隙水压力效应3VH3V331VH1V117/23/2022125