工程地质分析原理 (79).pdf

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1、地震的工程地质研究地震的工程地质研究521 521 地震波地震波地震时震源释放的地震时震源释放的应变能以弹性波应变能以弹性波的形式向四面八的形式向四面八方传播，这种弹性波就是方传播，这种弹性波就是地震波地震波。地震波是使建筑物在地震中破坏的原动力、也是研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究地震的最主要的信息和研究地球深部构造的有力工具。具。地震波包括两种在介质内部传播的地震波包括两种在介质内部传播的体波和两种限于体波和两种限于界面附近传播的面波。界面附近传播的面波。5.2 5.2 地震及地震波的基础知识地震及地震波的基础知识引自闫肖武闫肖

2、武,2006P-(压缩压缩)波波S-(剪切剪切)波波注注:S-波不能在液体内传播波不能在液体内传播纵波速度（纵波速度（Vp）和横波速度（）和横波速度（Vs）分别由下式表示：）分别由下式表示：式中：式中：E E、G G分别为介质的弹性模量、泊松比、密度和剪切模量。当分别为介质的弹性模量、泊松比、密度和剪切模量。当=0.22=0.22时：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，故纵波也叫纵波最先到达，故纵波也叫P P波（初波：波（初波：P Primary waverim

3、ary wave），横波依次到达，故叫），横波依次到达，故叫S S波波（次波：（次波：S Secondary waveecondary wave）。用纵横波的差异，解释地震预警的原理）。用纵横波的差异，解释地震预警的原理2111EVpGEVS12（5-1）SpVV67.1（5-2）体波（体波（body wavebody wave）包括纵波和横波）包括纵波和横波纵波：纵波：是由震源传出的压缩波，质点振动与波前进方向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。一致，一疏一密向前推进，它周期短、振幅小。横波：横波：是震源向外传播的剪切波，质点振动方向与波前是震

4、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。切变没有抵抗能力的液体。面波：面波：根据弹性理论，根据弹性理论，面波面波是体波到达地表后激发的次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。生波，限于在地面运动，向地面以下迅速消失。周期短的周期短的P P波，然后才是波，然后才是S S波，波，P P波到与波到与S S波到达之间的时间差（走波到达之间的时间差（走时差），随地震

5、台距震中愈远而愈大，故可用以测定震中距。最时差），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 L波（波（long wavelong wave）典型的地震记录。）典型的地震记录。面波又有两种：面波又有两种：在地面上滚动的在地面上滚动的瑞利波瑞利波（R，Rayleigh Wave），质），质点在平行于波传播方向的垂点在平行于波传播方向的垂（铅）直平面内作椭圆运动。（铅）直平面内作椭圆运动。长轴垂直于地面，它与波的长轴垂直于地面，它与波的辐射有关。辐射有关。在地平面上作蛇形运动的在地平

6、面上作蛇形运动的勒夫波勒夫波（Q，love wave），质点在），质点在水平面垂直于波前进方向作水平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，振动。面波传播速度比体波为慢，瑞利波速（瑞利波速（VP）近似为横波的）近似为横波的波速，波速，勒夫波勒夫波在层状介质界面传在层状介质界面传播，其波速在介于上下两层介质播，其波速在介于上下两层介质横波速度之间。横波速度之间。深源地震面波往往是很微弱的，一般情况下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。通常是由于横波和面波造成的。5.2.2

7、5.2.2 震源机制和震源参数震源机制和震源参数研究多个地震台的地震谱，可以确定地震发生的物理研究多个地震台的地震谱，可以确定地震发生的物理过程或震源物理过程，称为过程或震源物理过程，称为震源机制震源机制（focal focal mechanismmechanism）。）。根据地震记录图，按照弹性变位理论进行复杂计算，根据地震记录图，按照弹性变位理论进行复杂计算，还可还可以求出限定震源物理过程的多个物理量以求出限定震源物理过程的多个物理量，通称为，通称为震源震源参数参数（source parameterssource parameters）。）。5.2.2.15.2.2.1震源机制震源机制地下

8、核爆炸在地面所记录的地下核爆炸在地面所记录的P P波初动都是推波，或第一波初动都是推波，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。向周围介质施加的压力。地震波地震波P P波初动的推拉分布同样能确定震源物理过程。波初动的推拉分布同样能确定震源物理过程。大量研究表明，断层错动的前进方向都会受到压缩，而相大量研究表明，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，于是就呈现如图反的一个方向就受到拉伸，于是就呈现如图5 54 4所示的象所示的象限分布，即这种象限型限分布，即这种象限型初动推拉初动推拉分布

9、是由于震源断层错动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这种物理过程所造成的。所以这样求得的结果称为震源机震源机制断层面解。制断层面解。P P被初动是象限分布的，被初动是象限分布的，S S波的初动分布也是如此（图波的初动分布也是如此（图5 55(b)5(b)）。）。为使震源机制与各种波的初动分布的实际情况相符，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，单力偶震源机制模式必须修正为双力偶模式，两节线上两节线上力偶错动方向相反，一为左旋另一为右旋。力偶错动方向相反，一为左旋另一为右旋。双力偶合成的最大最小主应力分别为压双力偶合

10、成的最大最小主应力分别为压(P)(P)和拉应力和拉应力(T)(T)，在垂直于中间主应力的主平面内，它的作用方向与，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。面。其中之一为产生地震的断层。但究竟二者之中那一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方向和等震线的长轴方向等才

11、能判定 图图5 5一一10(c).10(c).图图5-7 鲜水河断裂带震源机制解与断裂带形变组合关系鲜水河断裂带震源机制解与断裂带形变组合关系5.2.2.2 5.2.2.2 震源参数震源参数以上震源机制讨论是以点源模型为基础的。实际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，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：限定一个震源断层就需要有以下七个物理量，即：(1)(1)断层断层长度长度(L)(L)；(2)(2)断层断层宽度宽度(W)W)；(3)(3)断层断层走向走向；(4)(4)断层断层倾向和倾角倾向

12、和倾角；(5)(5)断层断层错动方向错动方向；(6)(6)断层断层错距错距(D)(D)；(7)(7)断层断层破裂破裂的扩展的扩展速度速度。这些量统称。这些量统称震源参数震源参数。从震。从震源参数、震中距离和场地条件推算地面运动，作为工源参数、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。程设计的依据，是目前国际上发展的方向。鲜水河断裂带的现代左旋走滑运动与局部应力形变场鲜水河断裂带的现代左旋走滑运动与局部应力形变场除上述参数外，地震距（M0）和应力降（）两个值在判断地震断层规模中是两个重要指标。M0=GDS=GD/LD为错动距离；S为断层面面积；G为刚性率（rig

13、idity）或剪切模量；L为断面长度。应力降为伴随地震而产生的应力变化。如断层长度为L=KS 则M0=K S 3/2其中K未常数5.2.3 5.2.3 地震震级和烈度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地震本身的大小和和该建筑区距震中的远近该建筑区距震中的远近，距震中愈远，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，这就是动强烈程度的两个尺度，这就是震级震级(Magnitude(Magnitude，Ms)Ms)和烈度和烈度(inte

14、nsity(intensity，I)I)，它们之间有一定联系，但却是，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。两个不同的尺度，不能混淆起来。5.2.3.1 5.2.3.1 地震震级地震震级地震震级地震震级是指地震的大小，表征是指地震的大小，表征地震强弱的度量地震强弱的度量，是，是由地震所释放出来的由地震所释放出来的能量大小所决定能量大小所决定的。释放出的能量的。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，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。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

15、来确定。释放能量大小可根据地震波记录图的最高振幅来确定。按李希特古登堡的最初定义，按李希特古登堡的最初定义，震级是距震中震级是距震中100km100km的标的标准地震仪准地震仪(周期周期0.8s0.8s，阻尼比，阻尼比0.80.8，放大倍率，放大倍率28002800倍倍)所记所记录的以微米的对数值表示的最大振幅。录的以微米的对数值表示的最大振幅。目前，最基本的震级标度有4种：地方性震级ML、体波震级(Mb和MB)、面波震级MS和矩震级MW。前3种震级是通过测量地震波中的某个频率地震波的幅度来衡量地震的相对大小的一个量。ML是用1秒左右的S波(或Lg)的振幅来量度地震的大小；Mb是用1 秒左右的

16、地震体波振幅来量度地震的大小；MB是用5 秒左右的地震体波振幅来量度地震的大小；MS是用浅源地震的20秒左右的面波振幅量度地震的大小。MW（矩震级）是由基本的物理参数所计算的震级，描述了地震破裂面上滑动量的大小，一般通过波形反演的方法计算。我国规定对公众发布一律使用面波震级MS。四种震级区别：ML：测量范围400km内，震级2-6级。Ms：深度20-180km，震级5-8级,一般具有可比性。MW：适用范围：无限制，震级3.5，科学性。震级无上限。Mb:深度16-100km(一般用于深源震级测量)，震级4-7级。至于换算，只有经验公式：ML=(1.17MB+0.67)/1.13 ML=(MS+1

17、.08)/1.13“面波震级”MS、“近震震级”ML、“体波震级”Mb、“矩震级”Mw 等等。不同的震级标度是不能直接进行对比的。对于浅源大地震，我国习惯使用面波震级，而美国往往较多地使用体波震级或矩震级，在一些新闻报道中，往往不加区别地将它们笼统称之为“震级”或“里氏震级”，这就容易造成混乱烈度：地震时一定地点的地面震动强弱的尺度，是指该烈度：地震时一定地点的地面震动强弱的尺度，是指该地点范围内平均水平而言地点范围内平均水平而言。随震中距的加大，地震引起。随震中距的加大，地震引起的地表震动的强烈程度逐渐减弱。的地表震动的强烈程度逐渐减弱。震动强烈程度的具体尺度表示：震动强烈程度的具体尺度表示

18、：地震所造成的地震所造成的后果轻重后果轻重“宏观标志”（统计）“宏观标志”（统计）；地震时地面运动的地震时地面运动的物理量物理量 位移、加速度位移、加速度(定量定量)。地震烈度的影响因素：地震烈度的影响因素：震级、震源深度及震中距；震级、震源深度及震中距；地震波传播介质的性质（地壳表层地质结构及岩土体地震波传播介质的性质（地壳表层地质结构及岩土体性状）；性状）；建筑场地的地形、地貌特征；建筑场地的地形、地貌特征；设计烈度设计烈度-在工程设计中，通常根据安全和经济需要在工程设计中，通常根据安全和经济需要，将基本烈度调整为“，将基本烈度调整为“设计烈度设计烈度”。”。烈度烈度人的感觉人的感觉一般房

19、屋一般房屋其他现象其他现象参考物理指标参考物理指标大多数房屋震害程大多数房屋震害程度度平均震害指数平均震害指数加速度加速度(水平水平向向)cm/s2速度速度(水平水平向向)cm/s无感无感室内个别静止中的人感觉室内个别静止中的人感觉室内多数静止中的人感觉室内多数静止中的人感觉门、窗轻微作响门、窗轻微作响悬挂物微动悬挂物微动室内多数人感觉。室外少数人感室内多数人感觉。室外少数人感觉。少数人梦中惊醒。觉。少数人梦中惊醒。门、窗作响门、窗作响悬挂物明显摆动，器皿作响悬挂物明显摆动，器皿作响室内普遍感觉。室外数人感觉。室内普遍感觉。室外数人感觉。多数人梦中惊醒。多数人梦中惊醒。门窗、）门窗、）屋顶屋屋

20、顶屋架颤动作响，灰土架颤动作响，灰土掉落，抹灰出现微掉落，抹灰出现微细裂缝细裂缝不稳定器物翻倒不稳定器物翻倒31(22-44)3(2-4)惊慌失措，仓惶逃逃出惊慌失措，仓惶逃逃出损坏损坏-个别砖瓦掉、个别砖瓦掉、落墙体微细裂缝落墙体微细裂缝0-0.1河岸和松土上出现裂缝。河岸和松土上出现裂缝。饱和砂层出现喷砂冒水。地饱和砂层出现喷砂冒水。地面上有的砖烟囱轻度裂缝、面上有的砖烟囱轻度裂缝、掉头掉头63(45-89)6(5-9)大多数人仓皇逃出大多数人仓皇逃出轻度破坏轻度破坏局部破局部破坏、开裂坏、开裂,但不妨碍但不妨碍使用使用0.11-0.30河岸出现坍方。饱和砂层常河岸出现坍方。饱和砂层常见喷

21、砂冒水。松软土著人上见喷砂冒水。松软土著人上地裂缝较多。大多数砖烟囱地裂缝较多。大多数砖烟囱中等破坏中等破坏125(90-177)13(10-18)表5-3中国地震烈度表(1980)(据国家地震局工程力学研究所)摇晃颠簸摇晃颠簸,行走困难行走困难中等破坏中等破坏-结构受结构受损损,需要修理需要修理0.31-0.50干硬土亦有裂缝。大多数砖烟干硬土亦有裂缝。大多数砖烟囱严重破坏囱严重破坏250（178-353）25（19-35）坐立不稳。行动的人可能摔跤坐立不稳。行动的人可能摔跤严重破坏墙体龟严重破坏墙体龟裂，局部倒塌，裂，局部倒塌，复修困难复修困难0.51-0.70干硬土上有许多地方出现裂缝干

22、硬土上有许多地方出现裂缝,基岩上可能出现裂缝。滑波基岩上可能出现裂缝。滑波,坍方常见。砖烟囱出现倒塌坍方常见。砖烟囱出现倒塌骑自行车的人会摔倒。外不稳骑自行车的人会摔倒。外不稳状态的人会摔出几尺远。有抛状态的人会摔出几尺远。有抛起感起感倒塌倒塌-大部倒塌，不大部倒塌，不堪修复堪修复0.71-0.90山崩和地震断裂出现。基岩上山崩和地震断裂出现。基岩上的拱桥破坏，大多数砖烟囱从的拱桥破坏，大多数砖烟囱从根部破坏或倒毁根部破坏或倒毁1000(708-1414)100(72-141)毁灭毁灭0.91-1.00地震断裂延续很长。山崩常见。地震断裂延续很长。山崩常见。基岩上拱桥毁坏基岩上拱桥毁坏地面剧烈

23、变化，山河改观地面剧烈变化，山河改观中国地震烈度表（中国地震烈度表（19801980）使用说用使用说用（）烈度（）烈度VIVI度，判定地震烈度以房屋震害为主，人的感觉仅供参考；度，判定地震烈度以房屋震害为主，人的感觉仅供参考；XX度应结合建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；筑物或构筑物的破坏程度，并根据地表现象来确定；XIXI、XIIXII度的评定，需要专门研究。度的评定，需要专门研究。（）（）“一般房屋一般房屋”在在中国地震烈度表（中国地震烈度表（19801980）中指土构架和土、石砖墙构造的中指土构架和土、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

24、国城市目前一般都已设防，有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，烈度表中的乡村也开始设防，烈度表中的“一般房屋一般房屋”一般已不普遍，调查中应区别设防与不设防的一般已不普遍，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。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。（）（）“人的感觉人的感觉”指平房内或楼房低层内人的感觉。指平房内

25、或楼房低层内人的感觉。（）表中震害指数是对上述（）表中震害指数是对上述“一般房屋一般房屋”而言。而言。“完好完好”为，为，“毁灭毁灭”为，中间为，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。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。（）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。（）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：（）表中数量词的说明：个别：以下；少数：；多数：；大多数：；普遍：以上。；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（）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。，在调查中应结合设防情况进行评估。