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1、第四章 区域地壳稳定性主要内容：主要内容：1.1.区域地球动力学环境区域地球动力学环境条件条件2.2.活动断裂工程地质研活动断裂工程地质研究究 3.3.地震工程地质研究地震工程地质研究4.4.诱发地震诱发地震 第一节第一节 区域地球动力学环境条件区域地球动力学环境条件 一、区域稳定性一、区域稳定性一、区域稳定性一、区域稳定性1.1.定义定义:指工程建设区域的现今地壳指工程建设区域的现今地壳,由于天然由于天然或工程因素引起的地应力变化或工程因素引起的地应力变化,主要产生构造主要产生构造,火火山山,地震等活动所造成的具有区域性地壳表层位移地震等活动所造成的具有区域性地壳表层位移和破坏的程度和破坏的
2、程度.2.2.建筑措施建筑措施:(1)(1)区域地壳稳定性分析区域地壳稳定性分析;(2)(2)合理选址合理选址,避开火山避开火山,构造构造,地震等活动强地震等活动强烈地区烈地区;(3)(3)分析构造发育史分析构造发育史,近期构造活动情况近期构造活动情况;3.3.地壳表层位移及破坏地壳表层位移及破坏(1)(1)现代发生发展的地壳升降现代发生发展的地壳升降,翘起翘起,褶皱褶皱,断裂断裂;(2)(2)有区域分布的物理地质作用有区域分布的物理地质作用:如岩崩如岩崩,滑坡滑坡,砂砂土液化土液化,粘土塑硫粘土塑硫,地面不均匀沉降地面不均匀沉降;诱发因素诱发因素:应力平衡被打破应力平衡被打破(地应力变化地应
3、力变化)对工程的影响程度对工程的影响程度:(1)(1)新构造运动在较长地质年代里大范新构造运动在较长地质年代里大范围内进行围内进行,易于避免易于避免;(2)(2)活断层危害严重活断层危害严重;(3)(3)地震将造成灾难性损失地震将造成灾难性损失;(4)(4)产生滑坡产生滑坡,泥石流泥石流;4.4.区域稳定性及边坡稳定性的工程地质研究区域稳定性及边坡稳定性的工程地质研究区域稳定性重点研究抗震和抗断问题，区域稳定性重点研究抗震和抗断问题，关键是找出控制区域稳定性的优势断裂和优势段，关键是找出控制区域稳定性的优势断裂和优势段，在应用显微构造包裹体分析确定隐伏优势断裂和在应用显微构造包裹体分析确定隐伏
4、优势断裂和应用概率分析法评价区域稳定性方面独具特色，应用概率分析法评价区域稳定性方面独具特色，实现了抗震抗断的数值评价。在岩坡破坏机理和实现了抗震抗断的数值评价。在岩坡破坏机理和系统分析和评价可靠度方面也得进行研究系统分析和评价可靠度方面也得进行研究.(1)(1)(1)(1)中国区域地壳稳定性定量化评价与分区中国区域地壳稳定性定量化评价与分区中国区域地壳稳定性定量化评价与分区中国区域地壳稳定性定量化评价与分区 中国地处环太平洋构造带与地中海构造带中国地处环太平洋构造带与地中海构造带交接部位，地质构造复杂，活动性较为强烈，各种交接部位，地质构造复杂，活动性较为强烈，各种内动力地质灾害比较严重，总
5、体看来中国区域地壳内动力地质灾害比较严重，总体看来中国区域地壳稳定性相对较差。为了使区域地壳稳定性评价与分稳定性相对较差。为了使区域地壳稳定性评价与分区获得定量化认识，区获得定量化认识，更好地服务于经济建设和减更好地服务于经济建设和减灾防灾，应着重分析中国现今活动的主要构造体系灾防灾，应着重分析中国现今活动的主要构造体系与内动力地质灾害的分布规律的基础上，首先进行与内动力地质灾害的分布规律的基础上，首先进行区域地壳稳定性定量化评价待评区的划分；其次进区域地壳稳定性定量化评价待评区的划分；其次进行定量化评价指标的选定、取值、权重分配及评价行定量化评价指标的选定、取值、权重分配及评价标准的定；最后
6、运用模糊数学进行中国区域地壳稳标准的定；最后运用模糊数学进行中国区域地壳稳定性定量化评价与分区。定性定量化评价与分区。(2)(2)(2)(2)我国区域地壳稳定性研究的新进展我国区域地壳稳定性研究的新进展我国区域地壳稳定性研究的新进展我国区域地壳稳定性研究的新进展 区域地壳稳定性研究是工程地质学中与地区域地壳稳定性研究是工程地质学中与地质力学和构造地质学关系密切的一个分支学科。质力学和构造地质学关系密切的一个分支学科。近近1010年来，随着国家大型工程建设的高速发展，年来，随着国家大型工程建设的高速发展，区域地壳稳定性研究取得了长足的进步，逐步形区域地壳稳定性研究取得了长足的进步，逐步形成了自己
7、的学科理论成了自己的学科理论区域地壳稳定性工程地区域地壳稳定性工程地质学。质学。我们从两个方面介绍这门学科在基础理论、我们从两个方面介绍这门学科在基础理论、研究思维方法等方面的一些新进展。研究思维方法等方面的一些新进展。(1)(1)学科理论体系的建立和完善。重点论述地学科理论体系的建立和完善。重点论述地壳稳定性分析、主要地质灾害风险估算和地壳稳壳稳定性分析、主要地质灾害风险估算和地壳稳定性评价定性评价3 3个层次的基础理论。个层次的基础理论。(2)(2)研究思路和方法不断更新。主要论述系统研究思路和方法不断更新。主要论述系统的、多层次的研究思路；动态的、发展演化的研的、多层次的研究思路；动态的
8、、发展演化的研究思路和多种方法相互补充验证的研究思路。究思路和多种方法相互补充验证的研究思路。二、区域地球动力环境二、区域地球动力环境二、区域地球动力环境二、区域地球动力环境 区域地球动力环境稳定控制因素区域地球动力环境稳定控制因素:地应力地应力1.1.地球动力学环境地球动力学环境 对工程建设至关重要影响的地应力对工程建设至关重要影响的地应力,地质作用地质作用,地形地貌演化的过程。地形地貌演化的过程。2.2.地球动力学地球动力学 例如例如:选择在区域稳定性条件较好，地质构选择在区域稳定性条件较好，地质构造简单，断裂不发育的地段，桥线方向应与主要造简单，断裂不发育的地段，桥线方向应与主要构造线垂
9、直或大交角通过。构造线垂直或大交角通过。桥墩和桥台尽量不置于断层破碎带和褶皱轴桥墩和桥台尽量不置于断层破碎带和褶皱轴线上，特别在高地震基本烈度区，必须远离活动线上，特别在高地震基本烈度区，必须远离活动断裂和主断裂带。断裂和主断裂带。第二节第二节 活动断裂工程地质研究活动断裂工程地质研究 一、区域地壳稳定性问题一、区域地壳稳定性问题一、区域地壳稳定性问题一、区域地壳稳定性问题 1.1.区域地壳稳定性问题主要有区域地壳稳定性问题主要有:活断层活断层,地震地震具有区域性具有区域性,突发性突发性,大灾难等性质大灾难等性质,并且并且90%90%以上以上的地震是由活断层所引起的的地震是由活断层所引起的.2
10、.2.活断层并一定诱发地震活断层并一定诱发地震,主要分主要分:粘滑地震和粘滑地震和濡滑地震濡滑地震,其中粘滑地震是发震断层其中粘滑地震是发震断层,而濡滑地震而濡滑地震是非发震断层是非发震断层.二、活断层二、活断层二、活断层二、活断层 1.1.活断层定义活断层定义:现今仍在活动的现今仍在活动的;近期曾经活近期曾经活动过的动过的;将来可能会活动的断层将来可能会活动的断层.2.2.对活断层的有关讨论对活断层的有关讨论:(1)(1)近期曾经活动的以及现在活动的没有近期曾经活动的以及现在活动的没有任何意义任何意义;(2)(2)潜在的活动断层潜在的活动断层:对其时间上限有争议对其时间上限有争议;对于曾经活
11、动的断层对于曾经活动的断层,主要有主要有:第四纪以来活动过第四纪以来活动过;晚更新世之内晚更新世之内活动过活动过;是近是近3.53.5万年以万年以来活动过来活动过;全新世以来活全新世以来活动过动过;美国原子能委员会美国原子能委员会:狭义上狭义上,是全新世一万年以内是全新世一万年以内;广义上广义上,能动的断层能动的断层,过去过去3.53.5万年内活动过万年内活动过;过去过去5050万年内反复活动过万年内反复活动过,与与之有联系的断层之有联系的断层;有地震活动记录的断层有地震活动记录的断层;在我国在我国:分铁路分铁路1 1万年内万年内;核电站核电站5 5万年内万年内;3.3.活断层的基本特征活断层
12、的基本特征:(1)(1)深大断裂反复活动的产物深大断裂反复活动的产物;(2)(2)具有继承性具有继承性,反复性反复性;(3)(3)具有两种活动方式具有两种活动方式:a.a.粘滑断层粘滑断层:由突发性滑动完成由突发性滑动完成,滑动迅滑动迅速速;b.b.濡滑断层濡滑断层:由持续性滑动完成由持续性滑动完成,滑动缓慢滑动缓慢;三三三三.活断层研究活断层研究活断层研究活断层研究 1.1.产状产状:考虑走向考虑走向,倾向倾向,倾角倾角;2.2.断层长度断层长度,断距断距:M=3.3+2.1LgL M=3.3+2.1LgL M-M-断层震级断层震级;L-L-相应的最长地面断裂长度相应的最长地面断裂长度(以以
13、kmkm计计););3.3.错动速率和错动周期错动速率和错动周期 a.a.错动速率错动速率:(mm/a):(mm/a)一般是通过重复精密地一般是通过重复精密地形测量和研究第四纪沉积物年代及其错位量而获形测量和研究第四纪沉积物年代及其错位量而获得的得的.重复精密地形测量可以精确得测定活断层不重复精密地形测量可以精确得测定活断层不同地段得现今错动速率同地段得现今错动速率,而第四纪沉积物年代及其而第四纪沉积物年代及其错位量的研究错位量的研究,则只能确定活断层在最新地质时期则只能确定活断层在最新地质时期内的平均错动速率内的平均错动速率.b.b.错动周期错动周期:活断层每两次突然错动的时间间活断层每两次
14、突然错动的时间间隔隔.其主要取决于断层周围地壳应变速率和断层面其主要取决于断层周围地壳应变速率和断层面锁固段的强度锁固段的强度,与地壳应变速率和断层走向长度有与地壳应变速率和断层走向长度有关关.4.4.活断层的年龄判据活断层的年龄判据:其主要判据有错断地层年龄和断层物质绝其主要判据有错断地层年龄和断层物质绝对年龄法对年龄法.a.a.错断地层年龄错断地层年龄:此法适用于错断断层带此法适用于错断断层带及其所在地质体上覆盖第四纪沉积物的条件上及其所在地质体上覆盖第四纪沉积物的条件上;b.b.此法是从断层内采取样品此法是从断层内采取样品,并用专门仪器测并用专门仪器测定样品重某些矿物定样品重某些矿物,岩
15、石岩石,化石的物理化石的物理,化学性质和化学性质和显微结构的变化等显微结构的变化等,用以确定绝对年龄用以确定绝对年龄.如下图所如下图所示：示：5.5.活断层研究举例活断层研究举例:四、活断层鉴别四、活断层鉴别四、活断层鉴别四、活断层鉴别1.1.地质地质,地貌地貌,水文地质特征水文地质特征:a.a.地质特征地质特征:最新沉积物的地层错开最新沉积物的地层错开,是活是活断层最可靠的地质特征断层最可靠的地质特征.一般来说一般来说,只要见到第四只要见到第四纪中晚期的沉积物被错断纪中晚期的沉积物被错断,一般其断裂带由松散的一般其断裂带由松散的破碎物质组成破碎物质组成,滑坡滑坡,新断层中的胶结物较少新断层中
16、的胶结物较少.b.b.地貌特征地貌特征:活断层往往构成两种截然不同活断层往往构成两种截然不同的地貌单元的分界线的地貌单元的分界线,并加强各地貌单元之间的差并加强各地貌单元之间的差异性异性.典型的地形是典型的地形是:一边是断限区一边是断限区,一边是隆起区一边是隆起区,两两者界线孑然分明者界线孑然分明.c.c.水文地质特征水文地质特征:活动断裂带的透水性和导活动断裂带的透水性和导水性较强水性较强,因此当地形因此当地形,地貌条件合适时地貌条件合适时,沿断裂带沿断裂带泉水常呈现状分布泉水常呈现状分布,且植被发育且植被发育.2.2.资料鉴别资料鉴别:历史地震和历史地表错断资料历史地震和历史地表错断资料,
17、记录记录,佐证佐证,考古方法等考古方法等;3.3.仪器测定仪器测定:利用精密仪器进行位移测定利用精密仪器进行位移测定.如如:利用密集的利用密集的地震台网能确切的测定小震震中位置地震台网能确切的测定小震震中位置,并确定活断并确定活断层的存在层的存在.五、活断层的工程地质对策五、活断层的工程地质对策五、活断层的工程地质对策五、活断层的工程地质对策区分老断层区分老断层,活断层和新断层活断层和新断层.1.1.进行区域稳定性研究进行区域稳定性研究,区别老断层区别老断层,活断层活断层和新断层和新断层,并找出优势断裂并找出优势断裂;2.2.选址要慎重选址要慎重;避开活动断裂带避开活动断裂带,主断层主断层,重
18、大建重大建筑物放在下盘为主筑物放在下盘为主;3.3.采取采取,避让避让,大角度相交的措施大角度相交的措施;4.4.建筑物采取结构措施建筑物采取结构措施,对结构进行抗震对结构进行抗震,减震减震方式方式.第三节第三节 地震工程地质研究地震工程地质研究 一、地震的有关概念一、地震的有关概念一、地震的有关概念一、地震的有关概念1.1.地震地震:地壳表层因弹性波传播引起其振动地壳表层因弹性波传播引起其振动作用的现象作用的现象.分类分类:构造地震构造地震;火山地震火山地震;陷落地震陷落地震;还有还有水库地震水库地震;深井注水地震深井注水地震;采矿和核爆炸地震等采矿和核爆炸地震等.2.2.地震研究地震研究:
19、地震研究地震研究-对建筑物的破坏对建筑物的破坏;场地地震效应场地地震效应-砂土液化砂土液化,地震波传地震波传播播;地震小区划地震小区划;地震区选址地震区选址;工程抗震工程抗震;二、地震地质及地震波二、地震地质及地震波二、地震地质及地震波二、地震地质及地震波1.1.发震的地质条件发震的地质条件 (1)(1)呈带状分布呈带状分布:有太平洋板块有太平洋板块;欧亚板块欧亚板块;印印度洋板块度洋板块;美洲板块美洲板块;地中海地中海-喜马拉雅板块喜马拉雅板块;环太环太平洋板块等平洋板块等;(2)(2)发生的必备条件发生的必备条件:a.a.介质条件介质条件:岩性呈脆性岩性呈脆性,硬脆性岩硬脆性岩层层;b.b
20、.结构条件结构条件:构造条件构造条件;如活断层断如活断层断,拐拐,交汇交汇,分支分支,错列点错列点;c.c.构造应力场构造应力场:积累积累;2.2.地震波地震波 (1)(1)地震波地震波:是弹性波是弹性波,破坏的原动力破坏的原动力,是地是地震发生时引起建筑物破坏的原动力震发生时引起建筑物破坏的原动力,由震源发出的由震源发出的弹性波弹性波.分有分有:体波体波:通过地球本体传播的波通过地球本体传播的波;面波面波:由体波产生的次生波由体波产生的次生波,经过反射经过反射,折折射后沿地面传播的波射后沿地面传播的波.3.3.震源机制及震源参数震源机制及震源参数 (1)(1)震源机制震源机制:地震发生时的物
21、理过程地震发生时的物理过程.地震地震台网监测台网监测,解释解释.研究表明研究表明:可由力偶可由力偶,赤平极射投赤平极射投影解释影解释.(2)(2)震源参数震源参数:地震发生时地震发生时,震源处的一些物理震源处的一些物理量来描述震源物理过程量来描述震源物理过程.由断层面的走向由断层面的走向,倾向倾向,倾倾角角,断层两盘的错动方向断层两盘的错动方向,幅度幅度,震源断层长度震源断层长度,震震源主应力状态源主应力状态.(3)(3)震级震级:由地震发生时释放出的能量大小的尺度由地震发生时释放出的能量大小的尺度,能能量大则震级大量大则震级大.a.a.震级震级:M=:M=lgA,AlgA,A-振幅振幅.距离
22、震中距离震中100km100km处地面标准地震仪所记录的以微米处地面标准地震仪所记录的以微米表示的最大振幅的对数值表示的最大振幅的对数值.b.b.在我国在我国,使用的是非标准地震仪使用的是非标准地震仪,近震近震-距离距离 1000km,1000km,1000km,采用面波震级采用面波震级:MS=:MS=lg(Au/T)max+Xlg(Au/T)max+X(*)+C;(*)+C;Au-Au-微米表示的实际地动位移微米表示的实际地动位移;R(*)-;R(*)-起算函数起算函数;T-T-面波周期面波周期;X;X(*)-(*)-面波起算函数面波起算函数;C-;C-站台校正站台校正值值;c.能量和震级:
23、lgE=4.8+1.5M;则M=2/3*lgE-A d.震级上限:震级在理论上是没有上限的,实际上是由于岩体强度有限,目前已经记录的最大震级微9.84级.(4)(4)烈度烈度:衡量地震引起的地面振动强烈程度的尺寸衡量地震引起的地面振动强烈程度的尺寸.于震源分布于震源分布,传播介质传播介质,震源深度震源深度,震中距等有关震中距等有关.烈度表烈度表:但大多数烈度表反映的烈度缺乏定量标准但大多数烈度表反映的烈度缺乏定量标准,以致烈度的评介不够准确以致烈度的评介不够准确;为了使宏观烈度定量化为了使宏观烈度定量化,国内外地震工作者力求用于振动有关的有个物理国内外地震工作者力求用于振动有关的有个物理量来划
24、分烈度量来划分烈度.在地震烈度六度以上必须进行抗震在地震烈度六度以上必须进行抗震设计设计.基本烈度基本烈度:在今后一定时间内在今后一定时间内(100(100年年)和一定地区和一定地区范围内一般场地条件下可能遭遇的最大烈度范围内一般场地条件下可能遭遇的最大烈度.作为作为工程抗震设计的一般依据工程抗震设计的一般依据.设防烈度设防烈度:使抗震设计采用的烈度使抗震设计采用的烈度.对于一般建筑对于一般建筑物采用基本烈度物采用基本烈度;中大建筑物应提高烈度级别中大建筑物应提高烈度级别;六六级以上必须进行抗震设计级以上必须进行抗震设计.4.4.地震带分布及地震地质基本特征地震带分布及地震地质基本特征:(1)
25、(1)基本分布规律基本分布规律:板块接缝和板内地震板块接缝和板内地震;(2)(2)我国有我国有2323个地震带个地震带;(3)5(3)5点基本特征点基本特征:a.a.强震活动发生在区域地震带内强震活动发生在区域地震带内;受构造活动影响受构造活动影响;b.b.我国大陆地区地震受控于现代我国大陆地区地震受控于现代构造应力场特征构造应力场特征;c.c.强震活动经常在断裂带应力集强震活动经常在断裂带应力集中的特定地段上中的特定地段上;d.d.绝大多数强震发生在一些稳定绝大多数强震发生在一些稳定断块边缘的深大断裂上断块边缘的深大断裂上,而稳定断快内部很少活基而稳定断快内部很少活基本没有强震分布本没有强震
26、分布;e.e.裂谷断陷盆地控制了强震发生裂谷断陷盆地控制了强震发生;5.5.地震工程分析地震工程分析 (1)(1)振动破坏效应振动破坏效应 a.a.静力分析静力分析:建筑物刚性建筑物刚性,地震力不变地震力不变,加速度各处不相等加速度各处不相等;M,P.M,P.水平状态水平状态:P=M*a0max=w*:P=M*a0max=w*KcKc;垂直状态垂直状态:P=M*a0max=w*:P=M*a0max=w*KcKc;其中其中:KcKc=a0max/g;=a0max/g;KcKc=a0max/g;=a0max/g;一般建筑物的竖向安全系数储备较大一般建筑物的竖向安全系数储备较大,能能承受附加的垂直地
27、震荷载承受附加的垂直地震荷载,可以不考虑铅直地震荷可以不考虑铅直地震荷载的影响载的影响.b.b.动力分析法动力分析法:采用反映谱法采用反映谱法,假定建筑物结构微单假定建筑物结构微单质点系的弹性体质点系的弹性体,作用于其基底的地震运动为简谐作用于其基底的地震运动为简谐运动运动.主要参数有主要参数有:卓越周期和动力系数卓越周期和动力系数 卓越周期卓越周期:震源发出地震波传到地表岩土体震源发出地震波传到地表岩土体,迫使其振动迫使其振动,由于表层岩土体对不同周期的地震波由于表层岩土体对不同周期的地震波有选择放大作用有选择放大作用,某种岩土体总是以某种周期的弹某种岩土体总是以某种周期的弹性波选择放大由为
28、明显和突出性波选择放大由为明显和突出,使地震记录图上的使地震记录图上的这种波记录得多而好这种波记录得多而好,也为特征周期也为特征周期.动力系数动力系数:q=a(max)/a0(max);:q=a(max)/a0(max);(2)地面振动效应 a.砂土液化:破坏地基基础及地面建筑物；b.破裂效应:产生地裂缝;6.6.场地工程地质条件对震害的影响场地工程地质条件对震害的影响 (1)(1)岩土体性质岩土体性质:岩土体得软硬程度岩土体得软硬程度,松软松软土的厚度土的厚度,地层结构地层结构;相同的地震力作用下相同的地震力作用下,基岩上的震基岩上的震害最轻害最轻,其次为硬土其次为硬土,而软土是最重的而软土
29、是最重的;松软土的厚度必须考虑特征周期的松软土的厚度必须考虑特征周期的作用作用;(2)(2)断裂断裂:区分为发震断裂和非发震断裂区分为发震断裂和非发震断裂;(3)(3)地形地貌地形地貌:孤立突出的地形震害加重孤立突出的地形震害加重,而而低洼平坦的地形震害减轻低洼平坦的地形震害减轻;(4)(4)地下水地下水:地下水埋深越浅地下水埋深越浅,震害越大震害越大,埋深埋深越深越深,则震害影响越不明显。则震害影响越不明显。7.抗震结构设计原则及措施(1)选址:震害估计正确,提出措施得力;选择抗御有力的地段;(2)持力层及基础方案选择:坚硬土层,岩层,采用桩基础,提出地基的加固措施;(3)采取有利的结构形式
30、和抗震措施:平、立面简洁,设置抗震缝,加大结构体的刚度,降低其重心.第四节第四节 诱发地震诱发地震 一、概念一、概念一、概念一、概念诱发地震诱发地震:为人类工程活动为人类工程活动,经济活动所引起经济活动所引起而导致的地震活动而导致的地震活动.二、基本特征二、基本特征二、基本特征二、基本特征 1.1.空间范围小空间范围小,影响仅局限于局部范围影响仅局限于局部范围;2.2.与人类的工程经济活动等有关与人类的工程经济活动等有关;3.3.由序列特征由序列特征:存在主地震和余地震等存在主地震和余地震等;4.4.掌握地震发生的机制掌握地震发生的机制,可以防范可以防范;5.5.采用的治理方法采用的治理方法:创新创新;