第七章活斷層和地震工程地質(zhì)研究第一節(jié)

概述活斷層和地震是兩種密切相關(guān)的工程動力地質(zhì)作用，在工程地質(zhì)學領(lǐng)域內(nèi)將活斷層和地質(zhì)活動所產(chǎn)生的工程地質(zhì)影響。稱為‘區(qū)域地殼穩(wěn)定性問題’據(jù)活斷層的活動方式和特點分為1）蠕滑斷層（2）粘滑斷層，產(chǎn)生地震（地震斷層）

地震帶與活斷層有關(guān)。1．絕大多數(shù)強震震中分布于活斷層帶內(nèi)。我們知道全球有兩個大的地震帶：環(huán)太平洋帶和地中海一喜馬拉雅帶。兩者釋放的能量占全球地震總能量的95%，而這兩個帶部是活動的板塊邊界大斷層帶。2．世界上著名的破壞性地震所產(chǎn)生的地表新斷層與原來存在的斷層走向一致或完全重合。3．在許多活動斷層上都發(fā)現(xiàn)了古地震（指有儀器記錄以前的地震）及其重復現(xiàn)象。每一發(fā)震斷層上的重復時間從幾百年至上萬年。我國建國以來受災損失最大的唐山地震，在斷層上也發(fā)現(xiàn)了古地震現(xiàn)象。這告訴我們：不僅是現(xiàn)在，而且過去的地震也是沿斷層分布的。4．大多數(shù)強震的極震區(qū)和等震線的延長方向和當?shù)財鄬幼呦蛞恢隆４蟮卣鸬那罢鸷陀嗾鹨惭財鄬泳€性分布。說明：地震帶與活斷層有著成因上的密切聯(lián)系。因此可通過地震帶發(fā)現(xiàn)和研究活動斷層帶，而活動斷層帶的存在和斷層作用又是產(chǎn)生地震和地震常成帶分布的根本原因。第二節(jié)活斷層一、活斷層的概念及研究意義活斷層：是指現(xiàn)今在持續(xù)活動的斷層，或近期曾經(jīng)活動過，極有可能在不遠的將來重新活動的斷層。后一種也可稱為潛在活斷層確定活動地層的時間上限問題有的主張晚更新世以內(nèi)3.5百萬年，有的主張全新新世以內(nèi)。我國規(guī)定潛在活斷層的時間上限，鐵路線為1萬年．高壩和核電站為5萬年。活斷層對工程建筑物的影響表現(xiàn)為兩個方面：1．是活斷層的地面錯斷直接損害跨越該斷層修建的建筑物；有些活斷層錯動時附近伴生的地面變形，也會影響到鄰近建筑物。2．是伴有地震發(fā)生的活斷層，強烈的地面振動對較大范圍內(nèi)建筑物的損害。

總之，建設(shè)時應(yīng)盡量避開活斷層?？拷f金山第六街的布魯克桑姆街路面出現(xiàn)了深深的地裂縫并有明顯的垂直位錯海城縣析木公社近SN向和近EW向鋸齒狀地裂縫,具有左旋扭動性質(zhì),位移36cm二、活斷層的基本特征基本特征主要包括：活斷層的類型與活動方式、活斷層的繼承性與反復性、活斷層的長度與斷距、活斷層的錯動速率與錯動周期，分述如下：（一）活斷層的類型與活動方式1、活斷層的類型及特征：

活斷層類型、特征一覽表

1）走向滑動或平移斷層

最大、最小主應(yīng)力近于水平，所以兩者之間的最大剪應(yīng)力面—斷層面近于直立，其地表出露線平直，表現(xiàn)為極窄的直線形斷崖。主要是斷層面兩側(cè)相對的水平運動，相對的垂直升降很小。河流最易于沿這種斷層發(fā)育，水工建筑物也就最易于受到這種活斷層的威脅。如斷層與壩軸線小角度斜交，由于斷層錯動而造成的心墻拉開寬度可以相當大(圖4－4)。

世界上有名的走向滑動型活斷層有：（1）美國加州的圣安德烈斯斷層系；（2）土耳其安納托利亞斷層系；（3）新西蘭的阿爾卑斯斷層系等。我國的活斷層也以走滑型最多，特別是西南和西北，有些規(guī)模非常巨大：例如阿爾金山斷裂，鮮水河斷裂，紅河斷裂都是我國西部長達數(shù)百到數(shù)千公里的活動著的走滑斷裂。這些斷層的水平錯動往往在地形上留下明顯跡象，尤以對水系的錯動改造最為明顯。2）逆斷層 最大主應(yīng)力近于水平，最小主應(yīng)力近于垂直，走向垂直于最大主應(yīng)力的斷層面與水平面夾角一般小于45o，往往為20－40o。斷層面兩側(cè)的點之間的距離總是由于位移而縮短。上盤除上升外還往往伴以多個分支或次級斷層的錯動(圖4－6)。例如1971年美國圣費爾南多地震時使圣費爾南多斷層(逆斷層)產(chǎn)生逆沖錯動。下降盤無地表變形及破裂，上升盤抬升近2m以上，并有強烈變形，許多小的次級斷層。圖b為探槽Tc10剖面素描圖。G5-G1表示晚更新世晚期暗灰色砂礫石層，S0-全新世暗棕色含礫砂土層，S1-暗棕色重力堆積含礫粉砂土；G7-為地震崩積楔。BDT1-1~BDT1-4為測年樣品編號，7.0ka與8.7ka表示光釋光年齡，揭示較早一期古地震發(fā)生時代為7.0ka。圖例說明：1-土壤層；2-黃褐色粉砂質(zhì)粘土；3-細礫石層；4-粗礫石層；5-地震楔；6-地震斷層。3）正斷層

由于最大主應(yīng)力近于垂直最小主應(yīng)力近于水平，所以，走向垂直于最小主應(yīng)力且與最大主應(yīng)力呈銳角的斷層面與水平面夾角大于45o，一般為60－80o。在錯動過程中，垂直斷面走向的水平方向有所伸長。伴隨這類斷層活動的變形(下沉)和分支斷層錯動，主要集中于下降盤(圖4－7)。與河谷平行斷面傾斜的正斷層，可以使攔河壩產(chǎn)生比其它形式斷層運動更寬的初抬裂縫(圖4－8)。石崗大壩全長700m,臺灣1999.9.21地震中被斷層切錯2、活斷層的活動方式：

活斷層的活動方式基本有兩種：一種是以地震方式產(chǎn)生間歇性地突然滑動，這種斷層稱地震斷層或粘滑型斷層;一種是沿斷層面兩側(cè)巖層連續(xù)緩慢滑動，這種斷層稱蠕變斷層或蠕滑型斷層粘滑型活斷層的圍巖強度高，斷裂帶鎖固能力強，能不斷積累應(yīng)變能，當應(yīng)力達到一定強度極限后產(chǎn)生突然滑動，迅速而強烈地釋放應(yīng)變能，造成地震。所以，沿這種斷層往往有周期性的地震活動。蠕滑型活斷層主要發(fā)育在圍巖強度低，斷裂帶內(nèi)含有軟弱充填物，或孔隙水壓、地溫的高異常帶內(nèi)，斷裂帶鎖固能力弱，不能積累較大的應(yīng)變能，在受力過程中易于發(fā)生持續(xù)而緩慢地滑動。斷層活動一般無地震發(fā)生，有時可伴有小震。（二）活斷層的繼承性與反復性

活斷層往往是繼承老的斷裂活動的歷史而繼續(xù)發(fā)展的，而且現(xiàn)今發(fā)生的地面斷裂破壞的地段過去曾多次反復地發(fā)生過同樣的斷層運動。我國活斷層的分布，主要繼承了中生代和第三紀以來斷裂構(gòu)造格架。在現(xiàn)代地應(yīng)力場的作用下，東部以正斷層和走滑正斷層為主，西部則以走滑和逆沖走滑斷層為主。（三）活斷層是深大斷裂的復活產(chǎn)物活斷層往往是地質(zhì)歷史時期產(chǎn)生的深大斷裂，在挽近期及現(xiàn)代地殼構(gòu)造應(yīng)力條件下重新活動而產(chǎn)生的。深大斷裂指的是切穿巖石圈、地殼或基底的斷裂．其延伸長度達數(shù)十、數(shù)百、甚至數(shù)千公里，切割深度數(shù)公里至百余公里。復活運動的標志是地震活動和地熱流異常等．尤其是那些走滑型活斷層最易伴生強震．形成地震帶。例如，我國川西的安寧河地震帶和則木河地震帶。三、活斷層參數(shù)的定量研究活斷層在時空域內(nèi)運動的參數(shù)有：活斷層的產(chǎn)狀、長度、斷距、錯動速率、錯動周期和活動年齡等,這些參數(shù)反映活斷層的活動強度。是研究地震預報和設(shè)防的資料，區(qū)域地殼穩(wěn)定性的重要依據(jù)。1.產(chǎn)狀走向、傾向、傾角。遙感技術(shù)、宏觀地質(zhì)調(diào)查、等震線等分析判斷。2、活斷層的長度與斷距活斷層的長度和斷距，是表征活斷層規(guī)模、斷層區(qū)修建建筑物時地震預報和設(shè)防的重要數(shù)據(jù)，通常用強震導致的地面破裂（地震斷層或地表錯斷）的長度（L）和伴隨地震產(chǎn)生的一次突然錯斷的最大位移值（D）表示。近年來，我國地震部門也對全國40余條地震地表錯斷進行了研究(如圖1-1)。圖1-1中國地震地表錯斷類型及分布示意圖（據(jù)丁國瑜，1985）1-正斷層;2-逆斷層;3-正走滑斷層;4-共軛斷層;5-逆走滑斷層;6-走滑斷層;7-張破裂;8-性質(zhì)不明斷層;3、活斷層的錯動速率與錯動周期活斷層的錯動速率是反映活斷層活動強弱、斷層所在地區(qū)應(yīng)變速率大小的重要數(shù)據(jù)?；顢鄬拥幕顒臃绞揭哉郴瑸橹?，往往是間斷性產(chǎn)生、突然錯斷，所以錯動速率以一定時間段內(nèi)的平均錯動速率表示。平均錯動速率：最新沉積物的錯動位移與沉積年代之比.斷層的錯動速率愈大，兩次突然錯斷之間的時間間隔也就愈短。地震斷層兩次突然錯斷之間的時間間隔，即活斷層的重復錯動周期。地震斷層的錯動周期主要取決于斷層周圍地殼應(yīng)變速率和鎖固斷斷層面的強度。錯動速率和地震重現(xiàn)周期是長期地震預報的重要數(shù)據(jù)。4、活動斷層的年齡判據(jù)間接法、直接法四、活動斷層的鑒別地質(zhì)、地貌、水文地質(zhì)特征1.地質(zhì)標志：

a．斷層兩側(cè)地層巖性和產(chǎn)狀截然不同，被錯斷，是最本質(zhì)最重要最可靠的標志。注意與滑坡面區(qū)別；b．在強震過程中沿活動性斷裂帶常常出現(xiàn)地裂縫。2.地貌標志：A、兩種截然不同的地貌單元直線相接的部位，其一側(cè)為斷陷區(qū)。而另一側(cè)為隆起區(qū)。（高聳的山地、斷層崖和三角面等）

B、走滑型的活斷層，常使通過它的河流、溝谷方向發(fā)生明顯的變化；山脊、山谷、階地和洪積扇等的錯開

3．水文地質(zhì)特征活動斷裂帶的透水性和導水性較強，因此當?shù)匦?、地貌條件合適時，沿斷裂帶泉水常呈線狀分布，且植被發(fā)育。此外．許多活斷層沿線常有溫泉出露。它們均可作為活斷層的判別標志。五、活斷層區(qū)的建筑原則在活斷層區(qū)進行建筑時，必須在場址選擇與建筑物型式和結(jié)構(gòu)等方面慎重地加以研究，以保障建筑物的安全可靠

1、規(guī)劃選場盡可能避開主斷層帶。尤其是高壩和核電站這類重要的永久性建筑物，失事的后果極為嚴重，更不能在活斷層附近選擇場地。鐵路、橋梁、運河等線性工程必須跨越活斷層時，也應(yīng)盡量使其大角度相交并避開主斷層。2、建筑物類型選擇

證明場地中有活斷層穿過，則應(yīng)選擇在錯動下不致破壞的建筑物型式。在活斷層區(qū)的建筑物應(yīng)采取與之相適宜的建筑型式和結(jié)構(gòu)措施?；顢鄬由闲藿ㄋ畨螘r，不宜采用混凝土重力壩和拱壩，而應(yīng)采用土石壩這類散體堆填壩，而且壩體結(jié)構(gòu)應(yīng)是一種有相當厚無粘性土過渡帶的多種土質(zhì)壩。建于活斷層上的橋梁，也應(yīng)采取相應(yīng)的結(jié)構(gòu)措施

第三節(jié)地震工程地質(zhì)對地震的研究，著重地震波對建筑物的破壞作用，即地震效應(yīng)、地震小區(qū)劃分、地震區(qū)建筑物選址及抗震措施的論證一、地震地質(zhì)及地震波基礎(chǔ)1、地震發(fā)生的地質(zhì)條件介質(zhì)條件（堅硬脆性巖石）、構(gòu)造（深大斷裂帶）2、地震波：體波（縱波P、橫波S）、面波。橫波、面波振幅大，對建筑物造成破壞。3震源機制和震源參數(shù)（1）震源機制（發(fā)生地震的物理過程）可以確定地震斷層的類型、產(chǎn)狀、應(yīng)力狀態(tài)等研究區(qū)域地殼穩(wěn)定分析需要的資料。（2）震源參數(shù)（發(fā)生地震的物理過程的物理量）包括震源斷層的走向、傾向、傾角，斷層兩盤的錯動方位及幅度、斷層長度、應(yīng)力狀態(tài)等確定震源參數(shù)的方法：地震波研究、地質(zhì)調(diào)查（等震線特征）、大地測量等二、地震的震級和烈度一次地震只有一個震級，不同地點烈度不同1、烈度與震源深度及震中距離有關(guān)。2、堅硬基巖場地較松軟土場烈度要小。按防震抗震標準，地震烈度分為基本烈度和設(shè)防烈度兩種我國基本烈度Ⅵ度（包括Ⅵ度）以下地區(qū)，建筑物可以不設(shè)防。三、我國地震帶的分布及地震地質(zhì)的基本特征1.中國地震的活動特點①地震活動分布廣②地震活動頻度高③地震震源深度淺2.地震的空間分布中科院地球物理所劃分為23個地震帶，其中最主要的地震帶有：南北向地震帶、臺灣及中南沿海地震帶、華北地震帶、西藏—滇南地震帶、天山南北地震帶、郯城——廬江地震帶。地震地質(zhì)特點：1、地震活動分布在區(qū)域性深大斷裂帶。頻度高、強度大。2、西部活動強度大于東部（板塊構(gòu)造環(huán)境）。3、斷裂帶的轉(zhuǎn)折部位、端點部位、分支部位（應(yīng)力集中）。4、穩(wěn)定斷塊邊緣深大斷裂帶。5、裂谷型盆地（地塹盆地，盆地內(nèi)部、斷裂盆地，盆地邊緣斷裂帶一側(cè)）。四、地震效應(yīng)地震對地面及地面建筑物的各種破壞稱為地震效應(yīng)。與場地工程地質(zhì)條件、震級大小、震源深度和震中距離、建筑物的結(jié)構(gòu)類型有關(guān)。振動破壞效應(yīng)（靜力法、動力法）參數(shù)：特征周期Tg、影響系數(shù)а見P107表7-4、7-5地面破壞效應(yīng)

振動破壞效應(yīng)

地震力：結(jié)構(gòu)物由于地震而受到的慣性力。①一般來講，建筑物愈高，自振動周期愈長；所以，長周期的地基振動使較高的多層建筑物破壞，而低層建筑物卻無損壞。②距震中愈遠，地面振動的周期愈長，因而常見到距震中較遠處的高層建筑物遭受破壞的現(xiàn)象。③在厚層松散堆積物地區(qū)，由于堆積物對深部基巖傳來的地震起選擇放大作用，使地面振動周期變長，自振動周期較長的高層建筑常因共振而破壞，而自振動周期較短的低層建筑的破壞反而輕微

地面破壞效應(yīng)1.地面破裂效應(yīng)2.斜坡破壞效應(yīng)3.地基變形破壞效應(yīng)（砂土液化）五、場地工程地質(zhì)條件對震害的影響主要表現(xiàn)為巖土類型及性質(zhì)、斷裂、地形地貌及地下水等。1、巖土類型及性質(zhì)：堅硬較松