工程地质分析原理论文 场地地质条件对地震震害效应的影响分析

研究生课程考核试卷

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科 目： 工程地质分析原理 教 师： 姓 名： 学 号：

专 业： 建筑与土木工程 类 别： 专业 上课时间：

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重庆大学研究生院制

场地地质条件对地震震害效应的影响分析

姓名：田麒琳 学号：

摘 要：本文通过对地质条件的分类陈述，以及相关文献资料的综述，阐明了场地地质条件对地震震害的影响，介绍了在抗震设计中如何考虑地震场地影响的途径。综述相关文献对地震动参数的影响的研究分析，诸如相关的经验系数和经验公式等。最后得出了选址和灾害防治的相关对策和建议。 关键词：场地地质条件 地震震害 地震动参数

1.绪 论

地震是各种自然灾害之元凶。我国位于环太平洋地震带与地中海-喜马拉雅地震带的中间区域，西部与西南部则处于地中海-喜马拉雅地震带所经过的地段，地壳构造运动强烈，地震活动频繁，是世界上地震灾害最为严重的国家之一。我国几乎所有的省、自治区和直辖市，在历史上都遭受过6级或者6级以上地震的袭击。地震给人们带来巨大灾害和财产损失，人员伤亡。因此，许多国家对地震预报都给予了很大的重视。但是，人们也注意到，即使是成功地预报地震，地震灾害仍然会发生，若对建筑物进行有效的抗震设防，就能抗御地震的袭击，避免在大地震时，出现结构毁坏，从而减轻地震灾害并大大减少人员伤亡。国内外地震现场调查表明，场地条件对震害有着十分明显的影响，要使工程建设真正达到减轻地震灾害之目的，选择有利的建筑场地，乃是一项根本性的减灾措施。从目前的资料来看,较早开展场地条件对震害影响研究的学者是美国人Wood。他对1906年美国旧金山大地震震中区附近的震害做了详细现场调查[1] 1.1 国内研究现状

60年代周锡元对这一领域的工作作了较全面的总结。文献[2]是相对早期的系统阐述场地条件与地震的文章。在对已发生的震区作调查时，使用“烈度”这个概念尽管比较方便，可是在研究场地条件对震害的影响时，只考虑“烈度”这个笼统的概念是不够的，因为这里更重要的还在于弄清场地对震害影响的原因。此文献阐述了影响建筑物震害的场地因素主要是局部地形特征、地质构造、地基土性质、地下水埋深等几方面,这些场地条件常常是造成震害显著差异的重要因素。

80年代,胡聿贤等结合唐山地震和通海地震的调查,对这方面的工作也作了系统的总结文献[3]指出多次强烈地震的经验指出，地震时出现的震害异常，往往是由于建筑场地条件的差异造成的。以1976年唐山地震，天津市遭受到相当大的破坏中出现的许多“轻中有重,重中有轻”的震害异常现象:如天津市南郊区的“西三合一前三合”及白塘口等地区的震害异常,为典型例子。探索造成震害异常的原因,研究场地条件与震害的关系,并在这二个地区进行了钻探,波速测定,脉动测量和地震动的计算分析,初步总结了综合研究场地影响的途经和方法。

文献[4]根据实地考察资料总结了各种场地条件下的震害与地震动的影响。场地条件对震害和地震动的影响是很大的，这是国际上几十年来公认的事实。但是，对于许多重要问题，意见还不一致，有时甚至截然相反。所以该文中通过相关勘察资料总结了五个场地条件特性（1）基岩上的地震动幅值小、持时短、震害轻；（2）地基对地震动频谱形状有明显影响，软而厚的地基上地震动周期较

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长；（3）非发、震断层对震害无明显影响；（4）局部地形对震害的影显著；（5）砂土液化与震害有明显关系。

到了本世纪以后，相关研究变得多了，主要集中在各种地质条件下地质物理特性、力学指标和对地震动参数的影响影响方面。

文献[5]通过美国强震记录，按照中国场地类别划分方法进行场地分类，研究不同类别场地条件对地震动持时的影响（70％能量持时）。分析表明，场地条件对持时的影响非常大，总体来说，随着震级的增大持时变长，在同一震级时，各类场地随震中距的的变化趋势差别较大，并且竖直向与水平向的变化趋势很相近。

文献[6]介绍了我国现行抗震设计规范中场地类别的划分方法、场地对地震动参数值的规定和存在的问题。现在国内外都已认识到场地条件对地震动的影响很大,在地震动幅值(如峰值加速度)和频谱特性(如反应谱特征周期)的变化上均有体现,而我国现行抗震设计规范没有考虑不同场地条件下地震动峰值加速度和加速度反应谱平台值的变化。所以该文献详细分析了土层结构、覆盖层厚度等场地条件对地震动峰值加速度和反应谱的影响,以及已经取得的研究成果。最后,就场地分类、影响地震动参数的场地条件、地震动参数随场地条件调整的方法等,并提出了有待进一步研究的问题。 文献[7]通过43个工程场地地震安全性评价案例的统计分析,讨论了不同场地条件对峰值加速度的影响,其结论可以为地震区划、工程结构抗震中不同场地条件下峰值加速度的取值提供依据. 2008年，我国发生了特大地震“汶川地震”。这场地震带给工程界许多启示与教训。文献[8]扼要介绍了地震的基本知识,重点介绍了龙门山的地质构造,分析了为什么该地质构造会引起地震多发和严重震害的原因,最后,提出了灾后重建的对策建议。在重庆召开的第八届全国地震工程学术会议论集中，文献[9]依托汶川地震甘肃省陇南市的典型震害异常点.运用地脉动观M.l调查了其局部场地条件.并通过在该区布设的地形调查流动强震动观测台阵，获取了同一山体不同高程的余震加速度记录，分析了该地区局部场地条件时地震动放大效应的影响。研究发现，地形起伏对于观测点的峰值加速度及地脉动增幅特征影响明显，山顶的加速度峰值较相同地质条件的山脚的观测值大1.5倍左右。同一山体底部的H/V有多个峰值，测试土层的横波速度差小，每个峰值都不十分显著，而位于山顶和山腰的H/V均有明显的峰值，且增幅响应显著。强震动和地脉动观浏结果与实际震害吻合较好，证实了场地的地形和高差是影响震害的重要因素。

文献[10]利用山东地区实测的Ⅱ类场地358个钻孔和Ⅲ类场地140个钻孔的地震动峰值加速度，计算了各个钻孔不同超越概率的土层地震动峰值加速度的放大系数ks，结果表明:(1)同类场地土层放大系数ks值总体符合正态分布，既有相对集中性，也有离散性;(2)随着基岩面输入地震动强度的增大，ks值降低，且Ⅲ类场地ks值降低较Ⅱ类的更为明显;(3)Ⅱ类场地随着基岩输入面埋深的增加，ks值呈增加趋势，约达20m深后基本趋于稳定，而Ⅲ类场地基岩输入面埋深的增加对ks值的影响不甚显著;(4)Ⅱ类场地50年超越概率10%的平均ks值(1.47)略高于《中国地震动参数区划图》使用的全国平均ks值。本文尝试讨论了山东地区Ⅱ、Ⅲ类场地不同强度基岩峰值加速度输入的k调整值。

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1.2 研究的内容及方法 1）研究内容

以各类型的场地地质条件为分析对象，阐述什么是场地地质条件，地震震害的影响包括哪些内容，在生活中的实例有哪些。通过对场地地质条件对地震震害的影响的阐述，总结在抗震设计中考虑地震场地影响的途径。并对这些方法分析过程和计算结果作简略的介绍。 2）研究方法

围绕这些问题，本文首先收集国内对场地地质条件对地震震害影响的重要论文，然后根据文献资料总结场地地震效应的四种类型，从而分析提出考虑在四类不同地质条件对场地地震震害的影响。最后通过对地震动影响的分析，探究在抗震设计中对场地震害的影响。

3） 论文结构图

本文论为了能够尽可能的层次分明的阐述所研究的内容。故讲该论文分为以下5个章节来进行阐述。其结构如下图（图1）所示。

绪论及国内研究动态 ①地震场地振动效应地 ②震场地破裂效应 ③地震地基效应 ④地震斜坡破坏效应 ①场地地形地貌条件②场地地质构造条件③场地土质条件条件④场地覆盖层条件⑤场地含水条件 地震场地效应 地质件对地震震害的影响 抗震设计考虑场地影响的途径

结论及建议 图1 结构流程图

2 地震场地效应与震害

地震（earthquake）又称地动、地振动，是地壳快速释放能量过程中造成振动，期间会产生地震波的一种自然现象。

地震波是指从震源产生向四外辐射的弹性波。地球内部存在着地震波速度突变的基干界面、莫

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霍面和古登堡面，将地球内部分为地壳、地幔和地核三个圈层。地震波按传播方式分为三种类型：纵波、横波和面波。纵波是推进波，地壳中传播速度为5．5~7千米/秒，最先到达震中，又称P波，它使地面发生上下振动，破坏性较弱。横波是剪切波：在地壳中的传播速度为3.2～4.0千米/秒，第二个到达震中，又称S波，它使地面发生前后、左右抖动，破坏性较强。面波又称L波，是由纵波与横波在地表相遇后激发产生的混合波。其波长大、振幅强，只能沿地表面传播，是造成建筑物强烈破坏的主要因素。

震源机制（earthquake mechanism）是指震源区在地震发生时的力学过程。利用这种方法，对世界上不少大地震作出了比较合理的解释。采用断层错动的点源双力偶发震构 哈佛大学震源机制图解研究震源机制，对于由前震报主震，或由主震资料预报强余震的分布，以及由地震资料研究构造带的应力分布状况，都是很有意义的。

地震参数（earthqurake parameter）又称震源参数，是根据地震资料分析对地震震源特征的定量表述。包括地震基本参数（如震中经纬度、震源深度、发震时刻、地震震级或地震能量）、地震机制解和震源动力学参数等。

地震震级是根据地震仪记录的地震波振幅来测定的，一般采用里氏震级标准。震级（M）是据震中100KM处的标准地震仪（周期0.8s，衰减常数约等于1，放大倍率2800倍）所记录的地震波最大振幅值的对数来表示的。

地震烈度是表示地面及房屋等建筑物遭受地震影响破坏的程度。 同一地震发生后，不同地区受地震影响的破坏程度不同，地震烈度也不同。判断烈度的大小，是根据人的感觉、家具及物品振动情况、房屋及建筑物受破坏的程度，以及地面出现的破坏现象等

地震烈度同地震震级有严格的区别，不可互相混淆 烈度。震级代表地震本身的大小强弱，它由震源发出的地震波能量来决定，对于同一次地震只应有一个数值。烈度在同一次地震中是因地而异的，它受着当地各种自然和人为条件的影响。对震级相同的地震来说，如果震源越浅，震中距越短，则烈度一般就越高。同样，当地的地质构造是否稳定，土壤结构是否坚实，房屋和其他构筑物是否坚固耐震，对于当地的烈度高或低有着直接的关系。 2.1 地震场地振动效应

大地振动是地震最直地震发生时，最基本的现象是地面的连续振动，主要特征是明显的晃动。极震区的人在感到大的晃动之前，有时首先感到上下跳动。这是因为地震波从地内向地面传来，纵波首先到达的缘故。横波接着产生大振幅的水平方向的晃动，是造成地震灾害的主要原因。 2.1.1 地震震动效应与震害

众所周知，地震动是由于地震波在传播过程中，使地壳岩体的质点产生加速度引起的。在同一地区的相同环境下，地震规模越大，震中越近，地震作用便越大，即地震作用越强，因此产生的破坏也越剧烈。若强烈的地震地面加速度运动引起的建筑结构地震反应所产生的惯性力大大超过了它的允许值，建筑物出现的结构变现会一再加剧而最终遭到破坏。显然这种场地效应，乃是造成地震灾害的主要原因。

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1960年智利大地震时，最大的晃动持续了3分钟。地震造成的灾害首先是破坏房屋和建筑物，如1976年中国河北唐山地震中，70%～80%的建筑物倒塌，人员伤亡惨重。

阪神大地震发生于1995年1月17日当地时间早晨5时46分震中位于日本兵库县南部淡路岛,震源深度16公里，震级7.2级(2001年日本气象厅修正为7.3级),最大烈度7度（日本地震烈度表中的最高烈度)。阪神大地震是一个直接发生在现代化大都市下方的大地震,震源又浅,即为所谓的“都市直下型地震”。它不可避免地要造成城市建筑、构筑物的大量倒塌毁坏和人员伤亡，并进一步引发火灾等次生灾害。城市交通、通讯、供电、气、水等生命线工程的破坏造成城市功能的丧失或瘫痪，生产、金融、商业等活动的停滞引起灾害的连锁放大反应。地震共造成6434人死亡，10683人重伤。

台湾9·21大地震，是20世纪末期台湾最大的地震，发生时间为1999年9月21日凌晨1:47:12.6，震中在北纬23.87度、东经120.78度，也就是位于台湾南投县集集镇，车笼埔断层上面。规模高达里氏7.3级。震源深度8千米，里氏震级达7.6，美国地质调查局测得地震矩震级定为7.6。此次地震是因车笼埔断层的错动，并在地表造成长达105千米的破裂带。全岛均感受到严重摇晃。共持续102秒，常见称呼为九二一大地震或集集大地震。 2.1.2 地震共振效应与震害

场地有自己的自振周期，称为场地的卓越征周期。覆盖层硬而薄时卓越周期短，为0.1～0.2s，覆盖层松而厚时卓越周期长，可达0.8～1.0s或更长。如果建筑物的自振周期与土的卓越周期相近，两者就发生共振，使震害大为加重。这种因为建筑物的结构自振周期（或频率）与场地土的卓越周期（或频率）相接近或者一致，两者发生共振响应，从而使振动，振幅和振动持续时间大大增加，同时也大大增加建筑物结构的地震反应，最终导致建筑物结构因承受过大的荷载而遭严重破坏的现象，称为建筑场地地震共振效应。

场地卓越周期测试表明，场地土层犹如一个物理滤波器 ，对不同方向传来的入射波具有滤波性能。场地软弱土层（剪切波速较低）对高频信号有滤波性能，对低频信号起放大作用；与此相反，场地坚硬的土层（剪切波速较高）对低频信号有滤波性能，对高频信号起放大作用。因此，场地地基土的刚度与厚度不同，起滤波选频与共振放大作用也不同：薄层坚硬场地土的地震动以短期周期为主，而厚层软弱场地土的地震动以长周期为主。这就是卓越周期较长的深厚层软弱地基土地基上，柔性结构物（如高耸结构物）的地震反应比较强烈，震害比较严重；而卓越周期较短的浅薄层坚硬土地基上的，刚性结构物的震害比较严重的原因。

墨西哥城1985年9月19日遭到的地震是共振效应的极好说明：地震波达到墨西哥市下的岩盘时其加速度只有0.04g，若按一般的覆盖层放大情况，即使达到0.2g，建筑物的破坏也不致太大，但不幸的是地震波、建筑物与黏土层三者恰好都具有相同的自振周期(T=2s)，因而发生“共振”，使建筑物的水平加速度达到惊人的l～1.2g，造成500栋高层建筑的严重破坏或倒塌。 2.1.3 地震盆地效应与震害

在盆地地形中，一般都堆积着较深厚的松软土层，一旦遭遇地震，即使远离震中，都会在盆地内

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产生强烈的地震地面运动和地基效应，从而使得盆地的震害比其它周边地区的震害明显加重。这种现像就称为地震盆地效应。产生地震盆地效应的主要原因；①盆地地形的聚波影响；②盆地深厚土层的放大与共振影响；③盆地软弱土层的土质影

以汶川地震在四川盆地产生的震害为例。四川盆地可明显分为边缘山地和盆地底部两大部分, 边缘山地多为中山和低山, 从下而上一般具有2～5 个垂直自然分带。盆地底部多为丘陵、低山和平原。盆地底部又可分为成都平原、川中丘陵和川东平行岭谷3 部分, 以龙泉山和华蓥山为界。四川盆地地貌见图2

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图2 四川盆地地貌图

根据所在地理位置的不同, 将受灾城市分为3类: 盆地内部( 成都) , 盆地边缘( 都江堰、绵竹、江油、什邡) , 盆地外部( 北川) 。

A. 盆地内部：

① 震害情况: 盆地内部主要考察了成都市, 其位于成都平原中部, 即四川盆地西部。震害很轻, 基本上没有受到地震的太大影响, 房屋普遍保持完好。

② 原因分析: 地震波在平原地区随距离衰减的传播过程中, 高频部分被大部分滤掉了, 这样就大大消减了对低层建筑的破坏作用, 而近场场地长周期成分较小, 没有危及中高层建筑。

B. 盆地边缘

① 震害情况: 主要考察了都江堰、绵竹、江油和什邡等地。都江堰市地处四川省东南, 距成都市48 km, 位于成都平原西北边缘, 地跨川西龙门山地带和成都平原岷江冲积扇扇顶部位。属于重灾区, 房屋开裂以及倒塌比较多。绵竹市位于四川盆地西北部。属于重灾区, 汉旺尤其严重, 房屋倒塌以及开裂非常多, 靠近山脚下的房屋几乎都成了废墟。江油位于四川盆地西北部, 龙门山脉东南。什邡位于德阳市西南部、成都市西北部之间。这2 个地区受灾程度比上2 个地区轻一些, 房屋开裂以及倒塌不多

② 原因分析: 盆地边缘对地震有放大作用。地震波在传递过程中, 遇到山体受阻挡, 一部分波会反弹回来与后续到的波进行交汇叠加, 增强了地震的破坏。

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C. 盆地外部

① 震害情况: 北川的陈家坝位于大山之间, 村落散布于山间或山脚, 少数位于山腰处。属于重灾区, 房屋倒塌情况很严重, 山体滑坡、泥石流也比较普遍。

② 原因分析: 地震波在大山间传播的过程中,由于波的反弹交汇叠加, 增强了地震的破坏作用 D. 分析结论

通过对震区的考察分析, 得到以下结论:

① 在汶川地震中, 盆地效应比较明显, 盆地边缘震害严重, 盆地中部震害较轻。

② 山区的震害比平原的严重, 尤其是2 个距离比较近的山体之间的地区, 除了地震灾害之外, 滑坡、泥石流等次生灾害也很严重。 2.2 地震场地破裂效应

强烈地震常会引发地表岩层直接产生地裂缝和位错或地表发生变形，并在一定的范围内出现地震断层地表破裂带，从而导致坐落在地裂缝带和地震断层带上及其附近的建筑发生结构变形和破坏的现象，称为地震地面破裂效应。

地裂缝是地表岩、土体在自然或人为因素作用下产生开裂，并在地面形成裂缝的地质现象。如果这种地质现象发生在有人类活动的地区，则可能会对人类生产与生活构成危害，称之为地裂缝灾害。地裂缝灾害是一种地质灾害，在世界许多国家都发生过，其发生频率和灾害程度逐年加剧，已成为一个新的、独立的自然灾害类型，并引起国际地学界的极大兴趣和关注。 地裂缝又可分为构造性地裂缝和非构造地裂缝。 2.2.1构造性地裂缝与震害

与发震断裂走向吻合的地裂缝，称为构造性地裂缝。构造性按地裂缝通常只出现在极震去内，并与发震断层伴生。构造性地裂缝具有明显的力学属性，即一定的方向性和规律性，它的形成，和分布仅受地震断层应力场控制，而不受地形、地貌和岩土性质所影响，穿越性强。有的构造性地裂缝甚至就出现在原来的地震断裂带上，而有的构造性地裂缝则是由隐伏地震断层的错动直接延伸至地面而成，由于覆盖层土质的影响，其规模可大可小，但走向与地震断层完全一致。其特征是：1.规模大，延伸远，有明显的方向性；2.不同方向的地震断层往往呈有规律的组合，反映了震区主要的构造方向和控制地质构造的区域应力场或局部应力场；3.裂隙两侧在水平方向和垂直方向上都有明显的位移，位移量的大小取决于震级；4.不受岩性和其它边界条件的影响。

从较小的破裂到上千km的板块边界的断裂带，断层有各种不同的尺度。小断层在地表的出露近似为一条线，很多大断层则常是包括多条断层集合的宽阔的地带。一般称单条的为断层，而多条断层的集合带则称作断裂带。如1906年在美国发生的旧金山8.3级大地震形成了沿圣安德烈斯断层320km长的破裂带，断层面两侧位错达7m。断层的活动诱发了地震的发生，一次次地震的发生又促成了构造性地裂缝的生长与发展。 2.2.2 非构造性地裂缝与震害

非构造地裂缝主要是由于强烈的地震动，使得地表某一部分土体沿重力方向产生的相对位移而

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形成。与土层松软程度,含水量,重力作用以及土体滑塌有关的地裂缝,又称重力性地裂缝。非构造性地裂缝形成的地裂缝灾害。主要包括：由崩塌、滑坡、塌陷活动出现的地裂缝；由膨胀土胀缩、黄土湿陷、松散堆积土潜蚀出现的地裂缝；还有由干旱、冻胀融沉出现的地裂缝等。

地震次生地裂缝1.多呈树枝状，少数为管状、蘑菇状、袋状。线型裂缝连续性好，且边界齐整；2.常以垂直错动为主，兼有水平错动；3.多呈张性；4.规模和分布面积与地震大小有关，分布面积可达几万平方公里；5.裂缝一般出现在地震裂度Ⅵ度以上的地区。 2.3 地震地基效应

由于地震引起的滑坡,不均匀变形,开裂和砂土,粉土液化等使地基丧失承载能力的破坏现象，称为地震地基失效。地震动通过地基传至建筑物结构，并引起结构的震害反应。地震造成地基失效或过大残余变形，引起建筑物结构的破坏，往往无法由提高结构抗震强度来解决问题，其震后修复和加固非常困难，且费用十分昂贵。 2.3.1 砂土地基液化与震害

地震时饱和砂土地基会发生液化现象，造成建筑物的地基失效，发生建筑物下沉、倾斜甚或倒塌等现象。地基土的承载能力主要来自土的抗剪强度，而砂土或粉土的抗剪强度主要取决于土颗粒之间形成的骨架作用。饱和状态下的砂土或粉土受到振动时，孔隙水压力上升，土中的有效应力减小，土的抗剪强度降低。振动到一定程度时，土颗粒处于悬浮状态，土中有效应力完全消失，土的抗剪强度为零。土变成了可流动的水土混合物，此即为液化。

地基的液化会造成：冒水喷砂，地面下陷，建筑物产生巨大沉降和严重倾斜，甚至失稳。地基液化还引起其他一系列震害：喷水冒砂淹没农田，淤塞渠道，路基被淘空，有的地段产生很多陷坑；河堤裂缝和滑移；桥梁的破坏等。

在过去发生的地震中，由于砂土液化造成的各种灾害已成为一种不可忽视的地震破坏现象。各国科技工作者开展了积极的研究工作，认为砂土振动液化是岩土工程中一个特殊而重要的问题。从工程的观点看，有两方面的问题是最基本的:(1)砂土振动液化触发或产生的条件;(2)初始液化后的结果。砂土初始液化后的结果通常有两种:①无失稳时将产生很大的沉降或侧向位移;②液化失稳时将丧失承载力或产生侧向流动，导致液化区扩展。

液化是地震中经常发生的主要震害，危害很大。例如我国唐山地震时，发生液化的面积达24 000 km2，在液化区域内，由于地基丧失承载力，造成建筑物大量沉降和倒塌。若地基 由几层土组成，且较易液化的砂层被覆盖在不易液化的土层下面。地震时，往往地基内部的砂层首先发生液化，在砂层内产生很高的超静孔隙水压力。引起自下而上的渗流。当上覆土层中的渗流坡降大于临界坡降时，原来在振动中没有液化的土层，在渗透水流的作用下也处于悬浮状态，砂层以及上覆土层中的颗粒随水流喷出地面，这种现象称为“渗流液化”。 2.3.2 软土地基震陷与震害

软土震陷是软土在地震快速而频繁的加荷作用下，土体的结构受到扰动，导致软土层塑性区的扩大或强度的降低，从而使建筑物产生附加沉降.

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随着现代化工业及城市的发展，地下管线已成为经济生活的大动脉。地下管线的破坏会带来极大的经济损失及灾害，如美国1906年旧金山地震和日本1923年关东地震，由于地下管线的破坏导致地震引发大火，由于无法及时扑灭造成的财产及生命损失更甚于地震。1976年唐山地震，塘沽及汉沽地区由于土体液化，管线破坏比震中11度区还要严重。特别是地下油气管道极易发生管道原油泄漏等事故，不但有可能造成重大的次生灾害，而且由于油气中断而造成更大的间接经济损失，对国民生计有着重大的影响。地下管道的地震破坏主要是由地震引发的土体滑坡、砂土液化、软土震陷等因素造成的，其中软土地基震陷(沉降)是其破坏的主要因素之一。自从1964年美国阿拉加斯、日本新泻地震以来，地震引发的软土地基震陷愈来愈受到国内外地震工程界的重视。我国自1976年唐山地震以来，也对地震引发的软土震陷进行了调查研究，认为“关于软土震陷，由于缺乏资料，各国都还未列入抗震规范。但从唐山地震中的破坏实例分析，软土震陷确是造成震害的重要原因，实有明确抗御措施之必要”并在相应的规范中提出了应考虑软土震陷情况的条款。 2.4 地震斜坡破坏效应

地震边坡效应是指地震引起山边、岸边、各种斜坡土体变形失稳，产生位移、崩塌，导致斜坡地带农田、村庄、道路、桥梁、堤坝、港口码头等建筑物破坏

在地震作用下，陡坡发生崩塌。又称“崩坍”。陡峭斜坡上岩块、土体在重力作用下发生的突然、快速下移运动。它多发生在45°以上的陡坡上。崩落后，形成崩落崖壁，在坡麓则形成岩堆。块石常以跳跃、滚动的形式运动，也有不受地面阻挡直接坠落的。崩落可使建筑物破坏，堵塞河道。 在地震作用下斜坡岩土体沿着惯通的剪切破坏面所发生的滑移地质现象，称为边坡地震滑动。滑坡的机制是某一滑移面上剪应力超过了该面的抗剪强度所致。 因地震诱发的滑坡具有规模大、面积广、灾害重等特点，一直被人们所关注。如1920年12月16日宁夏海原8.5级地震诱发的滑坡，1933年8月25日四川叠溪7.5级地震诱发的滑坡，2008年5月12日四川汶川8.0级地震引发的滑坡等，都造成了巨大的经济损失和人员伤亡，是地震滑坡次生灾害损失远大于地震本身损失的典型事例。产生地震滑坡的原因可以分为内因和外因。内因包括地形地貌、地层岩性、地质构造等，它与其它形式下所产生的滑坡相似，在地震发生前，不同岩土的物理参数不同，其滑面的形成机理、滑面形态也是不相同的。其次，斜坡所处的位置以及地质构造也可以看作是另一内在因素。外因包括降雨、地下水的渗透、滞留作用，人工等不当活动，它们使得土体抗剪能力及c,?值逐渐衰减，使斜坡接近于临界状态，当地震来临时，在地震力的作用下引发滑坡。

3 地质条件对地震震害的影响

工程结构所在地，即支撑并对其地震反应有直接影响的地基称为工程场地。工程场地和地壳介质之间的界线并不明确。在地震危险性分析中，一般都是先确定基岩面的地震动，然后再考虑土层对地震动的影响。

工程场地条件包括近地表几十米至上百米内的地基岩土结构和特性、地形地貌、浅表断层、地下水位等工程地质要素。这些因素对地震动和地面破坏有强烈的影响，对结构抗震有至关重要的作

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用。

3.1 场地地形地貌条件与震害影响

地形和地貌的影响即为通常人们所称的局部地形的影响。历次破坏性地震的震害调查和获得的强震观测资料显示,局部地形对地震震害有显著的影响。强震记录的统计分析结果显示,地形的影响可使加速度峰值增大30—50%。目前关于地形和地貌对地震动影响的较统一的认识是,不规则地形的顶部较底部的地震动大,形态变化急剧的部位较缓慢渐变的地震动大。

宏观震害经验表明：①高突地形距基准面高度越大，高处地震反应越强烈；②离陡坎和边坡顶部距离越大，反应相对减小③从岩土构成方面看在同样地质条件下，土质结构的反应比岩质结构大；④高突地形顶面越开阔，远离边缘中心部位的反应越明显减少；⑤边坡越陡，其顶部的放大效应相应加大。

建筑抗震设计规范（GB50011-2010）4.1.8 条文说明

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：当需要在条状突出的山嘴 、 高耸孤

立的山丘 、 非岩石和强风化岩石的陡坡 、 河岸和边坡边缘等不利地段建造丙类及丙类以上建筑时 ,除保证其在地震作用下的稳定性外，尚应估计不利地段对设计地震动,参数可能产生的放大作用，其水平地震影响系数最大值应乘以增大系数。其值应根据不利地段的具体情况确定，在 1.1 ～ 1.6 范围内采用 。

3.2场地地质构造条件与震害影响

场地地质构造条件主要是指分布于工程场地及其附近地区内有关断裂构造的位置、产状、性质、规模、展布范围、相互关系、活动性以及其对场地稳定性可能产生的影响。建筑施工场地若存在断层，场地和地基的整体性便会遭到破坏。由于断层软弱带常发育软弱的断层物质，从而在局部场地地中形成不良地基，导致建筑物产生不均匀沉陷、倾斜或滑动。另外，由于断层的切割作用，常构成地下水通道，导致施工中突然出现涌水、流砂和地面沉陷等现象，严重影响场地岩土体的稳定性，并危及地面及地下工程的顺利进行。

对于断层问题，，需要按发震断层和非发震断层两种不同情况分别考虑，且不能用提高场地烈度的方式考虑其影响。一般非发震断层无加重震害的趋势，但也不应用提高场地烈度的方式考虑其影响。所以重点考虑发断层的影响。

断层是地质体中广泛存在的地质构造,它的存在使地质体连续性和完整性受到破坏。工程抗震研究中所称的活动断层是指第四纪晚更新世(距今约12万年)以来有活动的断层

[13]

,并且今后仍有可能

活动。以突发而快速的方式运动并引发地震的断层称为发震断层,否则为非发震断层。发震断层在地震中的破坏行为主要表现在两方面:一方面是地震地表破裂造成横跨断层结构的损坏;另一方面是断层发震时两侧地震动强度不同,从而造成断层两侧一定范围内震害的显著差异。1906年美国旧金山大地震以来,全球发生的一系列的破坏地震,特别是土耳其大地震(1999)和中国台湾集集大地震(1999)的震害显示,活断层的地表破裂对横跨断层的各类结构几乎是无坚不摧,使得横跨断层的结构物无一幸免。活断层两侧地震动场的分布比较复杂,总体来说,断层的上盘(主动盘)的地震活动强度大于断层下盘(被动盘)。中国台湾集集大地震的强震资料显示(蔡义军等,1999),车龙铺断层(发震断

10

层)的上盘以东地区最大水平加速度峰值大多超过0.4 g,而断层下盘以西地区最大水平加速度峰值大多不超过0.2 g。断层上下盘的地表地震动峰值相差1倍,如果表面存在覆盖土层,地表峰值加速度的变化更为复杂。一般在断层带附近的强震区,由于土层的非线性影响,松散土体的放大作用并不明显,远离断层带时,松散土明显地表现出放大作用

[14]

。

从结构抗震的角度来研究断层问题,人们最期望得到两个问题的回答:一是活断层发震时地表能否产生破裂,如果产生破裂,位移多大;二是在断层带及其附近地区地震动场地的分布情况如何。关于地表破裂的预测问题,原则上可以通过建立断层场地的力学模型,应用数值分析的方法给以解答。但是,由于地质体内部的不均匀性,确定这一复杂系统的几何形态、本构关系以及岩体的物理力学性质参数包含大量未知和随机性的因素,加之震源的不确定性,使得这方面的研究遇到了很大的困难。因此,目前仍以破坏性地震宏观震害调查的结果为依据来估计地表破裂和位移的大小。时振梁等和整理不同研究者统计给出的地震断层的错距和震级的关系。孙平善

[16]

[15]

收集

统计了我国大陆1900年以来

6级以上地震各震级范围内产生地表破裂的比例。统计的结果是6—6.9级地震地表破裂的比例为2.4%,7-7.9级的为34%,8级以上的为100%。由此可见,震级越大,产生地表破裂的可能性越大。不过,这些强震地面破裂多发生在基岩出露或地表覆盖层较薄的山地丘陵以及平原和盆地的边缘地带。由此,在基岩断层表面位移的作用下,覆盖土层破裂深度的预测引起了人们的极大兴趣,并通过试验和数值分析的方法进行了大量的研究。郭恩栋等利用有限元的基本原理,提出了一种针对特定地质模型的、基于断层位错的拟静力弹塑性有限元计算方法。利用这一方法计算了在给定基岩位错输入的情况下,基岩面以上覆盖土层的破裂深度,并模拟了覆盖土层的破裂过程。计算结果支持了王钟崎等依据震害调查资料提出的当土层厚度超过50m时,3m以内的断层位错很难使较硬的土层贯通破裂的结论。

关于发震断层带附近地震动场分布特征的研究,这是近断层强地面运动研究的热点问题。国内外许多学者采用动力学模型和运动学模型从理论上对不同震例的近断层强地面运动进行分析研究,并用以解释与近断层强地面运动有关的现象。温瑞智和周正华等[17]在考虑了断层场地地质特征的基础上,构造了若干理想化的断层场地的计算模型,以人工合成的地震动为输入时程,用二维显式有限元程序对所构造计算模型的地表不同计算点的加速度时程进行了计算,计算结果与宏观震害调查以及强震观测的结果在总体趋势上基本一致。应该强调,随着人们对宏观震害认识的不断深入,发震断层附近地震动场的研究越来越引起重视。这是因为,地震动场的分布是在活断层附近进行工程结构抗震设计时,确定建设场地避让范围的重要依据之一。理论分析的结果应设法用强震观测资料进行检验,但遗憾的是,当前大多强震观测数据缺少场地条件资料,使得这一问题的深入研究遇到了难以克服的困难。

3.3 场地土质条件条件与震害影响

工程地震学研究中所称的土层结构通常是指地面下第四纪覆盖土层的不同排列组合以及下伏基岩的表面形态等。土层结构对地震动的影响的研究主要集中在基岩起伏和软弱夹层对地震动的影响两个方面。

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关于基岩起伏对地震动的影响,Dezfulian等应用有限元方法,在不同土质、土层厚度和基岩倾斜角等条件下进行分析计算,研究结果表明,覆盖土层下伏基岩面的倾斜程度对地面峰值加速度有影响,基岩面的坡度越小,影响越大,但对地震动频谱特性的影响却很小。

软弱夹层对地震动的影响是近年来研究的热点课题之一。Idiss(1990)、王广军(1992)、江静贝(1995)、崔正涛(1995)、钱胜国(1994)、王松涛(1994)、刘曾武(1994)等都从不同的角度对软弱夹层对地震动的影响做了研究。目前的总体认识是,软弱夹层对地震动的影响取决于软弱夹层本身的厚度、赋存的层位、覆盖土层的厚度以及基岩输入地震动的特征。通常情况下,软弱夹层埋深越深,厚度越大,隔震效果越显著,即地表峰值加速度越小,归一化反应谱的特征周期越大;当软弱夹层的厚度小于0.1m时,对地表地震动的影响几乎可以忽略。李秀领(2003)对软夹层进行了较详细的研究,结果表明,当软夹层位于剖面顶部时,输入地震动的幅值越小,基岩加速度峰值被放大的倍数越明显;输入地震动的幅值越大,基岩加速度峰值被放大的倍数越小。由于软弱夹层是一特殊的土层单元,它对输入地震动的响应比较敏感,应该深入地开展研究,并在今后的场地分类中应有所体现。 3.4 场地覆盖层条件与震害影响

土层厚度对地震动的影响早在1923年日本关东大地震时就已被发现,在后来发生的一系列的破坏性地震的震例都体现了土层厚度对地震动的影响。当前,破坏性地震的震害调查、强震资料的分析整理和理论研究所得出的主要结论是:覆盖土层越厚,地表反应谱长周期的频谱成分愈显著,反应谱曲线愈向后移,归一化反应谱的特征周期越大,土体的自振周期也增大。

1967年7月委内瑞拉6.5级地震，距震中60km的加拉斯加市，高层建筑物的严重震害，主要集中在市区冲积土层最后的地带。建在冲积层厚度160～230m上的高层建筑有75%遭破坏。建在230～300m厚的冲积土之上的高层建筑，其破坏率竟达80%。位于薄层冲积土和基岩上的高层建筑物，其破坏都较轻（表1）。从表中可以看出，当冲积土层厚度大于160m时，14层以上的建筑物破坏显著加重。

加拉加斯市高层建筑层数的地震破坏率与冲积土层厚度的关系 表1

12

理论分析和实测的结果都证明,基岩之上的覆盖土层对基岩输入的地震动有明显的放大作用,一般峰值加速度被放大2—4倍。李秀领(2003)在研究我国数百个钻孔资料的基础上,结合场地的工程地质条件,选取和构造了若干有代表性的场地剖面,在随机选取三条幅值不同的强震记录作为基岩地震动输入,利用土层地震反应分析的等效线性化波动分析方法,计算了不同覆盖土层厚度场地的地表加速度峰值和归一化反应谱的特征周期。计算结果表明,覆盖土层厚度小于30m时,不同幅值的地震动输入条件下,地表加速度峰值变化较大;当覆盖土层厚度超过30m时,地表加速度峰值变化较小,几乎不受覆盖土层厚度的影响,这说明覆盖土层对自由场地的峰值加速度的放大作用是有限的。归一化反应谱的特征周期(Tg)与覆盖土层的厚度也存在一定的关系,在覆盖层厚度小于15m时,几乎不受覆盖土层厚度的影响;当覆盖层的厚度大于15m时,随覆盖层厚度的增加,反应谱特征周期增大,这说明只有当覆盖土层达到一定厚度时,才对特征周期(Tg)产生影响。上述研究成果与Cassano(1973)的研究成果有相同之处。Cassano对不同厚度的土层进行了一系列的计算后发现,厚度为6~15m的土层,其反应谱曲线偏左,以短周期为主;厚度为24~46m厚的土层,其反应谱曲线偏右,以长周期部分为主。 目前,在我国关于覆盖土层厚度对场地地表峰值加速度影响的研究还不够深入,主要的原因还是缺乏具有详细的场地工程地质资料的强震观测数据。因此,在我国现行的建筑抗震设计规范中没有考虑场地条件对设计反应谱平台值的影响。研究覆盖土层对地震动影响的理论分析方法是土层地震响应的分析方法。这一方法是以一维剪切梁模型为基础,将地震输入视为剪切运动并假设场地为一维水平成层的土层模型来进行场地地震反应的分析方法。 3.5 地下水埋深条件与震害影响

地下水，是贮存于包气带以下地层空隙，包括岩石孔隙、裂隙和溶洞之中的水。地下水是水资源的重要组成部分，由于水量稳定，水质好，是农业灌溉、工矿和城市的重要水源之一。但在一定条件下，地下水的变化也会引起沼泽化、盐渍化、滑坡、地面沉降等不利自然现象。

按含水层性质分类，可分为孔隙水、裂隙水、岩溶水。

孔隙水：疏松岩石孔隙中的水。孔隙水是储存于第四系松散沉积物及第三系少数胶结不良的沉积物的孔隙中的地下水。沉积物形成时期的沉积环境对于沉积物的特征影响很大，使其空间几何形态、物质成分、粒度以及分选程度等均具有不同的特点。

裂隙水：赋存于坚硬、半坚硬基岩裂隙中的重力水。裂隙水的埋藏和分布具有不均一性和一定的方向性；含水层的形态多种多样；明显受地质构造的因素的控制；水动力条件比较复杂。

岩溶水：赋存于岩溶空隙中的水。水量丰富而分布不均一，在不均一之中又有相对均一的地段；含水系统中多重含水介质并存，既有具统一水位面的含水网络，又具有相对孤立的管道流；既有向排泄区的运动，又有导水通道与蓄水网络之间的互相补排运动；水质水量动态受岩溶发育程度的控制，在强烈发育区，动态变化大，对大气降水或地表水的补给响应快；岩溶水既是赋存于溶孔、溶隙、溶洞中的水，又是改造其赋存环境的动力，不断促进含水空间的演化。

当其他条件相同时，地下水埋藏深浅也常造成震害的差异。宏观现象说明，水位越浅，震害越重。如1954年甘肃山丹地震时，8度区的山丹县城地下水位深20米左右，而城南2公里处的黄家

13

庄，由于邻近山丹河，地下水位浅，形成一9度的异常点。1970年宁夏西吉地震时，7度区内的大埂子村位于海原地震时形成的堰塞湖边、三面临水的黄土台地上，地震时所受的破坏较相邻的不在湖边的村庄为重。1970年通海地震时，祀麓湖畔8度区内两个相邻的村庄—金山村和上罗家村，地基土完全相同，金山村地下水埋深2.2米，其震害指数I一0.44，上罗家村地下水埋深0.8米，震害指数I=0.58。下面，将通海、海城两震区7、8度区内地基土类别相同条件下地下水埋深与震害的关系绘成图3。

图3 地下水埋深与震害的关系

由上述情况可知:1)在一定土质条件下，地下水埋深对震害影响的总趋势是水位越浅，震害越重。在不同的地基土中，地下水位的影响程度也有所差别，对软弱土层的影响大，粘性土次之，对卵砾石、碎石、角砾影响较小，基岩地区尚没有资料，估计影响很小。2)地下水埋深在1~5米时，对震害的影响最明显，烈度差值可达1度左右。深于5米时，水位的影响已不明显了。3)需要说明的是，地下水的影响不易单独分析，往往和地基土的影响联系在一起，因此，在具体分析每个建筑场地时，尚需结合地基土的情况全面考虑。并当地下水埋深很浅时，震害加重多和地基失效有关。

4. 在抗震设计中考虑地震场地影响的途径

一是根据地质条件调整场地烈度，另一种是广泛应用的根据场地土质情况的变化调整反应谱。场地土质条件主要是对反应谱??t?的形状有很大影响，所以，可以通过改变反应谱的形状的方法在

14

抗震设计中考虑场地地质条件的影响。

4.1 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ场地地震动参数的计算分析

采用理论分析方法，结合我国大量的典型工程场地计算模型，试图通过对计算场地地表地震反应结果的统计分析，给出基于场地类别及地震动强度参数的场地地震动参数变化的经验关系. 就每一计算基底输人地震动情况(40种情况，第一种情况下又分3个随机相位样本时程，共120个工况)，分别对每一场地计算模型(共188个)进行地震反应计算，给出场地自由地表反应的地震动峰值加速度及加速度反应谱,反应谱如下图（图4）所示分析计算结果可以发现

[18]

:

(l)由I类场地到W类场地，地震动长周期成分明显增加，且对于m、W类场地其放大系数反应谱较长周期处的值远比我国建筑抗震设计规定的谱值大;

(2)对于每一类场地，随着计算基底输人地震动幅值的增大，地震动长周期成分增加，且由I类场地到IV类场地其增加趋势显著加强;

(3)对于In与W类场地，特别是W类场地，当计算基底输人地震动幅值较大(ZooGal，300Gal) 时，地震动长周期成分十分丰富而短周期(高频)成分相对很少.

图4 计算场地自由地表地震动加速度反应谱结果

然后对计算结果做出分析。分别在直角坐标及对数坐标下对计算地震动峰值加速度及加速度反应谱进行统计，得到结果后，为了兼顾两种统计结果，最后采用拟合的方法分析，得到①.峰值加速度值，②放大系数反应谱平台值βmax；③反应谱拐点周期值Tgs④反应谱拐点周期值T0:，⑤反应谱参数值αs，的特点及规律.

最终进一步给出计算场地地震动参数描述的经验关系。对其经验关系通过绘制为图形后，分析得到的场地地震动参数均值、均值加1倍方差及均值减1倍方差描述的经验关系如下，式中各系数值分别见表2。

15

得到经验公式：

5. 结论及建议

场地条件对地震震害影响的研究在地震工程和岩土工程领域具有重要理论意义和工程应用价值，近一百年来,人们通过破坏性地震的震害调查认识到了这一研究领域的重要性并通过强震记录的对比分析证实了场地条件对震害和地震动的影响。通过70年代以来的一系列深入的理论分析以及震害调查和强震资料的对比研究,人们对这一问题有了比较共同的认识,所取得的成果有些已纳入有关的抗震设计规范,在工程中发挥着重要的作用。 5.1 结 论

本文总结了场地条件对地震震害影响主要体现在一下5个方面：

1）条状突出的山嘴、高耸孤立的山丘、非岩质的陡坡、河岸和边坡的边缘等为建筑抗震的不利地段,这些地形在场地选择时应该尽量避开；

2）活断层的地表破裂对横跨断层的各类结构几乎是无坚不摧,使得横跨断层的结构物无一幸免。活断层两侧地震动场的分布比较复杂,总体来说,断层的上盘(主动盘)的地震活动强度大于断层

16

下盘(被动盘)，所以在选择的时候应该尽量避免工程场地处于断层处，对无法避免也应该沿活断层的下盘修建相关工程；

3）以土质地基为持力层建的房屋,抗震性能较差，置于土质地基上的浅基础,抗震性能较差。位于软弱地基(如河湖边等)上建造的建筑物,由于地基在地震时会发生液化、塌陷等现象,而造成地基失效,位于这种软弱地基上的建筑物,将会遭到严重破坏。在比较密实稳定的土层或基岩场地,地震破坏小；在比较松散没有胶结的洪积层、河流冲积层或土层中富含水分的场地,地震破坏大,且震害随上层厚度增加而加强；

4）土层的覆盖层厚度对地震的放大具有明显的作用。日本在长期的地震灾害中总结出一条经验:桩基础,尤其是嵌岩桩基础房屋,在地震中很少倒塌；

5）地下水位的变化幅度是计算地基砂土液化的重要指标之一，也是分析软土震陷、边坡地震稳定性的重要依据。鉴于地震发生时间的随机性，在进行工程勘察时，工程师不仅要收集工程场区地下水位在丰水期与枯水期的动态变化，而且特别要注意雨季时的地下水位。 5.2 对场地地质条件勘查和研究的建议

强震区场地的岩土工程勘察应预测调查场地、地基可能发生的震害，根据工程的重要性、场地条件及工作要求分别予以评价,并提出合理的工程措施。应注意到以下6各方面：

1）确定场地土的类型和建筑场地类别,并划分对建筑抗震有利、不利或危险的地段。

2）场地与地基应判别液化,并确定液化程度(等级),提出处理方案。可能发生震陷的场地与地基,应判别震陷并提出处理方案。

3）对场地的滑坡、崩塌、岩溶、采空区等不良地质现象,在地震作用下的稳定性进行评价。 4）缺乏历史资料和建筑经验的地区,应提出地面峰值加速度、场地特征周期、覆盖层厚度等参数。对需要采用时程分析法计算的重大建筑,应根据设计要求提供岩土的有关动参数。

5）重要城市和重大工程应进行断裂勘查。必要时宜作地震危险性分析或地震小区划和震害预测。

6）应进一步加强对地震监测、预报、预警的重视程度,加大对地震灾害的研究和防治投入比例。

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致 谢

本文是在文海家老师的教导下完成的。文海家老师严谨的治学态度、求实的工作作

风、诲人不倦的治学风范和精益求精的敬业精神，使我受益匪浅，并将终生难忘，时刻鞭策我不断进取。

在此谨向文老师表示最衷心的感谢和最诚挚的敬意!

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