第七章 区域稳定性分析3

工程地质学
第七章 区域稳定性分析
第一节 活断层的工程地质研究 第二节地震的工程地质研究 第三节地震导致的区域性砂土液化
(一) 基本概念及研究意义
活断层一般是指现今正在活动的断层，或近 期曾活动过、不久将来可能重新活动过的断 层。后者也称为潜在活断层。
• 断层是地壳构造运动的重要形 迹。有的断层形成于较晚时期， 在形成以后受到晚期构造背景 条件控制，仍保持着活动的特 征。 早在十八世纪，人们从地震活 动与断层活动的关系渐渐意识 到断层的活动性特征，经过几 个世纪的研究，对活断层的特 征有了比较深入的认识。
西安地裂缝就被认为是由于渭河断陷南侧的长
安临潼断裂的张性蠕动，为厚达一千余米的
第四纪土层提供了潜在临空面，在自重应力 场作用下产生了侧向扩展(gravitational la teral spreading)而形成的；
2. 断层活动段的长度和断距
活断层的长度与断距,是在活断层区修建建筑物时地震 预报和设防的重要资料.它是根据地震时地表错断的情况来 确定的,习惯上以地表断裂长度和断层最大位移值来表征. 断层活动段长度L和断距D。 一般地说,地震的震级愈大,震源深度愈浅,则地表断裂 愈长,断层位移量也愈大.
如断层与坝轴线小角度斜交，由于断层错动而造成的心墙拉
开宽度可以相当大(图4—4)。有名的走向滑动型活断层有美国 加州的圣安德烈斯断层系 。
土耳其安纳托利亚断层系，新西兰的阿尔卑斯断层系
等。几个被活断层错开的土坝，运河主要是被这类活断层所
错开的。我国的活断层也以走向滑动型为最多，特别是西南 和西北，有些走滑型活断层规模非常巨大；例如塔里木断块 南的阿尔金山断裂，青藏断块内部的鲜水河断裂，川滇断块 西界的红河断裂都是我国西部长达数百到数千公里的活动着
最大主应力近于垂直最小主应力近于水平。走向垂直于最
小主应力且与最大主应力呈锐角的断层面与水平面夹角大 于45°，一般为60一80°。在错动过程中，垂直断面走向 的水平方向有所伸长。伴随这类断层活动的变形(下沉)和分 支断层错动，主要集中于下降盘。与河谷平行断面倾斜的 正断层，可以使拦河坝产生比其它形式断层运动更宽的初 始裂缝(图4-8)。一般说来，这类断层的可识别程度介于走 滑断层和逆断层之间，其影响带宽度和对工程的危害程度
较大幅度的相互错动就在瞬时之内突然发生，锁固期间
积蓄起来的弹性应变能也就突然释放出来而发生较强地 震。这种瞬间发生的强烈错动间断的，周期性的发生，
沿这种断层就有周期性的地震活动。
稳（蠕)滑的错动是持续地平稳地发生的。由于断层两盘岩
体强度低，或由于断层带内有软弱充填物或有高孔隙水压
力，在受力过程中就会持续不断的相互错动而不能锁固以 积蓄应变能，这种方式活动的断层仅伴有小震或无地震活 动。有些断层则兼有粘滑与蠕滑。 近年来，一些研究者注意到了粘滑型断层在大震前后一段 时间内在震源区及其外围的蠕滑现象。1976年唐山地震前 后的一些宏观现象，如井壁坍塌变形，沿八宝山断层地下 水位的变化、河北省中部的井喷现象等，都可能与深部断
险性或水库诱发地震的可能性都需要首先研究活断层，判 定其活动时代，错动速率、重复活动的证据和重现周期。 正是由于地震预报的广泛研究，促使地震地质迅速发展， 而地震地质工作的首要任务是鉴别是否存在能“发震”的 活断层。近30a内对活断层的研究取得较大进展。世界各地 都鉴别出了一些活断层，并逐步积累了其活动特性和错动 规模的大量实际资料。有些国家还编制和出版了近期活动
的走滑断裂。这些断层的水平错动往往在地形上留下明显迹
象，尤以对水系的错动改造最为明显
(2) 逆断层
最大主应力近于水平，最小主应力近于垂直。
走向垂直于最大主应力的断层面与水平面夹角一般
小于45°，往往为20-40° ，且由于位移是水平挤 压形成的，断层面两侧的点之间的距离总是由于位 移而缩短。上盘除上升外还产生地面变形，往往伴 以多个分支或次级断层的错动。
地上建筑物出现裂缝的情况，并 以统计法编制了受损害建筑物等
¨´ ±¶ í £ ¹ Ö Ï ´ 1.5à © ×£
密线图。图上的高密度延伸线恰
好与六甲山麓发育的几条活断层 的延长线一致，表明建筑物的损
坏与断层活动有关。
沿活断层产生粘滑或其锁固点、端点破裂而发生错动，
则积蓄的弹性应变能的释放就造成地震。所以预测地震危
Fra Baidu bibliotek
1971年美国圣费尔南多地震时使圣费尔南多断层(逆 断层)产生逆冲错动。下降盘无地表变形及破裂，上
升盘抬升近2m以上，并有强烈变形，许多小的次级
断层主要集中在距主断面1km之内，但距主断面2.5k m尚有一条产生150mm相对位移的次级断层。逆断
层的断层线往往是波状弯曲的，断层带也较平移断
层宽得多，由于上升盘隆起和倒悬的断层崖易产生 滑坡，所以逆断层的确切位臵最难于确定和预测。
型破裂构造，一般称为地裂缝(ground fissure)或“地裂” 现象。典型代表有西安地裂缝。当然地面裂缝有多种成因， 外生的地裂分布是比较广泛的。但上述的地裂现象不受地 貌、土质和水文条件影响而广泛分布在大范围内，与区域
构造方向和区域应力场方向协调，表现出有统一的受力方
向，反映出它们可能是一种大范围构造活动或深部断裂的 蠕动而引起的地表蠕裂现象。
影响也各异。
(1) 走向滑动或平移断层
最大最小主应力近于水平，所以两者之间的最大剪应力面，
亦即此类断层的断层面，近于直立，因之其地表出露线也就 最为平直；常表现为极窄的直线形断崖。主要是断层面两侧 相对的水平运动，相对的垂直升降很小。河流最易于沿这种 断层发育，水工建筑物也就最易于受到这种活断层的威胁。
也介于两者之间。
上述三种活断层的位移矢量都分别是单纯走滑或
倾滑，其产生的应力场是三个主应力方向中的两个是
水平的而另一个是垂直的。实际应力场往往是复杂的， 三个主应力方向既不完全水平也不完全垂直，而是由 不同的水平和垂直分量所合成。因之，断层的位移矢 量也多由不同的倾滑、走滑分量所合成。而活断层的
断层图，对活断层的调查、判定，监测方法也取得了不少
经验。
风火山隧道北部断裂切割表层第四系和公路的裂缝延伸特征
风火山隧道北部断裂切割表层第四系和公路的裂缝延伸特征 裂缝最大宽度5－10mm，延伸长度200m
美国加州1979年10月15日6.5级地震形成的地表错断
地震前
地震后
摩洛哥艾加迪尔建在活断层上的旅馆，在5.8级地震的袭击下成为一堆瓦砾
从9.21集集大地震的建筑物破坏程度来看，凡是 座落在断层之上的建筑物皆遭受损坏，无一幸免， 人员伤亡惨重。大地震将台湾岛的地表撕裂了近80 公里的疤痕，此次所产生的地震断层大都是属于逆 断层。
活断层错动直接损害建筑物的例子迄今为止为 数不多。在我国则有1976年唐山地震时的长达8km 的地表错断。它呈北30°东方向由市区通过，最大
在我国逆冲型活断层主要发育于西部地
区。受印度板块年速率约6cm的NNE向俯冲的
推挤，自南而北有喜马拉雅山南麓逆冲推覆 断层，天山南侧，天山北侧逆冲推覆断层等 几个长达数百公里走向近东西的逆冲型活断 层，青藏断块东界的北段，则有走向北东的
龙门山逆掩推覆断层；所有这些断层都是活
动性强烈的发震断层。
(3) 正断层
错动速率及其分级、活断层的重复活动周期、以及作为活断层活动记录
的古地震事件等。 1. 活断层的类型和活动方式
按构造应力状态及两盘相对位移的性质，可将活断层划分为地质上熟
悉的三种类型: 走向滑动或平移断层，逆断层和正断层。其中以走向滑动型最为常
见。三类活断层由于几何特征和运动特性不同，所以它们对工程场地的
lg L 0.48M 1.57
• 日本:
lg L 0.6M 2.9
• 与主震后余震分布带的长度作对比。例如1966年邢台地震的主震是 7.2级，计算其震源断层的长度为80km，邢台地震的余震密集带长 度也约为80km，与上述计算结果基本相符。又如1975年海城7.3级 地震，计算其震源断层长度为80km，而其余震密集带长度约为70km， 两者也大致相符。
美国原子能委员会（USNRC）的定义是： （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
活断层的研究意义：
断层的地面错动及其附近的伴生的地面变形，往往 会直接损害跨断层修建或建于其邻近的建筑物。
其次是活断层多伴有地震，而强烈地震又会使建于 活断层附近的较大范围内的建筑物受到损害。
• 对活断层进行研究，充分掌握 其活动特征，合理评价其对工 程的影响，有时可以安全有效 地降低工程设计标准，节省投 资。 如黄河小浪底工程坝址区半径3 0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Q1－Q2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
断层长度1 ~ 数百公里不等，一般小于5.5级地震很少 产生地表错动。 活断层地震活动是否在地表显现形迹，与地表覆 盖层厚度、震源深度及震级有关，一般覆盖层厚度大 于30-50m、震源深度大于10-30km、地震震级小于6 级条件下，很少出现地表断裂现象。
• 一般认为,地面上产生的最长地震断裂最能代表震源断层的长度.我 国地震工作者统计了我国和邻近地区地震的地面断裂资料,于1965 年提出了如下关系.
Q2
Q1
T
111°30
112°00
112°30
113°00
图2.1-2
小浪底水库及邻区第四纪活动断层分布图
10 5.5 1965.1.13 5.1 1965.1.15 15 35° 00 祁家河 14 三门 坡头 6.75 1815.10.23 大坝 马屯 12 安窝 7 石井 下冶 赵和 9 坡头 5 35° 00
宜阳县
1 石井河断层 5 坡头断层 13 宜阴断层 6
13 112°30 113°00
说 : 明 10
霍村断层
7
塔底断层
8
封门口断层
五指岭断层 盘古寺断层
14 石家沟断层
15 驾桑断层
小浪底及邻区第四纪活动断层分布图
(二) 活断层的特性
活断层的特性包括：活断层的类型和活动方式、活断层的规模、活断层的
类型也就可以是左(或右)旋走滑逆冲断层或左(或右)旋
走滑正断层等多种形式。 断层活动受区域构造应力场所支配。内陆活断层是 地块间相互运动调整的枢纽。
• 活断层活动的两种基本方式是粘滑与稳滑。 粘滑错动是间断性突然性发生的。在一定时间段内 断层的两盘就如同粘在一起(锁固起来)，不产生或仅有 极其微弱的相互错动，一旦应力达到锁固段的强度极限，
水平错距3m，垂直断距0.7一lm，错开了道路、围
墙、房屋、水泥地面等一切地面建筑物。
宁夏石咀山红果子沟一带的活断 层，也将明代(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。日本神
户附近的六甲地区活断层对建筑 物的影响也是一个较好例子。
津田调查了六甲山南侧平原和阶
层的蠕动有关。据唐山地震区地形变资料反演求得的震中
区8km-6km的地带内，于1969-1975年发生了走滑错距为10 4cm的无震蠕滑、走向和倾向滑动的平均速率分别达18.6cm
/a 和1.4cm／a。
我国大陆内部还有一种特殊的反映断裂蠕动的构造形
式：因地壳块体或断裂带蠕动，导致在地面产生一系列微
8 古城
辛庄
济源县
沁阳县
1 2
3
孟县 孟津县
6 11 巩义
三门峡市
峡石 34° 40
渑池县 新安县
洛阳市
李村
5 1820.10
偃师县
34° 40
图 例
断层 隐伏或推测断层 逆断层 13
6.75 1815.10.23 断层编号
震级 年月日
顾县
龙门 柳泉
正断层 111°30 112°00 2 小南庄断层 3 连地断层 11 焦洛断层 4 王良断层 12 城崖地断层
来自板块边界的作用力是中国大陆新生代和现今构造变形的主要动力源
关于活断层的定义，目前为止没有完全统一。主要是关于 过去活断层历史时间的上限界定问题看法不一，不同部门、 不同国家都存在差别。
• 《岩土工程勘察规范》 全新活动断裂：全新世（10000）年内有过活动或近期正在 活动，在将来（100年）可能继续活动的断裂。 发震断裂：近期（500年）发生过5级以上地震，或在未来1 00年内预测可能发生5级以上地震的断裂。 • 《水利水电工程地质勘察规范》 活断层：最后一次错动距今10-15万年（晚更新世）的断层。