工程地质学基础电子教案.doc

第一章绪论一、工程地质学的研究对象、任务与分科1、定义工程地质学是地质学的分支学科，它是一门研究与工程建设有关的地质问题、为工程建设服务的地质科学，属应用地质学的范畴。 2、研究内容地球上现有的一切工程建筑物都建造于地壳表层一定的地质环境中。地质环境包括地壳表层和深部的地质条件以一定的作用，影响建筑物的安全、经济和正常使用；而建筑物的兴建又反馈作用于地质环境，使自然地质条件发生变化，最终又影响到建筑物本身。二者就处于相互联系，又相互制约的矛盾之中。工程地质学就是研究地质环境与工程建筑物之间的关系，促使二者之间的矛盾转化、解决。3、研究任务工程地质学为工程建设服务:是通过工程地质勘察来实现的，通过勘察和分析研究，阐明建筑地区的工程地质条件，指出并解决历存在的工程地质问题，为建筑物的设计、施工以至使用提供所需的地质资料。它的主要任务是：阐明建筑地区的工程地质条件，并指出对建筑物有利的和不利的因素；论证建筑物所存在的工程地质问题，进行定性和定量的评价，作出确切的结论；选择地质条件优良的建筑场址，并根据场址的地质条件合理配置各个建筑物；研究工程建筑物兴建后对地质环境的影响，预测其发展演化趋势，并提出对地质环境合理利用和保护的建议；根据建筑场址的具体地质条件，提出有关建筑物类型、规模、结构和施工方法的合理建议，以及保证建筑物正常使用所应注意的地质要求；为拟定改善和防治不良地质作用的措施方案提供地质依据。可见，工程地质工作是工程建设的基础工作。工程地质工程师务必要与工程设计与施工工程师密切协作，以完成上述各项任务。4、两个重要概念实践表明：工程地质条件的阐明，是工程地质工作的基础；而工程地质问题的论证和解决，则是工程地质工作的核心。因而，在这里明确工程地质条件和工程地质问题的含义是很有必要的。工程地质条件(Engineering geological condition)指的是工程建筑有关的地质因素的综合。地质因素包括岩土类型及其工程性质、地质结构、地貌、水文地质、工程动力地质作用和天然建筑材料等方面，它是一个综合概念。其中的某一因素不能概括为工程地质条件，而只是工程地质条件的某一方面。兴建任何一类建筑物，首要的任务就是要查明和认识建筑场区的工程地质条件。由于不同地域的地质环境不同，因此工程地质条件不同，对工程建筑物有影响的地质因素主次也是不相同的。工程地质条件是在自然地质历史发展演化过程中形成的，是客观存在的。工程地质问题(Engineering geological Problem)指的是工程地质条件与建筑物之间所存在的矛盾或问题。优良的工程地质条件能适应建筑物的安全、经济和正常使用的要求，其矛盾不会激化到对建筑物造成危害；但是工程地质条件往往有一定的缺陷，而对建筑物产生严重的甚至是灾难性的危害。所以，一定要将矛盾着的两个方面联系起来进行分析。由于工程建筑的类型、结构形式和规模不同，对地质环境的要求不同，所以工程地质问题也是复杂多样的。例如，工业与民用建筑的主要工程地质问题是地基承载力和沉降问题，地下洞室的主要工程地质问题是围岩稳定性问题；露天采矿场的主要工程地质问题是采坑边坡稳定性问题；水利水电工程中，土石坝最需注意的是坝基渗透变形和渗漏问题，混凝重力坝是坝基抗滑稳定问题，拱坝是坝肩抗滑稳定问题。工程地质问题的分析、评价，是工程地质工程师的中心任务。5、相关工程实例在国外，由于工程地质问题而导致的建筑事故是不乏其例的。在坝建工程中，此类事故更是惨重。例如，1928年美国圣弗兰西斯(StFrantis)重力坝的失事，是由于坝基软弱岩层崩解冲刷和滑动引起的。l959年法国马尔帕塞(Malpasst)薄拱坝的溃决，则是由于坝的左翼片麻岩体沿着一个倾斜的软弱结构面滑动所致。1963年10月9日所发生的意大利瓦依昂(Vaiont)水库左岸大滑坡，更是举世震惊。瓦依昂双曲拱坝坝高261.6m，是当时世界最高的大坝之一。当水库壅水至225.4m时，左岸山体突然下滑，体积达2.73.0×108m3，滑速达28ms，水库中有5×107m3的水体被挤出，激起250m高的巨大涌浪，高150m的洪波溢过坝顶冲向下游，约有3000人丧生。该水库开始蓄水时，就发现左岸山体蠕滑变形，但未引起水工人员的注意，随着库水位抬高，滑动面上空隙水压力加大，从而导致整个山体下滑。在工业与民用建筑中，也有许多典型的地质事故。如加拿大特朗斯康(Trans-Cona)谷仓的倾倒，是由于对该区大建筑物地基中深埋软土层的不均匀沉陷估计不足。巴西1958年初刚建成的一座十一层高层建筑，尚未使用即倾倒平躺在地上。其原因是支承该建筑物的钢筋混凝土桩长度不够，未能深入到沼泽土以下的硬土层中，致使地基承载力不足而不均匀沉降过大。 我国也有一些建筑工程因工程地质问题而造成严重事故的。例如1961年3月湖南资水柘溪水电站的近坝库岸滑坡，发生于震旦系板溪群砂质板岩中。由于水库蓄水，使同向坡的库岸边坡受空隙水压力作用而失稳。滑坡体倾入水库中产生的涌浪溢过坝顶冲向下游，造成了生命财产的严重损失。1980年6月湖北远安盐池河磷矿的岩崩发生于震旦系灯影组厚层灰岩中。由于灰岩下部较软弱的陡山沱组薄层白云质灰岩和页岩中开拓采掘巷道，引起岩体变形，使上部厚层灰岩中顺坡向陡倾节理被拉开，约100万m3的岩体急速崩落，摧毁了矿务局和坑口全部建筑物，死亡281人。此外，我国近年来因物理地质作用造成的地质灾害频繁发生，它们都造成了严重的生命财产损失。例如，1978年唐山大地震，1981年成昆线利子依达沟和辽东老帽山地区的泥石流，1983年甘肃东乡洒勒山大滑披，1987年四川巫溪岩崩等。由此可见，为保证工程的正常施工、运行和生命财产的安全，工程地质学的任务是非常重要的。6、研究内容工程地质学的任务决定了它的研究内容，归纳起来主要有以下几个方面。(1)岩土工程性质的研究地球上任何类型的建筑物均离不开岩土体，无论是分析工程地质条件，或是评价工程地质问题，首先要对岩土的工程性质进行研究。研究岩土的工程地质性质及其形成变化规律，各项参数的测试技术和方法，岩土体的类型和分布规律，以及对其不良性质进行改善等内容。有关这方面的研究，是由工程地质学的分支学科工程岩土学(Science of ergineering rock and soil)来进行的。(2)工程动力地质作用的研究地壳表层由于受到各种自然营力包括地球的内力和外力作用，还有人类的工程经济活动，影响建筑物的稳定和正常使用。这种对工程建筑有影响的地质作用，即为工程动力地质作用。习惯上将由于自然营力引起的各种地质现象叫做物理地质现象，由于人类工程经济活动引起的地质现象叫做工程地质现象。研究工程动力地质作用(现象)的形成机制、规模、分布、发展演化的规律，所产生的有关工程地质问题，对它们进行定性的和定量的评价，以及有效地进行防治、改造，就成为工程地质学的另一分支学科工程动力地质学(Engineering dynamic geology)的研究内容。(3)工程地质勘察理论和技术方法的研究为了查明建筑场区的工程地质条件，论证工程地质问题，正确地作出工程地质评价，以提供建筑物设计、施工和使用所需的地质资料，就需进行工程地质勘察。不同类型、结构和规模的建筑物，对工程地质条件的要求以及所产生的工程地质问题各不相同，因而勘察方法的选择、工作的布置原则以及工作量的使用也是不相同的。为了保证各类建筑物的安全和正常使用，首先必须详细而深入地研究所能产生的工程地质问题，在此基础上安排勘察工作。应制订适用于不同类型工程建筑的各种勘察规范或工作手册，作为勘察工作的指南，以保证工程地质勘察的质量和精度。在当前工程地质勘察中，尤其要研究新颖的勘察理论和新技术方法的应用，使勘察工作更为快速、轻便、有效。有关这方面的研究，是由专门工程地质学(Special engineering geology)这一分支学科来进行的。(4)区域工程地质的研究 区域工程地质是为工程规划设计提供地质依据的。不同地域由于自然地质条件不同，因而工程地质条件也不相同。认识并掌握广大地域工程地质条件的形成和分布规律，预测这些条件在人类工程经济活动影响下的变化规律，并按工程地质条件进行区划，作出工程地质区划图，就是区域工程地质研究的内容。区域工程地质学(Regional engineering geology)即为这方面研究的分支学科。由此我们可以知道，工程地质学是一门应用性非常强的地质科学。它在工程建设中的地位相当重要，服务对象非常广泛，所研究的内容也是十分丰富的。质学的研究方法及其与其它学科的关系 二、工程地质学的研究方法及其与其它学科的关系1、研究方法工程地质学的研究方法与它的研究内容相适应的，主要有自然历史分析法、数学力学分析法、模型模拟试验法和工程地质类比法。(1)自然历史分析法自然历史分析法即为地质学的方法，它是工程地质学最基本的一种研究方法。工程地质学所研究的对象地质体和各种地质现象，是自然地质历史过程中形成的，而且随着所处条件的变化，还在不断地发展演化着。所以对一个动力地质作用或建筑场地进行工程地质研究时，首先就要作好基础地质工作，查明各项自然地质条件和各种地质现象，以及它们之间的关系，预测其发展演化的趋势及结果。只有这样，才能真正查明研究地区的工程地质条件，并作为进一步研究工程地质问题的基础。例如，对斜坡变形与破坏问题进行研究时，要从研究形态入手，确定斜坡变形与破坏的类型、规模及边界条件，分析斜坡变形、破坏的机制及各项影响、控制因素，以展现其空间分布格局，进而分析其形成、发展演化过程和发育阶段。从空间分布和时间序列上揭示其内在的规律；并且还要预测在人类工程经济活动下的变化情况，为深入进行斜坡稳定性工程地质评价奠定基础。又如研究坝基抗滑稳定性问题时，首先必须查明坝基岩体的地层岩性特点、地质结构及地下水活动条件，尤其要注意研究软弱泥化夹层的存在和岩体中其它各种破裂结构面的分布，及其组合关系，找出可能的滑移面和切割面以及它们与工程作用力的关系，研究滑移面的工程地质习性，以作为进一步研究坝基抗滑稳定的基础。但是，仅有地质学的方法是不能完全满足工程地质评价的要求的，因为它终究属于定性研究的范畴，并没有数量的概念。所以要深入研究某一工程地质问题时，还必须采用定量研究的方法。数学力学分析法、模型模拟试验法即属定量研究的范畴。(2)数学力学分析法数学力学分析法是在自然历史分析的基础上开展的。对某一工程地质问题或工程动力地质现象，在进行自然历史分析之后，根据所确定的边界条件和计算参数，运用理论公式或经验公式进行定量计算。例如在斜坡稳定性计算中通常采用的刚体极限平衡理论法，就是假定斜坡岩土体为刚体的前提下，将各种作用力以滑动力和抗滑力的形式集中作用予可能的滑移破坏面上，求出该面上的边坡稳定系数，作为定量评价的依据。为了搞清边界条件和合理地选用各项计算参数，就需要进行工程地质勘探、试验，有时则要耗费巨大的资金和人力。所以除大型或重要的建筑物外，一般建筑物往往采用经验数据类比进行计算。由于自然地质条件比较复杂，在计算时时常需要把条件适当简化，并将空间问题简化为平面问题来处理。一般的情况是，先建立一地质模型(物理模型)，随后抽象为数学模型，代入各项计算参数进行计算。当前由于现代电子计算技术的发展，各种数学、力学计算模型愈来愈多地运用于工程地质领域中。弹性力学和弹塑性力学理论的有限单元法也日益广泛地应用于斜坡稳定性、坝基抗滑稳定性、地面沉降及水库诱发地震危险性等的分析计算。这种方法在计算空间问题、非均一，非线性的复杂课题时更显示它的优越性。此外，模糊数学、数量化方法、灰色理论、逻辑信息法等的引入，为工程地质定量评价开辟了新的途径。(3)模型模拟试验法模型模拟试验法在工程地质研究中也常被采用，它可以帮助我们探索自然地质作用的规律，揭示某一工程动力地质作用或工程地质问题产生的力学机制，发生，发展演化的全过程，以便我们作出正确的工程地质评价。因为有些自然规律或建筑物与地质环境相互作用的关系可以用简单的数学表达式来表示；而有些数学表达式则十分复杂而难解，甚至因不易发现其作用的规律而无法用数学表达式来表示，在这种情况下，采用模型模拟试验则更为有益。进行模型模拟试验必须要有理论作指导，除了工程力学、岩体力学、土力学、水力学、地下水动力学等理论指导外，还必须有量纲原理和相似原理作指导。模型试验与模拟试验的区别，在于试验所依据的基础规律是否与实际作用的基础规律一致。例如用渗流槽进行坝基渗漏试验，是属于模型试验的方法，因为试验所依据的是达西定律，与实际控制坝基渗漏的基础规律相同。但若用电网络法进行这种试验，则属于模拟试验的方法，因为试验是以电学中的欧姆定律为依据的；欧姆定律与达西定律形式上虽然相似，而本质上则根本不同。在工程地质中常见的模型试验有:地表流水和地下水渗流作用，斜坡稳定、地基稳定、水工建筑物抗滑稳定以及地下洞室围岩稳定等工程岩土体稳定性的试验。常用的模拟试验有:光测弹性和光测塑性模拟试验，以及模拟地下水渗流的电网络模拟试验等。(4)工程地质类比法工程地质类比法在工程地质研究中也是常用的一种方法，可以用于定性评价，也可作半定量评价。它是将已建建筑物工程地质问题的评价经验运用到自然地质条件与之大致相同的拟建的同类建筑物中去。很显然，这种方法的基础是相似性，即自然地质条件、建筑物的工作方式、所预测的工程地质问题性质都应大致相同或近似。它往往受研究者的经验所限制。由于自然地质条件等不可能完全相同，类比时又往往把条件加以简化，所以这种方法是较为粗略的；一般适用于小型工程或初步评价。目前在评价斜坡稳定性中常用的“标准边坡数据法”“标准边坡数据法”即属此法。上述四种研究方法各有特点，应互为补充，综合应用。其中自然历史分析法是最重要和最根本的研究方法，是其它研究方法的基础。作为工程地质工程师是必须明确的。2、与其它学科的关系由上述可知，工程地质学所涉及的知识范围是很广泛的，它必须有许多学科的知识作为自己的理论基础。除了与地质学的各分支学科有密切关系外，还与其它许多学科相联系。地质学的分支学科:动力地质学、矿物学、岩石学、构造地质学、地史学、第四纪地质学、地貌学和水文地质学等，都是工程地质学的地质基础学科。工程地质研究没有上述各学科的知识，是无法进行的。在工程地质研究中，各地质学分支学科的理论和方法常为之应用。但是，工程地质学是为工程建设服务的，其研究目的性非常明确而实际，所以在研究的深度和方法上与地质学的其它分支学科有所不同。例如，动力地质作用都是动力地质学和工程地质学研究的对象，但前者主要是定性地研究其形态、分布、产生条件等方面内容；而后者不但要进行定性的研究，而且还要更深入地研究其形成机制，定量地研究其发生、发展演化的规律，对工程建筑物的影响程度，以及有效的防治措施等。 为定量评价工程地质问题，工程地质学需要数学和力学学科知识作为它的的基础。所以，高等数学、应用数学、工程力学、弹性力学、土力学和岩体力学等都与工程地质学有着十分密切的关系。工程地质学中的大量计算问题，实际上就是土力学和岩体力学中所研究的课题。因此，在广义的工程地质概念中，甚至将土力学和岩体力学也包含进去。土力学和岩体力学是从力学的观点研究土体和岩体的，它们应属力学范畴的分支学科。 工程地质学也以其它的基础学科作为自己的基础。如，物理学、普通化学、物理化学和胶体化学等。此外，工程地质学还与工程建筑学、环境学、生态学及其它应用技术学科有密切的联系。 三、工程地质学的历史、现状与展望在国际上，工程地质学作为地质学的分支学科，独立形成为一门科学，仪有50多年的历史，因而它是一门颇为年轻的科学。本世纪30年代初，在苏联开展了大规模国民经济建设。促使地质学与建筑工程科学的相互渗透，工程地质学由此作为一门独立学科而萌生了。1932年在莫斯科地质勘探学院成立了由.萨瓦连斯基领导的工程地质教研室，培养工程地质专业人才，并奠定了工程地质学的理论基础。与此同时，在欧美国家中工程地质工作也有所开展，但它是附属于土木建筑工程中的，并未成为独立完整的科学体系。他们主要从事一般地质构造和地质作用与工程建设关系的研究。有关岩土工程地质性质和力学问题的研究叫是由土力学和岩石力学来进行的。称之为岩土工程(Geotechnical engineering)。工程地质学经过了50多年的发展，学科体系逐渐完善，已形成为有多个分支学科的综合性学科。当前我国工程地质界在能源和矿产资源开发的工程地质、经济开发区和城市环境工程地质、地质灾害预测预报、工程地质图系编规范以及工程地质测试技术方法等方面，开展了广泛而深入的研究。工程地质学科正朝着宏观研究和微观、超微观研究相结合，基础研究和定量研究相结合的道路前进。同时，系统论、信息论、控制论、耗散结构等现代科学方法论已渗透到工程地质学科的研究领域内。工程地质学作为一门独立的科学体系在向前发展着。从当今的发展趋势看，现代工程地质学的发展方向是：(1)环境工程地质这是现代工程地质研究的热点。由于人类工程社会经济活动对地质环境影响日益广泛而深刻，使地质环境出现不良后果，甚至地质灾害频发。环境的恶化将严重威胁人类的生存和未来，因而促使国际工程地质界开展此项研究工作。要建立起地质环境与人类活动之间的理论模式关系和合理利用及保护地质环境的理论，科学地、合理地预测由于人类活动而引起地质环境的区域性变化。今后在水利水电工程、矿产开发和城市建设的环境工程地质研究势必会更深入地开展起来。(2)矿山工程地质近代矿山开采的特点是开采深度和范围愈来愈大，地质条件愈益复杂。深、露采的高边坡、深矿井强大的山岩压力，使岩体的工程地质条件发生一系列变化对工程地质研究提出了重要的新课题.(3)地震工程地质地震是人类所面临的最严重的地质灾害，因此地基抗震工程地质研究也是现代工程地质学的重要课题，它包括地震断层活动特性、震源机制、地震效应和地震危险性小区划的研究等方面。(4)海洋工程地质 向海洋索取资源和开辟建设空间，是人类所面临的重大抉择。大陆架海底资源的开发、海洋工程、海底隧道和海岸工程的兴建，促使开展海洋工程地质研究。其中海底现代沉积物及工程地质探测技术的研究，是重要的课题。总之，工程地质学发展的前景广阔，在它发展的道路上将使自己的体系不断充实和成熟，为人类作出更大的贡献。 上一页 下一页 返回 上一页 下一页 返回_你的位置：第一章 | 四、本课程内容与学习方法 四、本课程内容与学习方法本课程主要研究与工程建设有关的一些主要的工程动力地质作用和现象，包括它们的特征、形成机制、发生和发展演化规律、影响因素、可能产生的工程地质问题、分析评价和预测预报方法，以及防治措施等。所以实际上又是工程动力地质学研究的内容。工程动力地质作用的种类较多，但按其发生和发展的基本原因、动力来源来说，可划分为由地球内动力引起的、由地球外动力引起的和由人类工程经济活动引起的三大类。由此，课程内容也分为三篇共十章。第一篇由地球内动力引起的工程动力地质作用，包括活断层、地震和砂土地震液化的工程地质研究。 第二篇由地球外动力引起的工程动力地质作用，包括岩石风化、斜坡的变形与破坏、渗透变形、岩溶的工程地质研究。第三篇由人类工程经济活动引起的工程动力地质作用，包括诱发地震、地面沉降工程地质研究。通过本课程的学习，要求掌握对各种工程动力地质作用分析研究的思路和方法，以便在今后工作中能运用来解决实际问题。课程以讲授为主，辅以必要的习题、作业。考虑到授课学时的限制，第三篇可自学、选修。这一篇实际上是属环境工程地质学的范畴，所以也可列为专题讲座的内容。 上一页 下一页 返回 上一页 下一页 返回_你的位置：第一章 | 本章小结 本章小结本章主要介绍了工程地质学的主要研究内容、研究方法及实际意义，它与其它学科间的相互关系，工程地质学发展历史、现状和研究前沿。如何学习该课程。重点是一些工程地质所涉及的基本概念及工程地质学的任务及研究方法。1、基本概念：工程地质条件：与工程建设有关的地质因素的综合。这些因素包括:岩土类型及其工程性质、地质构造及岩土体结构、地貌、水文地质、工程动力地质作用和天然建筑材料等方面。工程地质问题：指的是工程地质条件与建筑物之间所存在的矛盾或问题。不良地质现象：对工程建设不利或有不良影响的动力地质现象。它泛指地球外动力作用为主引起的各种地质现象，如崩塌、滑坡、泥石流、岩溶、土洞、河流冲刷以及渗透变形等，它们既影响场地稳定性，也对地基基础、边坡工程、地下洞室等具体工程的安全、经济和正常使用不利。2、工程地质学的主要任务是：阐明建筑地区的工程地质条件，并指出对建筑物有利的和不利的因素；论证建筑物所存在的工程地质问题，进行定性和定量的评价，作出确切的结论；选择地质条件优良的建筑场址，并根据场址的地质条件合理配置各个建筑物；研究工程建筑物兴建后对地质环境的影响，预测其发展演化趋势，并提出对地质环境合理利用和保护的建议；根据建筑场址的具体地质条件，提出有关建筑物类型、规模、结构和施工方法的合理建议，以及保证建筑物正常使用所应注意的地质要求；为拟定改善和防治不良地质作用的措施方案提供地质依据。3、工程地质学的研究方法:工程地质学的研究方与它的研究内容相适应的，主要有自然历史分析法、数学力学分析法、模型模拟试验法和工程地质类比法。四种研究方法各有特点，应互为补充，综合应用。其中自然历史分析法是最重要和最根本的研究方法，是其它研究方法的基础。 上一页 下一页 返回 上一页 下一页 返回_你的位置：第一章 | 强化练习 强化练习1、工程地质学的主要研究任务是什么？2、什么是工程地质条件？3、什么是工程地质问题？4、工程地质学的研究方法有哪些？参考答案1、工程地质学的主要任务是：阐明建筑地区的工程地质条件，并指出对建筑物有利的和不利的因素；论证建筑物所存在的工程地质问题，进行定性和定量的评价，作出确切的结论；选择地质条件优良的建筑场址，并根据场址的地质条件合理配置各个建筑物；研究工程建筑物兴建后对地质环境的影响，预测其发展演化趋势，并提出对地质环境合理利用和保护的建议；根据建筑场址的具体地质条件，提出有关建筑物类型、规模、结构和施工方法的合理建议，以及保证建筑物正常使用所应注意的地质要求；为拟定改善和防治不良地质作用的措施方案提供地质依据。2、工程地质条件指的是工程建筑有关的地质因素的综合。地质因素包括岩土类型及其工程性质、地质结构、地貌、水文地质、工程动力地质作用和天然建筑材料等方面。3、工程地质问题指的是工程地质条件与建筑物之间所存在的矛盾或问题。4、工程地质学的研究方与它的研究内容相适应的，主要有自然历史分析法、数学力学分析法、模型模拟试验法和工程地质类比法。四种研究方法各有特点，应互为补充，综合应用。其中自然历史分析法是最重要和最根本的研究方法，是其它研究方法的基础。 上一页 下一页 返回 上一页 下一页 返回_你的位置：第二章 | 第一节 | 一、活断层的定义 第二章 活断层工程地质研究第一节概述一、活断层的定义 活断层(active fault)是指目前正在活动着的断层，或是近期曾有过活动而不久的将来可能会重新活动的断层。后一种情况也可称为潜在活断层(potentially active fault)。美国将活断层叫做能动断层(capable fault)。各国学者对目前正在活动着的断层，因有鉴别标志佐证而无争议。但对潜在活断层的判定则有不同见解，主要是对“近期”一词的看法不同，即对活断层活动时间的上限有不同的标准。有的将第四纪开始以来活动过的断层都叫活断层，有的将活断层的时间上限定在晚更新世，有的则限于最近35000年(以Cl4确定绝对年龄的可靠上限)之内，也有的认为只限于全新世之内。时间差距竟达近200倍。从工程使用的时间尺度和断层活动资料的准确性考虑，活动时间上限不宜过长。一般工程的使用年限为数十年，一些重大的工程设施如高坝、核电站等使用年限在一二百年以内。因此人们更为关心的是“不久的将来”(例如一二百年内)有无活动的可能性。从工程勘察的角度出发，应给予潜在活断层以明确的含义。美国原子能委员会(USNRC)1973年对能动断层做出了三条规定：在35000年内有过一次或多次活动的断层；与能动断层有联系的断层；沿该断裂带仪器记录到小震活动和多次的历史地震事件，或该断裂发生过蠕动。国际原子能机构(IAEA)在上述规定的基础上，又增加了两条规定：在晚第四纪它们有过活动；该断裂有地面破裂的证据。日本的核电部门强调了“在最近可能发生活动”的含义。在世界许多地区，对活断层的辨认和研究最初是从地震断层(earthquake fault)开始的。如日本1891年浓尾地震，美国1905年旧金山地震，都产生了明显的地震地表断层，从而推动了对活断层的研究。数十年来的研究表明，活断层一般是沿已有的断层长期活动或是老断层的复活(当然也有新形成的断层)；它的活动方式基本有两种，即以地震方式产生突然的滑动和连续缓慢的滑动。同一条断层在不同时期和不同区段，其活动方式可交替出现。活断层的活动强度一般以其长度和错动速率表征的。世界上著名的活断层，如圣安德烈斯断层(美国)、安纳托里亚断层(土耳其)、博格多断层(蒙古)、郯庐断裂(中国)等，都长达数百公里以至上千公里，它们最新活动的标志极为清晰，现今均发生过8级左右的大地震，具有强烈的活动性。而长度较小的活断层，其活动性则相对较弱。活断层的错动速率是以某一时期内断层两盘相对位移的平均值来表示的，一般认为错动速率1mma以上的即为较强烈的活断层了。伴随有地震活动的活断层，在地震活动时相对位移较大，而在非活动期则位移很小甚至无位移。所以采用重复精密测量和密集的地震台网监测，可判定断层的活动性。历史上或近期地质时期内曾经活动过的断层，可藉助于历史地震记录、古建筑的破坏和地质标志来判别它。我国是一个文明古国，有3000年左右的地震历史记载，可以帮助我们判定活断层的存在以及间歇性活动断层的错动周期；但活断层的具体位置往往难以判定。因断层活动遭致古建筑破坏的事例，不仅能确切地判定活断层的位置，而且可估算其错动速率。宁夏石咀山市红果子沟，明代中、晚期(距今约400年)修建的一段东西向长城，有两处被错断，均呈右旋扭动，同时存在水平和垂直错动，其中水平错距达1.45m，垂直错距为0.9m。这两处错断均为断层的蠕动所致，跨越长城的断层走向为N28oE。由此估算其错动速率，水平和垂直方向各为3.63及2.25mma。地质标志是判定断层活动性的主要依据。详细地研究断层长期活动在最新沉积层或地貌上留下来的证据，既可判定该活断层的错动方式和规模，又可判定其错动的时间和周期。 上一页 下一页 返回 上一页 下一页 返回_你的位置：第二章 | 第一节 | 二、活断层对工程建筑物的影响 二、活断层对工程建筑物的影响 活断层对工程建筑物的影响表现为两个方面。一方面是由于活断层的地面错动直接损害跨越该断层修建的建筑物；有些活断层错动时附近有伴生的地面变形，则也会影响到邻近的建筑物。另一方面是伴有地震发生的活断层，强烈的地震对较大范围内建筑物的损害。从工程地质观点出发，这两方面的问题均与工程的区域稳定性或地壳稳定性密切相关。长期蠕动和地震发生时突然滑动的活断层，都可对建筑物造成直接损害。上面提到的宁夏石咀山附近长城被错断即为一例。长达1000余公里的圣安德列斯大断层是世界上最活跃的活断层，特别是旧金山东南从霍利斯特至帕克菲尔德约200km的区段内，激光测距获得的断层蠕动速率是14cma，因而跨越断层的公路、围墙等建筑物几年后就能发现较大的错位。我国唐山大地震时有一条长8km，走向N30°E的地表断层，正好由市区通过，最大水平错距3m，垂直断距0.71m。该断层穿过的道路、房屋、围墙等一切建筑物全被错开(图21)。 图21唐山大地震地表断层错动(据虢顺斑等.1977)活断层发震所产生的地震波，对附近大范围内的建筑物发生影响；尤其是那些累积很大弹性应变能的粘滑型断层，当其锁固段或端点一旦破裂时，应变能大量释放所发生的强烈地震，将会导致建筑物的严重损害。所以在预测地震危险性时必须首先研究活断层。 上一页 下一页 返回 上一页 下一页 返回_你的位置：第二章 | 第二节 | 一、活断层的类型 第二节活断层的基本特征一、活断层的类型 根据断层面位移的矢量方向与水平面的关系，可将活断层划分为倾滑断层与走滑断层。倾滑断层又可分为逆断层和正断层；走滑断层也叫平移断层，又可分为左旋断层和右旋断层。逆断层、正断层和平移断层，它们的构造应力状态、几何特征和运动特性不同，所以对工程场地的影响也各异。逆断层的构造应力状态是 近于水平， 近于竖直。断层面与水平面的夹角一般小于45o，且往往呈舒缓波状。逆断层的上盘(上升盘)分支和次生断裂往往较为发育，岩性破碎，地表变形强烈(图22)。这类断层的规模可很大，长达数千公里，且断层带很宽。世界上许多大的地震都是伴随逆断层错动产生的，如日本岛弧一系列大的地震即是由太平洋板块向欧亚板块俯冲而产生；我国西部地区的喜马拉雅山、天山和祁连山等山前巨大的逆断层，频频发生地震。这类逆断层有时地表变形范围很大，如1964年阿拉斯加地震时，2×105km2面积发生变形，最大垂直上升达12m。正断层的构造应力状态是 近于竖直， 近于水平，断层面与水平面的夹角一般大于45o，且往往呈参差状，断层带也较宽。正断层的上盘(下降盘)分支和次生断裂也往往较为发育，岩性破碎，地面变形强烈(图23)。太平洋、大西洋和印度洋的中脊即为世界上规模最大的活动正断层。大陆上著名的活动正断层有东非裂谷带、美国西部大盆地省、欧洲莱菌地堑、苏联贝加尔裂谷带等。我国的活动正断层主要分布于东部地区，主要有汾渭地堑、银川地堑、太行山东缘断裂等。上述地带的地壳均承受了水平张应力。由正断层活动所产生的地震较之逆断层和平移断层要少得多，且地震震级相对也较小。 图22活动逆断层的应力状态 图23活动正断层的应力状态平移断层的构造应力状态是 和 均近于水平，断层面即为 、 之间的最大剪应力面，近于直立，断层线平直，而断层带极窄。世界上最著名的活动平移断层有美国加州的圣安德列斯断层带、土耳其安纳托利亚断层带、新西兰阿尔卑斯断层带等。在我国，此类活断层最多，它们主要分布于西南和西北地区，其规模巨大，如鲜水河断裂、小江断裂、红河断裂、阿尔金断裂、阿尼玛卿断裂、喀依尔特-二台断裂、班公湖断裂等。平移断层具有鲜明的地貌特征，尤其对水系的错断改造最为清楚，所以水工建筑物也往往受这类活断层的威胁。实际资料表明，板块内部的大地震大多是伴随平移断层活动而产生的。平移断层往往是大陆内部地块问的边界，直接显示出各地块间近期相互运动的状况。上述三类活断层的位移矢量是单纯地倾滑或走滑，而实际上的位移矢量多是倾滑走滑两种分量的合成。因此断层也叫做左旋逆断层、右旋正断层等。按断层的主次关系，又可将活断层分为主断层(main fault)、分支断层(branch fault)和次级断层(secondary fault)。次级断层实际上仍属主断层的分支，对于逆断层和正断层来说它主要产生在上盘，而平移断层是很少有次级断层伴生的。 上一页 下一页 返回 上一页 下一页 返回_你的位置：第二章 | 第二节 | 二、活断层的活动方式 二、活断层的活动方式 活断层的活动方式基本有两种，一种是以地震方式产生间歇性地突然滑动，这种断层称地震断层或粘滑型断层(stick-slip fault)。一种是沿断层面两侧岩层连续缓慢地滑动，这种断层称蠕变断层或蠕滑型断层(creeping fault)。粘滑型活断层的围岩强度高，断裂带锁固能力强，能不断地积累应变能。而当应力达到一定强度极限后产生突然滑动，迅速而强烈地释放应变能，造成地震。所以沿这种断层往往有周期性的地震活动。蠕滑型活断层主要发育在围岩强度低，断裂带内含有软弱充填物，或孔隙水压、地温的高异常带内，断裂的锁固能力弱，不能积累较大的应变能，在受力过程中易于发生持续而缓慢地滑动。断层活动一般无地震发生，有时可伴有小震。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和震源外围的蠕滑问题。1976年唐山地震前后的一些宏观现象，如井壁坍塌、井喷等，可能是与深部断裂的蠕动有关。据唐山地震震中区地形变资料反演求得，在19691975年曾发生了走滑错距为104cm的无震蠕滑，走向和倾向滑动的平均速率分别达18.6cma和1.4cma。此外，有的地震刚发生时，地表上见不到断层位移，经过数日或一年后，地表才出现这次地震产生的位移。这种断层后效蠕动位移现象，已由美国帕克菲尔德和博利戈山两次地震后的观测资料所证实。说明地震时基岩中发生的断层位移，在其上覆盖层中是以塑性流动的形式而滞后到达地表面的。 上一页 下一页 返回 上一页 下一页 返回_你的位置：第二章 | 第二节 | 三、活断层的继承性与反复性 三、活断层的继承性与反复性 研究资料表明，活断层往往是继承老的断裂活动的历史而继续发展的，而且现今发生地面断裂破坏的地段过去曾多次反复地发生过同样的断层运动。一些活动构造带的古地震震中，总是沿活动性断裂有规律地分布的，岩性和地貌错位反复发生，累积叠加，其中尤以走滑断层最为明显。例如，新疆喀依尔特-二台活断裂在地质时期内长期活动，其右旋走滑运动幅度的最大值26km；上更新世早期形成的水系被错移的最大值2.5km。根据大量古地震现象，不同期次断层错动不同层序沉积物的资料和C14年代测定等综合分析，初步可确定断裂带上有35次古地震事件，各次地震位移累积叠加。说明该断裂在相当长的地质历史时期内，在差不多同