地震破坏方式有共振破坏、驻波破坏、相位差动破坏、地震液化、地震带来的地质灾害和地震引发的海啸破坏6种。
1)共振破坏
某一场地的地基土具有一定的场地震动卓越频率(可通过在深夜安静时用地震仪和加速度计观测得到)和卓越周期。而场地上的某一个设计建筑物自身建造完成后有一个固有频率。当场地地基的卓越频率与该建筑物的固有自振频率一致时,在地震时就容易产生共振破坏。
卓越周期T可用式(8.1)计算:
式中 hi——第i层厚度,一般算至基岩;
vs——横波波速。
根据地震记录统计,地基土随其软硬程度不同,卓越周期可划分为4级:Ⅰ级——稳定岩层,卓越周期为0.1~0.2s,平均0.15s;Ⅱ级——一般土层,卓越周期为0.21~0.4s,平均0.27s;Ⅲ级——松软土层,卓越周期为Ⅱ~Ⅳ级;Ⅳ级——异常松散软土层,卓越周期为0.3~0.7s,平均0.5s。
一般低层建筑物的刚度比较大,自振周期比较短,大多低于0.5s。高层建筑物的刚度较小,自振周期一般大于0.5s。经实测,软土场地上的高层(柔性)建筑和坚硬场地上的拟刚性建筑的震害严重,就是由上述原因引起的。因此,为了准确估计和防止上述震害发生,必须使建筑物的自振周期避开场地的卓越周期。
2)驻波破坏
地震时当两个幅值相同、频率相同但运动方向相反的两个地震波波列,运动到同一点交会时,形成驻波,其幅值增加一倍。当驻波在某处建筑物产生时,会由于波幅增大一倍对建筑物形成较强的破坏作用,称为驻波破坏。当相同条件的地震波与从沟谷反射回来的反方向地震波在某地建筑物相会时,就会产生驻波而造成该建筑物破坏。
3)相位差动破坏
当建筑物长度小于地面振动波长时,建筑物与地基一起做整体等幅谐和振动。但当高层建筑等其高度大于场地地基土的振动波长时,两者振动相位不一致从而会形成很大协调的振动(高层的顶端位移大,底端位移小),此时不论地面振动位移(振幅)有多大,而建筑物的平均振幅为零。在这种情况下,地震波引起的地基振动激烈地撞击建筑物的地下结构部分,并在最薄弱的底层部位导致剪切破坏,即为相位差动破坏。
4)地震液化与震陷
(1)地震引起砂土液化
地震引起的砂土液化是指地震产生的持续振动,使得饱和砂土层中的孔隙水压力骤然上升,且来不及消散从而将减小砂粒间的有效压力,当孔压上升到上覆土的总应力时,将导致砂土颗粒的有效压力全部消失,从而使砂与水一起流动,由此饱和砂土层将完全丧失抗剪强度和承载能力的地质现象。地震液化的宏观表现有喷水冒砂和地下砂层液化两种。地震液化会导致地表沉陷和变形,称为震陷。震陷将直接引起地面建筑物的变形和损坏。
(2)地震液化的发生条件(www.daowen.com)
①要有粉砂土层的存在且地下水位较高;
②粉砂土层的埋藏深度一般在20m以内;
③要有持续的地震动或打桩振动等振动作用。
(3)饱和粉砂土层抗液化的措施
防止地震引发液化破坏的最好措施是,对拟设计的建筑物采用合理的桩基础形式或有抗震措施的浅基础形式,并提高建筑物与基础的整体刚度。
防止打桩振动等可能引起的液化破坏的合理措施,包括打桩时人工降低地下水位,打桩时预打应力释放孔,地基注浆加固,设置隔振沟、隔振屏蔽桩等。
5)地震诱发的地质灾害
地震诱发的地质灾害主要是指,强烈的地震作用使得高山边坡上的岩土体发生松动、失稳,从而引发滑坡灾害、崩塌灾害、泥石流灾害、堰塞湖灾害等不良地质灾害。这些灾害造成的破坏往往是巨大的破坏和突发性的破坏,可以掩埋山区村落的房屋、道路交通、水库河道等。汶川地震中北川县城被埋是地震诱发地质灾害的典型例子。因此,工程建设规划设计时要避开可能受地震影响而激发地质灾害的危险地带。
6)地震引发的海啸破坏
海啸是水下地震、火山爆发或水下塌陷和滑坡等激起的巨浪,在涌向海湾内和海港时所形成的破坏性的大浪。
破坏性的地震海啸,只在出现垂直断层,里氏震级大于6.5级的条件下才能发生。全球地震海啸发生区的分布基本上与地震带一致。破坏性较大的地震海啸平均六七年发生一次,其中约80%发生在环太平洋地震带上。当海底地震导致海底变形时,变形地区附近的水体产生巨大波动,海啸就产生了。
2004年12月26日,位于印度板块、欧亚板块和太平洋板块三者交汇点的苏门答腊岛,由于板块相互挤压,在长达1000km的地壳上出现了一个大断层,地球内部的巨大应力在顷刻间释放出来,发生里氏8.7级地震,地震引发了巨大的海啸,其最大浪高超过了40m。印度洋大海啸给印度尼西亚、斯里兰卡、印度、泰国等国造成了重大人员伤亡和财产损失,这次海啸共导致12万多人死亡。
2011年3月11日,日本仙台地区发生里氏9级地震,地震引发了浪高达10m巨大的海啸,造成3万余人伤亡和失踪,且导致福岛核电站被淹破坏的严重核安全事故,引起全世界对地震海啸的充分关注。
海啸威力如此之大,所以在海边建筑物选址时要尽可能将建筑物选择建在海拔较高的位置,以防止海啸淹没建筑物。对核电站等重要的建筑设施除了要选择建在场地稳定性好的、海拔较高的位置外,还要注意构筑高大的防护堤坝和完善的排水设施,同时要做好双路供电、双向排水等应急措施。
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