玉树地震生土墙结构房屋震害现状及分析

第二章　西北地区的地震灾害及生土建筑抗震调查

2.1　西北地区的地震和受灾状况

2.1.1　西北地区的地震

西北地区5级以上地震主要分布在天山地震带、西昆仑阿尔金地区、祁连山地震带、柴达木共和地块、甘东南地区和库玛地震带。天山地震带5级以上地震主要分布在南北天山地区，地震活动频度高、强度大，曾发生1902年阿图什8.0级地震和多次7级地震，1949年以来发生最大地震为1985年8月23日乌恰7.4级地震。祁连山地震带自1920年海原8.5级地震开始，陆续发生了1927年古浪8.0级、1932年昌马7.6级、1954年山丹7.3级地震。1949年以来，5级以上地震主要集中在祁连山中西段的景泰 古浪张掖肃南地区、祁连山东端的海原固原地区和龙首山地区，最大地震为1954年山丹7.3级。甘东南地区在历史上曾发生3次8级地震，是西北地区主要的地震活跃带。1949年以来，该地区地震活动主要以5级地震为主，发生最大地震为1987年迭部5.8级。1949年以来柴达木共和地块地震活动主要集中在兴海、共和、霍布逊湖和德令哈地区，最大地震为1990年共和7.0级地 震。库玛地震带地震频度高、强度大，1949年以来记录的5级以上地震主要集中在库玛断裂带及附近地区，发生最大地震为2001年昆仑山口西8.1级地震。

据不完全统计，西北五省发生过94次6级以上的大地震，其中6.0～6.9级地震80次，7.0～7.9级地震13次，1次8级以上的特大地震。发生过的最大地震为2001年11月青海昆仑山口西8.1级地震，震中最大烈度Ⅺ度。

2.1.2　西北地区地震灾害与经济条件的对比

西北地区地震频度高、强震多。即使西部地区部分地震发生在无人区或者人口稀少的地区，并未造成严重的地震灾害，西北地区的地震灾害仍然是比较严重的。西北地区由于经济水平条件制约，加上气候环境和风俗文化等影响使得西北地区农村民房抗震能力普遍较差。就全国而言，西北农村地区不仅地震灾害严重而且其损失相较其经济水平更为惨重。一次6级以上地震，可能导致上万乃至十多万的贫困人口。地震灾害无疑对西北地区社会经济可持续发展及贫困人口减少带来严峻的挑战。

西北地区城市化程度低，农村人口比例大，农村经济欠发达，农民人均纯收入严重低于全国平均水平，低收入贫困人口比例较高，这客观上也造成西北地区农村震害预防意识淡薄，防震减灾经济承受能力较差。

2.1.3　汶川地震和玉树地震

北京时间2008年5月12日14时28分，在我国四川阿坝藏族羌族自治州汶川县境内、四川省成都市西北偏西方向90km处发生了里氏8.0级特大地震。根据中国地震局的数据，此次地震的面波震级达Ms8.0，破坏地区超过10万km2。地震烈度最高达Ⅺ度，地震波及大半个中国及多个亚洲国家，除黑龙江、吉林、新疆外均有不同程度的震感，其中以陕甘川三省震情较为严重。Ⅵ度区的面积约为314 906km2。汶川地震中有69 197人遇难，374 176人受伤，失踪18 209人，倒塌房屋536.25万间，损坏房屋2 142.66万间，直接经济损伤达8 451亿元。

北京时间2010年4月14日，在我国青海省玉树藏族自治州的玉树县境内发生了里氏7.1级地震，地震波及至四川甘孜藏族自治州部分地区、西藏昌都及那曲东三县部分地区。地震烈度最高达到Ⅸ度，2 698人遇难，12 135人受伤，倒塌房屋15 000户。

2.1.4　玉树地震与“5·12”汶川地震的主要差异

（1）从主震特征来看，玉树地震所释放的能量仅相当于汶川地震的大约1/30。玉树地震的发震断层较单一，震源机制为走滑型地震，地表破裂带长度大约在31～46km之间。而汶川地震由龙门山中央断裂产生逆冲兼具走滑运动引发的强震，断层破裂长度达300km，同时牵动前山断裂也产生约60km长的破裂。

（2）从地震序列特征来看，玉树地震是前震主震余震型，主震之前约两小时曾发生4.7级前震，只可惜它没有起到警示作用，地震主震与最大余震质检的震级差是0.8级，时间差为96分钟，空间位置相差仅20km，3.0级以上余震只有12次。而汶川“5·12”地震是突发强震，没有前震，属于主震余震型，余震过程持续时间较长，直到2011年2月14日理县还发生3.2级地震，主震与最大余震的震级差是1.6级，时间差是13天，空间位置相差300km，4.0级以上余震有300余次。

（3）从地震的灾害来看，玉树地震主要是因房屋被震垮所造成的人员伤亡和财产损失，次生灾害少。汶川地震由次生地质灾害所造成的人员伤亡较大，因堰塞湖排险所造成的经济损失也很大。

另外，虽然这两次地震都发生在巴颜喀拉地块边界的活动断裂上，但两者发震断层之间并没有直接的构造联系，分属于不同的二级构造单元。两次地震序列之间并未出现相互的呼应，可以看做是两个独立的地震事件。

2.2　西北地区活动断层分布

2.2.1　西北地区主要地震带及典型地震

1）新疆及其邻区

新疆及其邻区地震带属于印度板块和欧亚板块的结合最为显著部位或称弧顶，或称应力最为集中区。这一地区地震活动背景值较一般内陆地区地震活动水平高，是中国大陆地震最活动的区域之一。据不完全统计，自1600—1990年共发生M≥4.7以上地震1 300余次，其中，6级以上地震110余次，特别是20世纪以来，曾发生7.7级以上地震达30余次。

新疆及邻区地震发震断层主要有4组，它们是阿勒泰断裂、北天山断裂、南天山断裂和塔里木南缘及阿尔金断裂。20世纪以来这4组发震构造均有7级以上地震发生，如1902年阿图什8.2级地震，1906年在沙湾8.0级地震，1931年新疆富蕴8.0级地震，1944年心源7.2级地震和喀什7.0级地震，1949年轮台库存7.2级地震，1955年乌恰2次7级地震，1985年乌恰7.4级地震。

2）青海和祁连山地震带

青海和祁连山地震带属青藏高原北部地震区，在这里7级以上强烈地震和中强地震的活动有非常明显的相关关系，该区有其自己的地震活动规律和周期性。

青海及其邻区北边界为祁连山断裂，南边界可认为唐古拉山断裂，西边界为阿尔金断裂，北部边界不明显。青海中部有舒玛断 裂，曾先后发生过1937年7.5级地震、1963年7.0级地震和1971 年6.8级地震，也是一个孕育较强地震的构造。

3）南北地震带北段

南北地震带是以青藏高原地壳为主体和兼并了扬子地块西部而成的新生构造实体，具弥漫性边界。构成其基本构架的巨型反S形或缓弧形构造带，分布在中部的弧顶朝南的弧形构造以及发育在东界附近的旋卷构造。南北地震带北段范围亦较大，南起甘肃东南部以及甘川交界一带，北至宁夏、内蒙古交界或更北些的地方。这一地区的地震活动比较复杂。

武都天水临夏玛曲地区，地震主要发生在武都礼县天水一线；固原景泰地区地震密集于西吉、海原、固原地区，该区域横穿西秦岭多条东西向断裂带；南、西华山六盘水断裂带和固原青铜峡断裂带在该区域复合；古浪山丹雅布赖地区深断裂带围限的古浪、武威、门源地区地震最多，其次是民勤东侧地区、山丹地区地震集中成团，且都位于深大断裂带上；肃南肃北地区地震不在祁连山断裂带上，向西止于阿尔金断裂带与祁连山断裂带交汇的地区。

2.2.2　西北地区各省主要活断层活动情况以及典型地震

新疆断块区是挤压环境下的再生造山断块和盆地断块发育区，以活动逆断裂褶皱带和压陷盆地发育为主要特色，它们也是控制地震的主要发震类型，区内与之相关的大型走滑断裂及走滑型地震也有发育。塔里木和准格尔盆地断块均是结构完整、整体活动性强的断块，天山和阿尔泰山断块都是新生代再生造山断块，山前前陆盆地内活动逆断裂褶皱带与地震关系十分密切，如天山南北两侧山前的活动逆断裂褶皱带，再生造山带内部活动逆断裂和压陷盆地发育，与地震有紧密的关系。东昆仑山和柴达木盆地是相互耦合的一对山盆系统，在压陷型柴达木盆地内发育一系列北西向活动褶皱，划分东昆仑柴达木断块的是西秦岭北缘青海南苑柴达木北缘断裂，全新世左旋走滑速率变化范围为1.7～4.5mm/a，祁连山断块内部发育了两组共轭的断层，其中，北西西向左旋走滑断层的水平速率可达2.5～5.4mm/a，逆断层型垂直滑动速率为0.4～1.2mm/a，北北西向右旋走滑断裂水平滑动速率可达2～3.5mm/a。

新疆地区断裂构造十分发育，其中，天山地震带是新疆地震活动的主体区域。天山地震带又分为南天山地震带和北天山地震带，南天山地震带的地震活动水平高于北天山。天山地区活断层非常发育，主要为近东西向、北西北西西向、北东向3组。近东西向规模较大，具有较长的发育历史，以挤压逆冲为主，许多强震和大震均发生在此组断裂上，北西向断裂以艾比湖伊连哈比尔尕断裂带最为典型，它们斜截天山，以右旋走滑为主；北东向断裂主要集中分布在柯坪断块区，以左旋走滑为主。上述几组断裂构成了天山的构造格架。绝大多数活断层的倾角在45°以上，尤其是55° 和70°倾角的活断层所占比例较大。新疆及毗邻地区主要活动断层的长度在100～500km区间内比较集中，发生1931年8级大震 的可可托海二台活断层长达600km以上，此类活断层比较少见。新疆活断层大部分是倾滑型的逆断层，个别为横断型的走滑断层，1 000km以上的是走滑型断层，比如著名的阿尔金断层。

青藏高原北部地区活动构造十分复杂，主要发育了两组主导性活动构造。断裂活动性质主要为挤压逆冲兼走滑剪切活动、走滑活动为主，兼逆冲分量，以晚更新世全新世活动断裂为主。北 西北西西向断裂为边界深大活动断裂，断裂规模大，延伸长，以左旋走滑活动为主，是发生强震的主要场所。区域地壳缩短和山体隆升主要通过一系列北西西向逆冲断裂和褶皱而实现。根据区内 主要断裂活动性质及区域介质特征，将其划分为4个构造单元。

1）祁连山地震带

祁连山次级地块位于青藏高原东北边缘，四周分别被深大走滑活动断裂包围，形成一个相对独立的、非常活跃的次级地块，在区域主要应力场作用下祁连山次级地块内部发生挤压逆冲，形成一系列推覆体构造，由西向东分别为酒西盆地的北祁连山冲断推覆构造、老君庙冲断推覆带，武威盆地的古浪推覆体构造和陇西盆地的六盘山挤出构造。这些推覆体的总体特征为西部规模大，形成时代久，而东部的规模较小，形成时代相对较新。这些断裂第四纪以来具有很大的左旋走滑分量，造成整个地块具有向东滑移的趋势，反映了块体顺时针旋转的运动特征。该地区曾发生1920年海原8.5级地震。

2）甘东南地区

甘东南地区北部边界为西秦岭北缘活动断裂，东部为岷山构造带和龙门山断裂带，1974年玛曲5.6级地震，1987年迭部5.9级地震均位于白龙江断裂带上。南部为玉树断裂，内部存在北西和北东两组构造，均以左旋或右旋走滑活动为主。在北东东和近东西向区域应力场作用下，柴达木共和地块的顺时针旋转和向东南方向的挤出，导致了甘东南地区成为应力集中的主要地区，也是应力矢量最大的地区，历史上曾发生1879年武都8级地震。

3）柴达木共和地块

柴达木共和地块是相对稳定的地区，在北北东和北东向区域应力场作用下，北西北西西向断裂发生左旋走滑活动，而北北西向断裂发生右旋走滑活动，造成了整个地块发生顺时针的旋转和向东南方向的挤出运动，这些边界深大断裂是强震和中强震孕育的主要场所，该地区发生最大地震为1990年共和7.0级地震。

4）库玛断裂带

库玛地震带主要由库玛断裂及附近的次级断裂组成，包括北 东东向展布的玛尔盖茶卡断裂及以东的若拉错断裂、甘孜玉树断裂等。库玛断裂带是青藏高原内部主要的块体边界活动断裂，以左旋走滑活动为主，规模大、切割深，是强震的主要孕育场所之一。

西秦岭北缘断裂带是秦岭昆仑东西向复杂构造带的组成，也是祁吕贺兰山字形构造前弧的组成部分，东起天水市西北的凤凰山南麓，往西经甘谷、武山、漳县、车厂沟、锅麻滩至楼勒山，长约250km。是由多条近乎平行的断裂组成，总体走向北西西，局部地段略有变化。本带的主干断裂首尾贯穿，东起凤凰山麓，至洮河西侧附件消失，洮河以西活动性较强的断裂是锅麻滩北缘断裂。自晚更新世以来，本断裂以反扭走滑活动为主，其垂直活动很弱，并在洮河地区和鸳鸯镇地区呈左旋左阶关系。根据野外调查，西秦岭北缘主断裂带以鸳鸯镇拉分构造区为界，分为东段和西段，两端活断层、地震活动和断裂排气活动等特征差异很大。

海原活动断裂带为典型的脆性剪切破裂带，其由11条不连续的次级剪切断层、8个拉分盆地和2个推挤构造带组成。

2.3　生土结构房屋的震害特征

生土结构房屋的耐久性、整体性和延性较差，因此，抗震性能也较差。加上我国村镇地区的经济相对落后和抗震防灾意识不强，生土结构房屋的抗震能力不容乐观。历次地震震害表明，当遭受6度地震烈度时，就有相当一部分生土结构的墙体产生开裂和局部破坏，甚至房屋整体倒塌，在大震中损失尤其惨重。在地震中，生土结构房屋的墙体、屋面等均可能发生严重破坏，而生土墙体的破坏是生土结构房屋发生严重震害的主要原因，生土结构房屋的主要震害表现为：

1）生土结构房屋的倒塌

造成生土墙在地震中倒塌的原因很多。地基潮湿，墙体未采取防潮措施时，墙脚会因受潮而剥落或被雨水反复侵蚀，致使墙厚减弱，墙脚处外侧凹陷，地震时会造成倒塌。挑檐在地震时来回摆动，使生土墙产生裂缝，严重的发展到墙角塌落或山墙倒塌。生土墙纵横连接较差，墙体交接处缺少拉结，有的横墙后砌无拉结和咬槎，地震时在水平力作用下很容易发生墙体开裂、墙体外倾或倒塌。

结构平面布置不合理、纵横墙无拉结、土墙过高或有效横支撑间距偏大，使纵横墙体不能协调工作，容易形成单片墙体，在垂直于墙面的地震作用下墙体外倾或倒塌，并引起屋顶塌落；同时承重山墙的山尖较高，当缺乏拉结和支撑措施时，在地震作用下山尖部分容易发生倾斜或倒塌。如果搭在山墙上的檩条搭接长度较短或没有垫木连接，地震作用使檩条从墙中拔出，引起屋顶塌落。

2）生土墙开裂或外鼓

生土墙开裂或外鼓的因素很多，与生土墙特性、构造措施和地震作用大小均有关。

生土墙内设有烟道或承重墙上门窗洞口过多，削弱墙体，在地震作用下，常因墙体强度不足产生裂缝。生土墙房屋纵横墙体间若无搭砌咬槎和拉结措施，在地震水平力的作用下，很容易发生墙体开裂、墙体外倾的现象。

由于应力集中效应，接触面处墙体压应力增大，又未采取分散压应力的措施，使抗压强度不足，在使用阶段就产生了竖向裂缝，地震发生时，地震作用引起梁、檩条与墙体搭接处的冲撞，造成裂缝明显增大。

由于立砌的土坯之间无拉结措施，加上泥浆黏结性能差，在压力作用和地震作用下，最外层土坯墙的强度及稳定性不足出现墙体外鼓现象。

3）屋面的破坏

屋盖系统的檩条或大梁直接搁置在夯土墙上，墙体与檩条或大梁接触部位受集中荷载作用，墙体抗压强度不足，在使用阶段就可能已经产生了竖向裂缝，不利于房屋抗震。地震发生时，地震作用引起梁檩与墙体搭接处的冲撞，造成裂缝明显加大。

在地震作用下，生土结构瓦屋面容易出现溜瓦现象；而泥顶房屋，每年维修，房顶加厚，有的厚达300～400mm，形成头重脚轻的重房顶，使地震作用加大，加重了房屋的破坏。

总之，由于生土材料的抗弯、抗剪、抗拉强度很低，致使生土建筑在抗震能力方面存在着先天性不足。历次地震后的震害调查表明，生土建筑震害普遍十分严重，但也有一些生土建筑经历了几百年的风雨侵蚀和地震摇撼，依然完好无损。这就说明，生土结构只要设计合理，构造措施得当，也能满足抗震要求。只要注意加强生土房屋的整体性、加强木柱与木梁之间的连接、加强木柱与土坯砌体的连接、采取合理的砌筑方式、选择当地较好的土质、减轻屋面重量，在非抗震区和低烈度区具有一定的发展前景。

图2.1为外墙无粉刷层或粉刷层大面积剥落，土墙存在多条竖向裂缝。

图2.1　粉刷层无或剥落，墙体开裂明显

图2.2为土坯墙外鼓，纵横墙拉裂，部分墙体倒塌。

图2.2　墙体拉裂，倒塌

图2.3为墙体存在通长裂缝，外刷层剥蚀严重。

图2.3　局部受压引起的破坏，外刷层剥蚀

2.4　汶川、玉树地震生土墙结构房屋震害现状及分析

1）地基基础破坏

生土墙房屋几乎都没有经过正规设计，基础深度宽度较小，地基未经很好处理，石料、黏土砖常采用泥浆砌筑。若房屋建造在软弱地基、砂土液化地基及土质不均匀地段，可能引起房屋的整体破坏。在静力作用下，反映为墙体开裂，甚至倾斜。在地震荷载作用下会导致房屋的严重变形或倒塌。

2）结构体系不规则引起的破坏

尤其是单面坡房屋，后墙比前墙高，地震时前后墙的惯性力相差悬殊，易发生墙体严重开裂和前后墙变形差异引起的屋盖系统塌落或房屋的倒塌。

3）墙体开裂破坏

土坯墙房屋结构整体性差，纵横墙体之间无相互拉结的措施，地震时在剪切力的作用下，很容易发生墙体开裂、墙体外倾的现象，这是此类房屋的主要震害之一。震害表明，在Ⅵ度即有少量倒塌，大部分为转角Ⅴ形局部塌落及墙体的斜裂缝、竖向裂缝、纵横墙交界处通裂缝等。

4）墙体受压承载力不足引起的破坏

房盖系统的檩条或大梁直接搁置在土墙上，墙体承受着房盖系统的全部重量，在檩条或大梁与墙体的接触处应力集中效应，由于墙体受压能力或局部承压能力不足，承重墙体往往在使用阶段就产生竖向裂缝，对房屋的抗震性能不利。

5）洞口边墙局部破坏

土坯墙体门窗边土坯外鼓，这是因为在压力作用下立砌的土坯之间既无拉结措施，也无泥浆黏结，最外层的土坯独立工作时，强度及稳定性不足的表现。

6）土坯和土夯墙质量差也是比较常见的问题

尤其是在气候干燥的西北地区，土坯质量不影响正常的使用，所以农民建房时对土坯质量往往忽视。但是在地震作用下，质量差的土坯就会暴露出问题。制作土坯的土黏粒含量过低（＜8%），粗粒成分过高，就会使其黏结性降低，在挤压剪切和振动作用下，土坯松裂，严重者失去承重能力而垮塌。而夯土墙模板不规则，中间缝隙太大以及每层夯土太厚都会造成夯土墙安全性降低。