喀什場地土剪切波速與土層深度經驗關系①

李 帥，趙純青，葛 鳴

（新疆維吾爾自治區(qū)地震局，新疆 烏魯木齊 830011）

0 引言

剪切波速是地震波在巖土介質中的傳播速度，通常用Vs表示。剪切波速是工程中較為重要的物理參數，不但能夠判定場地類別，而且還能初步判定砂土液化。在場地土層地震反應分析計算中，土層剪切波速也是不可缺少的。

當無法測得土層剪切波速時，我們可以根據土的類型及土層性質結合相關統(tǒng)計關系給出土層剪切波速，這是一項較有意義的研究工作。國內外在上世紀70年代就開始了相關研究工作［1－10］。已有研究表明，土層剪切波速與土層深度有著較為明顯的統(tǒng)計關系。近兩年，戰(zhàn)吉艷等［6］研究了蘇州城區(qū)深軟場地土剪切波速與土層深度的經驗關系，提出了蘇州城區(qū)土層剪切波速與土層深度呈線性函數和冪函數，部分巖性根據不同深度則是呈線性函數與冪函數的分段函數；劉紅帥［2］收集了大量的地震安全性評價中鉆孔剪切波速實測數據，通過對數據分析，給出了分場地類別和不分場地類別的常規(guī)土類剪切波速與埋深間的統(tǒng)計公式，與《構筑物抗震設計規(guī)范》的經驗公式進行了詳細的對比分析，認為一元二次多項式模型的擬合精度最高；李平等［7］收集了西昌市的土層鉆孔資料及有關報告，經分析后進行統(tǒng)計分析采用VS＝a＋bHc進行回歸分析；齊鑫［8］對下遼河平原地區(qū)的土層剪切波速與土層深度關系進行了研究，提出了不同巖性的統(tǒng)計關系。此外，在同一城市同一地區(qū)開展大量的工程建設，重復多次的剪切波速測試工作不但影響了工程進度，而且增加了工程的投資。如果能夠通過收集已有剪切波速鉆孔資料，結合當地的土層性質和成因，合理的給出土層剪切波速與土層深度的經驗關系，將會加快工程進度，節(jié)約成本。

喀什市地震小區(qū)劃工作范圍包括老城區(qū)和新城區(qū)，面積約105km2，共布設鉆孔109個，剪切波速測試點1是600個。鉆孔的布設與測試均按照以地貌單元、工程地質分區(qū)不漏點的原則，用單孔檢層法逐個測定了土層的剪切波速度。本文統(tǒng)計分析小區(qū)劃工作的波速資料，對于不同地貌單元通過統(tǒng)計回歸分析給出喀什市城區(qū)常見土類剪切波速度與土層深度之間的經驗關系式。

1 喀什城區(qū)工程地質環(huán)境

1．1 地貌特征

喀什市位于昆侖山和南天山之間的塔里木盆地西北緣平原區(qū)。根據地貌成因類型和分布特點，將其劃分為阿克塔格山南麓沖洪積平原區(qū)（Ⅰ 區(qū)）和吐曼河－克孜勒河沖積平原區(qū)（Ⅱ區(qū)）2個主要地貌單元（圖1）。

阿克塔格山南麓沖洪積平原區(qū)（Ⅰ區(qū)）位于阿克塔格山以南、阿克洪依拉村－艾日克博依村－毛拉扎德村－恰爾巴格村一線以北地區(qū)，主要由恰卡馬克河沖洪積作用而成，地形總體平坦開闊，地勢由北向南傾斜，自然坡降在1．26%～2．91%。恰卡馬克河幾條辮狀支流沖溝呈南北向穿過平原區(qū)，寬度50～200m，切割深度3～10m。

吐曼河－克孜勒河沖積平原區(qū)（Ⅱ區(qū)）位于阿克洪依拉村－艾日克博依村－毛拉扎德村－恰爾巴格村一線以南地區(qū)，包括喀什市老城區(qū)，由吐曼河和克孜勒河沖積作用疊置而成。在此基礎上，根據地層沉積時代和物質組成巖性等，可進一步劃分出沖積階地平原區(qū)、沖積河谷平原區(qū)和沖積沼澤平原區(qū)3個次級地質地貌單元。

圖1 喀什市地貌分區(qū)平面圖Fig．1 Sectional plan of landforms in Kashgar city

（1）沖積階地平原區(qū)（Ⅱ－1區(qū)）包括吐曼河以北、以東、以南與克孜勒河所夾城區(qū)，包括2級階地，其中Ⅱ級階地相對河水面高度2～5m，僅靠近河谷呈條帶狀分布；Ⅲ級階地普遍發(fā)育，相對高度10～15m，階地前緣陡立，階地面較連續(xù)，總體地勢由西北向東南傾斜，自然坡降在0．37%～1．25%。市區(qū)經過多年人工改造，一些支流河道已被平整。

（2）沖積河谷平原區(qū)（Ⅱ－2區(qū)）包括市區(qū)北側和南側有吐曼河和克孜勒河通過的地段，河谷區(qū)寬200～1 000m，切割深度3～10m。現代河床從谷區(qū)中央流過，屬順直微曲性河道，克孜勒河流縱坡降比為2．71‰，吐曼河流縱坡降比為1．72‰。兩側分別發(fā)育有河漫灘和Ⅰ級階地，河漫灘相對河水面高度0．5～1m，Ⅰ級階地相對高度1～3m。

（3）沖積沼澤平原區(qū)（Ⅱ－3區(qū)）位于市區(qū)南部、克孜勒河與臺勒外其克河河間地區(qū)，屬克孜勒河Ⅰ級階地，相對河水面高度3～5m，地形平坦開闊，地勢由西北向東南微微傾斜，自然坡降僅0．37%。

1．2 地層巖性

喀什城區(qū)地層主要形成于全新世－晚更新世，成因類型以沖積、洪積、沖洪積作用為主，具備典型的二元結構。其上部地層巖性主要由粉土、粉質粘土、粉砂、細砂、中粗砂和淤泥質土等細顆粒物質構成，下部由圓礫組成。大體巖性描述如下：

（1）阿克塔格山南麓沖洪積平原區(qū)（Ⅰ區(qū)）

（2）吐曼河－克孜勒河沖積平原區(qū)（Ⅱ區(qū)）

粉質黏土：沖積河漫灘相，灰黃～黃褐色，稍濕～濕，孔隙發(fā)育，韌性一般，切面光滑，土質不均勻，硬塑－可塑。該區(qū)域均有發(fā)育，局部夾極薄層粉土和粉砂。

2 剪切波速測定

剪切波速測試方法分為單孔檢層法、跨孔法和瑞雷波法。一般工程中由于單孔檢層法既簡單易行，又能節(jié)省工程投資和人力、物力，因此多選用此法進行土層剪切波速測試。土層剪切波速測量的精度主要取決于測振儀器的可靠性，以及測試過程中的鉆孔土層巖性、土層深度以及儀器的抗干擾能力。此次工作采用的是由吉林大學工程技術研究所研制的Miniseis24型綜合工程探測儀，采用地面激發(fā)，孔中接收的方式，跨距為1～2m。

3 剪切波速統(tǒng)計分析

本文將土層剪切波速與埋深之間的關系用線性函數（式（1））、冪函數（式（2））及二次函數（式（3））分別表示，利用Excel軟件繪制散點圖，通過添加趨勢線擬合出回歸曲線，給出擬合系數和擬合優(yōu)度R2，以擬合優(yōu)度的大小來表示統(tǒng)計關系的擬合程度的好壞：

式中，VS代表土層剪切波速（m／s）；H代表土層深度（m）；a～f代表擬合參數。

在進行了地貌單元分區(qū)后，將不同地貌單元內的不同土層剪切波速與土層深度的關系分別按照上述三個統(tǒng)計關系進行統(tǒng)計，然后分別繪制了散點圖，最終通過回歸分析方法得到的剪切波速度與土層深度之間的關系式和其對應的擬合優(yōu)度R2（圖2～5，表1）。

4 結論

在運用大量的數據進行統(tǒng)計回歸分析后，得到了阿克塔格山南麓沖洪積平原區(qū)（Ⅰ區(qū)）和吐曼河－克孜勒河沖積平原區(qū)（Ⅱ區(qū)）內不同土層剪切波速與土層埋深的統(tǒng)計關系。發(fā)現統(tǒng)計關系中冪函數模型的擬合精度較高，所推薦的土層剪切波速與埋深間的統(tǒng)計公式是較可靠的，可供無波速測試場地參考使用。

圖2 Ⅰ區(qū)各土層剪切波速與土層深度散點及回歸曲線圖Fig．2 Scatter of shear wave velocities with depths of different soil layers and their regression relationship curves in areaⅠ

圖4 Ⅱ－2區(qū)各土層剪切波速與土層深度散點圖及回歸曲線圖Fig．4 Scatter of shear wave velocities with depths of different soil layers and their regression relationship curves in areaⅡ－2

圖5 Ⅱ－3區(qū)各土層剪切波速與土層深度散點圖及回歸曲線圖Fig．5 Scatter of shear wave velocities with depths of different soil layers and their regression relationship curves in areaⅡ－3

表1 各區(qū)不同場地土的剪切波速與土層埋深Table 1 The statistical relations between shear wave velocities and depths of soil in different areas with different soils

此次統(tǒng)計是在劃分地貌單元的基礎上進行的統(tǒng)計。但是土的剪切波速受土層密實度、埋深、覆蓋土層厚度及土的狀態(tài)等因素影響，本文只考慮了土的種類、覆蓋土層厚度和埋深的影響，未考慮土的狀態(tài)等因素的影響。在以后的研究中，應全面考慮土層的各種狀體，有必要深入研究，以便得到更為可靠詳實的資料，更好的為防震減災工程服務。

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