石河子北開發(fā)區(qū)土層剪切波速與土層深度經(jīng)驗關(guān)系1

李 帥

（新疆維吾爾自治區(qū)地震局，烏魯木齊 830011）

石河子北開發(fā)區(qū)土層剪切波速與土層深度經(jīng)驗關(guān)系1

李 帥

（新疆維吾爾自治區(qū)地震局，烏魯木齊 830011）

收集了石河子市北開發(fā)區(qū)已有的土層鉆孔資料及有關(guān)報告。對所有的剪切波速資料進行了整理。在前人研究和數(shù)據(jù)整理、分析的基礎(chǔ)上，分別采用線性模型、冪函數(shù)模型和一元二次多項式模型，對石河子市北開發(fā)區(qū)的土層剪切波速與土層深度關(guān)系進行了擬合。以擬合優(yōu)度為評價指標給出了粉土、粉質(zhì)粘土、粉砂、細砂、礫砂和圓礫的推薦模型參數(shù)。最后對結(jié)果的合理性、適用性進行了評價。

剪切波速 土層埋深 擬合優(yōu)度 石河子

引言

剪切波速是指震動橫波在土內(nèi)的傳播速度，通常用Vs表示。剪切波速是判定場地類別的重要物理量，也是區(qū)別土動力學(xué)與土靜力學(xué)的一個主要物理量，它反映了土在動力響應(yīng)下的慣性作用和波傳行為，是反映土體在地震作用下動力反應(yīng)的一個重要物理量。剪切波速的測試方法一般有單孔檢層法、跨孔法和瑞雷波法。為有效判定場地類別，提供場地土層反映分析模型，單孔檢層法是采用較多的測試方法。但有時由于實際工作條件影響，不具備測試條件，因此為合理提供場地剪切波速，可利用已有的場地地層巖性、密實度等巖性資料，利用經(jīng)驗關(guān)系提供場地剪切波速。

本文以石河子北開發(fā)區(qū)為研究對象，收集了石河子北開發(fā)區(qū)內(nèi)的剪切波速鉆孔資料（表1）（李帥等，2012），統(tǒng)計了石河子北開發(fā)區(qū)幾種較為常見的土層的剪切波速與土層深度經(jīng)驗關(guān)系，從冪函數(shù)、線性函數(shù)和一元二次多項式三種較為常見的統(tǒng)計關(guān)系內(nèi)，選出統(tǒng)計關(guān)系中擬合程度較高的，以此作為該地區(qū)土層的經(jīng)驗關(guān)系。

續(xù)表

1 工程地質(zhì)環(huán)境

石河子北開發(fā)區(qū)南距新疆石河子市14km，東臨夾河子水庫，西靠大泉溝水庫，場地范圍22km2，以南北向呈不規(guī)則多邊形展布于夾河子水庫西側(cè)。經(jīng)場地的調(diào)查后，以下從地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌和場地地層巖性簡述場地條件的工程地質(zhì)環(huán)境特征。

1.1 地質(zhì)構(gòu)造

石河子北開發(fā)區(qū)在構(gòu)造上位于準噶爾盆地南部坳陷區(qū)。近場區(qū)的主要活動斷裂為霍爾果斯-瑪納斯-吐谷魯斷裂-褶皺帶、石河子市西區(qū)隱伏斷裂。其中，霍爾果斯-瑪納斯-吐谷魯斷裂-褶皺帶具備發(fā)生6級地震的構(gòu)造條件，未來有發(fā)生6級地震的可能性。在區(qū)域上根據(jù)地震活動趨勢分析認為，在未來百年內(nèi)，各地震帶的地震活動水平與過去百年相當。區(qū)域未來有發(fā)生6級地震的危險。區(qū)域范圍有地震記錄以來，共發(fā)生M≥4.7以上地震52次，其中，7級地震2次，6.0—6.9級地震4次，最大地震為1906年12月23日瑪納斯7.7級地震。地震主要分布在區(qū)域南部，具有強度大、頻度高的特點，5級以上地震大都發(fā)生在活動斷裂及其附近（圖1）。

1.2 地形地貌

石河子北開發(fā)區(qū)在地貌上位于北天山西段北麓瑪納斯河西岸沖洪積平原下部地下水溢出帶內(nèi)，地形平坦開闊，地勢南高北低，自然坡度僅為7.0‰。開發(fā)區(qū)內(nèi)，地下水位由南向北逐漸升高，北部地下水位僅1—2m，地下水類型為孔隙潛水，接受來自上游河流的水平側(cè)向滲漏補給，主要由東南向西北方向徑流排泄，水位年變化幅度為0.5—1.0m（圖2）。

1.3 地層巖性

圖1 石河子北開發(fā)區(qū)場地構(gòu)造簡圖（新疆防御自然災(zāi)害研究所，2011）Fig. 1 Simplified geological map of the development zone of north of Shihezi

根據(jù)1969年國家測繪總局編制和出版的1:5萬地形圖，可以發(fā)現(xiàn)在現(xiàn)今的北開發(fā)區(qū)內(nèi)存在較多的古河道，主要表現(xiàn)為河道附近常有較多的蘆葦和沼澤。古河道多彎曲，河道很不穩(wěn)定，形成曲流，有許多廢棄的古河道和牛軛湖。隨著時代的變遷，開發(fā)區(qū)內(nèi)人口逐漸增多，加之瑪納斯河上游水資源截流，地下水位迅速下降，很多都改造成耕地。由于有古河道經(jīng)過，北開發(fā)區(qū)內(nèi)第四紀沉積物的成分較為復(fù)雜，主要以沖洪積相的粉土、粉質(zhì)粘土、粉砂、細砂、礫砂和圓礫構(gòu)成（圖3）。

粉土：灰黑色，松散－稍密，干燥－濕，大孔隙結(jié)構(gòu)，表面0—30cm含有植物根系，偶夾薄層粉砂和圓礫，在開發(fā)區(qū)范圍內(nèi)的0—100m深度范圍內(nèi)是普遍存在的。

粉質(zhì)粘土：灰黃—灰褐色，稍密—致密，稍濕至濕，大孔隙結(jié)構(gòu)，干強度差—中等，可塑—硬塑，此層巖性分別在13—34m、42—58m、63—77m缺失。

粉砂：土黃色—灰黑色，稍密－中密，飽和，顆粒礦物成分以長石、石英為主，含云母質(zhì)，偶夾薄層圓礫和淤泥，在開發(fā)區(qū)范圍內(nèi)的0—100m深度范圍內(nèi)是普遍存在的。

圖2 鉆孔平面分布圖Fig. 2 Distribution of the Bore-holes

圖3 石河子北開發(fā)區(qū)內(nèi)鉆孔柱狀示意圖Fig. 3 Bore-hole log in Shihezi development zone

細砂：灰褐色，松散—稍密，稍濕—飽和，砂質(zhì)純凈，夾有薄層粉土，顆粒礦物成分以長石、石英和云母為主。

礫砂：灰黃—青灰色，稍密—致密，稍濕－濕，其中礫粒含量30—40%，次棱角狀，粒徑0.2cm居多，砂質(zhì)以粉細砂為主，此層巖性在10—54m的深度范圍內(nèi)缺失嚴重。

圓礫：青灰色—灰黑色，沖洪積相，飽和，粒徑0.2—2.0cm占40—60%，卵粒含量20—40%，粒徑以2—4cm為主，最大10cm，顆粒磨圓度好，砂質(zhì)充填。骨架顆粒巖性以花崗巖、灰?guī)r和石英巖為主。由上至下，密實度由松散逐漸變?yōu)橹忻苤撩軐崳藢訋r性在55—66m深度范圍內(nèi)缺失。

2 剪切波速測試方法研究現(xiàn)狀

2.1 剪切波速測試方法

近幾年工程中采用了較多的新型剪切波速測試方法，例如隨鉆地震法、XG-1懸掛式波速測井法、穩(wěn)態(tài)面波法等，但較為普及的剪切波速測試方法仍然以單孔檢層法、跨孔法和瑞雷波三種測試方法為主，尤其是單孔檢層法，因其測試方法簡單，測試效果好，是常用的剪切波速測試方法。

單孔檢層法是指在垂直鉆孔中進行波速測試的一種方法。以巖（土）體的彈性特征為基礎(chǔ)，通過測定不同巖（土）層的剪切波、壓縮波的傳播速度，計算巖（土）體的動彈性參數(shù)，據(jù)此判定巖（土）體的工程性質(zhì)，為工程設(shè)計提供可靠的科學(xué)依據(jù)。實測一般采用單孔地表激發(fā)孔中接收法，即地面激發(fā)彈性波，孔內(nèi)由三分量傳感器接收。當?shù)孛嬲鹪床捎眠蛋鍟r可正反向激發(fā)，并產(chǎn)生剪切波，利用剪切波震相差180°的特性來識別剪切波的初至?xí)r間。此次收集的石河子北開發(fā)區(qū)內(nèi)的鉆孔資料均是采用單孔檢層法進行測試，具有很好的統(tǒng)一性。

測試工作采用的是由吉林大學(xué)工程技術(shù)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，工作原理如圖4所示。

圖4 單孔檢層法測試原理Fig. 4 Principle of testing single-hole layer method

2.2 波速測試結(jié)果

對剪切波速測試結(jié)果處理后，判定場地覆蓋層厚度≥88m，等效剪切波速范圍179—224m/s，依據(jù)相關(guān)規(guī)范，判定場地類別為Ⅲ類。

2.3 統(tǒng)計關(guān)系研究

自上世紀60年代開始，國內(nèi)學(xué)者曾勇（1986）、周錫元等（1990）、安衛(wèi)平等（1997）、王廣軍等（1986）、陳國興等（1998）就開始研究土層剪切波速與土層深度的相關(guān)性。近兩年，隨著各地方剪切波速資料的大量累積，戰(zhàn)吉艷等（2009）、李平等（2012）、齊鑫等（2012）、劉紅帥等（2010）、齊文浩等（2008）、李帥等（2013）分別對蘇州、西昌、下遼河平原以及全國等地有了新的研究，認為土層剪切波速與土層深度主要有線性函數(shù)、冪函數(shù)和一元二次多項式三種統(tǒng)計關(guān)系。通過對相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)資料的收集、整理、分析，認為各地區(qū)地形地貌、地層巖性和沉積環(huán)境有所區(qū)別，所對應(yīng)的經(jīng)驗公式就不一定相同，因此采用了多種統(tǒng)計公式：

式中，Vs為土層剪切波速（m/s）；H為土層深度（m）；a?f為擬合參數(shù)。

本文采用上述三種統(tǒng)計關(guān)系進行對比分析，并利用擬合優(yōu)度R2來檢驗觀測數(shù)據(jù)的擬合程度，用來度量方程總體回歸效果的優(yōu)劣，擬合優(yōu)度為0

3 剪切波速統(tǒng)計分析

本文將不同土層剪切波速與土層深度的關(guān)系分別按照上述三個統(tǒng)計關(guān)系進行統(tǒng)計，統(tǒng)計后分別繪制了各土層的散點圖，最終通過回歸分析方法得到了剪切波速度與土層深度之間的關(guān)系式和其對應(yīng)的擬合優(yōu)度R2。

圖5 各土層剪切波速與土層深度散點與回歸曲線圖Fig. 5 Regression curve of soil layer shear wave velocity and soil depth scatter

從統(tǒng)計散點與回歸曲線圖（圖5）中可發(fā)現(xiàn)，粉土與粉砂在0—100m深度范圍內(nèi)是普遍存在的，具有良好的擬合關(guān)系；粉質(zhì)粘土與礫砂的統(tǒng)計點相對較少，但粉質(zhì)粘土在土層的統(tǒng)計關(guān)系中擬合度最高，粉質(zhì)粘土分別在13—34m、42—58m、63—77m缺失，礫砂在10—54m的深度范圍內(nèi)缺失嚴重，圓礫在55—66m深度范圍內(nèi)缺失。將此次結(jié)果與新疆其他地區(qū)統(tǒng)計結(jié)果進行對比分析，認為該地區(qū)的圓礫具有較好的統(tǒng)計關(guān)系，擬合程度高，認為應(yīng)與所在的地質(zhì)條件（包括地形地貌、地下水）等有著密切的關(guān)系。

從擬合結(jié)果與測試點的數(shù)量來看，擬合度的優(yōu)劣與原始測試數(shù)據(jù)的數(shù)量不成正比。以粉質(zhì)粘土為例，其原始數(shù)據(jù)較少，但擬合度高達0.95，超過了原始數(shù)據(jù)量較多的粉土和圓礫。從統(tǒng)計經(jīng)驗關(guān)系來看，主要還是以冪函數(shù)和一元二次多項式為主，而冪函數(shù)的統(tǒng)計結(jié)果變化幅度小，較為穩(wěn)定，所推薦的土層剪切波速與埋深間的統(tǒng)計公式應(yīng)是較可靠的，可供無波速測試場地參考使用。

4 對比分析

為檢驗擬合結(jié)果的準確性和可靠性，本文選取了石河子北開發(fā)區(qū)某工程場地鉆孔，采用《構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范（GB 50191-93）》（中華人民共和國國家標準，1993）內(nèi)的相關(guān)公式（表2）和上文給出的土類剪切波速統(tǒng)計公式進行了場地剪切波速預(yù)測，并計算了相對誤差，以此驗證所提出的統(tǒng)計公式的預(yù)測精度。具體結(jié)果如表3所示。

表2 構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范土層的剪切波速計算系數(shù)和計算指數(shù)Table 2 Calculation coefficients and indices of shear wave velocity in the design code for earthquake resistance of special structures in China

續(xù)表

表3 規(guī)范公式與推薦模型公式預(yù)測剪切波速對比分析Table 3 Comparison of shear wave velocities between predicted from code formula and recommended formula

續(xù)表

由表3可知，推薦的擬合關(guān)系計算的剪切波速相對誤差最大為61%、最小為0，測試的59個測試點中只有8個點相對誤差超過20%，而規(guī)范公式計算的剪切波速相對誤差最大為101%、最小為0%，且所有點相對誤差超過20%的已經(jīng)過半。初步表明，本文所提出的模型公式預(yù)測效果要優(yōu)于規(guī)范公式，可以為一般工程參考使用。

5 結(jié)語

本文應(yīng)用大量石河子北開發(fā)區(qū)鉆孔剪切波速實測數(shù)據(jù)，探討了6種較為常見的土層剪切波速與埋深間的關(guān)系，給出了按照土層分類的土類剪切波速與埋深間的統(tǒng)計公式。并結(jié)合實際，將統(tǒng)計公式與實測剪切波速值和利用規(guī)范公式擬合的值進行了對比分析，初步認為擬合結(jié)果較好，具備一般工程參考使用的條件。

此次統(tǒng)計是在位于地貌單元較為單一，但是地層巖性埋深分布較為復(fù)雜的古河道上，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(yīng)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，更好地為防震減災(zāi)工程服務(wù)。

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Empirical Relationship between Shear Wave Velocity and Soil Depth in the North Development Zone of Shihezi

Li Shuai

(Earthquake Administration of Xinjiang Uygur Autonomous Region, Urumqi 830011，China)

The soil drilling data and reports in north development zone of Shihezi was collected, and the shear wave velocity data was analyzed. Then, linear model, power function model and a yuan quadratic polynomial model were used to fit the soil shear wave velocity and soil depth relation in the study area. Taking goodness of fit index as a factor, the model parameters of silt, silt-clay, silt and fine sand, gravel, sand and gravel are recommended. The rationality of the results and the applicability of the model are evaluated.

Shear wave velocity; Shihezi; Depth of soil layer; Goodness of fit

李帥，2014．石河子北開發(fā)區(qū)土層剪切波速與土層深度經(jīng)驗關(guān)系．震災(zāi)防御技術(shù)，9（3）：468—478．

10.11899/zzfy20140314

新疆地震局地震科學(xué)基金資助課題，課題編號：201114

2013-08-30

李帥，男，生于1982年。工程師。主要從事工程地質(zhì)和地震地質(zhì)的研究。E-mail：peter825550@163.com