單孔法波速測(cè)試在宿州市區(qū)建筑場(chǎng)地類別劃分的應(yīng)用及該區(qū)特征研究

劉春超, 張倩清, 李能勇, 黃長(zhǎng)友

(安徽省地勘局 第一水文工程地質(zhì)勘查院,蚌埠 233000)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷加速,人居環(huán)境逐步改善,城市面積不斷增大,建筑工程數(shù)量日益增多。而建筑工程開始建設(shè)之前都應(yīng)進(jìn)行建筑場(chǎng)地巖土工程勘察,以查明、分析、評(píng)價(jià)場(chǎng)地的地質(zhì)、環(huán)境特征和巖土工程條件,劃分對(duì)建筑有利、不利和危險(xiǎn)地段,提供建筑的場(chǎng)地類別和巖土地震穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。建筑的場(chǎng)地類別則是根據(jù)土層等效剪切波速和覆蓋層厚度進(jìn)行劃分的[1]。準(zhǔn)確、高效地測(cè)算土層等效剪切波速,通常是通過波速測(cè)試這種原位測(cè)試技術(shù)[2]來實(shí)現(xiàn)的,然而對(duì)于大范圍的區(qū)域性場(chǎng)地來說,我們需要尋求一種基于現(xiàn)有場(chǎng)地剪切波速及場(chǎng)地類別數(shù)據(jù)來預(yù)測(cè)和估算方法[3],統(tǒng)計(jì)分析現(xiàn)有場(chǎng)地剪切波速及場(chǎng)地類別數(shù)據(jù)來尋找數(shù)據(jù)特征和規(guī)律,則給我們提供了一種能夠?qū)崿F(xiàn)上述目的的可能。

1 單孔法波速測(cè)試

1.1 基本原理

當(dāng)固體介質(zhì)受到外力沖擊時(shí),介質(zhì)受到應(yīng)力作用而產(chǎn)生應(yīng)變,在作用于介質(zhì)的應(yīng)力消失后,應(yīng)變和應(yīng)力失去平衡。應(yīng)變就在介質(zhì)中以彈性波的形式由介質(zhì)中的質(zhì)點(diǎn)依次向周圍傳播,這種彈性波成分較復(fù)雜,既有面波又有體波,體波又分為壓縮波(P波)和剪切波(S波),剪切波分為垂直分量(SV波)與水平分量(SH波)。在地層表面?zhèn)鞑サ拿娌煞譃槿鹄撞?Rayleigh)和拉夫波(Love),各種波在介質(zhì)中傳播的特征和速度各不相同[4]。

波速測(cè)試方法主要有:①面波勘探法(測(cè)定地層的瑞雷波速度后,推算出地層的剪切波速度);②單孔法或跨孔法。單孔法就是在單個(gè)鉆孔孔口附近地表施加水平?jīng)_擊力,測(cè)量孔內(nèi)不同深度處沖擊信號(hào)的到達(dá)時(shí)間,以計(jì)算剪切波在巖土層內(nèi)傳播速度的方法。該方法具有準(zhǔn)確度高、成本低和操作簡(jiǎn)便的優(yōu)勢(shì),在巖土工程勘察中被廣泛應(yīng)用。單孔法剪切波速測(cè)試的基本假設(shè)是地層模型在地下呈水平層狀分布,剪切波速在水平方向?yàn)榫鶆蚍植糩5],垂直方向隨深度變化。利用地震波的直達(dá)波原理,選擇地面激振方式,即在地面激發(fā),井中接收的方式,一般采用自下而上逐點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。由震源產(chǎn)生的剪切波(橫波),經(jīng)過巖(土)體,被放置在孔中的三分量檢波器接收,根據(jù)波傳播的距離和走時(shí)計(jì)算出場(chǎng)地地層的剪切波速度。由于不同地層的剪切波速不同,剪切波在震源和檢波器間的地下傳播路徑為折線(圖1中a實(shí)線而并非直線)[6],當(dāng)板孔距L相對(duì)測(cè)點(diǎn)深度H較小時(shí),按照直線(圖1中 b,虛線)路徑計(jì)算。每一波速層的剪切波波速,應(yīng)按式(1)計(jì)算。

圖1 剪切波旅行路徑計(jì)算示意圖Fig.1 Schematic diagram of shear wave travel path calculation

V=ΔH/ΔT

(1)

式中:V為波速層的剪切波波速(m/s);ΔH為波速層的厚度(m);ΔT為剪切波傳到波速層頂面和底面的時(shí)間差(s)。

剪切波從震源到達(dá)測(cè)點(diǎn)的時(shí)間,應(yīng)按式(2)進(jìn)行斜距校正。

(2)

式中:T為剪切波從震源到達(dá)測(cè)點(diǎn)經(jīng)斜距校正后的時(shí)間(s),相當(dāng)于波從孔口到達(dá)測(cè)點(diǎn)的時(shí)間;T0為剪切波從震源到達(dá)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)時(shí)間(s);H為測(cè)點(diǎn)的深度(m);L為從板中心到測(cè)試孔的水平距離(m)。

1.2 工作方法

單孔法剪切波測(cè)試的具體工作方法是,在距孔口一定距離處放置激震源,橫波震源采用約200 cm×45 cm×30 cm的木板,底部嵌入三角鐵釘,并在其上方壓以重物以增加木板與地面間摩擦力。在板中央位置的地表插入外觸發(fā)傳感器,當(dāng)重錘敲擊木板的震動(dòng)信號(hào)傳遞至該觸發(fā)傳感器時(shí),該時(shí)刻作為接收設(shè)備的開始記錄時(shí)間;在孔中放置三分量檢波器,檢波器上安裝機(jī)械彈簧卡片,使三分量檢波器與井壁緊密耦合以提高信噪比。在測(cè)量每一個(gè)測(cè)點(diǎn)的橫波時(shí),用重錘沿水平方向分別擊振木板兩端,產(chǎn)生極性相反的橫波波形分別記錄并保存。當(dāng)采用自下而上逐點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量的方式時(shí),每個(gè)測(cè)點(diǎn)記錄兩個(gè)波形后,向上提升檢波器一定距離,重新記錄新測(cè)點(diǎn)的波形,直到從鉆孔底部測(cè)量至孔口位置,形成一個(gè)鉆孔的完整的剪切波速測(cè)試記錄(圖2)。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試示意圖Fig.2 Schematic diagram of field test

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 工程概況

宿州市擬建某棚改安置區(qū)CX102-04-02地塊,包括9棟高層住宅28F-34F;6棟1-6F層商業(yè)配套;配電房、大門、地下室等。總建筑面積約259 000 m2。擬建場(chǎng)地位于宿州市三八街道,區(qū)域地質(zhì)資料及附近工程地質(zhì)資料顯示,該場(chǎng)地地形平坦,地貌類型單一,屬于淮北沖積平原,微地貌單元為河間地塊,地層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單,分布連續(xù),厚度基本穩(wěn)定,物理力學(xué)性質(zhì)均勻,場(chǎng)地及周圍不存在全新活動(dòng)的斷裂構(gòu)造、地裂縫等不良地質(zhì)作用。為了滿足建筑抗震設(shè)計(jì)要求,項(xiàng)目需要進(jìn)行剪切波速測(cè)試以劃分場(chǎng)地土類型、場(chǎng)地類別及估算場(chǎng)地卓越周期。

本次剪切波速測(cè)試工作,采用武漢巖海工程技術(shù)開發(fā)有限公司生產(chǎn)的RS-1616(p)基樁動(dòng)測(cè)儀及井中28 Hz三分量電磁機(jī)械式檢波器,敲擊板激震源,偏移距為3 m左右,并準(zhǔn)確測(cè)量記錄,測(cè)點(diǎn)距為1 m,采取自下而上逐點(diǎn)測(cè)量方式(圖3),共測(cè)試9個(gè)波速孔(G137#、G139#、G144#、G154#、G159#、G164#、G169#、G176#、G182#),孔深均為40 m。

圖3 觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖Fig.3 Schematic diagram of observation system design

2.2 資料處理

因工程人工激振橫波的位置和方向可以根據(jù)勘探方法和目的的需要進(jìn)行人為控制,工程人工激振橫波和天然源地震橫波在識(shí)別上還是有一定的差別。在本次單孔法波速測(cè)試的資料處理上,室內(nèi)我們采用武漢巖海公司剪切波分析程序?qū)F(xiàn)場(chǎng)儀器測(cè)試的記錄進(jìn)行數(shù)字解編,回放波形,并進(jìn)行適當(dāng)去噪聲處理,然后將每個(gè)測(cè)點(diǎn)上正反兩個(gè)方向敲擊激振板得到的兩個(gè)橫波記錄進(jìn)行重疊。在理想狀態(tài)下,重疊的兩個(gè)橫波波形極性相反。根據(jù)極性相反這一特點(diǎn)以及縱波速度大、頻率高,橫波速度小、頻率低的特性,可以較清晰地對(duì)橫波(剪切波)進(jìn)行識(shí)別,并對(duì)橫波初至?xí)r間進(jìn)行拾取(圖4)。

圖4 剪切波初至?xí)r間拾取示意圖Fig.4 Schematic diagram of picking up the first break time of shear wave

對(duì)原始數(shù)據(jù)初至?xí)r間拾取后,對(duì)剪切波的初至?xí)r間進(jìn)行孔口(偏移)時(shí)間校正,繪制時(shí)距曲線圖(圖5,深度H為縱坐標(biāo),時(shí)間T為橫坐標(biāo)),根據(jù)時(shí)距曲線圖中各深度段斜率的變化再結(jié)合鉆孔地質(zhì)分層情況分出各波速段,并計(jì)算出各段的剪切波平均速度(表1)。

表1 G144#孔波速測(cè)試剪切波記錄計(jì)算表

圖5 G144#孔波速測(cè)試剪切波時(shí)距曲線圖Fig.5 Time distance curve of G144# borehole wave velocity test

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2010)(2016版),土層的等效剪切波速按下列公式計(jì)算:

Vs e=d0/t

(3)

(4)

式中:Vs e為土層等效剪切波速(m/s);d0為計(jì)算深度(m),取覆蓋層厚度和20 m二者較小值;t為剪切波在地面至計(jì)算深度之間的傳播時(shí)間(s);di為計(jì)算深度范圍內(nèi)第i土層的厚度(m);Vs i為計(jì)算深度范圍內(nèi)第i土層的剪切波速(m/s);n為計(jì)算深度范圍內(nèi)土層的分層數(shù)。

由計(jì)算結(jié)果可知,該場(chǎng)地9個(gè)波速孔孔深度40 m內(nèi)均無剪切波速大于500 m/s的土層,故建筑場(chǎng)地覆蓋層厚度d大于20.0 m。取20 m以上地層計(jì)算等效剪切波速度,經(jīng)計(jì)算G144#孔的等效剪切波速Vs e20為208.33 m/s。

2.3 測(cè)試成果

經(jīng)過資料處理和計(jì)算,宿州市擬建某棚改安置區(qū)CX102-04-02地塊項(xiàng)目9個(gè)波速孔土層的等效剪切波速度見表2。

表2 各孔等效剪切波速成果表Tab.2 Equivalent shear wave velocity results of each borehole

根據(jù)勘察資料并結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料,該建筑場(chǎng)地覆蓋層厚度d大于50.0 m,9個(gè)孔的等效剪切波速Vs e20為201.29 m/s～210.73 m/s,平均值為205.52 m/s。由表3可知,該建筑場(chǎng)地類別為Ⅲ類,場(chǎng)地土類型屬中軟場(chǎng)地土,估算場(chǎng)地卓越周期為T=0.389 s。

表3 各類建筑場(chǎng)地的覆蓋層厚度Tab.3 Overburden thickness of various construction sites

3 宿州市區(qū)建筑場(chǎng)地類別劃分特征研究

3.1 宿州市區(qū)地質(zhì)背景

宿州市位于黃淮平原南端,安徽省東北部,是安徽省的北大門,是長(zhǎng)三角城市群、中原經(jīng)濟(jì)區(qū)重要節(jié)點(diǎn),宿淮蚌都市圈、宿淮城市組群城市,安徽區(qū)域中心城市之一。歷史上黃河曾多次決口和改道,奪淮河而入海,淮河與黃河的泛濫使淮北平原上堆積了厚達(dá)200 m左右的第四紀(jì)土層,多為粘性土和粉細(xì)砂互層,宿州市區(qū)及近郊無基巖出露[7]。

宿州市區(qū)地層屬華北地層大區(qū),晉冀魯豫地層區(qū),徐淮地層分區(qū),淮北地層小區(qū),第四紀(jì)地層發(fā)育,厚80 m～100 m,北薄南厚,自下而上描述如下:①下更新統(tǒng)桃園組(Q1t);②中更新統(tǒng)潘集組(Q2p);③上更新統(tǒng)茆塘組(Q3m);④全新統(tǒng)蕭碭組(Q4x)。

3.2 研究對(duì)象

場(chǎng)地剪切波速與場(chǎng)地類別數(shù)據(jù),一般是通過鉆孔及孔內(nèi)原位測(cè)試的技術(shù)方法來獲取的。為研究宿州市區(qū)建筑場(chǎng)地類別劃分特征,筆者收集了2012年-2021年宿州市區(qū)40個(gè)建筑場(chǎng)地的工程勘察資料,共201個(gè)鉆孔的土層等效剪切波速Vs e20數(shù)據(jù),該40個(gè)建筑場(chǎng)地幾乎均勻分布于宿州市區(qū)的各個(gè)位置,場(chǎng)地類別均為Ⅲ類,201個(gè)鉆孔的土層等效剪切波速度Vs e20介于195.3 m/s～225.9 m/s之間,平均值為209.18 m/s(圖6)。通過對(duì)已有的波速進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,進(jìn)而尋找該區(qū)域的建筑場(chǎng)地類別劃分的特征規(guī)律。

圖6 Vs e20數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖Fig.6 Vs e20 data scatter plot

3.3 統(tǒng)計(jì)分析

宿州市區(qū)40個(gè)建筑場(chǎng)地的201個(gè)鉆孔土層等效剪切波速統(tǒng)計(jì)結(jié)果:最大值為225.9 m/s、最小值為195.3 m/s、平均值為209.18 m/s、標(biāo)準(zhǔn)差為4.43 m/s。圖7為201個(gè)鉆孔Vs e20數(shù)據(jù)直方圖和根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果(平均值、標(biāo)準(zhǔn)差)畫出的正態(tài)分布曲線。從圖7可以看出,本次收集的宿州市區(qū)201個(gè)鉆孔Vse20數(shù)據(jù)直方圖和正態(tài)分布曲線形態(tài)基本擬合。

圖7 Vs e20頻數(shù)直方圖及正態(tài)曲線Fig.7 Vs e20 frequency histogram and normal curve

為檢驗(yàn)本次收集宿州市區(qū)201個(gè)鉆孔Vs e20數(shù)據(jù)的分布情況,對(duì)原始數(shù)據(jù)做正態(tài)Q-Q圖(圖8)。Q-Q圖是一種散點(diǎn)圖[8],對(duì)應(yīng)于正態(tài)分布的Q-Q圖,是由標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的分位數(shù)為橫坐標(biāo),樣本值為縱坐標(biāo)的散點(diǎn)圖,要鑒別樣本數(shù)據(jù)是否近似于正態(tài)分布,只需看Q-Q圖上的點(diǎn)是否近似地在一條直線附近,圖形是直線說明是正態(tài)分布,而且該直線的斜率為標(biāo)準(zhǔn)差,截距為平均值。從圖8中可以看出,樣本數(shù)據(jù)點(diǎn)近似地在一條直線上,該直線的斜率約為4.4,截距約為209,與計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)差和平均值吻合。故本次收集的宿州市區(qū)201個(gè)鉆孔等效剪切波速度近似地呈正態(tài)分布特征。

圖8 Vs e20正態(tài)Q-Q圖Fig.8 Vs e20 normal Q-Q plot

根據(jù)正態(tài)分布的3σ(μ為平均值,σ為標(biāo)準(zhǔn)差)原則[9]:數(shù)值分布在(μ-3σ,μ+3σ)中的概率為0.997 4,服從正態(tài)分布的數(shù)據(jù)幾乎集中在(μ-3σ,μ+3σ)區(qū)間內(nèi)。由此,推算出宿州市區(qū)類似地層條件的土層等效剪切波速度在195.89 m/s～222.46 m/s之間。

3.4 宿州市區(qū)建筑場(chǎng)地類別劃分特性

根據(jù)推算的宿州市區(qū)類似地層條件的土層等效剪切波速度為195.89 m/s～222.46 m/s,市區(qū)覆蓋層>50 m,判定宿州市區(qū)類似地層條件的建筑場(chǎng)地類別為Ⅲ類。

收集的宿州市區(qū)40個(gè)建筑場(chǎng)地工程勘察資料中,201個(gè)鉆孔Vse20在195.3 m/s～225.9 m/s之間,場(chǎng)地類別均為Ⅲ類,符合上述推算結(jié)果。

由于地層的剪切波速與地層的土質(zhì)類型、狀態(tài)、埋深等有關(guān),也與相鄰地層有關(guān),影響地層剪切波速的客觀因素有很多[10]。本次收集的宿州市區(qū)40個(gè)建筑場(chǎng)地不能完全覆蓋宿州市區(qū)所有區(qū)域,只對(duì)該地區(qū)類似地層條件的場(chǎng)地而言,收集到的資料統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果具有一般性特征,不排除局部個(gè)別區(qū)域地層變化大,所測(cè)土層等效剪切波速和場(chǎng)地類型與統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果不同的情況。

4 結(jié)論

經(jīng)過對(duì)宿州市區(qū)其中一個(gè)建筑地塊的9個(gè)波速孔進(jìn)行單孔法波速測(cè)試,結(jié)合工勘地層資料,計(jì)算出各個(gè)波速孔的不同地層的剪切波平均層速度,參考宿州市區(qū)覆蓋層厚度d大于50 m,取20 m以上地層計(jì)算的該9個(gè)孔的土層等效剪切波速度Vs e20為201.29 m/s～210.73 m/s,平均值為205.52 m/s,判斷該建筑地塊場(chǎng)地類別為Ⅲ類。

根據(jù)宿州市區(qū)覆蓋層厚度d大于50 m和收集的40個(gè)建筑場(chǎng)地的201個(gè)鉆孔土層等效剪切波速及場(chǎng)地類別數(shù)據(jù),基于統(tǒng)計(jì)分析,得出宿州市區(qū)類似地層條件的土層等效剪切波Vs e20近似地呈正態(tài)分布特征,估算范圍在195.89 m/s～222.46 m/s ,預(yù)測(cè)建筑場(chǎng)地類別為Ⅲ類。

單孔法波速測(cè)試是巖土工程勘察中一種原位測(cè)試技術(shù)。它的激發(fā)信號(hào)由人工產(chǎn)生,便于控制,利于測(cè)試各個(gè)層位的波速,可適用于泥漿較稀、無堵塞的鉆孔,不受水位影響,井斜、孔徑等影響較小。相比跨孔法,它不需要更多的鉆孔,節(jié)約了測(cè)試成本;相比面波法,它不需要復(fù)雜的儀器設(shè)備以及后期復(fù)雜的資料導(dǎo)致的誤差。單孔法波速測(cè)試具有快速簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)、結(jié)果準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn),通過工程實(shí)例證實(shí),應(yīng)用單孔法測(cè)試土層等效剪切波速度,進(jìn)而進(jìn)行土層類別評(píng)價(jià)具有顯著效果。