劉華貴，蔣文宇

(1.廣西工程防震研究院，廣西 南寧 530022；2.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院 廣西 南寧 530004；3.廣西財(cái)經(jīng)學(xué)院，廣西 南寧 530003)

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柳州官塘片區(qū)紅粘土剪切波速與埋深的相關(guān)性分析*

劉華貴1，蔣文宇2，3

(1.廣西工程防震研究院，廣西 南寧 530022；2.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院 廣西 南寧 530004；3.廣西財(cái)經(jīng)學(xué)院，廣西 南寧 530003)

摘要：根據(jù)廣西柳州市官塘片區(qū)地震小區(qū)劃45個(gè)鉆孔的紅粘土土層剪切波速實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)其剪切波速與埋深的相關(guān)性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：(1)紅粘土的剪切波速隨埋深增加的變化規(guī)律符合冪函數(shù)規(guī)律，經(jīng)驗(yàn)公式為VS=200.4H0.143(R2=0.756)；(2)與其它地區(qū)粘性土的剪切波速分布規(guī)律相比，官塘片區(qū)紅粘土在埋深較淺時(shí)具有較高的剪切波速，隨埋深增加其剪切波速遞增率減小；(3)所建立的經(jīng)驗(yàn)公式用于該地區(qū)實(shí)際工程預(yù)測(cè)紅粘土的剪切波速效果好于《構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》推薦的經(jīng)驗(yàn)公式，可供當(dāng)?shù)貙?shí)際工程估算研究紅粘土的剪切波速借鑒使用。

關(guān)鍵詞：柳州官塘；紅粘土；剪切波速；土層埋深

0引言

土體剪切波速是地震橫波(剪切波)在土中的傳播速度，它是工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)和巖土工程勘察工作中一個(gè)重要的物理量。目前在巖土工程中對(duì)剪切波速的研究和應(yīng)用有：(1)劃分建筑場(chǎng)地土類(lèi)型和場(chǎng)地類(lèi)別；(2)確定地基巖土的動(dòng)力學(xué)參數(shù)；(3)估算地面常時(shí)微動(dòng)的卓越周期；(4)評(píng)價(jià)地基飽和砂土、粉土液化的可能性(巖土工程勘察規(guī)范，2009；建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，2010)。剪切波速一般受土層的成因、類(lèi)型、成分、結(jié)構(gòu)、物理狀態(tài)等因素影響，對(duì)同一地區(qū)相同沉積環(huán)境的土層，由于形成的地質(zhì)背景和成因相同，其剪切波速相差不大，并具有一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律(薄景山，1998)。國(guó)內(nèi)許多學(xué)者對(duì)不同地區(qū)不同類(lèi)型土的剪切波速與埋深關(guān)系進(jìn)行了大量的研究，得到了許多有意義的成果：周錫元等(1991)對(duì)不同地區(qū)、不同土層的剪切波速特征進(jìn)行了系統(tǒng)研究，得到了黏土、砂土、礫石、卵石、碎石等巖土層的剪切波速變化范圍，以及北京、上海、天津等城市的剪切波速與埋深的變化規(guī)律；劉紅帥等(2010)依據(jù)我國(guó)地震安評(píng)工作中大量的鉆孔實(shí)測(cè)剪切波速數(shù)據(jù)，建立了碎石土、砂土、粉土和黏性土等常規(guī)土類(lèi)剪切波速與埋深間的統(tǒng)計(jì)公式；對(duì)于缺少當(dāng)?shù)赝翆蛹羟胁ㄋ俳?jīng)驗(yàn)公式的情況，《構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50191—2012)根據(jù)巖土層的軟硬狀態(tài)和密實(shí)程度等性狀特點(diǎn)，結(jié)合土層埋深也給出了常見(jiàn)類(lèi)型土的剪切波速估算經(jīng)驗(yàn)公式。但現(xiàn)有的研究均尚未具體給出紅粘土剪切波速的估算經(jīng)驗(yàn)公式。

紅粘土是我國(guó)南方熱帶與亞熱帶地區(qū)較為常見(jiàn)的一種高塑性粘土，它主要是由白云巖、灰?guī)r等碳酸鹽系巖石風(fēng)化殘坡積，并經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期緩慢的紅土化作用形成。紅粘土具有特殊的工程力學(xué)性質(zhì)，主要表現(xiàn)出高含水量、大孔隙比、低密度等特點(diǎn)，但同時(shí)又具有高強(qiáng)度、低壓縮性等良好力學(xué)性質(zhì)(譚羅榮，孔令偉，2006)。在紅粘土特性研究方面，以往研究多注重宏觀地質(zhì)(包括紅粘土結(jié)構(gòu)、成因)、物質(zhì)組成、微觀結(jié)構(gòu)、結(jié)合水與土的脹縮性、強(qiáng)度特征、土質(zhì)改良方法等，而對(duì)紅粘土的剪切波速特性研究較少(周訓(xùn)華，廖義玲，2004；王英輝等，2009；呂海波等，2012；王煥新，2012)。

針對(duì)目前國(guó)內(nèi)對(duì)紅粘土剪切波速特性研究中的不足和實(shí)際工程的需要，本文通過(guò)對(duì)柳州市柳東新區(qū)核心區(qū)域——官塘片區(qū)45個(gè)鉆孔的紅粘土土層剪切波速實(shí)測(cè)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)回歸分析，得到了該地區(qū)紅粘土剪切波速隨埋深變化的統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式，并應(yīng)用于實(shí)際工程中。這些成果不僅對(duì)當(dāng)?shù)亻_(kāi)展建設(shè)工程的場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)、巖土工程勘察等工作具有十分重要的參考價(jià)值，而且對(duì)積累紅粘土的剪切波速經(jīng)驗(yàn)也具有很重要的意義。

1統(tǒng)計(jì)資料及紅粘土的特性

柳州市官塘片區(qū)位于柳東新區(qū)的東北部，下伏基巖主要為石炭系(C)白云巖，除個(gè)別鉆孔表面分布有0～1m厚的耕土或填土層外，上覆土層主要為原地風(fēng)化殘積的紅粘土。紅粘土呈棕紅色、黃色，濕，土質(zhì)均勻、致密，局部含少量鐵錳結(jié)核及風(fēng)化角礫顆粒，以硬塑狀為主，粘性強(qiáng)，切面光滑，干強(qiáng)度較高，無(wú)搖振反應(yīng)，層厚3～19m。

本文的統(tǒng)計(jì)資料來(lái)源于廣西柳州市官塘片區(qū)地震小區(qū)劃的鉆孔剪切波速資料*廣西工程防震研究院.2009.柳州市柳東新區(qū)(陽(yáng)和、官塘)地震小區(qū)劃報(bào)告.。經(jīng)過(guò)整理分析，本文共統(tǒng)計(jì)了其中的45個(gè)鉆孔407個(gè)紅粘土土層的剪切波速測(cè)試點(diǎn)結(jié)果，這45個(gè)鉆孔較均勻地分布在官塘片區(qū)中部和東部的溶蝕盆地內(nèi)(圖1)，可以較好的揭示該片區(qū)的工程地質(zhì)條件。

2剪切波速測(cè)試方法

現(xiàn)場(chǎng)剪切波速測(cè)試采用的方法為單孔測(cè)試法(又稱(chēng)檢層法)，使用的測(cè)試儀器為中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所生產(chǎn)的RSM-24FD型工程測(cè)試儀，測(cè)試示意圖如圖2所示。單孔測(cè)試法是在鉆孔孔口附近(2～4m)設(shè)置厚木板并上壓重物作為激振板，通過(guò)人工敲擊產(chǎn)生以剪切波能量為主的震源，同時(shí)將檢波器放置在鉆孔內(nèi)不同深度并保證其緊貼孔壁，測(cè)出孔口激發(fā)震源所產(chǎn)生的剪切波傳到孔內(nèi)不同深度所需的時(shí)間，經(jīng)計(jì)算得出剪切地震波在巖土層中的傳播速度。由于紅粘土土質(zhì)均勻，厚度不大，本文中各剪切波速測(cè)試點(diǎn)的間隔均取1m。

3剪切波速隨埋深的變化規(guī)律分析

目前國(guó)內(nèi)統(tǒng)計(jì)分析巖土層剪切波速與埋深的變化規(guī)律采用的經(jīng)驗(yàn)公式主要有線性函數(shù)、冪函數(shù)和多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系模型3種(高云峰，劉漢龍，2003)。對(duì)于粘性土而言，《構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50191—2012)和許多學(xué)者都推薦采用冪函數(shù)關(guān)系模型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并取得較好的擬合效果(張小平等，2012；高云峰，劉漢龍，2003；周楊銳，董明明，2012；邱志剛等，2011)。冪函數(shù)關(guān)系模型具體表示如下：

VS=aHb

(1)

式中：VS表示剪切波速，H表示土層埋深，a、b為待定系數(shù)。

根據(jù)上述統(tǒng)計(jì)分析方法，筆者將柳州官塘片區(qū)的45個(gè)鉆孔的紅粘土土層剪切波速測(cè)試結(jié)果繪制成散點(diǎn)圖，通過(guò)添加趨勢(shì)線擬合出其剪切波速與埋深間的冪函數(shù)回歸曲線，并給出擬合參數(shù)和擬合優(yōu)度R2，如圖3所示。從圖中可以看出，該片區(qū)紅粘土的剪切波速值集中在200～300m/s之間，隨著土層埋深的增加，紅粘土的剪切波速具有逐漸增大的趨勢(shì)，兩者間存在較明顯的相關(guān)性；采用冪函數(shù)關(guān)系模型的擬合優(yōu)度接近0.8，表明統(tǒng)計(jì)的結(jié)果具有較高的可信度。

紅粘土屬于一種區(qū)域性的特殊粘性土，為了更好地了解柳州官塘片區(qū)紅粘土剪切波速與埋深的關(guān)系特點(diǎn)，現(xiàn)將本文擬合的經(jīng)驗(yàn)公式與集合肥、大連等多個(gè)地區(qū)總結(jié)的粘性土剪切波速與埋深的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行比較(表1、圖4)。從表1中可以發(fā)現(xiàn)，不同地區(qū)的粘性土剪切波速與埋深的經(jīng)驗(yàn)公式存在較大的差異，其中紅粘土的擬合系數(shù)a值為最大，指數(shù)b值為最小。

表1　各地區(qū)粘性土剪切波速與埋深的經(jīng)驗(yàn)公式

從各地區(qū)粘性土剪切波速隨埋深變化的關(guān)系曲線圖(圖4)中可發(fā)現(xiàn)以下兩大特點(diǎn)：(1)在同一埋深處，尤其是在土層埋深較淺時(shí)，柳州官塘片區(qū)紅粘土的剪切波速明顯高于其余大部分地區(qū)粘性土的剪切波速；(2)隨著埋深的增加，柳州官塘片區(qū)紅粘土的剪切波速遞增率明顯小于其余粘性土。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在對(duì)不同地區(qū)紅粘土的物理力學(xué)性質(zhì)研究中發(fā)現(xiàn)，紅粘土雖具有高含水量、大孔隙比、低密度等不良特點(diǎn)，但同時(shí)又具有高強(qiáng)度、低壓縮性等良好力學(xué)性質(zhì)(譚羅榮，孔令偉，2006)，柳州官塘片區(qū)紅粘土的剪切波速隨埋深變化的規(guī)律特點(diǎn)是否與其特殊的物理力學(xué)性質(zhì)有關(guān)值得深入研究。

4工程檢驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文成果的可靠性，選取柳州市官塘片區(qū)某一工程場(chǎng)地鉆孔的實(shí)測(cè)剪切波速數(shù)據(jù)，采用《構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50191—2012)推薦的估算硬塑粘性土剪切波速的經(jīng)驗(yàn)公式VS=130H0.300以及本文總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了對(duì)比，并計(jì)算了相對(duì)誤差，以此來(lái)驗(yàn)證本文所提出的剪切波速統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式的預(yù)測(cè)精度，具體結(jié)果如表2所示。

表2　規(guī)范推薦公式與本文經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)剪切波速的對(duì)比分析

由表2可知：本文統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的剪切波速相對(duì)誤差最大為4.6%，最小為0.0%，相對(duì)誤差均小于5%；而規(guī)范推薦的公式所預(yù)測(cè)的剪切波速，絕大部分層位的相對(duì)誤差超過(guò)5%，其中最大為25.2%。同時(shí)還可以發(fā)現(xiàn)，規(guī)范所推薦的經(jīng)驗(yàn)公式在預(yù)測(cè)埋深較淺的紅粘土剪切波速時(shí)，效果相對(duì)較差。初步表明，本文所提出的統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式在預(yù)測(cè)柳州市官塘片區(qū)紅粘土剪切波速時(shí)效果較好，計(jì)算結(jié)果相對(duì)可靠，可應(yīng)用于實(shí)際工程。而根據(jù)規(guī)范推薦的硬塑粘土經(jīng)驗(yàn)公式，在預(yù)測(cè)紅粘土的剪切波速效果欠佳。因此本文統(tǒng)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)當(dāng)?shù)囟裕勺鳛橐?guī)范公式，是一個(gè)很好的補(bǔ)充。

5結(jié)論

本文根據(jù)廣西柳州市柳東新區(qū)官塘片區(qū)地震小區(qū)劃的45個(gè)鉆孔剪切波速實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，建立了該片區(qū)紅粘土剪切波速與埋深的經(jīng)驗(yàn)公式，與其它地區(qū)粘性土對(duì)比分析了紅粘土剪切波速的分布特點(diǎn)，并通過(guò)實(shí)際工程場(chǎng)地實(shí)測(cè)結(jié)果將所建立的經(jīng)驗(yàn)公式與《構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50191—2012)的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了比較驗(yàn)證。研究結(jié)果表明：

(1)柳州官塘片區(qū)紅粘土的剪切波速隨埋深的變化規(guī)律符合冪函數(shù)規(guī)律，建立的經(jīng)驗(yàn)公式為：VS=200.4H0.143(R2=0.756)。

(2)與國(guó)內(nèi)其它地區(qū)的粘性土剪切波速分布規(guī)律相比，柳州官塘片區(qū)紅粘土在埋深較淺時(shí)具有較高的剪切波速，其剪切波速隨埋深增加遞增率相對(duì)較小，具體原因有待進(jìn)一步研究。

(3)本文建立的經(jīng)驗(yàn)公式用于實(shí)際工程預(yù)測(cè)紅粘土的剪切波速效果好于《構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50191—2012)推薦的經(jīng)驗(yàn)公式，可供該地區(qū)實(shí)際工程估算研究紅粘土的剪切波速借鑒使用。

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CorrelativeAnalysisbetweenShearWaveVelocityandDepth

Aimingattheproblemsofstudyingtheshearwavevelocitycharacteristicsofredclayandtheneedofconstructionprojects，wecarriedouttheresearchinthecorrelativebetweenshearwavevelocityandthedepthofredclaybasedontherealisticshearwavevelocitydataof45drillholeswhicharelocatedinLiuzhouGuantangregionofGuangxi.Theresultshowsthat：(1)Thechangelawbetweenshearwavevelocityanddepthofredclayfollowsthepowerlawrelation，andtheestablishedempiricalformulaisVS=200.4H0.143(R2=0.756). (2)Comparedwiththedistributionlawofshearwavevelocityofclaysoilinotherarea，theshearwavevelocityofredclayismuchhigherwhenthedepthisshallow，howevertheincreaserateofitissmallerwiththeincreasingofdepthinLiuzhouGuantangregion. (3)Aftercomparingtherelativedeviation，theempiricalformulaestablishedinthispaperhasabetterforecastingeffectthantheempiricalformularecommendedbyAseimic Design of Construction Worksonestimatingtheshearwavevelocityofredclay，anditcanbeusedforthereferenceinpracticalengineeringofLiuzhouGuantangregion.

Keywords：LiuzhouGuantangregion；redclay；shearwavevelocity；depthofsoils

*收稿日期：2014-01-12. 基金項(xiàng)目：廣西壯族自治區(qū)地震局科研合同制項(xiàng)目——廣西典型紅粘土土層剪切波速與埋深的關(guān)系研究(GXJ2012009)和廣西地震科學(xué)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目——廣西重點(diǎn)地區(qū)活動(dòng)斷層與中強(qiáng)地震構(gòu)造探測(cè)研究(桂科攻12426001-4)聯(lián)合資助.

中圖分類(lèi)號(hào)：TV411

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-0666(2015)02-0280-05

ofRedClayinLiuzhouGuantangRegion
LIUHua-gui1，JIANGWen-yu2，3
(1.GuangxiAcademyofEngineeringShockPrevention，Nanning530022，Guangxi，China)

(2.CollegeofCivilEngineering，GuangxiUniversity，Nanning530004，Guangxi，China)

(3.GuangxiUniversityofFinanceandEconomics，Nanning530003，Guangxi，China)

Abstract