霍魁 曾金艷 丁學(xué)文

(山西省地震局， 太原 030006)

運(yùn)城市城區(qū)土層剪切波速與埋深關(guān)系分析

霍魁 曾金艷 丁學(xué)文

(山西省地震局， 太原 030006)

根據(jù)運(yùn)城市城區(qū)地震小區(qū)化建設(shè)項(xiàng)目中72個(gè)土層的剪切波速測(cè)試資料，采用冪函數(shù)模型對(duì)粉土、粉砂、粉黏土、細(xì)砂的土層剪切波速與埋深進(jìn)行加權(quán)回歸分析，得到不同土類的模型參數(shù)及擬合優(yōu)度指標(biāo)。將土層剪切波速預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了回歸關(guān)系式的合理性和適用性。土層剪切波速與埋深呈較好的冪函數(shù)關(guān)系，擬合優(yōu)度均在0.9以上。

運(yùn)城市城區(qū)； 土層埋深； 回歸分析； 剪切波速

土層剪切波速是巖土地震工程中的一個(gè)重要物理量，在場(chǎng)地土類劃分、地基飽和土液化判別、土層地震反應(yīng)分析等方面得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。通常采用現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試方法確定土層剪切波速，現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試方法分為單孔檢層法、跨孔法和表面波法。其中，單孔檢層法能直接給出土層的準(zhǔn)確位置、厚度及波速，很少受測(cè)試場(chǎng)地環(huán)境限制，是目前應(yīng)用最廣泛的方法[3]。受土體本身固有的變異性及測(cè)試技術(shù)水平等影響，測(cè)試結(jié)果具有較大的變異性，誤差甚至可能超過(guò)30%[4-5]。本次研究中，將利用實(shí)測(cè)土層剪切波速資料建立土層剪切波速的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，并對(duì)統(tǒng)計(jì)估計(jì)值、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值和土層特征進(jìn)行對(duì)比分析，綜合確定土層剪切波速值。

1 城區(qū)工程地質(zhì)條件

根據(jù)土層剪切波速與埋深及其標(biāo)準(zhǔn)貫入值的相關(guān)研究[6-11]，可知：

(1) 除土層埋深外，影響土層剪切波速的因素還包括土質(zhì)類別、形成條件、天然重度、物理性質(zhì)等。

(2) 土層剪切波速與埋深的關(guān)系可通過(guò)線性模型、一元二次多項(xiàng)式模型、冪函數(shù)模型進(jìn)行擬合?？傮w上，一元二次多項(xiàng)式或冪函數(shù)模型的擬合精度較高。

(3) 不同地區(qū)土層剪切波速與埋深的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系具有較大差異，表現(xiàn)出很明顯的地域性。

(4) 以土層動(dòng)力性質(zhì)基本一致的工程地質(zhì)單元為統(tǒng)計(jì)單元，可得到較好的土層剪切波速與埋深經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。

運(yùn)城市城區(qū)主要建設(shè)規(guī)劃用地位于具巨厚松散沉積物的斷陷區(qū)，覆蓋層厚度多為74～76 m?？傮w上來(lái)看，場(chǎng)地內(nèi)第四紀(jì)松散層厚度較穩(wěn)定，土層厚度變化明顯受斷裂控制：層序也比較穩(wěn)定，地層比較連續(xù)，呈近水平狀，不同時(shí)代地層為整合接觸。覆蓋層厚度涉及地層自上而下有第四系全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)、中更新統(tǒng)地層[12]。

全新統(tǒng)沉降中心主要在運(yùn)城市區(qū)以南的鹽池一帶，厚度為10～30 m，中條山北麓斷裂和鹽湖北岸斷裂全新世時(shí)期活動(dòng)強(qiáng)烈。巖性下部為深灰、灰綠色粉砂質(zhì)黏土，上部為黑色粉砂質(zhì)黏土，多呈淤泥狀，并出現(xiàn)多層石鹽晶體，湖積成因。鹽池外市區(qū)全新統(tǒng)厚度約0～10 m，地層為褐黃色 — 淺黃色粉土，稍密，含白色菌絲、鈣核，湖積成因；上更新統(tǒng)在鹽池一帶厚度約30～60 m，為一套灰綠色粉砂質(zhì)黏土，具有水平層理，含有豐富的鹽類礦物，呈沉積旋回，湖積成因。鹽池外市區(qū)上更新統(tǒng)湖相沉積較薄，厚度約5～30 m，地層為褐黃色-淺黃色粉土、粉質(zhì)黏土，稍密-中密，可塑，土質(zhì)不均勻，含少量細(xì)砂、云母碎片；中更新統(tǒng)以河湖相地層為主，為湖相的粉砂質(zhì)黏土、粉土層，淺灰、褐灰色，中密-密實(shí)，可塑，含少量細(xì)砂、云母碎片、銹斑點(diǎn)，偶見蝸牛殼。運(yùn)城市城區(qū)土層水平范圍內(nèi)變化不大，垂直范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可作為一個(gè)工程地質(zhì)單元，用于確定土層剪切波速與土層埋深的統(tǒng)計(jì)關(guān)系。

2 分析資料收集

本次工作中，收集了運(yùn)城市地震小區(qū)化建設(shè)項(xiàng)目中72個(gè)鉆孔，圖1為工程場(chǎng)地位置分布圖。從圖中可以看出，場(chǎng)地均勻分布于運(yùn)城市區(qū)主要建設(shè)用地規(guī)劃范圍，保證了本次工作統(tǒng)計(jì)結(jié)果的適用性。每個(gè)鉆孔波速測(cè)試深度按《工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)》(GB 17741 — 2005)、《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021 — 2001)等相關(guān)規(guī)范要求，達(dá)到假想基巖面。結(jié)合土層結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)垂直間取2 m， 分析各數(shù)據(jù)測(cè)試點(diǎn)。選取72個(gè)鉆孔和5個(gè)收集鉆孔共2 160個(gè)測(cè)點(diǎn)的剪切波數(shù)據(jù)，各土類測(cè)試點(diǎn)深度間隔為10 m，其分布情況見表1。

圖1 運(yùn)城市小區(qū)化工程場(chǎng)地位置分布示意圖

土類剪切波速測(cè)試點(diǎn)分布數(shù)0-10m10-20m20-30m30-40m40-50m50-60m60-70m70-80m80-85m粉土23510617515713615718916514粉砂151285934624725367粉黏土9213252374642481細(xì)砂22821163091441

3 回歸分析

根據(jù)收集到的剪切波速測(cè)試資料，分別對(duì)粉土、粉砂、粉黏土、細(xì)砂進(jìn)行了回歸分析。首先繪制了各類散點(diǎn)圖(圖2)，從圖中可以看出呈非線性規(guī)律，參照以往研究成果，采用冪函數(shù)模型Vs=a*Hb+c(Vs為剪切波速，H為土層埋深，a、b、c為回歸系數(shù))表示土層剪切波速與埋深的關(guān)系。

首先，以埋深分檔樣本數(shù)量的倒數(shù)作為加權(quán)平均數(shù)相對(duì)值wr；然后，為了估計(jì)剪切波速的變化，對(duì)加權(quán)系數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，即wn=wrmean(wr)；式中wn為向量平均值；最后，利用Matlab軟件提供的nlinfit和nlpredci函數(shù)進(jìn)行加權(quán)回歸分析，分別計(jì)算出粉土、粉砂、粉黏土、細(xì)砂回歸參數(shù)，判定系數(shù)R2、誤差標(biāo)準(zhǔn)差及95%預(yù)測(cè)區(qū)間。圖2中虛線表示95%預(yù)測(cè)區(qū)間，實(shí)線為預(yù)測(cè)函數(shù)Vs=a×Hb+c，式中各參數(shù)見表2。

圖2 土層剪切波速與埋深關(guān)系擬合曲線

土類abcR2σ粉土31.40.576114.10.96320.1粉砂36.80.54794.80.92624.4粉黏土22.80.640136.90.92421.9細(xì)砂24.20.611143.40.90022.4

4 工程檢驗(yàn)

選取運(yùn)城市城區(qū)幾個(gè)工程場(chǎng)地的鉆孔，利用上述回歸關(guān)系式進(jìn)行剪切波速預(yù)測(cè)，計(jì)算其相對(duì)誤差，驗(yàn)證所得關(guān)系式的預(yù)測(cè)精確度。具體對(duì)比結(jié)果見表3?？梢钥闯?，土層剪切波速推測(cè)值相對(duì)誤差均小于7.8，15個(gè)測(cè)試點(diǎn)中只有4個(gè)測(cè)試點(diǎn)的相對(duì)誤差超過(guò)了5%。這表明，此回歸關(guān)系式可以較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)該地區(qū)的土層剪切波速。

表3 土層剪切波速預(yù)測(cè)值與實(shí)際值對(duì)比

5 結(jié) 語(yǔ)

(1) 根據(jù)城區(qū)場(chǎng)地土層結(jié)構(gòu)分析，認(rèn)為城區(qū)土層結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，水平變化不大，可將其作為一個(gè)工程地質(zhì)單元，并確定土層剪切波速與埋深具有關(guān)聯(lián)性。

(2) 通過(guò)對(duì)回歸方法和回歸系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)，得到冪函數(shù)模型Vs=a*Hb+c，可以較好地?cái)M合出城區(qū)粉土、粉砂、粉黏土、細(xì)砂土層剪切波速與埋深關(guān)系。

(3) 通過(guò)某工程場(chǎng)地剪切波速實(shí)測(cè)值對(duì)比分析，認(rèn)為本次所給出的回歸公式可較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)該地區(qū)土層剪切波速。

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Relationship Between Soil Shear Wave Velocity and Soil Depth in Urban Areas of Yuncheng City

HUOKuiZENGJinyanDINGXuewen

(Earthquake Administration of Shanxi Province, Taiyuan 030006, China)

Based on data of shear wave velocities measured from 72 Yuncheng districts, the paper does the weighted regression analysis for shear wave velocity and depth of soils with various of soil type, including silt, silty sand, silty clay, fine sand, by using the power function model, and gets the model parameters of different soil types and goodness of fit index. Finally, the paper verifies the rationality and applicability of the regression equations via comparing measured values with the predicted values. The results show that there is power function relation between the sheaf wave velocities and the depths of soils in Yuncheng, and the goodness of fit is over 0.9.

Yuncheng City; soil depth; regression analysis; shear wave velocity

2017-05-02

山西省地震局科研項(xiàng)目“運(yùn)城市土層剪切波速與埋深的關(guān)系”(SBK-1633)

霍魁(1987 — )，男，碩士，助理工程師，研究方向?yàn)閹r土地震、強(qiáng)震臺(tái)網(wǎng)。

TU411

A

1673-1980(2017)04-0112-04