荊州市區(qū)覆蓋層厚度及場地類別判定因素分析

左其平，李 偉，黃 麗

(湖北省地質(zhì)局武漢水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，湖北武漢 430051)

建筑場地類別反映不同場地條件對(duì)基巖地震震動(dòng)的綜合放大效應(yīng)。建筑設(shè)計(jì)前應(yīng)確定場地類別并進(jìn)行相應(yīng)的抗震設(shè)計(jì)，場地類別不同直接影響工程投資總額。建筑場地類別是根據(jù)覆蓋層厚度和土層等效剪切波速來確定的，因此，在巖土工程勘察中應(yīng)確定場地覆蓋層厚度。

按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011—2010)，場地覆蓋層厚度的概念是建立在剪切波速概念之上的，它的含義實(shí)質(zhì)上是從地面算起至堅(jiān)硬土層頂面(如巖石)的覆蓋土層總厚度，覆蓋層厚度越小，即從地面到達(dá)堅(jiān)硬土的距離越近，說明場地土質(zhì)越硬，震害的影響越小。建筑場地覆蓋層厚度的確定［1］主要應(yīng)符合下列要求:一般情況下，應(yīng)按地面至剪切波速＞500 m/s的土層頂面的距離確定;當(dāng)?shù)孛? m以下存在剪切波速大于相鄰上層土剪切波速2．5倍的土層，且其下臥巖土的剪切波速均≥400 m/s時(shí)，可按地面至該土層的距離確定;剪切波速＞500 m/s的孤石、透鏡體，應(yīng)視同周圍土層;土層中的火山巖硬夾層，應(yīng)視為剛體，其厚度應(yīng)從覆蓋土層中扣除。

荊州市區(qū)上部為第四系全新統(tǒng)沖積粘性土和砂土，中部以卵礫石為主，下伏新近系泥巖、砂巖和砂礫巖互層，固結(jié)度差，特別是砂巖和砂礫巖多呈松散或半固結(jié)狀態(tài)，均為軟質(zhì)巖石。卵礫石和基巖的埋深與實(shí)測剪切波速共同控制建筑場地覆蓋層厚度及建筑場地類別。

1 荊州市區(qū)地層分布特征及覆蓋層厚度確定

1．1 地層總體分布特征

根據(jù)荊州市區(qū)域地質(zhì)資料和工民建勘探成果，在荊州區(qū)中東部及沙市區(qū)長江一級(jí)階地表層10～30 m為全新統(tǒng)早期粘性土和砂土，中部為上更新統(tǒng)—全新統(tǒng)堆積的近100 m的深厚卵礫石;在荊州區(qū)西北部長江二級(jí)階地表層5～20 m為全新統(tǒng)早期粘性土和砂土，中部為上更新統(tǒng)—全新統(tǒng)堆積的近20 m的卵礫石;下伏地層均為新近系—古近系內(nèi)陸湖相堆積的泥巖、砂巖、砂礫巖互層［2］。

荊州市區(qū)的地層結(jié)構(gòu)表明，影響覆蓋層厚度確定的主要地層為卵石層和下伏基巖。在卵石層的上部多夾圓礫和細(xì)砂，卵石的密實(shí)度差異也較大，這兩個(gè)因素共同影響卵石的剪切波速實(shí)測值，若未見到穩(wěn)定的中密以上的卵石層，其剪切波速難以判斷＞500 m/s，場地的覆蓋層厚度就難以確定。同時(shí)，下伏新近系—古近系泥巖、砂巖和砂礫巖的固結(jié)度差，特別是砂巖和砂礫巖多呈松散和半固結(jié)狀態(tài)，巖層的剪切波速實(shí)測值部分＜500 m/s;由于同類巖層的厚度很大，當(dāng)巖層的剪切波速實(shí)測＜500 m/s時(shí)，按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011—2010)的理解，此類巖層是否能確定其為穩(wěn)定基巖(堅(jiān)硬土)進(jìn)而確定覆蓋層厚度是需要探討的問題。

隨著荊州市城市建設(shè)的高速發(fā)展，新建的大型建(構(gòu))筑物日益增多，由于覆蓋層厚度問題沒有得到較好地解決，關(guān)于抗震勘察中鉆孔深度和剪切波速測試孔深度如何確定的問題較為突出，嚴(yán)重影響項(xiàng)目勘察費(fèi)用。為解決這些問題，結(jié)合荊州市部分項(xiàng)目實(shí)測剪切波速資料，對(duì)不同地層覆蓋層厚度問題進(jìn)行分析。

1．2 深厚卵石區(qū)代表性地層及其實(shí)測剪切波速

在荊州市深厚卵石區(qū)除去上覆第四系全新統(tǒng)地層外，中部上更新統(tǒng)卵礫石層的代表性沉積規(guī)律為圓礫—卵石—細(xì)砂—卵石，以沙市區(qū)徐橋村六號(hào)路東側(cè)“荊州市徐橋安置點(diǎn)還建房”和張溝路與板橋路交匯處西南側(cè)“荊州沙北新區(qū)張溝安置點(diǎn)還建房”項(xiàng)目［3］為例，各土層和卵礫石的超重型圓錐動(dòng)力觸探N120值統(tǒng)計(jì)、密實(shí)度判斷及實(shí)測剪切波速如表1和表2。

通過上表數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，圓礫層多呈稍密狀，其實(shí)測剪切波速多＜500 m/s;上部卵石層一般中密狀多＞500 m/s、稍密狀以下＜500 m/s;卵礫石中的細(xì)砂夾層剪切波速均＜500 m/s。按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011—2010)的要求，一般情況下，上述兩個(gè)場地覆蓋層厚度應(yīng)確定為穿過細(xì)砂層后中密以上穩(wěn)定的卵石層頂面，即覆蓋層厚度為27．5～29．5 m。

表1 “荊州市徐橋安置點(diǎn)還建房”土層分布與實(shí)測剪切波速Table 1 Soil distribution and measured shear wave velocity of buildings in Xuqiao setting place

表2 “荊州沙北新區(qū)張溝安置點(diǎn)還建房”土層分布與實(shí)測剪切波速Table 2 Soil distribution and measured shear wave velocity of buildings in Zhanggou setting place

《1∶20萬水文地質(zhì)圖說明書(沙市幅)》表明，該區(qū)域卵石層厚達(dá)100 m，下伏新近系—古近系內(nèi)陸湖相堆積的泥巖、砂巖、砂礫巖互層;由于下伏巖層為松散—半固結(jié)狀態(tài)，其實(shí)測剪切波速部分＜500 m/s。這樣，即使上覆厚達(dá)百米的卵石為堅(jiān)硬土，下伏基巖為中硬土，如果以穩(wěn)定中密的卵石層頂面作為覆蓋層厚度的判定標(biāo)準(zhǔn)，與《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011—2010)要求下部巖土層的剪切波速均應(yīng)＞500 m/s有一定偏差;如果把厚層卵石視為剛體從覆蓋層厚度中扣除，其結(jié)果亦不合常理。在工程實(shí)際中，深厚卵石區(qū)一般的工民建勘察不會(huì)揭穿卵石層進(jìn)入下部基巖，測試基巖剪切波速很難實(shí)現(xiàn)。由于對(duì)建筑物破壞作用最大的地震波主要是中—短周期的地震波，而深層介質(zhì)對(duì)中—短周期地震波的影響并不很顯著;從安全角度分析，高聳結(jié)構(gòu)對(duì)地震峰值加速度較敏感，所以可以把場地覆蓋層厚度增大一點(diǎn)。因此，筆者認(rèn)為，在深厚卵石區(qū)一般工民建筑物的工程勘察時(shí)，覆蓋層厚度可按“穩(wěn)定中密的卵石層頂面”確定;對(duì)高聳建筑物等地基變形敏感或特別重要的建設(shè)工程，應(yīng)采用時(shí)程分析法進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算。

在荊州市深厚卵石區(qū)卵礫石層中除具代表性沉積規(guī)律的圓礫—卵石—細(xì)砂—卵石層外，其它地段為缺失“圓礫—卵石—細(xì)砂”中的一個(gè)或兩個(gè)土層，覆蓋層厚度可按同類標(biāo)準(zhǔn)判定。以沙市區(qū)北京中路與便河西路交匯處“荊州人信匯”項(xiàng)目［4］為例，其土層和卵礫石的超重型圓錐動(dòng)力觸探N120值統(tǒng)計(jì)、密實(shí)度判斷及實(shí)測剪切波速如表3。

表3 “荊州人信匯”土層分布與實(shí)測剪切波速Table 3 Soil distribution and measured shear wave velocity of Renxinhui in Jingzhou

根據(jù)上表確定，場地覆蓋層以第(9)層卵石頂面為界線，厚度在26．0 ～27．2 m。

1．3 荊州西北部地區(qū)代表性地層及其實(shí)測剪切波速

在荊州區(qū)西北部長江二級(jí)階地場地基巖埋深較淺，覆蓋層厚度由卵礫石與下伏巖層共同確定。以位于荊州太湖港農(nóng)場的農(nóng)高大道跨越引江濟(jì)漢渠的“華中農(nóng)高區(qū)農(nóng)高大橋”項(xiàng)目［5］場地為例，下伏新近系泥巖和砂巖頂板埋深在28．3～52．5 m，且鉆探表明該地段新近系巖層固結(jié)度差異較大，大部分固結(jié)度較差(呈半巖土狀)，部分固結(jié)度極差(呈密實(shí)砂土狀)，部分固結(jié)度較好(呈巖石狀)，其代表性地層分布和及實(shí)測剪切波速如表4。

表4 “華中農(nóng)高區(qū)農(nóng)高大橋”土層分布與實(shí)測剪切波速Table 4 Soil distribution and measured shear wave velocity of Nonggao bridge

上述結(jié)果表明，第(7)層卵石的剪切波速實(shí)測值已＞500 m/s，在K25孔場地覆蓋層可明確以第(7)層卵石頂面為界線，厚度為17．2 m。而在K10和K16孔第(7)層卵石下部夾有6．5～15．4 m厚實(shí)測剪切波速值＜400 m/s的粉細(xì)砂，這段下臥層應(yīng)明確為覆蓋層;因此K16孔的場地覆蓋層可明確以第(10)層卵石土頂面為界線，并扣除第(7)層卵石作為剛體的厚度，其覆蓋層為38．6 m。在K10孔由于下伏第(12)粉砂巖(半成巖)固結(jié)度極差，呈密實(shí)砂土狀，其實(shí)測剪切波速值介于400～500 m/s之間，該層是否判定為覆蓋層在《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011—2010)未明確界定;筆者認(rèn)為，對(duì)于一般的工民建筑物的建設(shè)工程，第(12)粉砂巖(半成巖)可視為巖層，覆蓋層厚度可按第(11)層泥質(zhì)粉砂巖(半成巖)頂面為界線，扣除第(7)層卵石作為剛體的厚度，其覆蓋層為27．5 m;對(duì)高聳建筑物等地基變形敏感或特別重要的建設(shè)工程，覆蓋層厚度應(yīng)按第(14)層泥質(zhì)粉砂巖(半成巖)頂面為界線，扣除第(7)層卵石和第(11)層泥質(zhì)粉砂巖(半成巖)作為剛體的厚度，其覆蓋層為44．3 m;必要時(shí)采用時(shí)程分析法進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算。

2 荊州市區(qū)建筑場地類別及勘探孔深度確定

2．1 建筑場地類別確定

建筑場地類別是反映不同場地條件對(duì)基巖地震震動(dòng)的綜合放大效應(yīng)。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011—2010)，場地類別劃分應(yīng)以土層等效剪切波速和覆蓋層厚度共同確定，共劃分為Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類等四個(gè)類別(其中Ⅰ類可分為Ⅰ0、Ⅰ1兩個(gè)亞類)。土層等效剪切波速計(jì)算公式如下:

式中:υse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二者的較小值;t為剪切波在地面至計(jì)算深度之間的傳播時(shí)間;di為計(jì)算深度范圍內(nèi)第i土層的厚度(m);υsi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)。

通過對(duì)表1-表4中四個(gè)項(xiàng)目共9個(gè)波速測試孔20 m深度或覆蓋層厚度范圍內(nèi)土層的等效剪切波速進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果見表5。

表5 覆蓋層厚度及建筑場地類別統(tǒng)計(jì)Table 5 Statistics of overburden thickness and construction site classification

根據(jù)表5統(tǒng)計(jì)結(jié)果，結(jié)合本單位在荊州市區(qū)多個(gè)不同場地項(xiàng)目的勘察資料，該區(qū)覆蓋層厚度在15～50 m之間，其20 m深度或覆蓋層厚度范圍內(nèi)土層的等效剪切波速值在160～280 m/s，建筑場地類別均可定為Ⅱ類。

2．2 勘探孔的確定

一般來說，工民建筑物的工程勘察時(shí)，勘探孔深度應(yīng)滿足地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的要求，控制線鉆孔同時(shí)應(yīng)滿足實(shí)測剪切波速判定場地覆蓋層厚度的要求。

在荊州區(qū)中東部及沙市區(qū)長江一級(jí)階地，由于卵礫石層深厚，一般工程建(構(gòu))筑物基礎(chǔ)設(shè)計(jì)均以卵石作樁基持力層。通過上文分析，該區(qū)域卵礫石表層分布不穩(wěn)定，局部夾細(xì)砂層，樁基持力層應(yīng)以穩(wěn)定的卵石層為準(zhǔn)，避開細(xì)砂形成的軟弱下臥層的影響;按控制性勘探點(diǎn)的深度應(yīng)深入預(yù)計(jì)樁尖平面以下5～10 m或6～10 d計(jì)算，控制線勘探孔深度應(yīng)在35～40 m;在此勘探孔深度范圍內(nèi)，已進(jìn)入了穩(wěn)定中密的卵石層，其剪切波速＞500 m/s，也滿足實(shí)測剪切波速判定場地覆蓋層厚度的要求。因此，該區(qū)域勘探孔深度沒有必要穿越卵礫石層而揭露下伏基巖。

在荊州區(qū)西北部長江二級(jí)階地，一般場地基巖埋深相對(duì)較淺，卵石層下的粉細(xì)砂夾層較厚。對(duì)于一般多層或小高層建筑物來說，中密—密實(shí)的粉細(xì)砂不構(gòu)成軟弱下臥層;但對(duì)高層或超高層等對(duì)地基變形敏感或特別重要的建筑物來說，由于荷載大、變形要求嚴(yán)格，夾層中粉細(xì)砂應(yīng)作為軟弱下臥層計(jì)算。因此，對(duì)于一般建筑物的控制性勘探孔深度宜進(jìn)入卵石層以下5～10 m，孔深30左右;對(duì)于高層等地基變形敏感的建筑物勘探孔深度應(yīng)揭穿粉細(xì)砂夾層進(jìn)入下伏基巖，孔深在50 m附近。在此深度范圍內(nèi)，實(shí)測土層的剪切波速亦可滿足判定覆蓋層厚度的要求。

3 結(jié)語

在建筑抗震設(shè)計(jì)中，覆蓋層厚度是建立在剪切波速概念的基礎(chǔ)上，由于荊州市區(qū)卵石層內(nèi)存在剪切波速＜500 m/s的粉細(xì)砂夾層，夾層之上的剪切波速＞500 m/s的卵石層是視為周圍的土層，還是視為剛體，規(guī)范并未給予明確的解釋;荊州市區(qū)卵石層下伏新近系基巖的固結(jié)度較差，部分巖石的實(shí)測剪切波速＜500 m/s，其上覆深厚的卵石是否可視為堅(jiān)硬土而控制覆蓋層厚度的判定，規(guī)范對(duì)此類問題亦未給予解釋。這些問題需要在后期的工程實(shí)踐中摸索、探討。

不同場地實(shí)測剪切波速資料表明，荊州市區(qū)中密的卵石層剪切波速＞500 m/s，在覆蓋層厚度判定時(shí)，可以穩(wěn)定中密的卵石層頂面作為標(biāo)準(zhǔn)。因此，在勘探孔深度確定時(shí)，應(yīng)以滿足地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)，不需要為確定覆蓋層厚度而加深勘探孔。

荊州市區(qū)20 m深度或覆蓋層厚度范圍內(nèi)土層的等效剪切波速一般在150～250 m/s，局部地段＞250 m/s;一般情況下，荊州市區(qū)覆蓋層厚度在15～50 m之間;因此，建筑場地類別均為Ⅱ類。

［1］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部．建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范:GB50011—2010［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010．

［2］ 湖北省第一水文地質(zhì)大隊(duì)．H-49-XY11水文地質(zhì)圖說明書(1∶20萬，沙市幅)［R］．荊州:湖北省水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，1973．

［3］ 李偉，李代發(fā)，陳崇偉，等．荊州沙北新區(qū)張溝安置點(diǎn)還建房工程勘察報(bào)告等［R］．武漢:武漢地質(zhì)工程勘察院，2013．

［4］ 方山耀，陳崇偉，李代發(fā)，等．荊州人信匯工程勘察報(bào)告［R］．武漢:武漢地質(zhì)工程勘察院，2011．

［5］ 左其平，張進(jìn)，樊永生，等．華中農(nóng)高區(qū)農(nóng)高大橋工程勘察報(bào)告［R］．武漢:湖北省地質(zhì)局武漢水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，2014．