阜陽市潁東區(qū)剪切波速的特征分析

劉之雨，徐振霖（安徽建筑大學，安徽 合肥 230022）

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阜陽市潁東區(qū)剪切波速的特征分析

劉之雨，徐振霖
（安徽建筑大學，安徽 合肥 230022）

摘 要：剪切波速是地震反應(yīng)分析的中的一個重要參數(shù)，然而受到實際情況的約束，有時測試不能達到所要求的深度或測試結(jié)果不符合要求，因此需對剪切波速進行估計.利用XG-I型懸掛式剪切波速測井儀測試阜陽市潁東區(qū)50個鉆孔的剪切波速值，測試結(jié)果分別用線性函數(shù)、冪函數(shù)、一元三次多項式擬合其隨深度的變化關(guān)系.最后，以某工程的6個鉆孔剪切波速實測結(jié)果與擬合公式作對比，證明該法的可行性，以便在工程實踐中參考使用.

關(guān)鍵詞：剪切波速；特征分析；地基勘探；阜陽地區(qū)

剪切波是傳播方向與介質(zhì)質(zhì)點的振動方向垂直的波，又稱橫波，S波.地震時它使地面發(fā)生前后左右抖動，破壞性較強，所以剪切波速是結(jié)構(gòu)抗震所需要的重要參數(shù).目前在結(jié)構(gòu)抗震工程中剪切波速可以用來劃分建筑場地土類型、評價飽和土液化可能性和作為土工地震反應(yīng)中的必不可少的計算參數(shù).因此在多數(shù)重大工程項目中，對剪切波速值必須采用實測獲得.［1］但是在實際工程中，受到費用，環(huán)境以及技術(shù)等方面的因素，可能會沒有條件測試或測試數(shù)據(jù)不全，或者是測試不能到達工作要求的深度等.在這些情況下必須對剪切波速進行估算，從而能夠較為合理的估計土層的地震反應(yīng)分析結(jié)果.

本文以阜陽市潁東區(qū)為研究對象，收集了該地區(qū)的剪切波速鉆孔資料，從線性函數(shù)、冪函數(shù)和一元三次多項式三種較為常見的統(tǒng)計關(guān)系內(nèi)，選出擬合程度最高的，作為該地區(qū)土層的經(jīng)驗關(guān)系.

1 自然地理條件

潁東區(qū)位于安徽省阜陽市東部（東經(jīng)115°00',北緯32°54'）南依潁河與潁州區(qū)和潁上縣相望,北跨茨準新河與毫州市的利辛縣接壤,東臨烏江與潁上縣和利辛縣毗鄰,西與潁泉區(qū)的阜陽北站和伍明鎮(zhèn)為界總面積684.9平方千米.潁東區(qū)屬暖溫帶半濕潤季風氣候.主要氣候特點：四季分明，氣候溫和，雨量適中，光照充足，無霜期較長，旱澇災(zāi)害較頻繁，霜凍、干熱風、冰雹、大風及連陰雨等災(zāi)害性氣象都時有發(fā)生.年實際日照數(shù)平均為2109.06小時.年平均氣溫為15.7℃.年均無霜期為222天.年均降水量為890 毫米.冬季盛行北至東北風，夏季盛行偏南風，春季東南風居多，秋季多東和東北風，全年以偏東風為主，平均風速2.7米/秒.

2 主要地層分布及特征

本區(qū)段勘察現(xiàn)場以鉆探為主，輔以原位測試及室內(nèi)試驗結(jié)果共同揭露、分析評價其巖土層分布情況，現(xiàn)將本次揭露的巖土層介紹如下：

根據(jù)鉆探揭露結(jié)合室內(nèi)試驗結(jié)果，擬建場地鉆探深度范圍內(nèi)揭露的地層主要為第四系全新統(tǒng)填土層（Q）及全新統(tǒng)洪沖積層（Q）以及上更新統(tǒng)洪沖積層（Q）.

第①層素填土

該層較廣泛分布，揭露層厚0.20～3.00m，層底高程25.73～29.24m.灰色、灰黃色，稍濕，松散，該層主要以回填軟～可塑狀粘性土為主，上部主要為耕植土，含植物根系，局部含有混建筑垃圾等.部分溝塘分布地段此層下部為淤泥質(zhì)土，灰黑、青灰色，味腥，含腐殖質(zhì)較多.

第②層粘土

該層廣泛分布于場區(qū)，揭露層厚2.90～7.40m，揭露層底高程20.23～25.91m.呈灰黃色、棕黃色，可塑狀.含鐵錳結(jié)核、少量高嶺土以及鈣質(zhì)結(jié)核等.壓縮性中等，干強度高，韌性高，無搖振反應(yīng)，切面光滑有光澤.

第③層粉土夾粉質(zhì)粘土

該層廣泛分布于場區(qū)，揭露層厚0.50～5.10m，揭露層底高程17.70～25.21m.呈灰黃色、黃色，飽和，中密狀態(tài)，搖振反應(yīng)迅速.干強度無，韌性無.含有石英云母.

第④層粉質(zhì)粘土

該層廣泛分布于場區(qū)，揭露層厚0.90～4.30m，揭露層底高程14.45～22.11m.呈灰黃色，濕，可塑狀態(tài)，干強度中等，壓縮性中等，韌性中等，搖振反應(yīng)無，切面稍有光澤.含氧化鐵、鐵錳結(jié)核等.該層局部地段夾有粉土、粉細砂薄層.

第⑤層粉細砂夾粉質(zhì)粘土

該層廣泛分布于場區(qū)，揭露層厚3.40～12.10m，揭露層底高程8.55～11.84m.呈灰、黃灰色，飽和，中密～密實狀態(tài)，搖振反應(yīng)無.含有石英、云母.局部夾有粉質(zhì)粘土、粉土薄層.

第⑥層粘土夾粉質(zhì)粘土

該層廣泛分布于場區(qū)，揭露層厚3.30～5.30m，揭露層底高程4.45～7.63m.呈灰黃、黃褐色，硬塑狀態(tài)，含氧化鐵、鐵錳結(jié)核、鈣質(zhì)結(jié)核及局部條紋狀高嶺土等.壓縮性中等，干強度高，韌性高，無搖振反應(yīng)，有光澤.

第⑦層粘土夾粉質(zhì)粘土

該層廣泛分布于場區(qū)，揭露層厚5.10～9.10m，揭露層底高程-2.25～1.19m.呈灰黃、灰白、灰褐色，硬塑狀態(tài)，含氧化鐵、鐵錳結(jié)核、鈣質(zhì)結(jié)核及局部條紋狀高嶺土等.壓縮性中等，干強度高，韌性高，無搖振反應(yīng)，有光澤.

第⑧層粘土

該層廣泛分布于場區(qū)，主要在高層部分有揭露，揭露厚度大于10.0m.呈灰黃、灰白、灰褐色，硬塑狀態(tài)，含氧化鐵、鐵錳結(jié)核、鈣質(zhì)結(jié)核及局部條紋狀高嶺土等.壓縮性中等，干強度高，韌性高，無搖振反應(yīng)，有光澤.

3 剪切波速的測試方法

本次剪切波速測試工作選用了XG-I懸掛式波速測井儀，該測試系統(tǒng)主要由主機、連接電纜和井中懸掛式探頭（包括：電磁式激振器和檢波器）等3部分組成，工作原理如下：由電源供給脈沖電流，使電磁震源激發(fā)產(chǎn)生沿井壁地層傳播的P、S波，剪切波沿井壁豎直傳播，位于激振器下方的2個間隔1m的檢波器，先后接收到沿井壁傳播的剪切波振動信號，檢波器接收波的振動信號并轉(zhuǎn)換成電信號，然后再進行放大、濾波、數(shù)字化操作，最后將數(shù)字化后的數(shù)據(jù)按規(guī)定格式存入微機硬盤內(nèi)，同時原始波形曲線以及分析和處理后的結(jié)果還能在微機顯示屏上進行顯示，結(jié)果還可由打印機打印出來.主機對信號進行數(shù)據(jù)處理后，采用兩道互相關(guān)分析方法自動計算剪切波在兩道檢波器間傳播的時間差，從而計算出兩道檢波器之間的巖土體剪切波速度.測試開始時，首先將懸掛式探頭放置到待測鉆孔的最大深度處，由下而上逐點進行測試，測試點的間隔可以根據(jù)不同需求進行設(shè)置，本次測點深度間隔選為1個/m.

4 土層剪切波速的統(tǒng)計回歸分析

4.1 剪切波速的分布范圍

收集了阜陽市潁東區(qū)50個鉆孔的剪切波速資料，將其整理、分析成表（見表1），可見潁東區(qū)剪切波速隨土層埋深變化具有一定規(guī)律性，當土層埋深0～10m,剪切波速值主要在131～177m/s范圍內(nèi)；當土層埋深10～20m,剪切波速值主要在227～274m/s范圍內(nèi)；當土層埋深20～30m,剪切波速值主要在296～326m/s范圍內(nèi)；當土層埋深30～40m,剪切波速值主要在283～302m/s范圍內(nèi)；當土層埋深40～50m,剪切波速值主要在321～340m/s范圍內(nèi)；當土層埋深50～60m,剪切波速值主要在340～373m/s范圍內(nèi).

表1 阜陽市潁東區(qū)剪切波速分布范圍

4.2 剪切波速隨埋深的變化規(guī)律

自上世紀60年代開始，國內(nèi)學者國內(nèi)學者曾勇（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.［2］近些年，隨著各地方剪切波速資料的大量累積，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)和一元三次多項式三種統(tǒng)計關(guān)系：

式中，Vs為土層剪切波速（m/s）；H為土層深度（m）；其中a～j為擬合參數(shù).文中采用上述三種統(tǒng)計關(guān)系進行對比分析，并利用相關(guān)系數(shù)R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，相關(guān)系數(shù)為0＜R＜1，當R越接近1，相關(guān)程度越好.

表2 剪切波速隨深度變化擬合公式及相關(guān)系數(shù)

對土層埋深0～60m范圍內(nèi)的剪切波速與深度進行擬合，結(jié)果如表2所示，可見用一元三次多項式擬合所得到的相關(guān)系數(shù)最大，其次為冪函數(shù)，最次為線性函數(shù).由此可得阜陽市潁東區(qū)剪切波隨深度變化規(guī)律的多項式為：

式中：Vs為土層剪切波速m/s；a、b、c、d為多項式系數(shù)；H為土的埋深m.阜陽市潁東區(qū)0～60m范圍內(nèi)剪切波速隨深度變化多項式系數(shù)a、b、c、d及其相關(guān)系數(shù)分為為：65.5488、18.5918、-0.4836、0.0044、0.8246.

5 剪切波速推測的工程應(yīng)用

由上述得到的土體剪切波速Vs隨土的埋深的擬合公式應(yīng)用于阜陽市潁東區(qū)劉莊安置房K1～K6鉆孔上，與土的剪切波速實測數(shù)據(jù)相比較，如圖3所示，大多數(shù)點在預(yù)測值上下10%范圍內(nèi)，與預(yù)測值非常接近，個別點與預(yù)測值得偏差較大，可能是受測量時現(xiàn)場環(huán)境等因素的影響所致.

圖3 剪切波速推測結(jié)果與實測結(jié)果對比

6 結(jié)論

6.1 統(tǒng)計得到阜陽市潁東區(qū)剪切波速隨土的埋深具有一定規(guī)律性變化，當土層埋深0～10m,剪切波速值主要在131～177m/s范圍內(nèi)；當土層埋深10～20m,剪切波速值主要在227～274m/s范圍內(nèi)；當土層埋深20～30m,剪切波速值主要在296～326m/s范圍內(nèi)；當土層埋深30～40m,剪切波速值主要在283～302m/s范圍內(nèi)；當土層埋深40～50m,剪切波速值主要在321～340m/s范圍內(nèi)；當土層埋深50～60m,剪切波速值主要在340～373m/s范圍內(nèi).

6.2 提出了線性函數(shù)、冪函數(shù)和一元三次多項式三種土體剪切波速沿深度分布的推算公式，經(jīng)擬合得到一元三次多項式的擬合程度最高，多項式為Vs=a+bH+cH2+dH3，多項式系數(shù)a、b、c、d及其相關(guān)系數(shù)分別為：65.5488、18.5918、-0.4836、0.0044、0.8246.

6.3 結(jié)合工程實測數(shù)據(jù)與擬合公式推算剪切波速進行對比，如圖3所示，大多數(shù)實測剪切波速點與預(yù)測值非常接近.因此，可以用該公式對阜陽市潁東地區(qū)的剪切波速進行預(yù)測.由于樣本數(shù)量有限，擬合結(jié)果還需要不斷完善，隨著阜陽市各區(qū)的發(fā)展，數(shù)據(jù)也將不斷積累，擬合結(jié)果也將會繼續(xù)完善.

6.4 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，這說明剪切波速與土體埋深受地域的限制，不同地區(qū)的剪切波速隨土體埋深的變化關(guān)系不同.剪切波速本質(zhì)上與土體的物理力學特性和其所處環(huán)境密切相關(guān)，這些也是更加精確推測該地區(qū)剪切波速需要繼續(xù)完善的內(nèi)容.

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〔9〕中華人民共和國國家標準編寫組.GB50021—2001巖土工程勘察規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

中圖分類號：P631.8

文獻標識碼：A

文章編號：1673-260X（2016）05-0057-03

收稿日期：2016-03-14