基于高密度鉆孔分析廣州城區(qū)的軟土空間分布特征及其震陷情況*

畢麗思，陳小芳，馬浩明，盧幫華

(廣東省地震局 地震監(jiān)測與減災技術重點實驗室，廣東 廣州 510070)

0 引言

軟土即軟弱粘性土，是一種在沿海沿河地域常見的特殊性土，如珠江三角洲就廣泛分布著軟土。它具有諸多工程不良特性，而且作為地基，土層存在沉降變形、抗滑穩(wěn)定性差和震陷等工程危害(顧寶和，張福存，1981；楊順安等，2000；彭承光，李運貴，2004)。歷次震害表明，軟土在地震荷載作用下極易喪失強度而產(chǎn)生震陷，從而導致嚴重的地震破壞。如1906年舊金山地震和1923年日本關東地震，由于土體失穩(wěn)導致了地下管線的破壞，進而引起了嚴重的次生災害(盧振恒，2002；方陵生，2006)。1975年海城、1976年唐山、1985年墨西哥、1999年臺灣集集、2013年蘆山等地震均產(chǎn)生了因軟土地基失穩(wěn)而引起上部結構破壞甚至坍塌的現(xiàn)象(中國科學院工程力學研究所，1979；劉恢先，1986；鈕澤蓁，1991；彭承光，李運貴，2000；齊文浩等，2013)。因此，在軟土地區(qū)，一旦發(fā)生震陷，將對工程造成難以估量的影響，人民生命財產(chǎn)安全也將失去保障。

廣州作為珠江三角洲以及粵港澳大灣區(qū)的建設中心，高樓林立、人口密集，由于瀕臨南海，珠江水系穿流而過，是軟土發(fā)育的典型地區(qū)(周翠英，牟春梅，2004；何萍等，2017)。據(jù)文獻記載，廣州城區(qū)及其周邊曾多次發(fā)生破壞性地震，而其近、遠場范圍歷史上亦曾發(fā)生過6級以上地震十余次，其中7級以上強震4次(郭欽華等，2008；梁干，吳業(yè)彪，2013)。已有研究結果表明，厚層軟弱場地的地震動具有長周期分量豐富的特點，尤其是大震、遠震時，經(jīng)過長距離傳播已經(jīng)衰減的地震動在經(jīng)過深軟地基土到達地面后，可能成為長周期震動十分突出、破壞性極大的強震動，使工程結構、尤其是高層建筑與大跨度工程，產(chǎn)生嚴重破壞(夏法，黃玉昆，1992；彭承光，李運貴，2004；胡聿賢，2006；蘇永奇等，2016)。由此看來，廣州城區(qū)的軟土震陷潛在風險不可低估，開展軟土勘察、分析軟土震陷及其防御等研究工作十分必要。雖已有學者分析指出，軟土震陷是珠江三角洲未來場地震害的主要形式之一(郭欽華等，1995；宿文姬等，2006；韓喜彬等，2010)，但其利用的鉆孔數(shù)量少，大多是基于工程經(jīng)驗作出的定性分析，在震陷性上沒有深入研究。隨著廣州市工程勘察鉆孔數(shù)據(jù)的積累以及大數(shù)據(jù)工程的建設，本文利用海量、高密度的鉆孔數(shù)據(jù)，定量分析軟土的空間分布特征，并評估廣州城區(qū)軟土震陷的危害程度。

1 研究區(qū)概況

本文研究區(qū)是廣州市城區(qū)的一部分，包括荔灣區(qū)、越秀區(qū)、海珠區(qū)、天河區(qū)南部、白云區(qū)南部，面積270 km2(圖1)。研究區(qū)位于珠江三角洲北緣，是珠江水系南流入海的河口地帶，河海交互作用強烈。區(qū)內地勢由NE向SW傾斜，大部分區(qū)域是出露全新統(tǒng)或上更新統(tǒng)的河、海沖積三角洲平原，地勢平緩，局部零星分布著出露前第四系的低矮殘丘。由于珠江水系在研究區(qū)西北部匯合后流穿整個研究區(qū)，支流眾多、河網(wǎng)密布，河、海相沉積厚度大，一般為20～30 m，以淤泥、淤泥質土、亞砂土和砂為主，易產(chǎn)生塑流(黃鎮(zhèn)國等，1982)。廣泛發(fā)育的軟土已成為制約廣州城市建設的不利地質環(huán)境因素，而因軟土引起的地基不均勻沉降問題亦已成為廣州地區(qū)主要的地質災害之一(李平日等，1989；夏法，黃玉昆，1992，1995；夏法等，1992；符詩存，張建國，2008；董好剛等，2012)。在構造上，研究區(qū)位于近EW向瘦狗嶺斷裂南側，NE向廣州—從化斷裂、EW向廣州—三水斷裂、NW向天河—北亭斷裂貫穿全區(qū)。這些斷裂具有誘發(fā)破壞性直下型地震的危險(梁干，吳業(yè)彪，2013)。再者，研究區(qū)所在的珠江三角洲為斷塊型三角洲，在新構造期經(jīng)歷過多期構造變動，洲內斷塊間垂直運動明顯，第四紀受多組斷裂帶活動控制，地震活動頻繁而強烈(黃鎮(zhèn)國等，1982；黃玉昆等，1983；陳國能，張珂，1995；陳偉光等，2002；張珂等，2009；馬曉靜，呂作勇，2017)。因此，廣州受地震的影響較大，其抗震設防烈度為Ⅶ度，廣州城區(qū)的軟土震陷潛在風險不可低估，應予以重視。

圖1 研究區(qū)地震構造圖

2 鉆孔數(shù)據(jù)

筆者收集了研究區(qū)內近12 000個鉆孔，平均密度為44個/km2，密度較高(圖2a)。鉆孔空間分布均勻，終孔深度均達基巖，這樣能很好地從三維空間上控制軟土的分布(圖2b)。此次收集的鉆孔數(shù)據(jù)信息齊全，包含了鉆孔的基本信息、地層信息、標貫信息、波速信息、土樣物理力學試驗信息等，這為實現(xiàn)從巖性、巖土狀態(tài)、物理力學數(shù)據(jù)等多角度判別軟土及評估軟土震陷提供了可靠、豐富的數(shù)據(jù)支持。用如此數(shù)量大、密度高、信息多樣的鉆孔數(shù)據(jù)來揭露廣州市城區(qū)的軟土空間分布特征，分析其震陷危害程度是以往的研究及工程項目都未曾有過的。

圖2 研究區(qū)鉆孔分布圖(a)及鉆孔ZK10131柱狀圖示例(b)

Fig.2 Distribution of holes in the study area(a)and the column of a hole ZK10131 as an example(b)

3 軟土及其震陷判別方法

3.1 軟土判別方法

目前，各行業(yè)規(guī)范對軟土的定義主要從定性和定量2方面來描述。軟土定性描述為：由天然含水量大、壓縮性高、承載能力低、流變性高的細粒土，包括淤泥、淤泥質土、泥炭、泥炭質土等，如《道路工程術語標準》(GBJ 124—88)、《軟土地區(qū)巖土工程勘察規(guī)程》(JGJ 83—2011)等。定量描述則給出了具體的物理力學指標來界定。如《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021—2001)規(guī)定：天然孔隙比大于或等于1.0，且天然含水量大于液限的細粒土應判定為軟土；《公路軟土地基路堤設計與施工技術規(guī)范》(JTJ 017—96)列出軟土的鑒別表，指出應按以下指標鑒別軟土：天然含水量大于或等于35%，與液限，天然孔隙比大于或等于1.0，十字板剪切強度小于35 kPa；《公路工程地質勘察規(guī)范》(JTG C20—2011)規(guī)定：具有以下工程地質特性的土，應判定為軟土：天然含水量大于或等于液限，標準貫入試驗錘擊數(shù)小于3擊，靜力觸探比貫入阻力小于或等于750 kPa，十字板抗剪強度小于35 kPa。

筆者綜合各行業(yè)規(guī)范對軟土的定義，結合所采集的鉆孔數(shù)據(jù)信息，對符合下述條件之一者可判別為軟土層：(1)巖土名稱為淤泥、淤泥質土、泥炭、泥炭質土的土層；(2)巖土名稱為粘性土(含粉質粘土、粘土)，并且?guī)r土狀態(tài)為軟塑、流塑或軟塑-流塑的土層；(3)土樣物理力學試驗數(shù)據(jù)中，天然孔隙比大于或等于1.0，且天然含水量大于液限的土層。

3.2 軟土震陷判別方法

強烈地震時軟土發(fā)生震陷，不僅被科學實驗和理論研究證實，而且在以往震害調查中多次被發(fā)現(xiàn)。但由于軟土發(fā)生震陷的原因十分復雜，機理影響因素相當多，現(xiàn)今國內外對于軟土震陷的研究還不夠深入，積累的成果資料和工程經(jīng)驗不多，很難對軟土是否震陷進行準確預測(張建毅等，2012)。目前，在我國涉及軟土震陷判別的規(guī)范主要有《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021—2001，2009)、《軟土地區(qū)巖土工程勘察規(guī)程》(JGJ 83—2011)與《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011—2010)。對于規(guī)范要求進行專門震陷分析計算的還有不同學者提出的各種方法，這些方法由于模型復雜、公式及參數(shù)繁多、計算量大、受擾動軟土試驗困難等原因，在實際應用上很受限制(石兆吉，郁壽松，1989；郁壽松，石兆吉，1989；王憶等，1992；周健等，1996；劉金韜，2014；田洪水等，2015；辜俊儒等，2017；李平等，2017)。本文考慮巖土工程一般性勘察要求以及場地震害預測與防震減災規(guī)劃等應用，結合鉆孔數(shù)據(jù)信息內容，認為可采用《軟土地區(qū)巖土工程勘察規(guī)程》(JGJ 83—2011)與《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011—2010)等有關規(guī)定來評估廣州城區(qū)軟土震陷。

《軟土地區(qū)巖土工程勘察規(guī)程》(JGJ 83—2011)指出，設防烈度等于或大于Ⅶ度時，對厚層軟土分布區(qū)宜判別軟土震陷的可能性。當?shù)鼗饕芰觾溶浲梁穸却笥? m或地基土等效剪切波速值小于90 m/s時，地基土會發(fā)生不同程度的震陷。宿文姬等(2006)提出，一般的勘察設計在很多情況下依據(jù)軟土厚度大于3 m，且連續(xù)分布，頂板埋深小于20 m，地下水位小于3 m，含砂量較少和承載力小于70 kPa的地段，作為在地震作用下容易引起軟土震陷的地區(qū)。一般來說，軟土越厚，其震陷程度越大；軟土的埋藏越淺，其震陷可能性也越大(李蘭，1994)。因此，本文通過軟土層的厚度與埋深來評估其震陷危害程度。

雖然廣州城區(qū)的設防烈度為Ⅶ度，但它仍具有遭受烈度為Ⅷ度地震影響的危險。《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011—2010)給出了Ⅷ度和Ⅸ度時判別地基土軟弱粘性土層震陷的方法：當飽和粉質粘土塑性指數(shù)小于15，且WS≥0.9WL與IL≥0.75(WS為天然含水量，WL為液限含水量，IL為液性指數(shù))，可判定為震陷性軟土。由于土的液性指數(shù)越大，土質越差，當IL>1時，土為軟塑狀。同時，土的孔隙比(e)越大，其壓縮性越高，發(fā)生震陷時沉降量亦越大。因此，本文進一步利用軟土的液性指數(shù)、孔隙比等物理指標來評估其震陷危害程度。

4 軟土空間分布特征

廣州城區(qū)內的軟土主要為淤泥、淤泥質土，少部分為泥炭、泥炭質土、淤泥質粉質粘土，一般分布在地表硬殼層之下，大部分地段為單層，局部為雙層，其下臥層多為砂層，部分為粉質粘土層。軟土在廣州城區(qū)廣泛分布，除越秀區(qū)中北部，天河區(qū)林和西、天園、珠吉等地，海珠區(qū)中部沙園、南石頭、昌崗一帶，荔灣區(qū)白鶴洞，白云區(qū)金沙等殘丘臺地無軟土分布外，其余將近80%的面積其下伏地層均有軟土分布(圖3)。

總的來說，軟土層在廣州城區(qū)埋藏較淺，其頂板埋深淺于6.0 m，其中近200 km2的地區(qū)其下伏軟土層的頂板埋藏淺于3.0 m，只有小部分地段深于3.0 m(圖3a)。另外，廣州城區(qū)的軟土層埋深呈現(xiàn)中部淺、南北兩側深的特點。在荔灣區(qū)白鶴洞與海珠區(qū)中部南石頭、昌崗、新港、鳳陽、赤崗、江海一帶的殘丘臺地外圍區(qū)的軟土層埋藏很淺，約0.5～1.5 m，呈東西向帶狀延伸。以這一東西向條帶為中心分別往北、南，軟土層的埋藏逐漸變深。在北側最深處位于荔灣區(qū)北部橋中、多寶、沙面一帶，埋深約3.0～4.5 m，呈較大面積連續(xù)分布。在南側最深處位于荔灣區(qū)東沙緊鄰珠江處，埋深約4.5～6.0 m，面積很小，呈孤立小片狀；其次，在荔灣區(qū)與海珠區(qū)南部緊鄰珠江一帶的軟土層埋藏較深，約3.0～4.5 m，面積不大，斷續(xù)分布。

軟土層在廣州城區(qū)沉積厚度差異較大(圖3b)，厚度不足1.5至13.5 m皆有分布，但總體來說，軟土層的沉積厚度較大，其中厚度大于3.0 m的地區(qū)占了研究區(qū)面積的32%。軟土層的厚度在空間分布上呈現(xiàn)以下特點：(1)研究區(qū)南部、西部的軟土層厚度大，中部、北部的厚度小。在研究區(qū)南部的海珠區(qū)南部，西部的白云區(qū)、荔灣區(qū)，其軟土層的厚度大部分達3.0 m以上，部分地段厚達十余米；而在研究區(qū)中部的海珠區(qū)中北部以及研究區(qū)北部的越秀區(qū)與天河區(qū)，其軟土層厚度較小，大部分地區(qū)小于1.5 m。(2)在研究區(qū)內軟土層呈現(xiàn)2個沉積中心，沉積厚度大。一處是在海珠區(qū)華州以西，軟土層厚度達6.0 m以上，最厚處13.5 m，等厚線軸線呈SN走向。此處地貌是濕地沼澤，已被建成濕地公園。另一處位于荔灣區(qū)石塘圍、茶滘、東漖一帶，軟土層厚度大于4.5 m，最厚處大于10 m，等厚線軸線總體呈NNW—近SN走向。另外，這一帶又包含4個次一級沉積中心，呈NW向斜列分布。(3)靠近河流岸邊的軟土層厚度大，遠離河流的厚度小。在沙面、人民、白云、獵德、華南西、濱江、琶洲等珠江岸邊地區(qū)，軟土層的厚度較大，約3.0 m以上，而遠離珠江的地區(qū)，如天河南、林和、棠下、沙園、鳳陽等地，其軟土層厚度較小，一般小于1.5 m。

圖3 廣州城區(qū)軟土層埋深(a)及厚度(b)分布圖

5 軟土震陷評估

基于軟土層的厚度及埋深，根據(jù)表1所示條件，本文評估了研究區(qū)內潛在軟土震陷的危害程度(圖4a)。由圖4a可見，廣州城區(qū)內，約30%的面積在強烈地震時(Ⅶ度烈度下)可能產(chǎn)生軟土震陷。其中震陷最嚴重處是荔灣區(qū)茶滘、海珠區(qū)華州以西等地，面積不大。中等震陷區(qū)的范圍較大，達70 km2，主要位于研究區(qū)的西部和南部；在西部，中等震陷區(qū)由研究區(qū)最北端延伸至最南端，成片分布，縱貫南北，長約十余千米；在南部則主要集中在海珠區(qū)瑞寶、南洲、華州一帶的沼澤濕地區(qū)，覆蓋范圍大。輕微震陷區(qū)主要分布在荔灣區(qū)北部和南部鄰近珠江的地方。而天河區(qū)與越秀區(qū)大部分、海珠區(qū)北部與西部、荔灣區(qū)西南部為軟土不震陷區(qū)。

圖4 基于軟土厚度與埋深(a)與軟土物理指標(b)的廣州城區(qū)潛在軟土震陷分布圖

序號分區(qū)判別條件面積/km2主要分布區(qū)域1軟土不震陷區(qū)軟土厚度不大于3 m130天河區(qū);越秀區(qū);海珠區(qū)北部與西部;荔灣區(qū)西南部2輕微震陷區(qū)軟土厚度3^9 m,埋深大于3 m10.8荔灣區(qū)北部與南部鄰近珠江處3中等震陷區(qū)軟土厚度3^9 m,埋深不大于3 m;或軟土厚度大于9 m埋深大于3 m70白云區(qū);荔灣區(qū)由北往南貫穿10 km寬3 km;海珠區(qū)瑞寶、南洲、華州一帶4嚴重震陷區(qū)軟土厚度大于9 m埋深不大于3 m1.2荔灣區(qū)茶滘;海珠區(qū)華州以西5無軟土區(qū)下伏地層無軟土層58越秀區(qū)中北部;天河區(qū)林和西、天園、珠吉等地;海珠區(qū)中部;荔灣區(qū)白鶴洞;白云區(qū)金沙

表2 廣州城區(qū)潛在軟土震陷危害程度評估結果(基于軟土物理指標)

本文利用軟土的液性指數(shù)、孔隙比等物理指標，根據(jù)表2所示條件，評估了Ⅷ度烈度下研究區(qū)內潛在軟土震陷的危害程度(圖4b)。由圖4b可見，廣州城區(qū)內，近40%的面積在強烈地震時(Ⅶ度烈度下)可能產(chǎn)生軟土震陷。與圖4a相似，震陷區(qū)主要集中在研究區(qū)的西部和南部，但震陷范圍更大。其中嚴重震陷區(qū)達60 km2，呈大面積連續(xù)分布，主要分布在荔灣區(qū)、越秀區(qū)南部、海珠區(qū)西南部。中等震陷區(qū)則分布分散，斷續(xù)出現(xiàn)，在各區(qū)均有分布。輕微震陷區(qū)分布范圍小，在荔灣區(qū)中北部零星出現(xiàn)。而天河區(qū)大部分、越秀區(qū)中北部、海珠區(qū)西部與中部、荔灣區(qū)中南部為軟土不震陷區(qū)。

6 結論

本文利用高密度分布的近12 000個鉆孔，詳細分析了廣州城區(qū)軟土層的空間分布特征，并對廣州城區(qū)軟土震陷的危害程度進行評估，結論如下：

(1)廣州城區(qū)內的軟土主要為淤泥、淤泥質土，大部分地段為單層，埋藏淺，在研究區(qū)的南北兩側較深。另外，軟土層的厚度較大，而且研究區(qū)南部、西部的厚度比中部、北部的厚度明顯大，靠近河流岸邊的厚度比遠離河流的厚度小，同時還呈現(xiàn)出2個沉積中心。

(2)在強烈地震時廣州城區(qū)內部分區(qū)域可能產(chǎn)生軟土震陷。軟土震陷區(qū)主要集中在研究區(qū)的西部和南部，震陷性在空間上呈現(xiàn)出輕微、中等、嚴重等不同危害程度。