石河子北開發區土層剪切波速與土層深度經驗關系1

李 帥

（新疆維吾爾自治區地震局，烏魯木齊 830011）

石河子北開發區土層剪切波速與土層深度經驗關系1

李 帥

（新疆維吾爾自治區地震局，烏魯木齊 830011）

收集了石河子市北開發區已有的土層鉆孔資料及有關報告。對所有的剪切波速資料進行了整理。在前人研究和數據整理、分析的基礎上，分別采用線性模型、冪函數模型和一元二次多項式模型，對石河子市北開發區的土層剪切波速與土層深度關系進行了擬合。以擬合優度為評價指標給出了粉土、粉質粘土、粉砂、細砂、礫砂和圓礫的推薦模型參數。最后對結果的合理性、適用性進行了評價。

剪切波速 土層埋深 擬合優度 石河子

引言

剪切波速是指震動橫波在土內的傳播速度，通常用Vs表示。剪切波速是判定場地類別的重要物理量，也是區別土動力學與土靜力學的一個主要物理量，它反映了土在動力響應下的慣性作用和波傳行為，是反映土體在地震作用下動力反應的一個重要物理量。剪切波速的測試方法一般有單孔檢層法、跨孔法和瑞雷波法。為有效判定場地類別，提供場地土層反映分析模型，單孔檢層法是采用較多的測試方法。但有時由于實際工作條件影響，不具備測試條件，因此為合理提供場地剪切波速，可利用已有的場地地層巖性、密實度等巖性資料，利用經驗關系提供場地剪切波速。

本文以石河子北開發區為研究對象，收集了石河子北開發區內的剪切波速鉆孔資料（表1）（李帥等，2012），統計了石河子北開發區幾種較為常見的土層的剪切波速與土層深度經驗關系，從冪函數、線性函數和一元二次多項式三種較為常見的統計關系內，選出統計關系中擬合程度較高的，以此作為該地區土層的經驗關系。

續表

1 工程地質環境

石河子北開發區南距新疆石河子市14km，東臨夾河子水庫，西靠大泉溝水庫，場地范圍22km2，以南北向呈不規則多邊形展布于夾河子水庫西側。經場地的調查后，以下從地質構造、地形地貌和場地地層巖性簡述場地條件的工程地質環境特征。

1.1 地質構造

石河子北開發區在構造上位于準噶爾盆地南部坳陷區。近場區的主要活動斷裂為霍爾果斯-瑪納斯-吐谷魯斷裂-褶皺帶、石河子市西區隱伏斷裂。其中，霍爾果斯-瑪納斯-吐谷魯斷裂-褶皺帶具備發生6級地震的構造條件，未來有發生6級地震的可能性。在區域上根據地震活動趨勢分析認為，在未來百年內，各地震帶的地震活動水平與過去百年相當。區域未來有發生6級地震的危險。區域范圍有地震記錄以來，共發生M≥4.7以上地震52次，其中，7級地震2次，6.0—6.9級地震4次，最大地震為1906年12月23日瑪納斯7.7級地震。地震主要分布在區域南部，具有強度大、頻度高的特點，5級以上地震大都發生在活動斷裂及其附近（圖1）。

1.2 地形地貌

石河子北開發區在地貌上位于北天山西段北麓瑪納斯河西岸沖洪積平原下部地下水溢出帶內，地形平坦開闊，地勢南高北低，自然坡度僅為7.0‰。開發區內，地下水位由南向北逐漸升高，北部地下水位僅1—2m，地下水類型為孔隙潛水，接受來自上游河流的水平側向滲漏補給，主要由東南向西北方向徑流排泄，水位年變化幅度為0.5—1.0m（圖2）。

1.3 地層巖性

圖1 石河子北開發區場地構造簡圖（新疆防御自然災害研究所，2011）Fig. 1 Simplified geological map of the development zone of north of Shihezi

根據1969年國家測繪總局編制和出版的1:5萬地形圖，可以發現在現今的北開發區內存在較多的古河道，主要表現為河道附近常有較多的蘆葦和沼澤。古河道多彎曲，河道很不穩定，形成曲流，有許多廢棄的古河道和牛軛湖。隨著時代的變遷，開發區內人口逐漸增多，加之瑪納斯河上游水資源截流，地下水位迅速下降，很多都改造成耕地。由于有古河道經過，北開發區內第四紀沉積物的成分較為復雜，主要以沖洪積相的粉土、粉質粘土、粉砂、細砂、礫砂和圓礫構成（圖3）。

粉土：灰黑色，松散－稍密，干燥－濕，大孔隙結構，表面0—30cm含有植物根系，偶夾薄層粉砂和圓礫，在開發區范圍內的0—100m深度范圍內是普遍存在的。

粉質粘土：灰黃—灰褐色，稍密—致密，稍濕至濕，大孔隙結構，干強度差—中等，可塑—硬塑，此層巖性分別在13—34m、42—58m、63—77m缺失。

粉砂：土黃色—灰黑色，稍密－中密，飽和，顆粒礦物成分以長石、石英為主，含云母質，偶夾薄層圓礫和淤泥，在開發區范圍內的0—100m深度范圍內是普遍存在的。

圖2 鉆孔平面分布圖Fig. 2 Distribution of the Bore-holes

圖3 石河子北開發區內鉆孔柱狀示意圖Fig. 3 Bore-hole log in Shihezi development zone

細砂：灰褐色，松散—稍密，稍濕—飽和，砂質純凈，夾有薄層粉土，顆粒礦物成分以長石、石英和云母為主。

礫砂：灰黃—青灰色，稍密—致密，稍濕－濕，其中礫粒含量30—40%，次棱角狀，粒徑0.2cm居多，砂質以粉細砂為主，此層巖性在10—54m的深度范圍內缺失嚴重。

圓礫：青灰色—灰黑色，沖洪積相，飽和，粒徑0.2—2.0cm占40—60%，卵粒含量20—40%，粒徑以2—4cm為主，最大10cm，顆粒磨圓度好，砂質充填。骨架顆粒巖性以花崗巖、灰巖和石英巖為主。由上至下，密實度由松散逐漸變為中密至密實，此層巖性在55—66m深度范圍內缺失。

2 剪切波速測試方法研究現狀

2.1 剪切波速測試方法

近幾年工程中采用了較多的新型剪切波速測試方法，例如隨鉆地震法、XG-1懸掛式波速測井法、穩態面波法等，但較為普及的剪切波速測試方法仍然以單孔檢層法、跨孔法和瑞雷波三種測試方法為主，尤其是單孔檢層法，因其測試方法簡單，測試效果好，是常用的剪切波速測試方法。

單孔檢層法是指在垂直鉆孔中進行波速測試的一種方法。以巖（土）體的彈性特征為基礎，通過測定不同巖（土）層的剪切波、壓縮波的傳播速度，計算巖（土）體的動彈性參數，據此判定巖（土）體的工程性質，為工程設計提供可靠的科學依據。實測一般采用單孔地表激發孔中接收法，即地面激發彈性波，孔內由三分量傳感器接收。當地面震源采用叩板時可正反向激發，并產生剪切波，利用剪切波震相差180°的特性來識別剪切波的初至時間。此次收集的石河子北開發區內的鉆孔資料均是采用單孔檢層法進行測試，具有很好的統一性。

測試工作采用的是由吉林大學工程技術研究所研制的Miniseis24型綜合工程探測儀，采用地面激發，孔中接收的方式，跨距為1—2m，工作原理如圖4所示。

圖4 單孔檢層法測試原理Fig. 4 Principle of testing single-hole layer method

2.2 波速測試結果

對剪切波速測試結果處理后，判定場地覆蓋層厚度≥88m，等效剪切波速范圍179—224m/s，依據相關規范，判定場地類別為Ⅲ類。

2.3 統計關系研究

自上世紀60年代開始，國內學者曾勇（1986）、周錫元等（1990）、安衛平等（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性。近兩年，隨著各地方剪切波速資料的大量累積，戰吉艷等（2009）、李平等（2012）、齊鑫等（2012）、劉紅帥等（2010）、齊文浩等（2008）、李帥等（2013）分別對蘇州、西昌、下遼河平原以及全國等地有了新的研究，認為土層剪切波速與土層深度主要有線性函數、冪函數和一元二次多項式三種統計關系。通過對相關統計數據資料的收集、整理、分析，認為各地區地形地貌、地層巖性和沉積環境有所區別，所對應的經驗公式就不一定相同，因此采用了多種統計公式：

式中，Vs為土層剪切波速（m/s）；H為土層深度（m）；a?f為擬合參數。

本文采用上述三種統計關系進行對比分析，并利用擬合優度R2來檢驗觀測數據的擬合程度，用來度量方程總體回歸效果的優劣，擬合優度為0

3 剪切波速統計分析

本文將不同土層剪切波速與土層深度的關系分別按照上述三個統計關系進行統計，統計后分別繪制了各土層的散點圖，最終通過回歸分析方法得到了剪切波速度與土層深度之間的關系式和其對應的擬合優度R2。

圖5 各土層剪切波速與土層深度散點與回歸曲線圖Fig. 5 Regression curve of soil layer shear wave velocity and soil depth scatter

從統計散點與回歸曲線圖（圖5）中可發現，粉土與粉砂在0—100m深度范圍內是普遍存在的，具有良好的擬合關系；粉質粘土與礫砂的統計點相對較少，但粉質粘土在土層的統計關系中擬合度最高，粉質粘土分別在13—34m、42—58m、63—77m缺失，礫砂在10—54m的深度范圍內缺失嚴重，圓礫在55—66m深度范圍內缺失。將此次結果與新疆其他地區統計結果進行對比分析，認為該地區的圓礫具有較好的統計關系，擬合程度高，認為應與所在的地質條件（包括地形地貌、地下水）等有著密切的關系。

從擬合結果與測試點的數量來看，擬合度的優劣與原始測試數據的數量不成正比。以粉質粘土為例，其原始數據較少，但擬合度高達0.95，超過了原始數據量較多的粉土和圓礫。從統計經驗關系來看，主要還是以冪函數和一元二次多項式為主，而冪函數的統計結果變化幅度小，較為穩定，所推薦的土層剪切波速與埋深間的統計公式應是較可靠的，可供無波速測試場地參考使用。

4 對比分析

為檢驗擬合結果的準確性和可靠性，本文選取了石河子北開發區某工程場地鉆孔，采用《構筑物抗震設計規范（GB 50191-93）》（中華人民共和國國家標準，1993）內的相關公式（表2）和上文給出的土類剪切波速統計公式進行了場地剪切波速預測，并計算了相對誤差，以此驗證所提出的統計公式的預測精度。具體結果如表3所示。

表2 構筑物抗震設計規范土層的剪切波速計算系數和計算指數Table 2 Calculation coefficients and indices of shear wave velocity in the design code for earthquake resistance of special structures in China

續表

表3 規范公式與推薦模型公式預測剪切波速對比分析Table 3 Comparison of shear wave velocities between predicted from code formula and recommended formula

續表

由表3可知，推薦的擬合關系計算的剪切波速相對誤差最大為61%、最小為0，測試的59個測試點中只有8個點相對誤差超過20%，而規范公式計算的剪切波速相對誤差最大為101%、最小為0%，且所有點相對誤差超過20%的已經過半。初步表明，本文所提出的模型公式預測效果要優于規范公式，可以為一般工程參考使用。

5 結語

本文應用大量石河子北開發區鉆孔剪切波速實測數據，探討了6種較為常見的土層剪切波速與埋深間的關系，給出了按照土層分類的土類剪切波速與埋深間的統計公式。并結合實際，將統計公式與實測剪切波速值和利用規范公式擬合的值進行了對比分析，初步認為擬合結果較好，具備一般工程參考使用的條件。

此次統計是在位于地貌單元較為單一，但是地層巖性埋深分布較為復雜的古河道上，土的剪切波速受土層密實度、埋深、覆蓋土層厚度及土的狀態等因素影響，本文只考慮了土的種類、覆蓋土層厚度和埋深的影響，未考慮土的狀態等因素的影響，在以后的研究中，應全面考慮土層的各種狀體，有必要深入研究，以便得到更為可靠詳實的資料，更好地為防震減災工程服務。

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Empirical Relationship between Shear Wave Velocity and Soil Depth in the North Development Zone of Shihezi

Li Shuai

(Earthquake Administration of Xinjiang Uygur Autonomous Region, Urumqi 830011，China)

The soil drilling data and reports in north development zone of Shihezi was collected, and the shear wave velocity data was analyzed. Then, linear model, power function model and a yuan quadratic polynomial model were used to fit the soil shear wave velocity and soil depth relation in the study area. Taking goodness of fit index as a factor, the model parameters of silt, silt-clay, silt and fine sand, gravel, sand and gravel are recommended. The rationality of the results and the applicability of the model are evaluated.

Shear wave velocity; Shihezi; Depth of soil layer; Goodness of fit

李帥，2014．石河子北開發區土層剪切波速與土層深度經驗關系．震災防御技術，9（3）：468—478．

10.11899/zzfy20140314

新疆地震局地震科學基金資助課題，課題編號：201114

2013-08-30

李帥，男，生于1982年。工程師。主要從事工程地質和地震地質的研究。E-mail：peter825550@163.com