荊州市區覆蓋層厚度及場地類別判定因素分析

左其平，李 偉，黃 麗

(湖北省地質局武漢水文地質工程地質大隊，湖北武漢 430051)

建筑場地類別反映不同場地條件對基巖地震震動的綜合放大效應。建筑設計前應確定場地類別并進行相應的抗震設計，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確定場地覆蓋層厚度。

按《建筑抗震設計規范》(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，它的含義實質上是從地面算起至堅硬土層頂面(如巖石)的覆蓋土層總厚度，覆蓋層厚度越小，即從地面到達堅硬土的距離越近，說明場地土質越硬，震害的影響越小。建筑場地覆蓋層厚度的確定［1］主要應符合下列要求:一般情況下，應按地面至剪切波速＞500 m/s的土層頂面的距離確定;當地面5 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，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，應視同周圍土層;土層中的火山巖硬夾層，應視為剛體，其厚度應從覆蓋土層中扣除。

荊州市區上部為第四系全新統沖積粘性土和砂土，中部以卵礫石為主，下伏新近系泥巖、砂巖和砂礫巖互層，固結度差，特別是砂巖和砂礫巖多呈松散或半固結狀態，均為軟質巖石。卵礫石和基巖的埋深與實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

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

荊州市區的地層結構表明，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砂，卵石的密實度差異也較大，這兩個因素共同影響卵石的剪切波速實測值，若未見到穩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，下伏新近系—古近系泥巖、砂巖和砂礫巖的固結度差，特別是砂巖和砂礫巖多呈松散和半固結狀態，巖層的剪切波速實測值部分＜500 m/s;由于同類巖層的厚度很大，當巖層的剪切波速實測＜500 m/s時，按《建筑抗震設計規范》(GB50011—2010)的理解，此類巖層是否能確定其為穩定基巖(堅硬土)進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的高速發展，新建的大型建(構)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，嚴重影響項目勘察費用。為解決這些問題，結合荊州市部分項目實測剪切波速資料，對不同地層覆蓋層厚度問題進行分析。

1．2 深厚卵石區代表性地層及其實測剪切波速

在荊州市深厚卵石區除去上覆第四系全新統地層外，中部上更新統卵礫石層的代表性沉積規律為圓礫—卵石—細砂—卵石，以沙市區徐橋村六號路東側“荊州市徐橋安置點還建房”和張溝路與板橋路交匯處西南側“荊州沙北新區張溝安置點還建房”項目［3］為例，各土層和卵礫石的超重型圓錐動力觸探N120值統計、密實度判斷及實測剪切波速如表1和表2。

通過上表數據可以發現，圓礫層多呈稍密狀，其實測剪切波速多＜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;卵礫石中的細砂夾層剪切波速均＜500 m/s。按《建筑抗震設計規范》(GB50011—2010)的要求，一般情況下，上述兩個場地覆蓋層厚度應確定為穿過細砂層后中密以上穩定的卵石層頂面，即覆蓋層厚度為27．5～29．5 m。

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

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

《1∶20萬水文地質圖說明書(沙市幅)》表明，該區域卵石層厚達100 m，下伏新近系—古近系內陸湖相堆積的泥巖、砂巖、砂礫巖互層;由于下伏巖層為松散—半固結狀態，其實測剪切波速部分＜500 m/s。這樣，即使上覆厚達百米的卵石為堅硬土，下伏基巖為中硬土，如果以穩定中密的卵石層頂面作為覆蓋層厚度的判定標準，與《建筑抗震設計規范》(GB50011—2010)要求下部巖土層的剪切波速均應＞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，其結果亦不合常理。在工程實際中，深厚卵石區一般的工民建勘察不會揭穿卵石層進入下部基巖，測試基巖剪切波速很難實現。由于對建筑物破壞作用最大的地震波主要是中—短周期的地震波，而深層介質對中—短周期地震波的影響并不很顯著;從安全角度分析，高聳結構對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。因此，筆者認為，在深厚卵石區一般工民建筑物的工程勘察時，覆蓋層厚度可按“穩定中密的卵石層頂面”確定;對高聳建筑物等地基變形敏感或特別重要的建設工程，應采用時程分析法進行補充計算。

在荊州市深厚卵石區卵礫石層中除具代表性沉積規律的圓礫—卵石—細砂—卵石層外，其它地段為缺失“圓礫—卵石—細砂”中的一個或兩個土層，覆蓋層厚度可按同類標準判定。以沙市區北京中路與便河西路交匯處“荊州人信匯”項目［4］為例，其土層和卵礫石的超重型圓錐動力觸探N120值統計、密實度判斷及實測剪切波速如表3。

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

根據上表確定，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 荊州西北部地區代表性地層及其實測剪切波速

在荊州區西北部長江二級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場的農高大道跨越引江濟漢渠的“華中農高區農高大橋”項目［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度差異較大，大部分固結度較差(呈半巖土狀)，部分固結度極差(呈密實砂土狀)，部分固結度較好(呈巖石狀)，其代表性地層分布和及實測剪切波速如表4。

表4 “華中農高區農高大橋”土層分布與實測剪切波速Table 4 Soil distribution and measured shear wave velocity of Nonggao bridge

上述結果表明，第(7)層卵石的剪切波速實測值已＞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厚實測剪切波速值＜400 m/s的粉細砂，這段下臥層應明確為覆蓋層;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)固結度極差，呈密實砂土狀，其實測剪切波速值介于400～500 m/s之間，該層是否判定為覆蓋層在《建筑抗震設計規范》(GB50011—2010)未明確界定;筆者認為，對于一般的工民建筑物的建設工程，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;對高聳建筑物等地基變形敏感或特別重要的建設工程，覆蓋層厚度應按第(14)層泥質粉砂巖(半成巖)頂面為界線，扣除第(7)層卵石和第(11)層泥質粉砂巖(半成巖)作為剛體的厚度，其覆蓋層為44．3 m;必要時采用時程分析法進行補充計算。

2 荊州市區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基巖地震震動的綜合放大效應。根據《建筑抗震設計規范》(GB50011—2010)，場地類別劃分應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類等四個類別(其中Ⅰ類可分為Ⅰ0、Ⅰ1兩個亞類)。土層等效剪切波速計算公式如下:

式中:υse為土層等效剪切波速(m/s);d0為計算深度(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算深度之間的傳播時間;di為計算深度范圍內第i土層的厚度(m);υsi為計算深度范圍內第i土層的剪切波速(m/s);n為計算深度范圍內土層的分層數。

通過對表1-表4中四個項目共9個波速測試孔20 m深度或覆蓋層厚度范圍內土層的等效剪切波速進行計算，其結果見表5。

表5 覆蓋層厚度及建筑場地類別統計Table 5 Statistics of overburden thickness and construction site classification

根據表5統計結果，結合本單位在荊州市區多個不同場地項目的勘察資料，該區覆蓋層厚度在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，勘探孔深度應滿足地基基礎設計的要求，控制線鉆孔同時應滿足實測剪切波速判定場地覆蓋層厚度的要求。

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

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

3 結語

在建筑抗震設計中，覆蓋層厚度是建立在剪切波速概念的基礎上，由于荊州市區卵石層內存在剪切波速＜500 m/s的粉細砂夾層，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，規范并未給予明確的解釋;荊州市區卵石層下伏新近系基巖的固結度較差，部分巖石的實測剪切波速＜500 m/s，其上覆深厚的卵石是否可視為堅硬土而控制覆蓋層厚度的判定，規范對此類問題亦未給予解釋。這些問題需要在后期的工程實踐中摸索、探討。

不同場地實測剪切波速資料表明，荊州市區中密的卵石層剪切波速＞500 m/s，在覆蓋層厚度判定時，可以穩定中密的卵石層頂面作為標準。因此，在勘探孔深度確定時，應以滿足地基基礎設計為標準，不需要為確定覆蓋層厚度而加深勘探孔。

荊州市區20 m深度或覆蓋層厚度范圍內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建設部．建筑抗震設計規范:GB50011—2010［S］．北京:中國建筑工業出版社，2010．

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

［3］ 李偉，李代發，陳崇偉，等．荊州沙北新區張溝安置點還建房工程勘察報告等［R］．武漢:武漢地質工程勘察院，2013．

［4］ 方山耀，陳崇偉，李代發，等．荊州人信匯工程勘察報告［R］．武漢:武漢地質工程勘察院，2011．

［5］ 左其平，張進，樊永生，等．華中農高區農高大橋工程勘察報告［R］．武漢:湖北省地質局武漢水文地質工程地質大隊，2014．