柳州官塘片區(qū)紅粘土剪切波速與埋深的相關(guān)性分析*

劉華貴，蔣文宇

(1.廣西工程防震研究院，廣西 南寧 530022；2.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院 廣西 南寧 530004；3.廣西財經(jīng)學(xué)院，廣西 南寧 530003)

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柳州官塘片區(qū)紅粘土剪切波速與埋深的相關(guān)性分析*

劉華貴1，蔣文宇2，3

(1.廣西工程防震研究院，廣西 南寧 530022；2.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院 廣西 南寧 530004；3.廣西財經(jīng)學(xué)院，廣西 南寧 530003)

摘要：根據(jù)廣西柳州市官塘片區(qū)地震小區(qū)劃45個鉆孔的紅粘土土層剪切波速實測數(shù)據(jù)，對其剪切波速與埋深的相關(guān)性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：(1)紅粘土的剪切波速隨埋深增加的變化規(guī)律符合冪函數(shù)規(guī)律，經(jīng)驗公式為VS=200.4H0.143(R2=0.756)；(2)與其它地區(qū)粘性土的剪切波速分布規(guī)律相比，官塘片區(qū)紅粘土在埋深較淺時具有較高的剪切波速，隨埋深增加其剪切波速遞增率減小；(3)所建立的經(jīng)驗公式用于該地區(qū)實際工程預(yù)測紅粘土的剪切波速效果好于《構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范》推薦的經(jīng)驗公式，可供當(dāng)?shù)貙嶋H工程估算研究紅粘土的剪切波速借鑒使用。

關(guān)鍵詞：柳州官塘；紅粘土；剪切波速；土層埋深

0引言

土體剪切波速是地震橫波(剪切波)在土中的傳播速度，它是工程場地地震安全性評價和巖土工程勘察工作中一個重要的物理量。目前在巖土工程中對剪切波速的研究和應(yīng)用有：(1)劃分建筑場地土類型和場地類別；(2)確定地基巖土的動力學(xué)參數(shù)；(3)估算地面常時微動的卓越周期；(4)評價地基飽和砂土、粉土液化的可能性(巖土工程勘察規(guī)范，2009；建筑抗震設(shè)計規(guī)范，2010)。剪切波速一般受土層的成因、類型、成分、結(jié)構(gòu)、物理狀態(tài)等因素影響，對同一地區(qū)相同沉積環(huán)境的土層，由于形成的地質(zhì)背景和成因相同，其剪切波速相差不大，并具有一定的統(tǒng)計規(guī)律(薄景山，1998)。國內(nèi)許多學(xué)者對不同地區(qū)不同類型土的剪切波速與埋深關(guān)系進(jìn)行了大量的研究，得到了許多有意義的成果：周錫元等(1991)對不同地區(qū)、不同土層的剪切波速特征進(jìn)行了系統(tǒng)研究，得到了黏土、砂土、礫石、卵石、碎石等巖土層的剪切波速變化范圍，以及北京、上海、天津等城市的剪切波速與埋深的變化規(guī)律；劉紅帥等(2010)依據(jù)我國地震安評工作中大量的鉆孔實測剪切波速數(shù)據(jù)，建立了碎石土、砂土、粉土和黏性土等常規(guī)土類剪切波速與埋深間的統(tǒng)計公式；對于缺少當(dāng)?shù)赝翆蛹羟胁ㄋ俳?jīng)驗公式的情況，《構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50191—2012)根據(jù)巖土層的軟硬狀態(tài)和密實程度等性狀特點，結(jié)合土層埋深也給出了常見類型土的剪切波速估算經(jīng)驗公式。但現(xiàn)有的研究均尚未具體給出紅粘土剪切波速的估算經(jīng)驗公式。

紅粘土是我國南方熱帶與亞熱帶地區(qū)較為常見的一種高塑性粘土，它主要是由白云巖、灰?guī)r等碳酸鹽系巖石風(fēng)化殘坡積，并經(jīng)過長期緩慢的紅土化作用形成。紅粘土具有特殊的工程力學(xué)性質(zhì)，主要表現(xiàn)出高含水量、大孔隙比、低密度等特點，但同時又具有高強度、低壓縮性等良好力學(xué)性質(zhì)(譚羅榮，孔令偉，2006)。在紅粘土特性研究方面，以往研究多注重宏觀地質(zhì)(包括紅粘土結(jié)構(gòu)、成因)、物質(zhì)組成、微觀結(jié)構(gòu)、結(jié)合水與土的脹縮性、強度特征、土質(zhì)改良方法等，而對紅粘土的剪切波速特性研究較少(周訓(xùn)華，廖義玲，2004；王英輝等，2009；呂海波等，2012；王煥新，2012)。

針對目前國內(nèi)對紅粘土剪切波速特性研究中的不足和實際工程的需要，本文通過對柳州市柳東新區(qū)核心區(qū)域——官塘片區(qū)45個鉆孔的紅粘土土層剪切波速實測資料進(jìn)行統(tǒng)計回歸分析，得到了該地區(qū)紅粘土剪切波速隨埋深變化的統(tǒng)計經(jīng)驗公式，并應(yīng)用于實際工程中。這些成果不僅對當(dāng)?shù)亻_展建設(shè)工程的場地地震安全性評價、巖土工程勘察等工作具有十分重要的參考價值，而且對積累紅粘土的剪切波速經(jīng)驗也具有很重要的意義。

1統(tǒng)計資料及紅粘土的特性

柳州市官塘片區(qū)位于柳東新區(qū)的東北部，下伏基巖主要為石炭系(C)白云巖，除個別鉆孔表面分布有0～1m厚的耕土或填土層外，上覆土層主要為原地風(fēng)化殘積的紅粘土。紅粘土呈棕紅色、黃色，濕，土質(zhì)均勻、致密，局部含少量鐵錳結(jié)核及風(fēng)化角礫顆粒，以硬塑狀為主，粘性強，切面光滑，干強度較高，無搖振反應(yīng)，層厚3～19m。

本文的統(tǒng)計資料來源于廣西柳州市官塘片區(qū)地震小區(qū)劃的鉆孔剪切波速資料*廣西工程防震研究院.2009.柳州市柳東新區(qū)(陽和、官塘)地震小區(qū)劃報告.。經(jīng)過整理分析，本文共統(tǒng)計了其中的45個鉆孔407個紅粘土土層的剪切波速測試點結(jié)果，這45個鉆孔較均勻地分布在官塘片區(qū)中部和東部的溶蝕盆地內(nèi)(圖1)，可以較好的揭示該片區(qū)的工程地質(zhì)條件。

2剪切波速測試方法

現(xiàn)場剪切波速測試采用的方法為單孔測試法(又稱檢層法)，使用的測試儀器為中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所生產(chǎn)的RSM-24FD型工程測試儀，測試示意圖如圖2所示。單孔測試法是在鉆孔孔口附近(2～4m)設(shè)置厚木板并上壓重物作為激振板，通過人工敲擊產(chǎn)生以剪切波能量為主的震源，同時將檢波器放置在鉆孔內(nèi)不同深度并保證其緊貼孔壁，測出孔口激發(fā)震源所產(chǎn)生的剪切波傳到孔內(nèi)不同深度所需的時間，經(jīng)計算得出剪切地震波在巖土層中的傳播速度。由于紅粘土土質(zhì)均勻，厚度不大，本文中各剪切波速測試點的間隔均取1m。

3剪切波速隨埋深的變化規(guī)律分析

目前國內(nèi)統(tǒng)計分析巖土層剪切波速與埋深的變化規(guī)律采用的經(jīng)驗公式主要有線性函數(shù)、冪函數(shù)和多項式函數(shù)關(guān)系模型3種(高云峰，劉漢龍，2003)。對于粘性土而言，《構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50191—2012)和許多學(xué)者都推薦采用冪函數(shù)關(guān)系模型進(jìn)行統(tǒng)計分析，并取得較好的擬合效果(張小平等，2012；高云峰，劉漢龍，2003；周楊銳，董明明，2012；邱志剛等，2011)。冪函數(shù)關(guān)系模型具體表示如下：

VS=aHb

(1)

式中：VS表示剪切波速，H表示土層埋深，a、b為待定系數(shù)。

根據(jù)上述統(tǒng)計分析方法，筆者將柳州官塘片區(qū)的45個鉆孔的紅粘土土層剪切波速測試結(jié)果繪制成散點圖，通過添加趨勢線擬合出其剪切波速與埋深間的冪函數(shù)回歸曲線，并給出擬合參數(shù)和擬合優(yōu)度R2，如圖3所示。從圖中可以看出，該片區(qū)紅粘土的剪切波速值集中在200～300m/s之間，隨著土層埋深的增加，紅粘土的剪切波速具有逐漸增大的趨勢，兩者間存在較明顯的相關(guān)性；采用冪函數(shù)關(guān)系模型的擬合優(yōu)度接近0.8，表明統(tǒng)計的結(jié)果具有較高的可信度。

紅粘土屬于一種區(qū)域性的特殊粘性土，為了更好地了解柳州官塘片區(qū)紅粘土剪切波速與埋深的關(guān)系特點，現(xiàn)將本文擬合的經(jīng)驗公式與集合肥、大連等多個地區(qū)總結(jié)的粘性土剪切波速與埋深的經(jīng)驗公式進(jìn)行比較(表1、圖4)。從表1中可以發(fā)現(xiàn)，不同地區(qū)的粘性土剪切波速與埋深的經(jīng)驗公式存在較大的差異，其中紅粘土的擬合系數(shù)a值為最大，指數(shù)b值為最小。

表1　各地區(qū)粘性土剪切波速與埋深的經(jīng)驗公式

從各地區(qū)粘性土剪切波速隨埋深變化的關(guān)系曲線圖(圖4)中可發(fā)現(xiàn)以下兩大特點：(1)在同一埋深處，尤其是在土層埋深較淺時，柳州官塘片區(qū)紅粘土的剪切波速明顯高于其余大部分地區(qū)粘性土的剪切波速；(2)隨著埋深的增加，柳州官塘片區(qū)紅粘土的剪切波速遞增率明顯小于其余粘性土。國內(nèi)外學(xué)者在對不同地區(qū)紅粘土的物理力學(xué)性質(zhì)研究中發(fā)現(xiàn)，紅粘土雖具有高含水量、大孔隙比、低密度等不良特點，但同時又具有高強度、低壓縮性等良好力學(xué)性質(zhì)(譚羅榮，孔令偉，2006)，柳州官塘片區(qū)紅粘土的剪切波速隨埋深變化的規(guī)律特點是否與其特殊的物理力學(xué)性質(zhì)有關(guān)值得深入研究。

4工程檢驗

為了驗證本文成果的可靠性，選取柳州市官塘片區(qū)某一工程場地鉆孔的實測剪切波速數(shù)據(jù)，采用《構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50191—2012)推薦的估算硬塑粘性土剪切波速的經(jīng)驗公式VS=130H0.300以及本文總結(jié)的經(jīng)驗公式進(jìn)行了對比，并計算了相對誤差，以此來驗證本文所提出的剪切波速統(tǒng)計經(jīng)驗公式的預(yù)測精度，具體結(jié)果如表2所示。

表2　規(guī)范推薦公式與本文經(jīng)驗公式預(yù)測剪切波速的對比分析

由表2可知：本文統(tǒng)計經(jīng)驗公式計算的剪切波速相對誤差最大為4.6%，最小為0.0%，相對誤差均小于5%；而規(guī)范推薦的公式所預(yù)測的剪切波速，絕大部分層位的相對誤差超過5%，其中最大為25.2%。同時還可以發(fā)現(xiàn)，規(guī)范所推薦的經(jīng)驗公式在預(yù)測埋深較淺的紅粘土剪切波速時，效果相對較差。初步表明，本文所提出的統(tǒng)計經(jīng)驗公式在預(yù)測柳州市官塘片區(qū)紅粘土剪切波速時效果較好，計算結(jié)果相對可靠，可應(yīng)用于實際工程。而根據(jù)規(guī)范推薦的硬塑粘土經(jīng)驗公式，在預(yù)測紅粘土的剪切波速效果欠佳。因此本文統(tǒng)計的經(jīng)驗公式對當(dāng)?shù)囟裕勺鳛橐?guī)范公式，是一個很好的補充。

5結(jié)論

本文根據(jù)廣西柳州市柳東新區(qū)官塘片區(qū)地震小區(qū)劃的45個鉆孔剪切波速實測數(shù)據(jù)，建立了該片區(qū)紅粘土剪切波速與埋深的經(jīng)驗公式，與其它地區(qū)粘性土對比分析了紅粘土剪切波速的分布特點，并通過實際工程場地實測結(jié)果將所建立的經(jīng)驗公式與《構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50191—2012)的經(jīng)驗公式進(jìn)行了比較驗證。研究結(jié)果表明：

(1)柳州官塘片區(qū)紅粘土的剪切波速隨埋深的變化規(guī)律符合冪函數(shù)規(guī)律，建立的經(jīng)驗公式為：VS=200.4H0.143(R2=0.756)。

(2)與國內(nèi)其它地區(qū)的粘性土剪切波速分布規(guī)律相比，柳州官塘片區(qū)紅粘土在埋深較淺時具有較高的剪切波速，其剪切波速隨埋深增加遞增率相對較小，具體原因有待進(jìn)一步研究。

(3)本文建立的經(jīng)驗公式用于實際工程預(yù)測紅粘土的剪切波速效果好于《構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50191—2012)推薦的經(jīng)驗公式，可供該地區(qū)實際工程估算研究紅粘土的剪切波速借鑒使用。

參考文獻(xiàn)：

薄景山.1998.場地分類和設(shè)計反應(yīng)譜調(diào)整方法研究[D].哈爾濱：中國地震局工程力學(xué)研究所.

高云峰，劉漢龍.2003.合肥膨脹土剪切波速的特征分析[J].巖土工程學(xué)報，25(3)：371-373.

劉紅帥，鄭桐，齊文浩，等.2010.常規(guī)土類剪切波速與埋深的關(guān)系分析[J].巖土工程學(xué)報，32(7)：1142-1149.

呂海波，曾召田，尹國強，等.2012.廣西紅黏土礦物成分分析[J].工程地質(zhì)學(xué)報，20(5)：652-656.

邱志剛，薄景山，羅奇峰.2011.土壤剪切波速與埋深關(guān)系的統(tǒng)計分析[J].世界地震工程，27(3)：81-88.

譚羅榮，孔令偉.2006.特殊巖土工程土質(zhì)學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社.

王煥新.2012.廣西紅粘土填筑性能及土質(zhì)學(xué)特征[D].南寧：廣西大學(xué).

王英輝，聶慶科，張全秀，等.2009.廣西靖西紅粘土的變形和強度特性研[J].工程地質(zhì)學(xué)報，17(4)：550-556.

張小平，馬順，金源，等.2012.大連地區(qū)工程場地各類巖土剪切波速的變化特征分析[J].防災(zāi)減災(zāi)學(xué)報，28(4)：7-11.

周錫元，王廣軍，蘇經(jīng)宇主編.1991.場地·地基·設(shè)計地震[M].北京：地震出版社.

周訓(xùn)華，廖義玲.2004.紅粘土顆粒之間結(jié)構(gòu)連結(jié)的膠體化學(xué)特征[J].貴州工業(yè)大學(xué)學(xué)報，33(1)：26-29.

周楊銳，董明明.2012.海洋淺層土質(zhì)剪切波速與深度的關(guān)系分析[J].海洋通報，31(1)：63-66.

GB50011—2010，建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

GB50021—2009，巖土工程勘察規(guī)范[S].

GB50191—2012，構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范[S].

CorrelativeAnalysisbetweenShearWaveVelocityandDepth

Aimingattheproblemsofstudyingtheshearwavevelocitycharacteristicsofredclayandtheneedofconstructionprojects，wecarriedouttheresearchinthecorrelativebetweenshearwavevelocityandthedepthofredclaybasedontherealisticshearwavevelocitydataof45drillholeswhicharelocatedinLiuzhouGuantangregionofGuangxi.Theresultshowsthat：(1)Thechangelawbetweenshearwavevelocityanddepthofredclayfollowsthepowerlawrelation，andtheestablishedempiricalformulaisVS=200.4H0.143(R2=0.756). (2)Comparedwiththedistributionlawofshearwavevelocityofclaysoilinotherarea，theshearwavevelocityofredclayismuchhigherwhenthedepthisshallow，howevertheincreaserateofitissmallerwiththeincreasingofdepthinLiuzhouGuantangregion. (3)Aftercomparingtherelativedeviation，theempiricalformulaestablishedinthispaperhasabetterforecastingeffectthantheempiricalformularecommendedbyAseimic Design of Construction Worksonestimatingtheshearwavevelocityofredclay，anditcanbeusedforthereferenceinpracticalengineeringofLiuzhouGuantangregion.

Keywords：LiuzhouGuantangregion；redclay；shearwavevelocity；depthofsoils

*收稿日期：2014-01-12. 基金項目：廣西壯族自治區(qū)地震局科研合同制項目——廣西典型紅粘土土層剪切波速與埋深的關(guān)系研究(GXJ2012009)和廣西地震科學(xué)基礎(chǔ)研究項目——廣西重點地區(qū)活動斷層與中強地震構(gòu)造探測研究(桂科攻12426001-4)聯(lián)合資助.

中圖分類號：TV411

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1000-0666(2015)02-0280-05

ofRedClayinLiuzhouGuantangRegion
LIUHua-gui1，JIANGWen-yu2，3
(1.GuangxiAcademyofEngineeringShockPrevention，Nanning530022，Guangxi，China)

(2.CollegeofCivilEngineering，GuangxiUniversity，Nanning530004，Guangxi，China)

(3.GuangxiUniversityofFinanceandEconomics，Nanning530003，Guangxi，China)

Abstract