石河子北开发区土层剪切波速与土层深度经验关系1

李 帅

（新疆维吾尔自治区地震局，乌鲁木齐 830011）

石河子北开发区土层剪切波速与土层深度经验关系1

李 帅

（新疆维吾尔自治区地震局，乌鲁木齐 830011）

收集了石河子市北开发区已有的土层钻孔资料及有关报告。对所有的剪切波速资料进行了整理。在前人研究和数据整理、分析的基础上，分别采用线性模型、幂函数模型和一元二次多项式模型，对石河子市北开发区的土层剪切波速与土层深度关系进行了拟合。以拟合优度为评价指标给出了粉土、粉质粘土、粉砂、细砂、砾砂和圆砾的推荐模型参数。最后对结果的合理性、适用性进行了评价。

剪切波速 土层埋深 拟合优度 石河子

引言

剪切波速是指震动横波在土内的传播速度，通常用Vs表示。剪切波速是判定场地类别的重要物理量，也是区别土动力学与土静力学的一个主要物理量，它反映了土在动力响应下的惯性作用和波传行为，是反映土体在地震作用下动力反应的一个重要物理量。剪切波速的测试方法一般有单孔检层法、跨孔法和瑞雷波法。为有效判定场地类别，提供场地土层反映分析模型，单孔检层法是采用较多的测试方法。但有时由于实际工作条件影响，不具备测试条件，因此为合理提供场地剪切波速，可利用已有的场地地层岩性、密实度等岩性资料，利用经验关系提供场地剪切波速。

本文以石河子北开发区为研究对象，收集了石河子北开发区内的剪切波速钻孔资料（表1）（李帅等，2012），统计了石河子北开发区几种较为常见的土层的剪切波速与土层深度经验关系，从幂函数、线性函数和一元二次多项式三种较为常见的统计关系内，选出统计关系中拟合程度较高的，以此作为该地区土层的经验关系。

续表

1 工程地质环境

石河子北开发区南距新疆石河子市14km，东临夹河子水库，西靠大泉沟水库，场地范围22km2，以南北向呈不规则多边形展布于夹河子水库西侧。经场地的调查后，以下从地质构造、地形地貌和场地地层岩性简述场地条件的工程地质环境特征。

1.1 地质构造

石河子北开发区在构造上位于准噶尔盆地南部坳陷区。近场区的主要活动断裂为霍尔果斯-玛纳斯-吐谷鲁断裂-褶皱带、石河子市西区隐伏断裂。其中，霍尔果斯-玛纳斯-吐谷鲁断裂-褶皱带具备发生6级地震的构造条件，未来有发生6级地震的可能性。在区域上根据地震活动趋势分析认为，在未来百年内，各地震带的地震活动水平与过去百年相当。区域未来有发生6级地震的危险。区域范围有地震记录以来，共发生M≥4.7以上地震52次，其中，7级地震2次，6.0—6.9级地震4次，最大地震为1906年12月23日玛纳斯7.7级地震。地震主要分布在区域南部，具有强度大、频度高的特点，5级以上地震大都发生在活动断裂及其附近（图1）。

1.2 地形地貌

石河子北开发区在地貌上位于北天山西段北麓玛纳斯河西岸冲洪积平原下部地下水溢出带内，地形平坦开阔，地势南高北低，自然坡度仅为7.0‰。开发区内，地下水位由南向北逐渐升高，北部地下水位仅1—2m，地下水类型为孔隙潜水，接受来自上游河流的水平侧向渗漏补给，主要由东南向西北方向径流排泄，水位年变化幅度为0.5—1.0m（图2）。

1.3 地层岩性

图1 石河子北开发区场地构造简图（新疆防御自然灾害研究所，2011）Fig. 1 Simplified geological map of the development zone of north of Shihezi

根据1969年国家测绘总局编制和出版的1:5万地形图，可以发现在现今的北开发区内存在较多的古河道，主要表现为河道附近常有较多的芦苇和沼泽。古河道多弯曲，河道很不稳定，形成曲流，有许多废弃的古河道和牛轭湖。随着时代的变迁，开发区内人口逐渐增多，加之玛纳斯河上游水资源截流，地下水位迅速下降，很多都改造成耕地。由于有古河道经过，北开发区内第四纪沉积物的成分较为复杂，主要以冲洪积相的粉土、粉质粘土、粉砂、细砂、砾砂和圆砾构成（图3）。

粉土：灰黑色，松散－稍密，干燥－湿，大孔隙结构，表面0—30cm含有植物根系，偶夹薄层粉砂和圆砾，在开发区范围内的0—100m深度范围内是普遍存在的。

粉质粘土：灰黄—灰褐色，稍密—致密，稍湿至湿，大孔隙结构，干强度差—中等，可塑—硬塑，此层岩性分别在13—34m、42—58m、63—77m缺失。

粉砂：土黄色—灰黑色，稍密－中密，饱和，颗粒矿物成分以长石、石英为主，含云母质，偶夹薄层圆砾和淤泥，在开发区范围内的0—100m深度范围内是普遍存在的。

图2 钻孔平面分布图Fig. 2 Distribution of the Bore-holes

图3 石河子北开发区内钻孔柱状示意图Fig. 3 Bore-hole log in Shihezi development zone

细砂：灰褐色，松散—稍密，稍湿—饱和，砂质纯净，夹有薄层粉土，颗粒矿物成分以长石、石英和云母为主。

砾砂：灰黄—青灰色，稍密—致密，稍湿－湿，其中砾粒含量30—40%，次棱角状，粒径0.2cm居多，砂质以粉细砂为主，此层岩性在10—54m的深度范围内缺失严重。

圆砾：青灰色—灰黑色，冲洪积相，饱和，粒径0.2—2.0cm占40—60%，卵粒含量20—40%，粒径以2—4cm为主，最大10cm，颗粒磨圆度好，砂质充填。骨架颗粒岩性以花岗岩、灰岩和石英岩为主。由上至下，密实度由松散逐渐变为中密至密实，此层岩性在55—66m深度范围内缺失。

2 剪切波速测试方法研究现状

2.1 剪切波速测试方法

近几年工程中采用了较多的新型剪切波速测试方法，例如随钻地震法、XG-1悬挂式波速测井法、稳态面波法等，但较为普及的剪切波速测试方法仍然以单孔检层法、跨孔法和瑞雷波三种测试方法为主，尤其是单孔检层法，因其测试方法简单，测试效果好，是常用的剪切波速测试方法。

单孔检层法是指在垂直钻孔中进行波速测试的一种方法。以岩（土）体的弹性特征为基础，通过测定不同岩（土）层的剪切波、压缩波的传播速度，计算岩（土）体的动弹性参数，据此判定岩（土）体的工程性质，为工程设计提供可靠的科学依据。实测一般采用单孔地表激发孔中接收法，即地面激发弹性波，孔内由三分量传感器接收。当地面震源采用叩板时可正反向激发，并产生剪切波，利用剪切波震相差180°的特性来识别剪切波的初至时间。此次收集的石河子北开发区内的钻孔资料均是采用单孔检层法进行测试，具有很好的统一性。

测试工作采用的是由吉林大学工程技术研究所研制的Miniseis24型综合工程探测仪，采用地面激发，孔中接收的方式，跨距为1—2m，工作原理如图4所示。

图4 单孔检层法测试原理Fig. 4 Principle of testing single-hole layer method

2.2 波速测试结果

对剪切波速测试结果处理后，判定场地覆盖层厚度≥88m，等效剪切波速范围179—224m/s，依据相关规范，判定场地类别为Ⅲ类。

2.3 统计关系研究

自上世纪60年代开始，国内学者曾勇（1986）、周锡元等（1990）、安卫平等（1997）、王广军等（1986）、陈国兴等（1998）就开始研究土层剪切波速与土层深度的相关性。近两年，随着各地方剪切波速资料的大量累积，战吉艳等（2009）、李平等（2012）、齐鑫等（2012）、刘红帅等（2010）、齐文浩等（2008）、李帅等（2013）分别对苏州、西昌、下辽河平原以及全国等地有了新的研究，认为土层剪切波速与土层深度主要有线性函数、幂函数和一元二次多项式三种统计关系。通过对相关统计数据资料的收集、整理、分析，认为各地区地形地貌、地层岩性和沉积环境有所区别，所对应的经验公式就不一定相同，因此采用了多种统计公式：

式中，Vs为土层剪切波速（m/s）；H为土层深度（m）；a−f为拟合参数。

本文采用上述三种统计关系进行对比分析，并利用拟合优度R2来检验观测数据的拟合程度，用来度量方程总体回归效果的优劣，拟合优度为0

3 剪切波速统计分析

本文将不同土层剪切波速与土层深度的关系分别按照上述三个统计关系进行统计，统计后分别绘制了各土层的散点图，最终通过回归分析方法得到了剪切波速度与土层深度之间的关系式和其对应的拟合优度R2。

图5 各土层剪切波速与土层深度散点与回归曲线图Fig. 5 Regression curve of soil layer shear wave velocity and soil depth scatter

从统计散点与回归曲线图（图5）中可发现，粉土与粉砂在0—100m深度范围内是普遍存在的，具有良好的拟合关系；粉质粘土与砾砂的统计点相对较少，但粉质粘土在土层的统计关系中拟合度最高，粉质粘土分别在13—34m、42—58m、63—77m缺失，砾砂在10—54m的深度范围内缺失严重，圆砾在55—66m深度范围内缺失。将此次结果与新疆其他地区统计结果进行对比分析，认为该地区的圆砾具有较好的统计关系，拟合程度高，认为应与所在的地质条件（包括地形地貌、地下水）等有着密切的关系。

从拟合结果与测试点的数量来看，拟合度的优劣与原始测试数据的数量不成正比。以粉质粘土为例，其原始数据较少，但拟合度高达0.95，超过了原始数据量较多的粉土和圆砾。从统计经验关系来看，主要还是以幂函数和一元二次多项式为主，而幂函数的统计结果变化幅度小，较为稳定，所推荐的土层剪切波速与埋深间的统计公式应是较可靠的，可供无波速测试场地参考使用。

4 对比分析

为检验拟合结果的准确性和可靠性，本文选取了石河子北开发区某工程场地钻孔，采用《构筑物抗震设计规范（GB 50191-93）》（中华人民共和国国家标准，1993）内的相关公式（表2）和上文给出的土类剪切波速统计公式进行了场地剪切波速预测，并计算了相对误差，以此验证所提出的统计公式的预测精度。具体结果如表3所示。

表2 构筑物抗震设计规范土层的剪切波速计算系数和计算指数Table 2 Calculation coefficients and indices of shear wave velocity in the design code for earthquake resistance of special structures in China

续表

表3 规范公式与推荐模型公式预测剪切波速对比分析Table 3 Comparison of shear wave velocities between predicted from code formula and recommended formula

续表

由表3可知，推荐的拟合关系计算的剪切波速相对误差最大为61%、最小为0，测试的59个测试点中只有8个点相对误差超过20%，而规范公式计算的剪切波速相对误差最大为101%、最小为0%，且所有点相对误差超过20%的已经过半。初步表明，本文所提出的模型公式预测效果要优于规范公式，可以为一般工程参考使用。

5 结语

本文应用大量石河子北开发区钻孔剪切波速实测数据，探讨了6种较为常见的土层剪切波速与埋深间的关系，给出了按照土层分类的土类剪切波速与埋深间的统计公式。并结合实际，将统计公式与实测剪切波速值和利用规范公式拟合的值进行了对比分析，初步认为拟合结果较好，具备一般工程参考使用的条件。

此次统计是在位于地貌单元较为单一，但是地层岩性埋深分布较为复杂的古河道上，土的剪切波速受土层密实度、埋深、覆盖土层厚度及土的状态等因素影响，本文只考虑了土的种类、覆盖土层厚度和埋深的影响，未考虑土的状态等因素的影响，在以后的研究中，应全面考虑土层的各种状体，有必要深入研究，以便得到更为可靠详实的资料，更好地为防震减灾工程服务。

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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

李帅，2014．石河子北开发区土层剪切波速与土层深度经验关系．震灾防御技术，9（3）：468—478．

10.11899/zzfy20140314

新疆地震局地震科学基金资助课题，课题编号：201114

2013-08-30

李帅，男，生于1982年。工程师。主要从事工程地质和地震地质的研究。E-mail：peter825550@163.com