阜阳市颍东区剪切波速的特征分析

刘之雨，徐振霖（安徽建筑大学，安徽 合肥 230022）



阜阳市颍东区剪切波速的特征分析

刘之雨，徐振霖
（安徽建筑大学，安徽 合肥 230022）

摘 要：剪切波速是地震反应分析的中的一个重要参数，然而受到实际情况的约束，有时测试不能达到所要求的深度或测试结果不符合要求，因此需对剪切波速进行估计.利用XG-I型悬挂式剪切波速测井仪测试阜阳市颍东区50个钻孔的剪切波速值，测试结果分别用线性函数、幂函数、一元三次多项式拟合其随深度的变化关系.最后，以某工程的6个钻孔剪切波速实测结果与拟合公式作对比，证明该法的可行性，以便在工程实践中参考使用.

关键词：剪切波速；特征分析；地基勘探；阜阳地区

剪切波是传播方向与介质质点的振动方向垂直的波，又称横波，S波.地震时它使地面发生前后左右抖动，破坏性较强，所以剪切波速是结构抗震所需要的重要参数.目前在结构抗震工程中剪切波速可以用来划分建筑场地土类型、评价饱和土液化可能性和作为土工地震反应中的必不可少的计算参数.因此在多数重大工程项目中，对剪切波速值必须采用实测获得.［1］但是在实际工程中，受到费用，环境以及技术等方面的因素，可能会没有条件测试或测试数据不全，或者是测试不能到达工作要求的深度等.在这些情况下必须对剪切波速进行估算，从而能够较为合理的估计土层的地震反应分析结果.

本文以阜阳市颍东区为研究对象，收集了该地区的剪切波速钻孔资料，从线性函数、幂函数和一元三次多项式三种较为常见的统计关系内，选出拟合程度最高的，作为该地区土层的经验关系.

1 自然地理条件

颍东区位于安徽省阜阳市东部（东经115°00',北纬32°54'）南依颍河与颍州区和颍上县相望,北跨茨准新河与毫州市的利辛县接壤,东临乌江与颍上县和利辛县毗邻,西与颍泉区的阜阳北站和伍明镇为界总面积684.9平方千米.颍东区属暖温带半湿润季风气候.主要气候特点：四季分明，气候温和，雨量适中，光照充足，无霜期较长，旱涝灾害较频繁，霜冻、干热风、冰雹、大风及连阴雨等灾害性气象都时有发生.年实际日照数平均为2109.06小时.年平均气温为15.7℃.年均无霜期为222天.年均降水量为890 毫米.冬季盛行北至东北风，夏季盛行偏南风，春季东南风居多，秋季多东和东北风，全年以偏东风为主，平均风速2.7米/秒.

2 主要地层分布及特征

本区段勘察现场以钻探为主，辅以原位测试及室内试验结果共同揭露、分析评价其岩土层分布情况，现将本次揭露的岩土层介绍如下：

根据钻探揭露结合室内试验结果，拟建场地钻探深度范围内揭露的地层主要为第四系全新统填土层（Q）及全新统洪冲积层（Q）以及上更新统洪冲积层（Q）.

第①层素填土

该层较广泛分布，揭露层厚0.20～3.00m，层底高程25.73～29.24m.灰色、灰黄色，稍湿，松散，该层主要以回填软～可塑状粘性土为主，上部主要为耕植土，含植物根系，局部含有混建筑垃圾等.部分沟塘分布地段此层下部为淤泥质土，灰黑、青灰色，味腥，含腐殖质较多.

第②层粘土

该层广泛分布于场区，揭露层厚2.90～7.40m，揭露层底高程20.23～25.91m.呈灰黄色、棕黄色，可塑状.含铁锰结核、少量高岭土以及钙质结核等.压缩性中等，干强度高，韧性高，无摇振反应，切面光滑有光泽.

第③层粉土夹粉质粘土

该层广泛分布于场区，揭露层厚0.50～5.10m，揭露层底高程17.70～25.21m.呈灰黄色、黄色，饱和，中密状态，摇振反应迅速.干强度无，韧性无.含有石英云母.

第④层粉质粘土

该层广泛分布于场区，揭露层厚0.90～4.30m，揭露层底高程14.45～22.11m.呈灰黄色，湿，可塑状态，干强度中等，压缩性中等，韧性中等，摇振反应无，切面稍有光泽.含氧化铁、铁锰结核等.该层局部地段夹有粉土、粉细砂薄层.

第⑤层粉细砂夹粉质粘土

该层广泛分布于场区，揭露层厚3.40～12.10m，揭露层底高程8.55～11.84m.呈灰、黄灰色，饱和，中密～密实状态，摇振反应无.含有石英、云母.局部夹有粉质粘土、粉土薄层.

第⑥层粘土夹粉质粘土

该层广泛分布于场区，揭露层厚3.30～5.30m，揭露层底高程4.45～7.63m.呈灰黄、黄褐色，硬塑状态，含氧化铁、铁锰结核、钙质结核及局部条纹状高岭土等.压缩性中等，干强度高，韧性高，无摇振反应，有光泽.

第⑦层粘土夹粉质粘土

该层广泛分布于场区，揭露层厚5.10～9.10m，揭露层底高程-2.25～1.19m.呈灰黄、灰白、灰褐色，硬塑状态，含氧化铁、铁锰结核、钙质结核及局部条纹状高岭土等.压缩性中等，干强度高，韧性高，无摇振反应，有光泽.

第⑧层粘土

该层广泛分布于场区，主要在高层部分有揭露，揭露厚度大于10.0m.呈灰黄、灰白、灰褐色，硬塑状态，含氧化铁、铁锰结核、钙质结核及局部条纹状高岭土等.压缩性中等，干强度高，韧性高，无摇振反应，有光泽.

3 剪切波速的测试方法

本次剪切波速测试工作选用了XG-I悬挂式波速测井仪，该测试系统主要由主机、连接电缆和井中悬挂式探头（包括：电磁式激振器和检波器）等3部分组成，工作原理如下：由电源供给脉冲电流，使电磁震源激发产生沿井壁地层传播的P、S波，剪切波沿井壁竖直传播，位于激振器下方的2个间隔1m的检波器，先后接收到沿井壁传播的剪切波振动信号，检波器接收波的振动信号并转换成电信号，然后再进行放大、滤波、数字化操作，最后将数字化后的数据按规定格式存入微机硬盘内，同时原始波形曲线以及分析和处理后的结果还能在微机显示屏上进行显示，结果还可由打印机打印出来.主机对信号进行数据处理后，采用两道互相关分析方法自动计算剪切波在两道检波器间传播的时间差，从而计算出两道检波器之间的岩土体剪切波速度.测试开始时，首先将悬挂式探头放置到待测钻孔的最大深度处，由下而上逐点进行测试，测试点的间隔可以根据不同需求进行设置，本次测点深度间隔选为1个/m.

4 土层剪切波速的统计回归分析

4.1 剪切波速的分布范围

收集了阜阳市颍东区50个钻孔的剪切波速资料，将其整理、分析成表（见表1），可见颍东区剪切波速随土层埋深变化具有一定规律性，当土层埋深0～10m,剪切波速值主要在131～177m/s范围内；当土层埋深10～20m,剪切波速值主要在227～274m/s范围内；当土层埋深20～30m,剪切波速值主要在296～326m/s范围内；当土层埋深30～40m,剪切波速值主要在283～302m/s范围内；当土层埋深40～50m,剪切波速值主要在321～340m/s范围内；当土层埋深50～60m,剪切波速值主要在340～373m/s范围内.

表1 阜阳市颍东区剪切波速分布范围

4.2 剪切波速随埋深的变化规律

自上世纪60年代开始，国内学者国内学者曾勇（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.［2］近些年，随着各地方剪切波速资料的大量累积，认为土层剪切波速与土层深度主要有线性函数、幂函数和一元三次多项式三种统计关系：

式中，Vs为土层剪切波速（m/s）；H为土层深度（m）；其中a～j为拟合参数.文中采用上述三种统计关系进行对比分析，并利用相关系数R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，相关系数为0＜R＜1，当R越接近1，相关程度越好.

表2 剪切波速随深度变化拟合公式及相关系数

对土层埋深0～60m范围内的剪切波速与深度进行拟合，结果如表2所示，可见用一元三次多项式拟合所得到的相关系数最大，其次为幂函数，最次为线性函数.由此可得阜阳市颍东区剪切波随深度变化规律的多项式为：

式中：Vs为土层剪切波速m/s；a、b、c、d为多项式系数；H为土的埋深m.阜阳市颍东区0～60m范围内剪切波速随深度变化多项式系数a、b、c、d及其相关系数分为为：65.5488、18.5918、-0.4836、0.0044、0.8246.

5 剪切波速推测的工程应用

由上述得到的土体剪切波速Vs随土的埋深的拟合公式应用于阜阳市颍东区刘庄安置房K1～K6钻孔上，与土的剪切波速实测数据相比较，如图3所示，大多数点在预测值上下10%范围内，与预测值非常接近，个别点与预测值得偏差较大，可能是受测量时现场环境等因素的影响所致.

图3 剪切波速推测结果与实测结果对比

6 结论

6.1 统计得到阜阳市颍东区剪切波速随土的埋深具有一定规律性变化，当土层埋深0～10m,剪切波速值主要在131～177m/s范围内；当土层埋深10～20m,剪切波速值主要在227～274m/s范围内；当土层埋深20～30m,剪切波速值主要在296～326m/s范围内；当土层埋深30～40m,剪切波速值主要在283～302m/s范围内；当土层埋深40～50m,剪切波速值主要在321～340m/s范围内；当土层埋深50～60m,剪切波速值主要在340～373m/s范围内.

6.2 提出了线性函数、幂函数和一元三次多项式三种土体剪切波速沿深度分布的推算公式，经拟合得到一元三次多项式的拟合程度最高，多项式为Vs=a+bH+cH2+dH3，多项式系数a、b、c、d及其相关系数分别为：65.5488、18.5918、-0.4836、0.0044、0.8246.

6.3 结合工程实测数据与拟合公式推算剪切波速进行对比，如图3所示，大多数实测剪切波速点与预测值非常接近.因此，可以用该公式对阜阳市颍东地区的剪切波速进行预测.由于样本数量有限，拟合结果还需要不断完善，随着阜阳市各区的发展，数据也将不断积累，拟合结果也将会继续完善.

6.4 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，这说明剪切波速与土体埋深受地域的限制，不同地区的剪切波速随土体埋深的变化关系不同.剪切波速本质上与土体的物理力学特性和其所处环境密切相关，这些也是更加精确推测该地区剪切波速需要继续完善的内容.

参考文献：

〔1〕兰景岩,薄景山,吕悦军.剪切波速对设计反应谱的影响研究［J］.震灾防御技术,2007（01）：19-24.

〔2〕李帅.石河子北开发区土层剪切波速与土层深度经验关系［J］.震灾防御技术,2014（03）：468-478.

〔3〕赵淑芳,杨宏亮.场地剪切波速的特征分析［J］.云南大学学报（自然科学版）,2012（S2）：267-271.

〔4〕胡聿贤,张裕明,高孟潭,等.工程场地地震安全性评价（GB17741-2005）［S］.北京：中国标准出版社, 2005.

〔5〕齐静静.山东东营城区剪切波速回归分析及应用［J］.勘察科学技术,2011（02）：23-26.

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〔7〕李帅.石河子北开发区土层剪切波速与土层深度经验关系［J］.震灾防御技术,2014（03）：468-478.

〔8〕中华人民共和国建设部.岩土工程勘察规范（2009年版）：GB50021—2001［S］.北京：中国建筑工业出版社,2009.

〔9〕中华人民共和国国家标准编写组.GB50021—2001岩土工程勘察规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2009.

中图分类号：P631.8

文献标识码：A

文章编号：1673-260X（2016）05-0057-03

收稿日期：2016-03-14