基于高密度钻孔分析广州城区的软土空间分布特征及其震陷情况*

2018-11-23毕丽思陈小芳马浩明卢帮华

地震研究 2018年4期

毕丽思，陈小芳，马浩明，卢帮华

(广东省地震局地震监测与减灾技术重点实验室，广东广州 510070)

0 引言

软土即软弱粘性土，是一种在沿海沿河地域常见的特殊性土，如珠江三角洲就广泛分布着软土。它具有诸多工程不良特性，而且作为地基，土层存在沉降变形、抗滑稳定性差和震陷等工程危害(顾宝和，张福存，1981；杨顺安等，2000；彭承光，李运贵，2004)。历次震害表明，软土在地震荷载作用下极易丧失强度而产生震陷，从而导致严重的地震破坏。如1906年旧金山地震和1923年日本关东地震，由于土体失稳导致了地下管线的破坏，进而引起了严重的次生灾害(卢振恒，2002；方陵生，2006)。1975年海城、1976年唐山、1985年墨西哥、1999年台湾集集、2013年芦山等地震均产生了因软土地基失稳而引起上部结构破坏甚至坍塌的现象(中国科学院工程力学研究所，1979；刘恢先，1986；钮泽蓁，1991；彭承光，李运贵，2000；齐文浩等，2013)。因此，在软土地区，一旦发生震陷，将对工程造成难以估量的影响，人民生命财产安全也将失去保障。

广州作为珠江三角洲以及粤港澳大湾区的建设中心，高楼林立、人口密集，由于濒临南海，珠江水系穿流而过，是软土发育的典型地区(周翠英，牟春梅，2004；何萍等，2017)。据文献记载，广州城区及其周边曾多次发生破坏性地震，而其近、远场范围历史上亦曾发生过6级以上地震十余次，其中7级以上强震4次(郭钦华等，2008；梁干，吴业彪，2013)。已有研究结果表明，厚层软弱场地的地震动具有长周期分量丰富的特点，尤其是大震、远震时，经过长距离传播已经衰减的地震动在经过深软地基土到达地面后，可能成为长周期震动十分突出、破坏性极大的强震动，使工程结构、尤其是高层建筑与大跨度工程，产生严重破坏(夏法，黄玉昆，1992；彭承光，李运贵，2004；胡聿贤，2006；苏永奇等，2016)。由此看来，广州城区的软土震陷潜在风险不可低估，开展软土勘察、分析软土震陷及其防御等研究工作十分必要。虽已有学者分析指出，软土震陷是珠江三角洲未来场地震害的主要形式之一(郭钦华等，1995；宿文姬等，2006；韩喜彬等，2010)，但其利用的钻孔数量少，大多是基于工程经验作出的定性分析，在震陷性上没有深入研究。随着广州市工程勘察钻孔数据的积累以及大数据工程的建设，本文利用海量、高密度的钻孔数据，定量分析软土的空间分布特征，并评估广州城区软土震陷的危害程度。

1 研究区概况

本文研究区是广州市城区的一部分，包括荔湾区、越秀区、海珠区、天河区南部、白云区南部，面积270 km2(图1)。研究区位于珠江三角洲北缘，是珠江水系南流入海的河口地带，河海交互作用强烈。区内地势由NE向SW倾斜，大部分区域是出露全新统或上更新统的河、海冲积三角洲平原，地势平缓，局部零星分布着出露前第四系的低矮残丘。由于珠江水系在研究区西北部汇合后流穿整个研究区，支流众多、河网密布，河、海相沉积厚度大，一般为20～30 m，以淤泥、淤泥质土、亚砂土和砂为主，易产生塑流(黄镇国等，1982)。广泛发育的软土已成为制约广州城市建设的不利地质环境因素，而因软土引起的地基不均匀沉降问题亦已成为广州地区主要的地质灾害之一(李平日等，1989；夏法，黄玉昆，1992，1995；夏法等，1992；符诗存，张建国，2008；董好刚等，2012)。在构造上，研究区位于近EW向瘦狗岭断裂南侧，NE向广州—从化断裂、EW向广州—三水断裂、NW向天河—北亭断裂贯穿全区。这些断裂具有诱发破坏性直下型地震的危险(梁干，吴业彪，2013)。再者，研究区所在的珠江三角洲为断块型三角洲，在新构造期经历过多期构造变动，洲内断块间垂直运动明显，第四纪受多组断裂带活动控制，地震活动频繁而强烈(黄镇国等，1982；黄玉昆等，1983；陈国能，张珂，1995；陈伟光等，2002；张珂等，2009；马晓静，吕作勇，2017)。因此，广州受地震的影响较大，其抗震设防烈度为Ⅶ度，广州城区的软土震陷潜在风险不可低估，应予以重视。

图1 研究区地震构造图

2 钻孔数据

笔者收集了研究区内近12 000个钻孔，平均密度为44个/km2，密度较高(图2a)。钻孔空间分布均匀，终孔深度均达基岩，这样能很好地从三维空间上控制软土的分布(图2b)。此次收集的钻孔数据信息齐全，包含了钻孔的基本信息、地层信息、标贯信息、波速信息、土样物理力学试验信息等，这为实现从岩性、岩土状态、物理力学数据等多角度判别软土及评估软土震陷提供了可靠、丰富的数据支持。用如此数量大、密度高、信息多样的钻孔数据来揭露广州市城区的软土空间分布特征，分析其震陷危害程度是以往的研究及工程项目都未曾有过的。

图2 研究区钻孔分布图(a)及钻孔ZK10131柱状图示例(b)

Fig.2 Distribution of holes in the study area(a)and the column of a hole ZK10131 as an example(b)

3 软土及其震陷判别方法

3.1 软土判别方法

目前，各行业规范对软土的定义主要从定性和定量2方面来描述。软土定性描述为：由天然含水量大、压缩性高、承载能力低、流变性高的细粒土，包括淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭质土等，如《道路工程术语标准》(GBJ 124—88)、《软土地区岩土工程勘察规程》(JGJ 83—2011)等。定量描述则给出了具体的物理力学指标来界定。如《岩土工程勘察规范》(GB 50021—2001)规定：天然孔隙比大于或等于1.0，且天然含水量大于液限的细粒土应判定为软土；《公路软土地基路堤设计与施工技术规范》(JTJ 017—96)列出软土的鉴别表，指出应按以下指标鉴别软土：天然含水量大于或等于35%，与液限，天然孔隙比大于或等于1.0，十字板剪切强度小于35 kPa；《公路工程地质勘察规范》(JTG C20—2011)规定：具有以下工程地质特性的土，应判定为软土：天然含水量大于或等于液限，标准贯入试验锤击数小于3击，静力触探比贯入阻力小于或等于750 kPa，十字板抗剪强度小于35 kPa。

笔者综合各行业规范对软土的定义，结合所采集的钻孔数据信息，对符合下述条件之一者可判别为软土层：(1)岩土名称为淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭质土的土层；(2)岩土名称为粘性土(含粉质粘土、粘土)，并且岩土状态为软塑、流塑或软塑-流塑的土层；(3)土样物理力学试验数据中，天然孔隙比大于或等于1.0，且天然含水量大于液限的土层。

3.2 软土震陷判别方法

强烈地震时软土发生震陷，不仅被科学实验和理论研究证实，而且在以往震害调查中多次被发现。但由于软土发生震陷的原因十分复杂，机理影响因素相当多，现今国内外对于软土震陷的研究还不够深入，积累的成果资料和工程经验不多，很难对软土是否震陷进行准确预测(张建毅等，2012)。目前，在我国涉及软土震陷判别的规范主要有《岩土工程勘察规范》(GB 50021—2001，2009)、《软土地区岩土工程勘察规程》(JGJ 83—2011)与《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)。对于规范要求进行专门震陷分析计算的还有不同学者提出的各种方法，这些方法由于模型复杂、公式及参数繁多、计算量大、受扰动软土试验困难等原因，在实际应用上很受限制(石兆吉，郁寿松，1989；郁寿松，石兆吉，1989；王忆等，1992；周健等，1996；刘金韬，2014；田洪水等，2015；辜俊儒等，2017；李平等，2017)。本文考虑岩土工程一般性勘察要求以及场地震害预测与防震减灾规划等应用，结合钻孔数据信息内容，认为可采用《软土地区岩土工程勘察规程》(JGJ 83—2011)与《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)等有关规定来评估广州城区软土震陷。

《软土地区岩土工程勘察规程》(JGJ 83—2011)指出，设防烈度等于或大于Ⅶ度时，对厚层软土分布区宜判别软土震陷的可能性。当地基主要受力层内软土厚度大于3 m或地基土等效剪切波速值小于90 m/s时，地基土会发生不同程度的震陷。宿文姬等(2006)提出，一般的勘察设计在很多情况下依据软土厚度大于3 m，且连续分布，顶板埋深小于20 m，地下水位小于3 m，含砂量较少和承载力小于70 kPa的地段，作为在地震作用下容易引起软土震陷的地区。一般来说，软土越厚，其震陷程度越大；软土的埋藏越浅，其震陷可能性也越大(李兰，1994)。因此，本文通过软土层的厚度与埋深来评估其震陷危害程度。

虽然广州城区的设防烈度为Ⅶ度，但它仍具有遭受烈度为Ⅷ度地震影响的危险。《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)给出了Ⅷ度和Ⅸ度时判别地基土软弱粘性土层震陷的方法：当饱和粉质粘土塑性指数小于15，且WS≥0.9WL与IL≥0.75(WS为天然含水量，WL为液限含水量，IL为液性指数)，可判定为震陷性软土。由于土的液性指数越大，土质越差，当IL>1时，土为软塑状。同时，土的孔隙比(e)越大，其压缩性越高，发生震陷时沉降量亦越大。因此，本文进一步利用软土的液性指数、孔隙比等物理指标来评估其震陷危害程度。

4 软土空间分布特征

广州城区内的软土主要为淤泥、淤泥质土，少部分为泥炭、泥炭质土、淤泥质粉质粘土，一般分布在地表硬壳层之下，大部分地段为单层，局部为双层，其下卧层多为砂层，部分为粉质粘土层。软土在广州城区广泛分布，除越秀区中北部，天河区林和西、天园、珠吉等地，海珠区中部沙园、南石头、昌岗一带，荔湾区白鹤洞，白云区金沙等残丘台地无软土分布外，其余将近80%的面积其下伏地层均有软土分布(图3)。

总的来说，软土层在广州城区埋藏较浅，其顶板埋深浅于6.0 m，其中近200 km2的地区其下伏软土层的顶板埋藏浅于3.0 m，只有小部分地段深于3.0 m(图3a)。另外，广州城区的软土层埋深呈现中部浅、南北两侧深的特点。在荔湾区白鹤洞与海珠区中部南石头、昌岗、新港、凤阳、赤岗、江海一带的残丘台地外围区的软土层埋藏很浅，约0.5～1.5 m，呈东西向带状延伸。以这一东西向条带为中心分别往北、南，软土层的埋藏逐渐变深。在北侧最深处位于荔湾区北部桥中、多宝、沙面一带，埋深约3.0～4.5 m，呈较大面积连续分布。在南侧最深处位于荔湾区东沙紧邻珠江处，埋深约4.5～6.0 m，面积很小，呈孤立小片状；其次，在荔湾区与海珠区南部紧邻珠江一带的软土层埋藏较深，约3.0～4.5 m，面积不大，断续分布。

软土层在广州城区沉积厚度差异较大(图3b)，厚度不足1.5至13.5 m皆有分布，但总体来说，软土层的沉积厚度较大，其中厚度大于3.0 m的地区占了研究区面积的32%。软土层的厚度在空间分布上呈现以下特点：(1)研究区南部、西部的软土层厚度大，中部、北部的厚度小。在研究区南部的海珠区南部，西部的白云区、荔湾区，其软土层的厚度大部分达3.0 m以上，部分地段厚达十余米；而在研究区中部的海珠区中北部以及研究区北部的越秀区与天河区，其软土层厚度较小，大部分地区小于1.5 m。(2)在研究区内软土层呈现2个沉积中心，沉积厚度大。一处是在海珠区华州以西，软土层厚度达6.0 m以上，最厚处13.5 m，等厚线轴线呈SN走向。此处地貌是湿地沼泽，已被建成湿地公园。另一处位于荔湾区石塘围、茶滘、东漖一带，软土层厚度大于4.5 m，最厚处大于10 m，等厚线轴线总体呈NNW—近SN走向。另外，这一带又包含4个次一级沉积中心，呈NW向斜列分布。(3)靠近河流岸边的软土层厚度大，远离河流的厚度小。在沙面、人民、白云、猎德、华南西、滨江、琶洲等珠江岸边地区，软土层的厚度较大，约3.0 m以上，而远离珠江的地区，如天河南、林和、棠下、沙园、凤阳等地，其软土层厚度较小，一般小于1.5 m。

图3 广州城区软土层埋深(a)及厚度(b)分布图

5 软土震陷评估

基于软土层的厚度及埋深，根据表1所示条件，本文评估了研究区内潜在软土震陷的危害程度(图4a)。由图4a可见，广州城区内，约30%的面积在强烈地震时(Ⅶ度烈度下)可能产生软土震陷。其中震陷最严重处是荔湾区茶滘、海珠区华州以西等地，面积不大。中等震陷区的范围较大，达70 km2，主要位于研究区的西部和南部；在西部，中等震陷区由研究区最北端延伸至最南端，成片分布，纵贯南北，长约十余千米；在南部则主要集中在海珠区瑞宝、南洲、华州一带的沼泽湿地区，覆盖范围大。轻微震陷区主要分布在荔湾区北部和南部邻近珠江的地方。而天河区与越秀区大部分、海珠区北部与西部、荔湾区西南部为软土不震陷区。

图4 基于软土厚度与埋深(a)与软土物理指标(b)的广州城区潜在软土震陷分布图

序号分区判别条件面积/km2主要分布区域1软土不震陷区软土厚度不大于3 m130天河区;越秀区;海珠区北部与西部;荔湾区西南部2轻微震陷区软土厚度3^9 m,埋深大于3 m10.8荔湾区北部与南部邻近珠江处3中等震陷区软土厚度3^9 m,埋深不大于3 m;或软土厚度大于9 m埋深大于3 m70白云区;荔湾区由北往南贯穿10 km宽3 km;海珠区瑞宝、南洲、华州一带4严重震陷区软土厚度大于9 m埋深不大于3 m1.2荔湾区茶滘;海珠区华州以西5无软土区下伏地层无软土层58越秀区中北部;天河区林和西、天园、珠吉等地;海珠区中部;荔湾区白鹤洞;白云区金沙

表2 广州城区潜在软土震陷危害程度评估结果(基于软土物理指标)

本文利用软土的液性指数、孔隙比等物理指标，根据表2所示条件，评估了Ⅷ度烈度下研究区内潜在软土震陷的危害程度(图4b)。由图4b可见，广州城区内，近40%的面积在强烈地震时(Ⅶ度烈度下)可能产生软土震陷。与图4a相似，震陷区主要集中在研究区的西部和南部，但震陷范围更大。其中严重震陷区达60 km2，呈大面积连续分布，主要分布在荔湾区、越秀区南部、海珠区西南部。中等震陷区则分布分散，断续出现，在各区均有分布。轻微震陷区分布范围小，在荔湾区中北部零星出现。而天河区大部分、越秀区中北部、海珠区西部与中部、荔湾区中南部为软土不震陷区。