澳门土壤剪切波速的相关性分析

陆万海，李熙烨，吴玉棠

（1.澳门大学，澳门；2.澳门乘风土木工程顾问有限公司，澳门）

澳门土壤剪切波速的相关性分析

陆万海1，李熙烨2，吴玉棠1

（1.澳门大学，澳门；2.澳门乘风土木工程顾问有限公司，澳门）

土壤的剪切波速（VS)，是抗震设计的一个重要参数，但有关澳门土层的相关资料则十分稀少。研究的主要目的是根据近期野外测试的结果，探讨澳门土层的VS与标准贯入试验的打击锤数（N）的关系，并以简单之幂函数建立VS与N值的关系式。作为澳门轻轨交通系统之勘察计划，研究进行了五组下孔法 (DH)，地震波圆锥触探试验（S-CPT）以及标准贯入试验（SPT）的测试。根据试验结果所得的关系式估算剪切波速高于较澳门轻轨设计大纲的建议值，而使用另一有关澳门土层的数据库来验证新的关系式，亦可获得合理的决定系数。

：澳门；剪切波速；标准贯入试验

0 引言

土壤的剪切波速（VS），是分析土壤特性与工程设计的一个重要参数，近期在澳门轻轨（LRT）项目的抗震设计中亦需考虑此参数，而澳门轻轨设计概要便参考了 “澳门屋宇及桥梁结构之安全及荷载规章讨论稿”第23条（简称澳门规章）的建议，抗震设计需要参考由剪切波速所推论的土层结构。

土壤的剪切波速一般可由下孔法 （Down-Hole, DH）或跨孔法（Cross-Hole，CH），直接量测，下孔法或跨孔法量测过程包括在预钻孔不同深度中放置地震检波器（geophone）以量测地震波速[1-2]，而近年来亦增加了如地震波圆锥触探试验（Seismic Cone Penetration Test，S-CPT）等方法，其中S-CPT以安装于其圆锥触探仪中的地震检波器，在其贯入过程中量测不同深度的地震波速[2-3]。对许多工程项目，由于经费限制，在前期规划中，一般以经验公式根据较常用的工程参数（如SPT-N值）来估计VS。

本文目的为探讨澳门土层的剪切波速（VS）与标准贯入试验的打击锤数（SPT-N）的关系，其中引用了澳门轻轨C250路段工程的S-CPT及DH试验结果，以及前期研究的CH试验结果[4]，进行相关性研究，并与 “澳门规章”所建议的VS与SPT-N的相关性作一比较。

1 轻轨C250路段现场剪切波速试验

本项目包括了五组同时使用地震波圆锥触探试验（S-CPT）及下孔法（DH）测试由地表至基岩剪切波速（VS）的试验，试验的位置如图1中DH1～DH5所示，其中S-CPT与DH在每一试点的实际位置距离均少于3 m，以便对土壤类别，强度，与剪切波速进行互相比较。

在试验过程中，S-CPT试验除了提供如土壤类别、密度、抗剪强度、磨擦等一般的岩土工程参数外，亦同时在每隔1 m深度处量测了剪切波速，其深度可直达qc少于15 Mpa（或SPT-N少于45～50）的土层，而DH试验则可提供深层较坚实岩土（如CDG）的剪切波速，此外，DH试验的钻孔亦进行了标准贯入试验以量测N值，并可根据所取土样进行其它室内试验。

根据钻孔的结果显示，本项目土层分布大致符合澳门地区一般情况，由地表起土层包括了：①松散的砂质填土层，厚度约为几米；②软泥层，粘土质材料，厚度变化大，由几米至十几米不等；③冲积土层，砂土、粉土及粘土，厚度不等，位于软泥层下；④风化岩石层，深度约在16～66 m间。

2 剪切波速(VS)与SPT-N的相关性

除了使用地震波圆锥触探试验（S-CPT）及下孔法(DH)测试由地表至基岩各层土壤之剪切波速(VS），亦在钻孔中每隔2公尺进行了标准贯入试验(SPT)，而剪切波速则以对应SPT测试深度处每2 m取平均值，本项目所量得的SPT-N值为1～26，而所量得之VS在值为113～397 m/s。

图1 钻孔的位置Fig.1 Location of the boreholes

图2显示了VS与SPT-N之试验结果，根据过去的研究[4]，VS与SPT-N的关系式一般可使用幂函数表示，而分析图2试验结果所得的关系式如下：

其中:VS=剪切波速（m/s）

由于试验结果中包括一些不合理的数据，在进行相关性分析时会先行筛选，此些数据一般为低VS对应相对高SPT-N值，其出现的原因估计是由于有散石夹于松散的砂质填土层中，导致个别相对高SPT-N值的出现，而由S-CPT及DH测试所得的VS为代表所测试土层有平均值，并不会因少量散石而有太大改变，此外，试验结果中亦包括了一些SPT-N值等于1的结果，主要是在钻探中遇到软海泥，由于其VS与SPT-N的相关性及灵敏度较低，建议要用其它方式来估计VS。

2.1 与 “澳门屋宇及桥梁结构的安全及荷载规章讨论稿”第23条比较

澳门规章第23条中建议了VS与SPT-N的相关性供初步设计使用，其详细内容列于表1中，由于澳门土壤剪切波速的测量结果甚少，因此相信表1中VS与SPT-N的相关性是根据澳门地区以外的资料制定的。

现把本项目的野外试验结果与澳门规章的建议一并示于图3中，可见大部分从S-CPT及DH所得的VS值大致相近及一般大于澳门规章所建议的值，而由于本项目试验主要在软至中软土进行，其结果较澳门规章和其它地方的一般性资料建立的相关性，可以更准确地反映本地区的软土情况，而另一方面，本项目的试验并不包含硬土与基岩等的高SPT-N值，因此，本项目的关系式在预测较高SPT-N值所对应的VS时，或会比较不准确，而需要使用其它并不包含硬土与基岩的试验作进一步修正。

2.2 验证VS与SPT-N的关系式

为了验证新建立的关系式对澳门其它地区土层预测的准确性，采用了另一早期研究的数据库[4，6]，内含约150组VS（根据CH）和SPT-N的试验结果，以新建立的关系式预测并进行比较，计算所得的确定系数（R2）和标准差列于表2。

图2 本项目VS与SPT-N之相关性Fig.2 Correlation equation with VSand SPT-N from this study

表1 VS与SPT-N的相关性（澳门规章第23条，LECM,2008)Table 1 Correlation between VSand SPT-N(Draft of Design Brief;LECM,2008)

由表2可见，新建立的关系式对LRT C-250或Sae Teng两个不同数据库的确定系数(R2)与标准差大致相同，因此，本文的关系式，用于澳门类似场地时，也可以提供合理的结果，如将来有更多试验结果，则可对关系式作进一步修正。

图4～6为本文的3组数据库中实测VS与预测VS的比较，可见数据点基本上均在 1:1对角线附近，图4～6中对角线旁以虚线表示正负一个标准差的范围，由图4可见对LRT C-250数据库有90%以上的预测结果在此范围内，而图5则显示对Sae Teng[4]数据库约有70%以上的预测结果在此范围内，由于Sae Teng数据库并未用于回归分析中，所以准确度较低是合理的，另一方面，预测值/实测值于各图分别是： 0.91、1.04及0.99，接近1.0，可见本研究应用新建立模型估计土层剪切波速度的可靠性是可以接受的。

图3 测量VS与建议VS的比较Fig.3 Comparison of measured VSand recommended VS

表2 新建立的关系式对不同数据库的确定系数(R2)与标准差Table 2 Results of R2and standard deviation corresponded to validation database

3 软海泥剪切波速（VS）的相关性

综上所述，本项目试验结果中包括了一些SPT-N值较小或等于1的结果，这些试验主要是遇到软海泥，由于其VS与SPT-N的相关性及灵敏度较低，因此本研究团队在早期研究中曾对澳门软海泥进行了系统性的室内试验，其中包括在三轴试验仪中把海泥试体压密至指定的应力状态，然后用预先装置的陶瓷压电组件（bender element）量测试体的VS，根据本文作者研究团队[7]的研究结果，对原状澳门软海泥，可使用如下的方式来估计Gmax和VS：

式（2）中，Gmax为剪切模量（kPa）；VS为剪切波速(m/s)；Pa为大气压力(101 kPa)；e为土壤孔隙比；a为轴向（垂直）有效应力（kPa）；r为径向（水平）有效应力（kPa）。

4 结论

本文根据轻轨C250项目所进行的SPT，DH及S-CPT试验结果，建立了VS与SPT-N的关系式，与澳门规章第23条所建议比较，对本项目所遇到软至中软土，澳门规章所提供的VS较为保守，而在硬土及基岩的相关性则有待其它试验结果修正，而对于软海泥，由于其VS与SPT-N的相关性及灵敏度较低，则建议用基于有效应力及孔隙比的关系式估算。

图4 新建模型预测VS与实测VS值的对比（LRT C-250数据库）Fig.4 Comparison of measured VSand predicted VSby the new model（LRT-C250 data set）

图5 新建模型预测VS与实测VS值的对比（Sae Teng(2009)数据库）Fig.5 Comparison of measured VSand predicted VSby the new model（Sae Teng(2009)data set）

图6 新建模型预测VS与实测VS值的对比（结合LRT C250及Sae Teng(2009)数据库）Fig.6 Comparison of measured VSand predicted VSby the new model（LRT-C250 and Sae Teng(2009)combined data set）

本文所建立的关系式，亦对一些较早期的澳门土层试验资料进行验证， 其确定系数显示：本文的关系式，用于澳门类似场地时，也可以提供合理的结果。

致谢：本文作者在此感谢澳门运建办(GTI)准许使用有关试验结果，同时亦感谢乘风土木工程顾问有限公司及毅信工程公司提供相关钻探资料，前期的研究是透过澳门科技发展基金资助项目(054/2005/A)，由澳门大学研究生丁建中，郝刚，关伟健等进行，在此一并致谢。

[1]Hoar,R.J.,Stokoes,K.H.II.Generation and measurement of shear wave in situ[J].ASTM STP 654-EB,1978：3-25.

[2]Robertson，P.K.，Campanella，R.G.，Gillespie，D.，et al.Seismic CPT to measure in situ shear wave velocity in measurement and use of shear wave velocity for evaluating dynamic soil properties[M].New York：ASCE，1985.

[3]LECM.澳门屋宇及桥梁结构之安全及荷载规章(RSAEEP)——地震作用更新的咨询文本[M].澳门：出版者不详，2008.

[4]Sae Teng，T.In situ shear wave measurement and ground response analysis for developing site-dependent response spectra in Macau[D].Macau：University of Macau，2009.

[5] Hasancebi，N，Ulusay，R.Empirical correlations between shear wave velocity and penetration resistance for ground shaking assessments[J].Bulletin of Engineering Geology and Environment,2007，66：203-13.

[6]Lok，T.M.H.，Sae Teng,T.，Hao,et al.Wave velocity of Macao marine clay from field and laboratory measurement [C].Taipei： The 3rd International Conference on Site Characterization，2008.

[7]Hao，G.，Lok，T.M.H.Study of shear wave velocity of Macao marine clay under anisotropic stress condition[C]. Beijing： The 14th World Conference on Earthquake Engineering October，2008.

Correlations Analysis of Shear Wave Velocity of Macau Soils

LOK T.M.H.1，LEE，H.Y.2，NG，I.T.1
（1.University of Macau，Macau；2.Civil Enginnering Consultant Ltd，Macau）

Dynamic soil properties are important parameters for earthquake-resistant design.However，corresponding information is very scarce for Macau soils.This paper presents the preliminary correlation results between VSand SPT blow counts on Macau soils based on recent field tests obtained from the site investigation program for the design of the Macau Light Rapid Transit（LRT）project.Five pairs of Down-Hole（DH）and Seismic Cone Penetration Test（S-CPT）were performed at various locations to measure the shear wave velocity together with Standard Penetration Test（SPT）carried out in the corresponding boreholes.A preliminary correlation relationship of shear wave velocity(VS）and SPT blow counts（N）was also developed based on a power function.Compared with the Design Brief of LRT in which a preliminary correlation guideline is presented,this correlation,established based on the testing results,generally predicts higher shear wave velocity for soft to medium soft soils.Favorable coefficients of determination were also obtained for the newly established correlation evaluated with a different data set from an independent study for Macau soils.

Macau；Shear wave velocity；SPT

TU411

A

1001-8662（2014）03-0006-06

10.13512/j.hndz.2014.03.002

陆万海，李熙烨，吴玉棠.澳门土壤剪切波速之相关性分析[J].华南地震，2014，34（3）：6-11.[WLOK T.M.H.，LEE，H.Y.，NG，I.T.. Correlation Analysis of Shear Wave Velocity of Macau Soils[J].South china journal of seismology，2014，34（3）：6-11.]

2014-03-01

澳门科技发展基金资助项目（054/2005/A）

陆万海 (1963-)，男，博士，主要从事岩土工程研究.

E-mail：smnie@163.com.