西安市岩土体剪切波速与土层深度关系的研究①

薛 锋，王庆良，胡亚轩，周 辉，何斯渊，王振刚

（1.中国地震局兰州地震研究所，甘肃 兰州 730000；2.中国地震局第二监测中心，陕西 西安 710054）

0 引言

土层剪切波速是判定场地类别和确定覆盖层厚度的重要指标，也是土动力学的重要参数之一［1－2］。近年来场地土层剪切波速测试在工程勘察、地质工程及地震工程等领域取得了广泛应用［3］。

在实际剪切波速测试工作中，由于受到钻孔深度、各类土层埋藏条件、测试方法和城市噪声干扰等诸多因素的影响，部分测试所得到的剪切波速误差较大，甚至无法使用。另外，在同一区域大量、密集的工程建设中，进行重复多次的场地剪切波速测试，不仅增大了工程投资，而且影响了工程的进度。如果能够根据已有的钻孔资料，结合当地的各种岩土类别，经过统计分析给出合理的工程场地各种岩土的剪切波速随土层深度变化的经验关系，应用于实际工程当中必然会产生良好的社会和经济效益。

研究表明①薄景山.场地分类和设计反应谱调整方法研究［R］.中国地震局工程力学研究所，1998.［4－8］，某一具有相同沉积环境和地质背景的区域，其剪切波速值变化范围不大，具有一定的统计规律；相关规范也允许利用土层深度与土性参数的统计关系进行场地勘探分析［9］。国内外学者曾做过各种方式的拟合统计工作，得到特定地区剪切波速随深度变化的一般规律经验公式。本文在研究收集到的西安市各级地震安全性评价工作的工程地质钻孔资料基础上，对本地区土层剪切波速进行统计、拟合，寻求剪切波速与深度的变化规律，为西安市缺乏测试资料的工程场地提供可靠的剪切波速参考值。

1 西安市地貌及第四纪地层

本文所涉及的范围是以西安市总体规划（2004－2020年）为基础，其区域东至灞桥洪庆一带，南至长安，西与咸阳交界，北至渭河南岸，见图1。西安市地处渭河断陷盆地的中部，基底构造复杂，地处Ⅷ度抗震区。有工程地质条件、土质类型复杂，地貌地层类型多变，地面沉降和地裂缝持续发展的特点［10］。

1.1 地貌类型及主要特征

西安市地貌按成因类型及堆积物的物质来源分为渭河冲积平原（Ⅰ）、浐灞河冲积平原（Ⅱ）和黄土塬前洪湖积台地（Ⅲ）3个主要地貌单元。地形呈南高北低态势，不同地貌单元地形有所不同，总体而言比较平坦（图1）。

图1 西安市地貌单元分区图Fig.1 Geomorphology units division in Xi＇an city

1.2 第四纪地层

根据搜集到的工程地质勘查资料（图2），西安市百米以内的地层主要有全新统、上更新统和中更新统地层。

（1）全新统（Qh）：

2 统计资料和分析方法

2.1 统计资料

本次工作所选用资料来源于西安市地震小区划或地震安全性评价工作中实测剪切波速资料。为保证测试结果的可靠性，在测试工作开展前对测试仪器进行了标定，并用多套仪器进行野外测试比对。工作过程中加强监理检查。在资料处理上进行了复读、复检，尽可能地减小随机因素，保证了测试结果的一致性和可靠性。图2为本次工作选用样本钻孔分布图。从图上可以看出，钻孔较为均匀地分布于西安市区，从而保证了统计结果的适用性。本次参与统计的钻孔数量为309个，总进尺24736m，剪切波速采用单孔检层法测试得到，20m深度内采样间隔为1m，20m以上深度内采样间隔为2m。

图2 波速测试孔位分布图Fig.2 Distribution of the wave velocity test boreholes

根据《建筑抗震设计规范》（GB50011－2010）第4.1.4条第1款，场地覆盖层厚度按自然地面至剪切波速大于500m／s的土层顶面的距离来确定［10］。309个深孔的剪切波速资料表明，剪切波速大于500 m／s的界限深度位于地面下70～86m之间（表1）。从各地貌单元测试覆盖层厚度来看，黄土塬前Ⅲ级阶地和河漫滩的覆盖层厚度相对较小，渭河Ⅰ、Ⅱ级阶地覆盖层厚度稍大，但各地貌单元覆盖层厚度差异不大（表1）。因此，进行场地波速统计回归时，不再细分各次级地貌单元，将目标区分为渭河冲积平原（Ⅰ）、浐灞河冲积平原（Ⅱ）和黄土塬前洪湖积台地（Ⅲ）3个主要地貌单元进行波速统计。

表1 各地貌单元覆盖层厚度统计表Table 1 Statistics of the covering thickness in different geomorphic units

2.2 分析方法

目前，国内在进行剪切波速与深度变化规律的统计回归时，大多采用线性模型VS＝a＋bH、二次多项式模型VS＝a＋bH＋cH2或者指数模型VS＝aHb三种形式。本文按照以上三种模型统计了剪切波速随土层深度的变化规律，结果表明（图3）：在20m深度内指数模型拟合效果较好，20m以上深度范围内线性模型拟合效果较好。因此考虑采用分段函数形式。对土层深度20m以上部分采用指数模型；土层深度大于20m的部分采用线性模型。鉴于工程地质单元岩土生成地质环境的同一性，采样以区分地貌单元进行，从而保证了样本的内在联系。同时由于不同岩土的物性和动力特征不同，根据土质类型，分别统计细砂、中砂、粗砂、粉质粘土、黄土、古土壤、卵石等场地土剪切波速与土层深度的相关关系。

具体作法是根据实测波速结果，采取一定采样规则，在保证一般样本至少有50个的基础上，取不同深度相应的波速值，以线性和指数两种模型进行回归分析：

由于土层随深度变化的不均匀性，不同地点的土质条件也有差异，某些采样点测试精度因各种原因出现偏差，直接利用原始资料所得拟合关系式的预测精度不够高。实际处理过程中必须将软、硬夹层土的VS资料及不可靠的采样点剔除。剔除方法如下：首先对原始资料按深度进行模拟，取置信概率为90%，如果实测波速值落在回归关系式的置信带以外，则认为对应的土层为软、硬夹层或采样点不可靠，予以剔除；对余下的数据再按上述方法进行一次剔除工作，最后得到的数据参与资料的拟合回归。

图3 钻孔剪切波速实测值Fig.3 Measured values of the shear wave velocity in the boreholes

3 统计结果

由上述309个钻孔，共15454个采样点的剪切波速实测资料进行统计回归，得到西安市各地貌单元不同土类剪切波速沿深度变化规律（表2、图4）。

由回归分析结果可以看出，相关关系在0.9以上的占29.4%，即VS与H 之间的关系极为密切；相关关系在0.8～0.9之间的占55.9%，即VS与H之间的关系密切；相关关系在0.7～0.8之间的占14.7%，即VS与H之间的关系相关。

其中，最好的相关关系数为0.9475（函数相关系数为1），最差的相关系数为0.7045（0.7是确定是否相关的标准）。相关系数小于0.8的只有5个，表明整个统计关系都相关，且相关性好的占绝大部分。

由图4可以看出，西安各地貌单元不同土质剪切波速呈现出20m以上为指数形式，20m以下为线性形式的特性，基本反映了不同岩土类型受各种条件影响的埋深特征。

图4 西安各地貌单元不同土质剪切波速随深度变化拟合曲线Fig.4 Fitting curves of the shear wave velocity changes with the depths for differenr soils in three geomorphic units of Xi＇an area

表2 土层剪切波速与深度关系拟合结果Table 2 Fitting results of the relationship between the soil shear wave velocity and depth

4 统计结果检验

为了验证本文统计回归出的关系式的适用性，选取由笔者实测的西安市行政中心北迁地震安全性评价工程场地、欧亚经济论坛3期酒店项目地震安全性评价工程场地、西安电信十所23＃高层住宅楼地震安全性评价工程场地3个钻孔的剪切波速资料，与统计回归的关系式进行对比。

西安市行政中心北迁地震安全性评价工程场地地处西安市未央区，分别位于张家堡广场东、西两侧，地形平坦。地貌单元属渭河冲积平原（Ⅰ区）渭河一级阶地后缘。地层自上而下由细砂、中砂、粗砂、黄土、粉质粘土、卵石等组成。各层砂30cn标贯次数均大于30次，各层砂均为密实砂。

欧亚经济论坛3期酒店项目地震安全性评价工程场地位于陕西省西安市东北郊浐灞生态区，地貌单元属浐灞河冲积平原（Ⅱ区）浐灞河现代河床。场地填方完成后，与南侧河漫滩将连成一片。勘探深度内地层依次由杂填土、中细砂、粗砂、卵石、卵石和粉质粘土等组成。

西安电信十所23＃高层住宅楼地震安全性评价工程场地位于陕西省西安市雁塔区雁塔西路和红专南路之间电信科学技术第十研究所院内，地貌单元属黄土塬前洪湖积台地（Ⅲ区）黄土梁洼地貌。场地地层按工程地质特性由自上而下分别由素填土、上更新统黄土和古土壤、中更新统粉质粘土及中砂等组成。

三个场地均处于各地貌分区的地理中心，同一场地有多个钻孔资料可以利用。经过比较，资料精度较高，可信度强。选取的三个钻孔钻进深度分别为80m、86m和80m。剪切波速测试采用单孔检层法，波速测试使用的仪器为中科院武汉岩土力学研究所生产的RSM－24FD型浮点动测仪，JBT－II型井下三分向探头、笔记本电脑记录进行数据采集。将实测剪切波速曲线和采用分土类回归公式（1）得到的预测值进行比较（图5），可见实测VS与预测VS具有很好的一致性。

5 结论

同一工程地质单元地层的一致性是进行场地勘察、地震小区划的客观基础。实践证明按工程地质单元统计剪切波速VS与土层深度H的关系的思路是正确的，得到的结果也是可行、可信的。本文结合西安市地层工程地质特征，对该地区各级地震安全性评价工作中获得的剪切波速测试资料进行了统计分析，得到了该地区各工程地质分区的常见土类剪切波速随深度变化的一般经验公式。通过本项工作的研究可以得到如下结论：

（1）西安地区场地土的VS值不仅与土质类型密切相关，而且与土层的形成条件、物性及埋藏深度密切相关。土层的覆盖压力对VS值有最直接的影响；

图5 模拟与实测的VS－H关系图（红色曲线为拟合结果、蓝色曲线为实测结果）Fig.5 VS－Hrelationship between the predicted and measured

（2）同一工程地貌单元地层在动力性质上是比较一致的，而不同工程地质单元中同样深度相同土类的波速存在差异。因此划分地貌单元是必要的，实际利用时应充分考虑这种特征；

（3）剪切波速是工程减灾工程中的一个重要参量，在一定的条件下具有统计规律，研究剪切波速具有统计规律的条件，继续探索影响剪切波速的因素，并确定剪切波速随这些因素变化的规律是今后剪切波速推测工作的一个研究方向；

（4）本文成果可作为西安市的工程建设规划和设计的基础资料，同时对该地区缺少测试资料或者深度波速缺失时，可以本文公式对地层剪切波速进行推测，以供参考。

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