西北地区典型河谷城市岩土体剪切波速的特征分析

王 强，吴志坚， 王 平

（1.甘肃省地震局，中国地震局黄土地震工程重点实验室，甘肃 兰州 730000；2.西安理工大学，陕西 西安 710048；3.中国地震局兰州地震研究所，甘肃 兰州 730000；4.甘肃省岩土防灾工程技术研究中心，甘肃 兰州 730000）

河谷型城市在我国具有很强的典型性和区域性，尤其以西北地区的河谷型城市具有代表性。西北地区地处我国三大地势阶梯中的第二级，河流自西向东穿过高原流向盆地，形成了众多典型的河谷型城市，如兰州、西宁、天水、宝鸡、平凉等城市，其市区大都沿河谷呈长条形展布，且所处地貌单元均以一、二级阶地为主［1～2］。区域性的河谷型城市具有大致相同的形成过程、地形地貌特征和地层分布情况。因此，场地剪切波速(Vs)的空间分布特征也应该具有相似的规律性。场地剪切波速是反映土体在地震作用下动力反应的一个重要物理量，在岩土地震工程中具有重要的应用价值，如用于划分场地土类型和场地类别，判定饱和砂土或粉土的液化性，计算土体剪切模量、地基刚度和阻尼比等参数［3～5］。剪切波速反映了在土体中的传播速度大小，与土层分布条件、土体类型和土层深度等有着密切关系。针对不同类型的土体，土体剪切波速与埋深之间存在特性的函数关系，在一定程度上可以用来预测土体的剪切波速，在场地地震安全性评价方面具有一定的应用价值［6～10］。然而，这些研究较多为东部沿海城市土层剪切波速的统计回归分析，尚缺少针对典型河谷型城市场地剪切波速分布的特征分析。本文选取了西北地区典型的河谷型城市——甘肃省天水市，对其场地土层剪切波速空间分布特征和变化规律开展研究，对于认识西部黄土地区剪切波速的分布特征和河谷型城市的波速特征具有一定的理论意义，对于进一步推动西部城市地震小区划工作也具有一定的应用价值。

1 研究区工程地质环境

天水市在大地构造上处于西秦岭地槽和秦祁中间隆起带范围之内，外围发育一系列走向NW、NWW的断裂和褶皱，区内新构造运动强烈频繁，主要表现在两个方面，一是频繁的升降运动形成河流的多级阶地，二是发育走向NWW的东泉断裂，该断裂属活动性断裂，第四纪以来一直在活动。在地貌上则属于陇中黄土高原南缘梁峁区，其市区位于秦岭北缘深大断裂带内，北侧为凤凰山断裂，南侧为东泉断裂，中央是籍河、渭河断陷谷地。谷地的形成是新构造运动的产物，主要断裂自第三纪以来都有不同程度的活动，并控制着天水市区的地质、地貌环境。区内以差异升降与间歇性运动为主，现今仍继承着这样的运动，形成了南北隆起并中间凹陷的现代河谷地貌景观。

市区沿河谷地带呈带状展布，具有显著的河谷地形地貌特征，整体显示河谷宽度相对较窄，河谷两侧山体坡度较大，河漫滩及阶地地形多为洪积扇体所掩盖，阶梯阶地地形不显著。整体呈现出河谷、河漫滩宽度狭窄，洪积扇分布较广的地形地貌特征。从地质剖面图的地层变化可以看出，由于受洪积扇堆积与洪水堆积作用的共同影响，河漫滩后缘与洪积扇前缘交接的区域，地层变化较多复杂，存在多种地层交互叠加的形式相互覆盖，形成夹层的存在。从沿河谷纵向分布的不同地质剖面图可以看出，沿河谷纵向地层变化不大，通常为自下而上存在基岩层、卵砾石层和土层，基岩层多以泥岩、砾岩和砂岩存在，卵砾石层多以砾石层、卵石层存在，土层多以粉土、粉质粘土、黄土和少量人工填土存在(图1)。

图1 籍河河谷(a)和渭河河谷(b)典型地质剖面图Fig.1 Typical geological section of the Ji river valley(a)and the Wei river valley(b)

2 剪切波速测试仪器及原理

波速测试仪器选用河北省廊坊开发区大地工程检测技术开发有限公司生产的XG—I悬挂式波速测井仪，仪器主要技术指标如下:通道数:1～3道可选；采样间隔:0.02～4ms；采样点数:512～4096；各道时间一致性:≤0.1ms；各道振幅一致性:＜3%；频率范围:5～1000Hz；延时:0～8000ms可选；前放增益:18～60dB(8～1000倍)；A/D转换精度:14位；输入阻抗:≤10kΩ；触发方式:脉冲、通断。

剪切波波速测试时，将悬挂式探头(即振源和检波器)放入孔中，用孔中的泥浆液作为震源和检波器与井壁耦合介质。震源为水平激振(垂直井壁)激发产生压缩波、剪切波，剪切波沿井壁地层传播，由2个相距1m的检波器接收沿井壁传播的剪切波振动信号并把剪切波的振动信号转换成电信号，通过电缆由主机记录显示存储(图2)。主机对信号进行数据处理后采用两道互相关分析方法，自动计算剪切波波在两道检波器间传播的时间差，从而计算出两道间的剪切波传播速度。测试顺序自下而上逐点进行，测点深度间隔1.0m。

另外，由于受测试仪器振源至检波器间的数据线长度所限，5m以上的测试点间距为0.5m，即5～1m的波速值取为 5、4.5、4、3.5、3m 的波速值，为避免该段测试数据的干扰，文中没有分析5m以上的数据。

图2 剪切波波速测试原理示意图Fig.2 Schematic diagram of the shear wave velocity test

3 土层剪切波速统计分析

选取了天水市地震小区划中主要场地土层的剪切波速进行统计分析，包括粉土、粉质粘土、圆砾、卵石、泥岩、砾岩和砂岩，共计39个钻孔剪切波速的测试结果、1294组不同场地土层的剪切波速数据，其数值分布统计结果见表1。

表1 不同土层剪切波速的统计结果Table 1 Statistics of Vs of several soils

3.1 不同岩土体剪切波速的统计特征

从表1中可以看出，不同土层的剪切波速量值均存在较大的变化区间，其中以泥岩、砾岩、圆砾和卵石的变化区间为大，区间差值700～900m/s不等；粉土和粉质粘土的变化区间显小，区间差值近达500m/s。对于这种较大的剪切波速量值差异，粉土、粉质粘土、圆砾和卵石层主要是由于埋深引起的致密程度不同而引起，而泥岩、砾岩和砂岩则主要是随埋深不同引起的风化程度不同所致。这表明，对于河谷型场地土层，不同土层的埋深均存在较大的变化范围，表层基岩风化程度严重；不同土层的剪切波速均值具有与岩性一致的规律性，即随着岩体的强度增大，剪切波速均值也逐渐增大，由大到小依次为砂岩、砾岩、泥岩、卵石、圆砾、粉质粘土和粉土。

表1中的剪切波速区间差值表明，各类土层的剪切波速量值均存在较大区间差值的变化区间。为进一步揭示不同土体剪切波速的区间分布规律，对不同土层剪切波速的区间分布频次进行了统计分析，结果显示，该场地不同土层的剪切波速分布的峰值区间和优势区间的剪切波速值均很好地反映了该土层的剪切波速特征，土层性状与其所对应的剪切波速值较为一致。图3显示，粉土、圆砾等松散堆积岩土体剪切波速有明显的优势区间，其波速变化主要受不同深度岩土堆积体密度所影响；而砾岩的剪切波速存在宽域的优势区间，其波速变化主要受不同深度岩体风化程度所影响。

3.2 剪切波速的深度变化规律

大量研究表明［7～9］，岩土体剪切波速随深度变化具有较为显著的相关性，且它们之间的变化关系可拟合为如下3种函数，即，线性函数、多项式函数、幂函数。本文利用Excel软件绘制散点图，通过添加趋势线拟合出回归曲线，给出了拟合系数和拟合优度(图4)。结果显示，总体而言，各类岩土体剪切波速随土层埋深的增加呈增大的趋势，然而，剪切波速与深度的相关性随岩土体种类不同而差异较大。其中，粉土、粉质粘土、圆砾和卵石的剪切波速与土层埋深具有很好的相关性，均可以采用线性函数拟合其变化关系(图4a、b、c、d)；而泥岩、砂岩和砾岩的剪切波速与土层深度之间则呈现较大的离散性(图4e、f、g)，一方面，相同埋深的同一种岩土体剪切波速差值达600m/s，另一方面，相等剪切波速的同一岩土体埋深差值达60m。由此，依据剪切波速与土层埋深的相关性大小差异，岩土体可以归类为2类，一类为相关性较好的粉土、粉质粘土、圆砾和卵石，一类为相关性较差的泥岩、砂岩和砾岩。可以看出，第一类岩土体均可以看成松散粒状物的堆积体，堆积体的密实程度由土层埋深决定且随土层埋深的增加而增加，而影响剪切波速大小的最直接因素即为传播介质的密实程度，因此，对于松散堆积岩土体，剪切波速与埋深必然存在很好的相关性。第二类岩土体均是具有较高密实度的成岩体，其密实度基本不随岩土体的埋深变化而变化，即，对于一定深度变化范围内的成岩体而讲，其岩性基本一致。由此，对于第二类岩体，它们的剪切波速变化与深度也必然不具有相关性，而影响其大小的主要因素是岩体的裂隙发育程度和风化侵蚀程度。

图3 典型剪切波速量值分布直方图Fig.3 Typical histogram of Vs for several soils

图4 不同岩土体剪切波速与深度的散点图Fig.4 Shear wave velocity and depth of different soils

3.3 等效剪切波速的场地分布特征

根据《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)第4.1.4、第4.1.5和表4.1.6中规定，结合不同地貌单元的钻探及钻孔波速测试情况，计算钻孔的等效剪切波速，确定覆盖层厚度，判定了场地土类型和场地类别(表2)。从表2可以看出，对于不同的地貌单元，等效剪切波速呈现出不同的剪切波速特征。其中，等效剪切波速的变化范围以洪积扇前缘和高漫滩结合部位为大，高漫滩为小，这是由不同地貌单元结合部位较为复杂的地层变化而引起。滑坡体前部、三级阶地、洪积扇中部、高漫滩和洪积扇与高漫滩结合部位的等效剪切波速相对较大，场地条件相对较好，但在洪积扇体上存在分布不均的软弱土。天水市河谷场地广泛分布为Ⅱ类和Ⅲ类场地，通过统计分析Ⅱ类和Ⅲ类场地的等效剪切波速和覆盖层厚度关系，可以看出，Ⅱ类场地的等效剪切波速普遍大于Ⅲ类场地的等效剪切波速，而Ⅱ类场地的覆盖层厚度则普遍小于Ⅲ类场地的覆盖层厚度，其中，Ⅱ类场地等效剪切波速变化范围为152～319m/s，Ⅲ类场地等效剪切波速变化范围为122～228m/s，Ⅱ类场地覆盖层厚度变化范围为15～36m，Ⅲ类场地覆盖层厚度变化范围为36～54m。

表2 等效剪切波速数据分布Table 2 Distribution of equivalent shear wave velocity

4 结论

(1)典型河谷型城市的主要地层分布包括粉土、粉质粘土、圆砾、卵石、泥岩、砾岩和砂岩。不同土层的剪切波速均具有随深度变化或风化程度差异而引起的较大变化区间，其中以泥岩、砾岩、圆砾和卵石的变化区间为大，区间差值达677～982m/s不等；粉土和粉质粘土的变化区间显小，区间差值近达500m/s。

(2)总体来看，各类岩土体剪切波速均随深度的增加而变大。其中，粉土、粉质粘土、卵石和圆砾等松散堆积岩土体的剪切波速与深度具有很好的相关性和拟合函数，而泥岩、砂岩和砾岩等成岩体的剪切波速与深度相关性较差，其剪切波速大小主要受岩体的裂隙发育和风化程度影响。

(3)典型河谷型城市的地貌单元主要包括河漫滩、洪积扇和阶地地形，场地类型以Ⅱ类和Ⅲ类场地为主。不同地貌单元具有不同的等效剪切波速分布规律，等效剪切波速的变化范围以洪积扇前缘和高漫滩结合部位为大，高漫滩为小，而滑坡体前部、三级阶地、洪积扇中部、高漫滩和洪积扇与高漫滩结合部位的等效剪切波速相对较大。

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