荆州市区覆盖层厚度及场地类别判定因素分析

左其平，李 伟，黄 丽

(湖北省地质局武汉水文地质工程地质大队，湖北武汉 430051)

建筑场地类别反映不同场地条件对基岩地震震动的综合放大效应。建筑设计前应确定场地类别并进行相应的抗震设计，场地类别不同直接影响工程投资总额。建筑场地类别是根据覆盖层厚度和土层等效剪切波速来确定的，因此，在岩土工程勘察中应确定场地覆盖层厚度。

按《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)，场地覆盖层厚度的概念是建立在剪切波速概念之上的，它的含义实质上是从地面算起至坚硬土层顶面(如岩石)的覆盖土层总厚度，覆盖层厚度越小，即从地面到达坚硬土的距离越近，说明场地土质越硬，震害的影响越小。建筑场地覆盖层厚度的确定［1］主要应符合下列要求:一般情况下，应按地面至剪切波速＞500 m/s的土层顶面的距离确定;当地面5 m以下存在剪切波速大于相邻上层土剪切波速2．5倍的土层，且其下卧岩土的剪切波速均≥400 m/s时，可按地面至该土层的距离确定;剪切波速＞500 m/s的孤石、透镜体，应视同周围土层;土层中的火山岩硬夹层，应视为刚体，其厚度应从覆盖土层中扣除。

荆州市区上部为第四系全新统冲积粘性土和砂土，中部以卵砾石为主，下伏新近系泥岩、砂岩和砂砾岩互层，固结度差，特别是砂岩和砂砾岩多呈松散或半固结状态，均为软质岩石。卵砾石和基岩的埋深与实测剪切波速共同控制建筑场地覆盖层厚度及建筑场地类别。

1 荆州市区地层分布特征及覆盖层厚度确定

1．1 地层总体分布特征

根据荆州市区域地质资料和工民建勘探成果，在荆州区中东部及沙市区长江一级阶地表层10～30 m为全新统早期粘性土和砂土，中部为上更新统—全新统堆积的近100 m的深厚卵砾石;在荆州区西北部长江二级阶地表层5～20 m为全新统早期粘性土和砂土，中部为上更新统—全新统堆积的近20 m的卵砾石;下伏地层均为新近系—古近系内陆湖相堆积的泥岩、砂岩、砂砾岩互层［2］。

荆州市区的地层结构表明，影响覆盖层厚度确定的主要地层为卵石层和下伏基岩。在卵石层的上部多夹圆砾和细砂，卵石的密实度差异也较大，这两个因素共同影响卵石的剪切波速实测值，若未见到稳定的中密以上的卵石层，其剪切波速难以判断＞500 m/s，场地的覆盖层厚度就难以确定。同时，下伏新近系—古近系泥岩、砂岩和砂砾岩的固结度差，特别是砂岩和砂砾岩多呈松散和半固结状态，岩层的剪切波速实测值部分＜500 m/s;由于同类岩层的厚度很大，当岩层的剪切波速实测＜500 m/s时，按《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)的理解，此类岩层是否能确定其为稳定基岩(坚硬土)进而确定覆盖层厚度是需要探讨的问题。

随着荆州市城市建设的高速发展，新建的大型建(构)筑物日益增多，由于覆盖层厚度问题没有得到较好地解决，关于抗震勘察中钻孔深度和剪切波速测试孔深度如何确定的问题较为突出，严重影响项目勘察费用。为解决这些问题，结合荆州市部分项目实测剪切波速资料，对不同地层覆盖层厚度问题进行分析。

1．2 深厚卵石区代表性地层及其实测剪切波速

在荆州市深厚卵石区除去上覆第四系全新统地层外，中部上更新统卵砾石层的代表性沉积规律为圆砾—卵石—细砂—卵石，以沙市区徐桥村六号路东侧“荆州市徐桥安置点还建房”和张沟路与板桥路交汇处西南侧“荆州沙北新区张沟安置点还建房”项目［3］为例，各土层和卵砾石的超重型圆锥动力触探N120值统计、密实度判断及实测剪切波速如表1和表2。

通过上表数据可以发现，圆砾层多呈稍密状，其实测剪切波速多＜500 m/s;上部卵石层一般中密状多＞500 m/s、稍密状以下＜500 m/s;卵砾石中的细砂夹层剪切波速均＜500 m/s。按《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)的要求，一般情况下，上述两个场地覆盖层厚度应确定为穿过细砂层后中密以上稳定的卵石层顶面，即覆盖层厚度为27．5～29．5 m。

表1 “荆州市徐桥安置点还建房”土层分布与实测剪切波速Table 1 Soil distribution and measured shear wave velocity of buildings in Xuqiao setting place

表2 “荆州沙北新区张沟安置点还建房”土层分布与实测剪切波速Table 2 Soil distribution and measured shear wave velocity of buildings in Zhanggou setting place

《1∶20万水文地质图说明书(沙市幅)》表明，该区域卵石层厚达100 m，下伏新近系—古近系内陆湖相堆积的泥岩、砂岩、砂砾岩互层;由于下伏岩层为松散—半固结状态，其实测剪切波速部分＜500 m/s。这样，即使上覆厚达百米的卵石为坚硬土，下伏基岩为中硬土，如果以稳定中密的卵石层顶面作为覆盖层厚度的判定标准，与《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)要求下部岩土层的剪切波速均应＞500 m/s有一定偏差;如果把厚层卵石视为刚体从覆盖层厚度中扣除，其结果亦不合常理。在工程实际中，深厚卵石区一般的工民建勘察不会揭穿卵石层进入下部基岩，测试基岩剪切波速很难实现。由于对建筑物破坏作用最大的地震波主要是中—短周期的地震波，而深层介质对中—短周期地震波的影响并不很显著;从安全角度分析，高耸结构对地震峰值加速度较敏感，所以可以把场地覆盖层厚度增大一点。因此，笔者认为，在深厚卵石区一般工民建筑物的工程勘察时，覆盖层厚度可按“稳定中密的卵石层顶面”确定;对高耸建筑物等地基变形敏感或特别重要的建设工程，应采用时程分析法进行补充计算。

在荆州市深厚卵石区卵砾石层中除具代表性沉积规律的圆砾—卵石—细砂—卵石层外，其它地段为缺失“圆砾—卵石—细砂”中的一个或两个土层，覆盖层厚度可按同类标准判定。以沙市区北京中路与便河西路交汇处“荆州人信汇”项目［4］为例，其土层和卵砾石的超重型圆锥动力触探N120值统计、密实度判断及实测剪切波速如表3。

表3 “荆州人信汇”土层分布与实测剪切波速Table 3 Soil distribution and measured shear wave velocity of Renxinhui in Jingzhou

根据上表确定，场地覆盖层以第(9)层卵石顶面为界线，厚度在26．0 ～27．2 m。

1．3 荆州西北部地区代表性地层及其实测剪切波速

在荆州区西北部长江二级阶地场地基岩埋深较浅，覆盖层厚度由卵砾石与下伏岩层共同确定。以位于荆州太湖港农场的农高大道跨越引江济汉渠的“华中农高区农高大桥”项目［5］场地为例，下伏新近系泥岩和砂岩顶板埋深在28．3～52．5 m，且钻探表明该地段新近系岩层固结度差异较大，大部分固结度较差(呈半岩土状)，部分固结度极差(呈密实砂土状)，部分固结度较好(呈岩石状)，其代表性地层分布和及实测剪切波速如表4。

表4 “华中农高区农高大桥”土层分布与实测剪切波速Table 4 Soil distribution and measured shear wave velocity of Nonggao bridge

上述结果表明，第(7)层卵石的剪切波速实测值已＞500 m/s，在K25孔场地覆盖层可明确以第(7)层卵石顶面为界线，厚度为17．2 m。而在K10和K16孔第(7)层卵石下部夹有6．5～15．4 m厚实测剪切波速值＜400 m/s的粉细砂，这段下卧层应明确为覆盖层;因此K16孔的场地覆盖层可明确以第(10)层卵石土顶面为界线，并扣除第(7)层卵石作为刚体的厚度，其覆盖层为38．6 m。在K10孔由于下伏第(12)粉砂岩(半成岩)固结度极差，呈密实砂土状，其实测剪切波速值介于400～500 m/s之间，该层是否判定为覆盖层在《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)未明确界定;笔者认为，对于一般的工民建筑物的建设工程，第(12)粉砂岩(半成岩)可视为岩层，覆盖层厚度可按第(11)层泥质粉砂岩(半成岩)顶面为界线，扣除第(7)层卵石作为刚体的厚度，其覆盖层为27．5 m;对高耸建筑物等地基变形敏感或特别重要的建设工程，覆盖层厚度应按第(14)层泥质粉砂岩(半成岩)顶面为界线，扣除第(7)层卵石和第(11)层泥质粉砂岩(半成岩)作为刚体的厚度，其覆盖层为44．3 m;必要时采用时程分析法进行补充计算。

2 荆州市区建筑场地类别及勘探孔深度确定

2．1 建筑场地类别确定

建筑场地类别是反映不同场地条件对基岩地震震动的综合放大效应。根据《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)，场地类别划分应以土层等效剪切波速和覆盖层厚度共同确定，共划分为Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类等四个类别(其中Ⅰ类可分为Ⅰ0、Ⅰ1两个亚类)。土层等效剪切波速计算公式如下:

式中:υse为土层等效剪切波速(m/s);d0为计算深度(m)，取覆盖层厚度和20 m二者的较小值;t为剪切波在地面至计算深度之间的传播时间;di为计算深度范围内第i土层的厚度(m);υsi为计算深度范围内第i土层的剪切波速(m/s);n为计算深度范围内土层的分层数。

通过对表1-表4中四个项目共9个波速测试孔20 m深度或覆盖层厚度范围内土层的等效剪切波速进行计算，其结果见表5。

表5 覆盖层厚度及建筑场地类别统计Table 5 Statistics of overburden thickness and construction site classification

根据表5统计结果，结合本单位在荆州市区多个不同场地项目的勘察资料，该区覆盖层厚度在15～50 m之间，其20 m深度或覆盖层厚度范围内土层的等效剪切波速值在160～280 m/s，建筑场地类别均可定为Ⅱ类。

2．2 勘探孔的确定

一般来说，工民建筑物的工程勘察时，勘探孔深度应满足地基基础设计的要求，控制线钻孔同时应满足实测剪切波速判定场地覆盖层厚度的要求。

在荆州区中东部及沙市区长江一级阶地，由于卵砾石层深厚，一般工程建(构)筑物基础设计均以卵石作桩基持力层。通过上文分析，该区域卵砾石表层分布不稳定，局部夹细砂层，桩基持力层应以稳定的卵石层为准，避开细砂形成的软弱下卧层的影响;按控制性勘探点的深度应深入预计桩尖平面以下5～10 m或6～10 d计算，控制线勘探孔深度应在35～40 m;在此勘探孔深度范围内，已进入了稳定中密的卵石层，其剪切波速＞500 m/s，也满足实测剪切波速判定场地覆盖层厚度的要求。因此，该区域勘探孔深度没有必要穿越卵砾石层而揭露下伏基岩。

在荆州区西北部长江二级阶地，一般场地基岩埋深相对较浅，卵石层下的粉细砂夹层较厚。对于一般多层或小高层建筑物来说，中密—密实的粉细砂不构成软弱下卧层;但对高层或超高层等对地基变形敏感或特别重要的建筑物来说，由于荷载大、变形要求严格，夹层中粉细砂应作为软弱下卧层计算。因此，对于一般建筑物的控制性勘探孔深度宜进入卵石层以下5～10 m，孔深30左右;对于高层等地基变形敏感的建筑物勘探孔深度应揭穿粉细砂夹层进入下伏基岩，孔深在50 m附近。在此深度范围内，实测土层的剪切波速亦可满足判定覆盖层厚度的要求。

3 结语

在建筑抗震设计中，覆盖层厚度是建立在剪切波速概念的基础上，由于荆州市区卵石层内存在剪切波速＜500 m/s的粉细砂夹层，夹层之上的剪切波速＞500 m/s的卵石层是视为周围的土层，还是视为刚体，规范并未给予明确的解释;荆州市区卵石层下伏新近系基岩的固结度较差，部分岩石的实测剪切波速＜500 m/s，其上覆深厚的卵石是否可视为坚硬土而控制覆盖层厚度的判定，规范对此类问题亦未给予解释。这些问题需要在后期的工程实践中摸索、探讨。

不同场地实测剪切波速资料表明，荆州市区中密的卵石层剪切波速＞500 m/s，在覆盖层厚度判定时，可以稳定中密的卵石层顶面作为标准。因此，在勘探孔深度确定时，应以满足地基基础设计为标准，不需要为确定覆盖层厚度而加深勘探孔。

荆州市区20 m深度或覆盖层厚度范围内土层的等效剪切波速一般在150～250 m/s，局部地段＞250 m/s;一般情况下，荆州市区覆盖层厚度在15～50 m之间;因此，建筑场地类别均为Ⅱ类。

［1］ 中华人民共和国住房和城乡建设部．建筑抗震设计规范:GB50011—2010［S］．北京:中国建筑工业出版社，2010．

［2］ 湖北省第一水文地质大队．H-49-XY11水文地质图说明书(1∶20万，沙市幅)［R］．荆州:湖北省水文地质工程地质大队，1973．

［3］ 李伟，李代发，陈崇伟，等．荆州沙北新区张沟安置点还建房工程勘察报告等［R］．武汉:武汉地质工程勘察院，2013．

［4］ 方山耀，陈崇伟，李代发，等．荆州人信汇工程勘察报告［R］．武汉:武汉地质工程勘察院，2011．

［5］ 左其平，张进，樊永生，等．华中农高区农高大桥工程勘察报告［R］．武汉:湖北省地质局武汉水文地质工程地质大队，2014．