王 強，吳志堅， 王 平

（1.甘肅省地震局，中國地震局黃土地震工程重點實驗室，甘肅 蘭州 730000；2.西安理工大學(xué)，陜西 西安 710048；3.中國地震局蘭州地震研究所，甘肅 蘭州 730000；4.甘肅省巖土防災(zāi)工程技術(shù)研究中心，甘肅 蘭州 730000）

河谷型城市在我國具有很強的典型性和區(qū)域性，尤其以西北地區(qū)的河谷型城市具有代表性。西北地區(qū)地處我國三大地勢階梯中的第二級，河流自西向東穿過高原流向盆地，形成了眾多典型的河谷型城市，如蘭州、西寧、天水、寶雞、平?jīng)龅瘸鞘?，其市區(qū)大都沿河谷呈長條形展布，且所處地貌單元均以一、二級階地為主［1～2］。區(qū)域性的河谷型城市具有大致相同的形成過程、地形地貌特征和地層分布情況。因此，場地剪切波速(Vs)的空間分布特征也應(yīng)該具有相似的規(guī)律性。場地剪切波速是反映土體在地震作用下動力反應(yīng)的一個重要物理量，在巖土地震工程中具有重要的應(yīng)用價值，如用于劃分場地土類型和場地類別，判定飽和砂土或粉土的液化性，計算土體剪切模量、地基剛度和阻尼比等參數(shù)［3～5］。剪切波速反映了在土體中的傳播速度大小，與土層分布條件、土體類型和土層深度等有著密切關(guān)系。針對不同類型的土體，土體剪切波速與埋深之間存在特性的函數(shù)關(guān)系，在一定程度上可以用來預(yù)測土體的剪切波速，在場地地震安全性評價方面具有一定的應(yīng)用價值［6～10］。然而，這些研究較多為東部沿海城市土層剪切波速的統(tǒng)計回歸分析，尚缺少針對典型河谷型城市場地剪切波速分布的特征分析。本文選取了西北地區(qū)典型的河谷型城市——甘肅省天水市，對其場地土層剪切波速空間分布特征和變化規(guī)律開展研究，對于認(rèn)識西部黃土地區(qū)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論意義，對于進(jìn)一步推動西部城市地震小區(qū)劃工作也具有一定的應(yīng)用價值。

1 研究區(qū)工程地質(zhì)環(huán)境

天水市在大地構(gòu)造上處于西秦嶺地槽和秦祁中間隆起帶范圍之內(nèi)，外圍發(fā)育一系列走向NW、NWW的斷裂和褶皺，區(qū)內(nèi)新構(gòu)造運動強烈頻繁，主要表現(xiàn)在兩個方面，一是頻繁的升降運動形成河流的多級階地，二是發(fā)育走向NWW的東泉斷裂，該斷裂屬活動性斷裂，第四紀(jì)以來一直在活動。在地貌上則屬于隴中黃土高原南緣梁峁區(qū)，其市區(qū)位于秦嶺北緣深大斷裂帶內(nèi)，北側(cè)為鳳凰山斷裂，南側(cè)為東泉斷裂，中央是籍河、渭河斷陷谷地。谷地的形成是新構(gòu)造運動的產(chǎn)物，主要斷裂自第三紀(jì)以來都有不同程度的活動，并控制著天水市區(qū)的地質(zhì)、地貌環(huán)境。區(qū)內(nèi)以差異升降與間歇性運動為主，現(xiàn)今仍繼承著這樣的運動，形成了南北隆起并中間凹陷的現(xiàn)代河谷地貌景觀。

市區(qū)沿河谷地帶呈帶狀展布，具有顯著的河谷地形地貌特征，整體顯示河谷寬度相對較窄，河谷兩側(cè)山體坡度較大，河漫灘及階地地形多為洪積扇體所掩蓋，階梯階地地形不顯著。整體呈現(xiàn)出河谷、河漫灘寬度狹窄，洪積扇分布較廣的地形地貌特征。從地質(zhì)剖面圖的地層變化可以看出，由于受洪積扇堆積與洪水堆積作用的共同影響，河漫灘后緣與洪積扇前緣交接的區(qū)域，地層變化較多復(fù)雜，存在多種地層交互疊加的形式相互覆蓋，形成夾層的存在。從沿河谷縱向分布的不同地質(zhì)剖面圖可以看出，沿河谷縱向地層變化不大，通常為自下而上存在基巖層、卵礫石層和土層，基巖層多以泥巖、礫巖和砂巖存在，卵礫石層多以礫石層、卵石層存在，土層多以粉土、粉質(zhì)粘土、黃土和少量人工填土存在(圖1)。

圖1 籍河河谷(a)和渭河河谷(b)典型地質(zhì)剖面圖Fig.1 Typical geological section of the Ji river valley(a)and the Wei river valley(b)

2 剪切波速測試儀器及原理

波速測試儀器選用河北省廊坊開發(fā)區(qū)大地工程檢測技術(shù)開發(fā)有限公司生產(chǎn)的XG—I懸掛式波速測井儀，儀器主要技術(shù)指標(biāo)如下:通道數(shù):1～3道可選；采樣間隔:0.02～4ms；采樣點數(shù):512～4096；各道時間一致性:≤0.1ms；各道振幅一致性:＜3%；頻率范圍:5～1000Hz；延時:0～8000ms可選；前放增益:18～60dB(8～1000倍)；A/D轉(zhuǎn)換精度:14位；輸入阻抗:≤10kΩ；觸發(fā)方式:脈沖、通斷。

剪切波波速測試時，將懸掛式探頭(即振源和檢波器)放入孔中，用孔中的泥漿液作為震源和檢波器與井壁耦合介質(zhì)。震源為水平激振(垂直井壁)激發(fā)產(chǎn)生壓縮波、剪切波，剪切波沿井壁地層傳播，由2個相距1m的檢波器接收沿井壁傳播的剪切波振動信號并把剪切波的振動信號轉(zhuǎn)換成電信號，通過電纜由主機(jī)記錄顯示存儲(圖2)。主機(jī)對信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后采用兩道互相關(guān)分析方法，自動計算剪切波波在兩道檢波器間傳播的時間差，從而計算出兩道間的剪切波傳播速度。測試順序自下而上逐點進(jìn)行，測點深度間隔1.0m。

另外，由于受測試儀器振源至檢波器間的數(shù)據(jù)線長度所限，5m以上的測試點間距為0.5m，即5～1m的波速值取為 5、4.5、4、3.5、3m 的波速值，為避免該段測試數(shù)據(jù)的干擾，文中沒有分析5m以上的數(shù)據(jù)。

圖2 剪切波波速測試原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of the shear wave velocity test

3 土層剪切波速統(tǒng)計分析

選取了天水市地震小區(qū)劃中主要場地土層的剪切波速進(jìn)行統(tǒng)計分析，包括粉土、粉質(zhì)粘土、圓礫、卵石、泥巖、礫巖和砂巖，共計39個鉆孔剪切波速的測試結(jié)果、1294組不同場地土層的剪切波速數(shù)據(jù)，其數(shù)值分布統(tǒng)計結(jié)果見表1。

表1 不同土層剪切波速的統(tǒng)計結(jié)果Table 1 Statistics of Vs of several soils

3.1 不同巖土體剪切波速的統(tǒng)計特征

從表1中可以看出，不同土層的剪切波速量值均存在較大的變化區(qū)間，其中以泥巖、礫巖、圓礫和卵石的變化區(qū)間為大，區(qū)間差值700～900m/s不等；粉土和粉質(zhì)粘土的變化區(qū)間顯小，區(qū)間差值近達(dá)500m/s。對于這種較大的剪切波速量值差異，粉土、粉質(zhì)粘土、圓礫和卵石層主要是由于埋深引起的致密程度不同而引起，而泥巖、礫巖和砂巖則主要是隨埋深不同引起的風(fēng)化程度不同所致。這表明，對于河谷型場地土層，不同土層的埋深均存在較大的變化范圍，表層基巖風(fēng)化程度嚴(yán)重；不同土層的剪切波速均值具有與巖性一致的規(guī)律性，即隨著巖體的強度增大，剪切波速均值也逐漸增大，由大到小依次為砂巖、礫巖、泥巖、卵石、圓礫、粉質(zhì)粘土和粉土。

表1中的剪切波速區(qū)間差值表明，各類土層的剪切波速量值均存在較大區(qū)間差值的變化區(qū)間。為進(jìn)一步揭示不同土體剪切波速的區(qū)間分布規(guī)律，對不同土層剪切波速的區(qū)間分布頻次進(jìn)行了統(tǒng)計分析，結(jié)果顯示，該場地不同土層的剪切波速分布的峰值區(qū)間和優(yōu)勢區(qū)間的剪切波速值均很好地反映了該土層的剪切波速特征，土層性狀與其所對應(yīng)的剪切波速值較為一致。圖3顯示，粉土、圓礫等松散堆積巖土體剪切波速有明顯的優(yōu)勢區(qū)間，其波速變化主要受不同深度巖土堆積體密度所影響；而礫巖的剪切波速存在寬域的優(yōu)勢區(qū)間，其波速變化主要受不同深度巖體風(fēng)化程度所影響。

3.2 剪切波速的深度變化規(guī)律

大量研究表明［7～9］，巖土體剪切波速隨深度變化具有較為顯著的相關(guān)性，且它們之間的變化關(guān)系可擬合為如下3種函數(shù)，即，線性函數(shù)、多項式函數(shù)、冪函數(shù)。本文利用Excel軟件繪制散點圖，通過添加趨勢線擬合出回歸曲線，給出了擬合系數(shù)和擬合優(yōu)度(圖4)。結(jié)果顯示，總體而言，各類巖土體剪切波速隨土層埋深的增加呈增大的趨勢，然而，剪切波速與深度的相關(guān)性隨巖土體種類不同而差異較大。其中，粉土、粉質(zhì)粘土、圓礫和卵石的剪切波速與土層埋深具有很好的相關(guān)性，均可以采用線性函數(shù)擬合其變化關(guān)系(圖4a、b、c、d)；而泥巖、砂巖和礫巖的剪切波速與土層深度之間則呈現(xiàn)較大的離散性(圖4e、f、g)，一方面，相同埋深的同一種巖土體剪切波速差值達(dá)600m/s，另一方面，相等剪切波速的同一巖土體埋深差值達(dá)60m。由此，依據(jù)剪切波速與土層埋深的相關(guān)性大小差異，巖土體可以歸類為2類，一類為相關(guān)性較好的粉土、粉質(zhì)粘土、圓礫和卵石，一類為相關(guān)性較差的泥巖、砂巖和礫巖?？梢钥闯?，第一類巖土體均可以看成松散粒狀物的堆積體，堆積體的密實程度由土層埋深決定且隨土層埋深的增加而增加，而影響剪切波速大小的最直接因素即為傳播介質(zhì)的密實程度，因此，對于松散堆積巖土體，剪切波速與埋深必然存在很好的相關(guān)性。第二類巖土體均是具有較高密實度的成巖體，其密實度基本不隨巖土體的埋深變化而變化，即，對于一定深度變化范圍內(nèi)的成巖體而講，其巖性基本一致。由此，對于第二類巖體，它們的剪切波速變化與深度也必然不具有相關(guān)性，而影響其大小的主要因素是巖體的裂隙發(fā)育程度和風(fēng)化侵蝕程度。

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

圖4 不同巖土體剪切波速與深度的散點圖Fig.4 Shear wave velocity and depth of different soils

3.3 等效剪切波速的場地分布特征

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011—2010)第4.1.4、第4.1.5和表4.1.6中規(guī)定，結(jié)合不同地貌單元的鉆探及鉆孔波速測試情況，計算鉆孔的等效剪切波速，確定覆蓋層厚度，判定了場地土類型和場地類別(表2)。從表2可以看出，對于不同的地貌單元，等效剪切波速呈現(xiàn)出不同的剪切波速特征。其中，等效剪切波速的變化范圍以洪積扇前緣和高漫灘結(jié)合部位為大，高漫灘為小，這是由不同地貌單元結(jié)合部位較為復(fù)雜的地層變化而引起。滑坡體前部、三級階地、洪積扇中部、高漫灘和洪積扇與高漫灘結(jié)合部位的等效剪切波速相對較大，場地條件相對較好，但在洪積扇體上存在分布不均的軟弱土。天水市河谷場地廣泛分布為Ⅱ類和Ⅲ類場地，通過統(tǒng)計分析Ⅱ類和Ⅲ類場地的等效剪切波速和覆蓋層厚度關(guān)系，可以看出，Ⅱ類場地的等效剪切波速普遍大于Ⅲ類場地的等效剪切波速，而Ⅱ類場地的覆蓋層厚度則普遍小于Ⅲ類場地的覆蓋層厚度，其中，Ⅱ類場地等效剪切波速變化范圍為152～319m/s，Ⅲ類場地等效剪切波速變化范圍為122～228m/s，Ⅱ類場地覆蓋層厚度變化范圍為15～36m，Ⅲ類場地覆蓋層厚度變化范圍為36～54m。

表2 等效剪切波速數(shù)據(jù)分布Table 2 Distribution of equivalent shear wave velocity

4 結(jié)論

(1)典型河谷型城市的主要地層分布包括粉土、粉質(zhì)粘土、圓礫、卵石、泥巖、礫巖和砂巖。不同土層的剪切波速均具有隨深度變化或風(fēng)化程度差異而引起的較大變化區(qū)間，其中以泥巖、礫巖、圓礫和卵石的變化區(qū)間為大，區(qū)間差值達(dá)677～982m/s不等；粉土和粉質(zhì)粘土的變化區(qū)間顯小，區(qū)間差值近達(dá)500m/s。

(2)總體來看，各類巖土體剪切波速均隨深度的增加而變大。其中，粉土、粉質(zhì)粘土、卵石和圓礫等松散堆積巖土體的剪切波速與深度具有很好的相關(guān)性和擬合函數(shù)，而泥巖、砂巖和礫巖等成巖體的剪切波速與深度相關(guān)性較差，其剪切波速大小主要受巖體的裂隙發(fā)育和風(fēng)化程度影響。

(3)典型河谷型城市的地貌單元主要包括河漫灘、洪積扇和階地地形，場地類型以Ⅱ類和Ⅲ類場地為主。不同地貌單元具有不同的等效剪切波速分布規(guī)律，等效剪切波速的變化范圍以洪積扇前緣和高漫灘結(jié)合部位為大，高漫灘為小，而滑坡體前部、三級階地、洪積扇中部、高漫灘和洪積扇與高漫灘結(jié)合部位的等效剪切波速相對較大。

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