霍魁 曾金艷 丁學文

(山西省地震局， 太原 030006)

運城市城區(qū)土層剪切波速與埋深關(guān)系分析

霍魁 曾金艷 丁學文

(山西省地震局， 太原 030006)

根據(jù)運城市城區(qū)地震小區(qū)化建設(shè)項目中72個土層的剪切波速測試資料，采用冪函數(shù)模型對粉土、粉砂、粉黏土、細砂的土層剪切波速與埋深進行加權(quán)回歸分析，得到不同土類的模型參數(shù)及擬合優(yōu)度指標。將土層剪切波速預測值與實測值進行對比，驗證了回歸關(guān)系式的合理性和適用性。土層剪切波速與埋深呈較好的冪函數(shù)關(guān)系，擬合優(yōu)度均在0.9以上。

運城市城區(qū)； 土層埋深； 回歸分析； 剪切波速

土層剪切波速是巖土地震工程中的一個重要物理量，在場地土類劃分、地基飽和土液化判別、土層地震反應分析等方面得到了廣泛應用[1-2]。通常采用現(xiàn)場原位測試方法確定土層剪切波速，現(xiàn)場原位測試方法分為單孔檢層法、跨孔法和表面波法。其中，單孔檢層法能直接給出土層的準確位置、厚度及波速，很少受測試場地環(huán)境限制，是目前應用最廣泛的方法[3]。受土體本身固有的變異性及測試技術(shù)水平等影響，測試結(jié)果具有較大的變異性，誤差甚至可能超過30%[4-5]。本次研究中，將利用實測土層剪切波速資料建立土層剪切波速的統(tǒng)計關(guān)系，并對統(tǒng)計估計值、現(xiàn)場實測值和土層特征進行對比分析，綜合確定土層剪切波速值。

1 城區(qū)工程地質(zhì)條件

根據(jù)土層剪切波速與埋深及其標準貫入值的相關(guān)研究[6-11]，可知：

(1) 除土層埋深外，影響土層剪切波速的因素還包括土質(zhì)類別、形成條件、天然重度、物理性質(zhì)等。

(2) 土層剪切波速與埋深的關(guān)系可通過線性模型、一元二次多項式模型、冪函數(shù)模型進行擬合?？傮w上，一元二次多項式或冪函數(shù)模型的擬合精度較高。

(3) 不同地區(qū)土層剪切波速與埋深的經(jīng)驗關(guān)系具有較大差異，表現(xiàn)出很明顯的地域性。

(4) 以土層動力性質(zhì)基本一致的工程地質(zhì)單元為統(tǒng)計單元，可得到較好的土層剪切波速與埋深經(jīng)驗關(guān)系。

運城市城區(qū)主要建設(shè)規(guī)劃用地位于具巨厚松散沉積物的斷陷區(qū)，覆蓋層厚度多為74～76 m。總體上來看，場地內(nèi)第四紀松散層厚度較穩(wěn)定，土層厚度變化明顯受斷裂控制：層序也比較穩(wěn)定，地層比較連續(xù)，呈近水平狀，不同時代地層為整合接觸。覆蓋層厚度涉及地層自上而下有第四系全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)、中更新統(tǒng)地層[12]。

全新統(tǒng)沉降中心主要在運城市區(qū)以南的鹽池一帶，厚度為10～30 m，中條山北麓斷裂和鹽湖北岸斷裂全新世時期活動強烈。巖性下部為深灰、灰綠色粉砂質(zhì)黏土，上部為黑色粉砂質(zhì)黏土，多呈淤泥狀，并出現(xiàn)多層石鹽晶體，湖積成因。鹽池外市區(qū)全新統(tǒng)厚度約0～10 m，地層為褐黃色 — 淺黃色粉土，稍密，含白色菌絲、鈣核，湖積成因；上更新統(tǒng)在鹽池一帶厚度約30～60 m，為一套灰綠色粉砂質(zhì)黏土，具有水平層理，含有豐富的鹽類礦物，呈沉積旋回，湖積成因。鹽池外市區(qū)上更新統(tǒng)湖相沉積較薄，厚度約5～30 m，地層為褐黃色-淺黃色粉土、粉質(zhì)黏土，稍密-中密，可塑，土質(zhì)不均勻，含少量細砂、云母碎片；中更新統(tǒng)以河湖相地層為主，為湖相的粉砂質(zhì)黏土、粉土層，淺灰、褐灰色，中密-密實，可塑，含少量細砂、云母碎片、銹斑點，偶見蝸牛殼。運城市城區(qū)土層水平范圍內(nèi)變化不大，垂直范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)簡單，可作為一個工程地質(zhì)單元，用于確定土層剪切波速與土層埋深的統(tǒng)計關(guān)系。

2 分析資料收集

本次工作中，收集了運城市地震小區(qū)化建設(shè)項目中72個鉆孔，圖1為工程場地位置分布圖。從圖中可以看出，場地均勻分布于運城市區(qū)主要建設(shè)用地規(guī)劃范圍，保證了本次工作統(tǒng)計結(jié)果的適用性。每個鉆孔波速測試深度按《工程場地地震安全性評價》(GB 17741 — 2005)、《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021 — 2001)等相關(guān)規(guī)范要求，達到假想基巖面。結(jié)合土層結(jié)構(gòu)測點垂直間取2 m， 分析各數(shù)據(jù)測試點。選取72個鉆孔和5個收集鉆孔共2 160個測點的剪切波數(shù)據(jù)，各土類測試點深度間隔為10 m，其分布情況見表1。

圖1 運城市小區(qū)化工程場地位置分布示意圖

土類剪切波速測試點分布數(shù)0-10m10-20m20-30m30-40m40-50m50-60m60-70m70-80m80-85m粉土23510617515713615718916514粉砂151285934624725367粉黏土9213252374642481細砂22821163091441

3 回歸分析

根據(jù)收集到的剪切波速測試資料，分別對粉土、粉砂、粉黏土、細砂進行了回歸分析。首先繪制了各類散點圖(圖2)，從圖中可以看出呈非線性規(guī)律，參照以往研究成果，采用冪函數(shù)模型Vs=a*Hb+c(Vs為剪切波速，H為土層埋深，a、b、c為回歸系數(shù))表示土層剪切波速與埋深的關(guān)系。

首先，以埋深分檔樣本數(shù)量的倒數(shù)作為加權(quán)平均數(shù)相對值wr；然后，為了估計剪切波速的變化，對加權(quán)系數(shù)進行標準化處理，即wn=wrmean(wr)；式中wn為向量平均值；最后，利用Matlab軟件提供的nlinfit和nlpredci函數(shù)進行加權(quán)回歸分析，分別計算出粉土、粉砂、粉黏土、細砂回歸參數(shù)，判定系數(shù)R2、誤差標準差及95%預測區(qū)間。圖2中虛線表示95%預測區(qū)間，實線為預測函數(shù)Vs=a×Hb+c，式中各參數(shù)見表2。

圖2 土層剪切波速與埋深關(guān)系擬合曲線

土類abcR2σ粉土31.40.576114.10.96320.1粉砂36.80.54794.80.92624.4粉黏土22.80.640136.90.92421.9細砂24.20.611143.40.90022.4

4 工程檢驗

選取運城市城區(qū)幾個工程場地的鉆孔，利用上述回歸關(guān)系式進行剪切波速預測，計算其相對誤差，驗證所得關(guān)系式的預測精確度。具體對比結(jié)果見表3。可以看出，土層剪切波速推測值相對誤差均小于7.8，15個測試點中只有4個測試點的相對誤差超過了5%。這表明，此回歸關(guān)系式可以較準確地預測該地區(qū)的土層剪切波速。

表3 土層剪切波速預測值與實際值對比

5 結(jié) 語

(1) 根據(jù)城區(qū)場地土層結(jié)構(gòu)分析，認為城區(qū)土層結(jié)構(gòu)相對簡單，水平變化不大，可將其作為一個工程地質(zhì)單元，并確定土層剪切波速與埋深具有關(guān)聯(lián)性。

(2) 通過對回歸方法和回歸系數(shù)的顯著性檢驗，得到冪函數(shù)模型Vs=a*Hb+c，可以較好地擬合出城區(qū)粉土、粉砂、粉黏土、細砂土層剪切波速與埋深關(guān)系。

(3) 通過某工程場地剪切波速實測值對比分析，認為本次所給出的回歸公式可較準確地預測該地區(qū)土層剪切波速。

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Relationship Between Soil Shear Wave Velocity and Soil Depth in Urban Areas of Yuncheng City

HUOKuiZENGJinyanDINGXuewen

(Earthquake Administration of Shanxi Province, Taiyuan 030006, China)

Based on data of shear wave velocities measured from 72 Yuncheng districts, the paper does the weighted regression analysis for shear wave velocity and depth of soils with various of soil type, including silt, silty sand, silty clay, fine sand, by using the power function model, and gets the model parameters of different soil types and goodness of fit index. Finally, the paper verifies the rationality and applicability of the regression equations via comparing measured values with the predicted values. The results show that there is power function relation between the sheaf wave velocities and the depths of soils in Yuncheng, and the goodness of fit is over 0.9.

Yuncheng City; soil depth; regression analysis; shear wave velocity

2017-05-02

山西省地震局科研項目“運城市土層剪切波速與埋深的關(guān)系”(SBK-1633)

霍魁(1987 — )，男，碩士，助理工程師，研究方向為巖土地震、強震臺網(wǎng)。

TU411

A

1673-1980(2017)04-0112-04