武汉后湖地区土层剪切波速与深度的关系

林亚洲，王秋良，李井冈，廖武林，张丽芬

(1.中国地震局地震研究所 地震大地测量重点实验室，武汉　430071;2.武汉地震工程研究院有限公司，武汉　430071)



武汉后湖地区土层剪切波速与深度的关系

林亚洲1,2，王秋良1，李井冈1，廖武林1，张丽芬1

(1.中国地震局地震研究所 地震大地测量重点实验室，武汉430071;2.武汉地震工程研究院有限公司，武汉430071)

摘要：基于对武汉后湖地区78个地震安全性评价钻孔地层资料及实测剪切波速数据的分析，根据岩土类型和物理状态将岩土体分为11个组别，并运用线性关系、二次多项式关系、幂函数关系等3种经验公式，分别对各土层的剪切波速(Vs)与深度(H)的关系进行回归分析。得到了武汉后湖地区各土层的回归关系式和相关系数，并分析了导致土层拟合优度差异的原因。结果表明，黏土层(可塑-硬塑)、粉砂质黏土层(稍密、中密-密实)、粉细砂层(稍密、中密-密实)等土层拟合优度较高，相关系数范围为0.71～0.95，可供该地区无波速测试的场地参考使用。

关键词：剪切波速；土层深度；回归分析；最小二乘法；武汉后湖地区

1研究背景

剪切波速Vs是工程中一个非常重要的基础参数。《建筑抗震设计规范(GB 50011—2011)》中规定“建筑场地的类别划分应以土层等效剪切波速和场地覆盖层厚度为准”，同时规定将剪切波速作为土的软硬程度和类型划分标准[1]。此外，在科学研究和生产实践中，剪切波速在计算土动力参数、计算场地的卓越周期、判别场地砂土液化等方面也有着广泛的应用[2-4]。工程中一般使用现场实测的剪切波速，但受时间、费用、技术和设备等因素的制约，或受其他意外情况的影响，获得实测的剪切波速值往往很困难或不够理想。因此，对区域内已有的剪切波速资料，进行整理和分析，总结出当地各土层剪切波速的经验取值，是非常有意义的工作。

武汉后湖地区是规划中的武汉“和谐生态居住新城”，位于汉口二环线和三环线之间，西起姑嫂树路，东至汉黄路、解放大道，面积约23.6 km2。按规划,到2020年该区域内常住人口将到30万人。本文收集整理该区域的地震安全性评价钻孔资料，分析后湖地区剪切波速度的特征，并得出该区域各岩土类型剪切波速与深度的关系，为解决现存的问题，并为下一步城市规划、建设提供依据。

2武汉后湖地区地形地貌与第四纪地层

武汉后湖地区地貌在近代有很大的人为改变，明清时期，府河、滠水、后湖泛滥，张之洞任湖广总督期间，主持修筑后湖堤(即现张公堤)，堤内后湖干涸，形成了现在的后湖地区。该地区现今地貌为湖积-冲积平原[5]。

本区覆盖层厚度30～50 m，主要为第四系全新统，有上更新统和中更新统零星分布，未见下更新统地层。各地层岩性特征如下：

(1) 中更新统Q2。该岩层为典型的红土沉积物，完整的剖面可分为上、中、下3层。下部为砾石层，砾石分选性，磨圆度较好，砾径2～3 cm，砾石风化程度较深；中层以典型的网纹状红土为特征；上部为鲜红、褐红色或棕红色黏土，沿节理或裂隙面附有黑色铁锰质薄膜，有时呈铁锰质结核出现。

(2) 上更新统Q3。成因类型以冲积相为主，自下而上分为2层：下部为灰黄色含泥砂和砾石层，砾石磨圆度中等，砾经一般3～5 cm，局部夹有淤泥质黏土透镜体，岩性松散。上部为黏土层，从下至上由黑色淤泥质黏土、亚黏土及亚砂土过渡为杏黄色—棕黄色黏土。

(3) 全新统Q4。成因类型以冲积相和湖沼相为主，岩性自下而上分为3层：下部为灰黄—灰白色砂及砂砾石，砾石分选和磨圆度好，粒径3～6 cm，主要成份为石英岩，石英砂岩及硅质岩，砾石间由中粗砂冲填，局部夹有数米的细砂或黏土层，或者是灰黄—灰白色含砾中粗砂，砾径大于2 cm，岩性稍密—松散，砂粒成份主要为石英，长石及云母碎片；中层为灰黑色淤泥质黏土，亚黏土或淤泥，含较多的有机质；上层为黄褐色黏土、亚砂土。

图1　粉砂质黏土(稍密)剪切波速与土层深度的关系拟合

3武汉后湖地区剪切波速度特征

3.1拟合模型选择

影响土层剪切波速的因素有岩土类型、物理状态(包括密实度、含水性、固结状态等)、土层深度等。邱志刚等[6]、陶小三等[7]、程祖锋等[8]分别统计和分析了黑龙江地区、南京河西地区、深圳地区的场地土剪切波速资料，并根据岩土类型和物理状态将岩土体分为若干组别，然后分别对各组岩土体的剪切波速与深度的关系进行回归分析，得到拟合的函数对应关系。这样，在没有条件测试Vs值时也能据此推算出一个较为可靠的Vs值来使用。进行回归分析时，常用的拟合模型有线性关系、二次多项式关系和幂函数关系[4,6-9]。本文也将以这几种函数作为拟合模型进行回归分析。

模型一：Vs=a+bH。

模型二： Vs=a+bH+cH2。

模型三：Vs=aHb。

式中：Vs为剪切波速度(m/s)；H为土层深度(m)；a，b，c为待定系数。

3.2数据来源和处理

收集了78个后湖地区的地震安评钻孔资料，其中剪切波速度测量数据2 289个，测量方法均为单孔弹性波检层法，数据测量间隔20 m以上1 m，20 m以下间隔2 m。

表1中统计了武汉后湖地区各土层层厚与剪切波速信息，本文在拟合过程中，将黏土分为流塑-软塑组和可塑-硬塑组，将粉砂质黏土和粉细砂分为稍密组和中密-密实组，分别进行处理。

表1　武汉后湖地区土层层厚与剪切波速统计Table 1　Statistics of soil thickness and shear wave velocity in Houhu area of Wuhan

直接使用原始资料所得出的回归关系式相关系数R较小，其原因在于土层波速随深度变化的不均匀性，以及部分测试点测试精度有问题。为了消除这些异常值点，本文对各个土类的原始资料按模型一做回归分析，取置信度为95%，剔除实测波速值落在预测区间以外的点[4,7-8]。这样一共剔除108个点，然后对剩余的2 181个采样点进行回归拟合分析。

3.3回归分析

将有效的2 181个数据按岩土类型和物理状态分为11组分别做3种模型的回归分析，得到拟合曲线。篇幅所限，现以粉砂质黏土(稍密)组为例，拟合曲线见图1。图中实线为拟合曲线，两侧的虚线为置信度为95%的预测区间。然后将各组的拟合函数及统计结果列于表2中，进行比对分析。

表2　各类岩土体的Vs-H回归分析成果Table 2　Results of regression analysis of Vs-H relationship for different rock and soil layers

4结论

使用线性关系、二次多项式关系和幂函数关系等3种拟合模型分别对武汉后湖地区各主要土层的剪切波速与深度的关系进行回归分析，得出了各自的回归关系式和相关系数。通过对比分析原始记录和计算结果可得出以下几点结论。

(1) 黏土层(可塑-硬塑)、粉砂质黏土层(稍密、中密-密实)、粉细砂层(稍密、中密-密实)等土层拟合优度较高，相关系数在0.71～0.95左右。其中黏土(可塑-硬塑)的最优拟合模型为幂函数关系，其它4种土层的最优拟合模型为二次多项式关系。

(2) 人工填土、黏土(流塑-软塑)，淤泥质黏土，淤泥质粉砂质粘、中细砂、含砾砂等土层拟合优度较差，都在0.5以下。

(3) 结合野外地质资料分析得出：人工填土层拟合优度差，其原因可能是堆填物质成分和堆填时间长短差异较大；黏土层(流塑-软塑)、淤泥质黏土层、淤泥质粉质黏土层拟合优度差，可能是受含水量过高的影响；中细砂层拟合优度差，其原因可能是该土层在本区域分布不广，样本容量小，得出的结果不具备代表性；含砾砂层拟合优度差，其原因可能是砾石含量大小、砾径分选情况和填充物质成分有差异。

参考文献：

[1]GB 50011—2010, 建筑抗震设计规范[S].

[2]陈国兴,徐建龙,袁灿勤. 南京城区岩土体剪切波速与土层深度的关系[J].南京建筑工程学院学报, 1998，(2): 34-39.

[3]童广才,刘康和. 场地卓越周期的确定[J]. 电力勘测,2000,(2):43-46.

[4]曹振中,袁晓铭. 砂砾土液化的剪切波速判别方法[J]. 岩石力学与工程学报, 2010, 29(5): 943- 951.

[5]秦志能,邓健如,伍维周. 武汉市第四纪地质及地貌研究报告[R]. 武汉:湖北省武汉水文地质工程地质大队,1988.

[6]邱志刚,薄景山,罗奇峰. 土壤剪切波速与埋深关系的统计分析[J]. 世界地震工程, 2011, (3): 81-88.

[7]陶小三,杨伟林,高志兵,等. 南京河西地区岩土体剪切波速与土层深度的关系[J]. 防灾减灾工程学报, 2009, (3): 320-324.

[8]程祖锋,李萍,李燕,等. 深圳地区部分岩土类型剪切波速与深度的关系分析[J]. 工程地质学报, 1997, (2): 68-73.

[9]战吉艳,陈国兴,刘建达. 苏州城区深软场地土剪切波速与土层深度的经验关系[J]. 世界地震工程, 2009, (2): 11-17.

(编辑：刘运飞)

收稿日期：2014-10-20 ； 修回日期：2014-11-26

基金项目：中国地震局地震研究所所长基金项目(IS201216023)

作者简介：林亚洲(1990 - )，男，湖北武汉人，硕士研究生，主要研究方向为防灾减灾工程及防护工程，(电话)18674005913(电子信箱)lyzx112@163.com。

通讯作者：王秋良(1972 - )，男，湖北黄冈人，副研究员，博士，主要从事地震地质和水库诱发地震等方面的研究，(电话)18507183023(电子信箱)wql0703@sohu.com。

doi:10.11988/ckyyb.20140888

中图分类号：P315.9

文献标志码：A

文章编号：1001-5485(2016)04-0091-04

Relation Between Shear Wave Velocity and Depth of Soilsin Houhu Area of Wuhan

LIN Ya-zhou1,2, WANG Qiu-liang1, LI Jing-gang1, LIAO Wu-lin1, ZHANG Li-fen1

(1.Key Laboratory of Earthquake Geodesy, Institute of Seismology of China Earthquake Administration,Wuhan430071,China; 2. Wuhan Institute of Earthquake Engineering Co., Ltd., Wuhan430071,China)

Abstract:According to the analysis of soil layer and shear wave velocity data of 78 boreholes from seismic safety evaluation reports of Houhu area in Wuhan, we classify rock and soil into 11 groups in terms of rock and soil types and mechanical properties. Furthermore, we carry out regression analysis on the relationship between shear wave velocity and soil depth using 3 empirical formulas inclusive of linear fitting, polynomial fitting and exponential fitting. Finally, we obtain regression formulas and coefficients of different soil layers in Houhu area of Wuhan, and analyze the causes of the difference in fitting accuracy. The result shows that there is high correlation between shear wave velocity and depth of soils in clay layer (plastic and hard plastic), silty clay layer(slightly dense, medium dense, and dense), and fine silty sand layer(slightly dense, medium dense, and dense), with coefficients from 0.71 to 0.95. The empirical relationship of these soils in this paper can be used as a reference for sites in the absence of shear wave velocity test.

Key words:shear wave velocity; soil depth; regression analysis; least squares method;Houhu area of Wuhan

2016,33(04):91-94