1、年月西寧市區土層剪切波速隨深度變化特征蘇旭 ,楊麗萍 ,鄒海寧(青海省工程地震研究院 ,青海 西寧810001)摘要 :通過對西寧市區 67個鉆孔剪切波速資料整理 ,采用最小二乘法進行統計回歸分析 ,得到西寧市土層剪切波速 vs 隨土層埋深 h 的經驗關系式 , 西寧市典型土類 vs 與 h 的經驗關系 。并且通過實測 剪切波速與預測剪切波速的對比 ,驗證所得經驗關系式的適用性 。關鍵詞 :剪切波速 ;統計回歸 ;經驗關系式 ;西寧市區中圖分類號 : p31518文獻標識碼 : a文章編號 : 1005 - 586x ( 2009) 01 - 0012 - 05川河和南側的南川河在市中心匯入湟

2、水河 ,這些河流將盆地分割成四大塊 ,盆地周邊為低山丘陵 ,高程一般在 2 200 2 900m 之間 ,由河川 級以 上階地及基巖低山組成 ;西寧市區沿湟水河 、北川河 、南川 河 構 成 的“十 ”字 型 河 谷 地 帶 展 布 , 即級階地 。西寧地區第四系較發育 ,廣泛分布于湟水河0 引言場地土的剪切波速是描述土體工程特性的一個重要動力學參數之一 ,通過剪切波速測試 ,可評 價場地類別 、土的物理力學指標判定等 ,廣泛應用 于工程地質勘察 、地震反應分析以及建筑抗震設 計等方面 。土的剪切波速與巖土類型 、覆蓋層厚 度 、土體密度等密切相關 。大量的實測數據表明 ,土的剪切波速隨土層埋

3、深的增加會呈現增加的趨 勢 。根據這特點可以統計分析出剪切波速 vs 隨 土層埋深 h 的經驗關系式 ,而 vs 與 h 的經驗關 系式又具有很強的地區性特點 。本文通過對西寧市區 67 個鉆孔的實測剪切波速資料進行統計分析 ,得到西寧市區土層剪切 波速 vs 與土層埋深 h 的經驗關系式 , 以及典型 土類剪切波速 vs 與土層埋深 h 的經驗關系式 。及其支流河谷兩側 、陡坡下緣緩坡帶及山丘頂部 。沉積物主要有 : 全新統洪沖積物 、坡積物 ,更新統沖積物和風積物 。河谷內 級階地第四系覆蓋層厚度相對較小 ,一般在 5 50m 左右 (圖 1 ) 。地層分布相對較為簡單 ,一般具有二元結構

4、 ,近地表一般覆蓋為風積 、沖積黃土 ,其下為河流相的卵 石層 ,下伏的第三系地層為內陸湖相碎屑沉積 ,巖性以泥質巖 、砂巖 、石膏巖互層為主 。2 西寧地區第四紀地層層序特征 1 根據沉積 相 、地 層 層 序 、孢 粉 及 粒 度 特 征 分 析 、淺層地震剖面探測和光釋光測年等 ,依據青海 省區域地質調查報告 ( 1 50 000 , 1985 ) 中的年代 地層和巖石地層的劃分方案 ,初步建立了西寧盆 地第四紀地層格架 (表 1 ) 。自上而下巖性特征如下 : ( 1 )全新統 。1 西寧市地質地貌概況西寧市位于湟水 (西寧 ) 盆地中部的北西西 向湟水河谷地之中 。湟水 (西寧 )

5、盆地是青藏高 原東 北 部 的 第 三 系 盆 地 。北 側 海 拔 為 4 000 6 000m的達坂山脈 ,南側是海拔 4 000m 以上的拉 脊山 ,在北東東向區域主壓應力的作用下 ,兩側地 質單元向中間逆沖 ,盆地內部新生代地層形成寬 緩的褶皺 。湟水自西向東橫穿盆地 ,河谷兩岸形坡積堆 積 (qd1 ) : 發 育在 陡坡 下 緣 的 緩 坡4圖 1 西寧市第四系等厚線分布部分滑塌堆積 。堆積物為土黃色黃土狀土和含礫黃土狀土及礫石 、塊石混雜堆積 。厚度 15m。洪沖積 :分布在湟水和其支流河谷及兩側 , 為現代河床砂 、礫堆積 、河漫灘堆積和 級階地砂 礫石層 ,上覆黃土狀土堆積

6、。現代河床砂 、礫堆積為未固結的青灰色砂礫石 ,磨圓度較好 ,分選一般或不好 。河漫灘堆積物為土黃色黃土狀土 、褐紅色砂質粘土等 ,厚度為數厘米至數米 。階地堆積 由兩部分組成 ,下部為砂礫石層 、礫石層 ,松散 ,礫 石成分較復雜 ,具沖 、洪積特點 ,呈基座式直接覆 于基巖的上方 ,厚度 1. 53m;上部由黃土狀土組成 ,夾砂礫層或透鏡體 ,厚度 0. 5 2m。表 1西寧地區第四系劃分簡表厚度 (m )時代成因類型及巖性分布地區洪沖積 :現代河床砂 、礫堆積 ,河漫灘 級階地砂礫石層 ,上覆黃土狀土 。坡積 : 黃土狀土 、含礫黃土狀土及礫石 、塊石混雜堆積 。風積 : 土黃色黃土 (

7、馬蘭黃土 ) 。洪沖積 : ii級階地 ,紅黃相間泥質粉砂層 、黃色砂質粘土 ,底部灰色 、灰紫 色礫石層 。風積 : 灰黃色黃土 (離石黃土 ) 。洪沖積 : v 級階地 ,灰綠色含砂礫石層夾淺黃綠色含礫砂層 、砂層透 鏡體 。風積 : 午城黃土 。洪沖積 : 級階地 。1. 5 51 52 605 10湟水及其支流河谷地帶級階地以下的陡坡下緣的緩坡帶北川河西岸 級階地之上 湟水及其支流河谷地帶全新統上更新統20 11010 45西寧北山湟水及其支流河谷兩側中更新統10 502 15西寧北山湟水及其支流河谷兩側低山丘陵下更新統14高原地震第 21卷( 2 )上更新統 。由風積黃土和其下的洪沖

8、積層組成 。由風積黃土和其下的洪沖積層組成 ,出露于級階地的不同標高上 。風積黃土 ( qeo l ) 為土 黃色 、黃 色 , 由細 粉 砂 、風積黃 土 ( qeo l ) 為 灰 黃 色 或 褐 黃 色 的 細 粉32粘土礦物及鈣質組成的粘土質粉砂層 ,具土狀結構 、塊狀構造 ,濕陷性明顯 ,空隙和垂直節理發育 ,富含碳酸鹽 。該層厚度 260m。 洪沖積層由上部的紅黃相間泥質粉砂層 、黃色砂質粘土和下部的灰色 、灰紫色礫石層構成 。上部紅黃相間泥 質粉 砂 層中 偶夾 礫 石層 或含 礫 石 ;黃色砂質粘土具水平層理 ,紋層厚度一般數厘 米 ,該層厚度約 1034m。在階地后緣 ,因混

9、有棕紅色的第三系泥巖碎屑而呈較強的紅色調 ; 下部 礫石層中偶夾砂透鏡體 ,礫石分選不好 ,磨圓度較 差至較好 , 成分主要為硅質巖 、花 崗 巖 、砂 巖 、礫 巖 、中性火山巖及灰巖 ;頂部因鐵染呈黃褐色 。該 層厚度 210m ,為 級階地 。在階地后緣 ,礫石層中粘土含量增加 。( 3 )中更新統 。砂 ,礦物成分以石英 、長石 、黑云母和碳酸巖為主 ,暗色礦物和巖屑呈直徑約 0. 53mm 的斑點狀散 布其中 ,具土狀結構 、塊狀構造 ,空隙較小 ,斜節理發育 。該層厚度 5 110m。洪沖積含砂礫石層 (qp a l )呈灰色 、灰綠色 ,夾2黃綠色含礫砂層 、砂質透鏡體 。礫石層

10、呈松散 半膠結狀 ,砂質充填 、鈣質膠結 。礫石成分主要為 石英巖 、硅質巖 ,次為中基性火山巖 、花崗巖 、灰巖及板巖 、千枚巖等 ,分選不好 ,從砂 巨礫均可見 ,磨圓度為圓狀至次圓狀 。該層厚度 10 45m。( 4 )下更新統 。沖積 、洪積 、沖洪積為主 ,厚度 2 15m ,與下 伏殘積土呈角度不整合接觸 。沉積物為灰黃色砂礫卵石 ,礫石表面呈褐黃色 ,夾粘質砂土和砂質粘土 。底界相當于地震波組解釋的tq 面 。圖 2 實測剪切波速鉆孔分布統計回歸時 ,大多采用線性關系式 : vs = a + bh, 或3 選用資料情況本次工作所選用資料來源于西寧地區工程勘 察 ,或地震安全性評價

11、工作中實測剪切波速資料 , 并且為本院同一人員進行實地測試 。圖 2為本次 工作選用樣本鉆孔分布圖 ,從圖上可以看出 ,鉆孔 較為均勻的分布于西寧市區 ,從而保證了統計結 果的適用 性 。本 次參 與 統計 分析 的 鉆孔 數量 為67個 ,總進尺 1 918m ,剪切波速采用單孔檢層法 測試得到 ,采樣間隔為 2m。無論是對于工程勘察 ,或地震安全性評價工 作 ,剪切波速最大的作用是確定場地覆蓋層厚度 , 判定場地土類別 ,進而進行土層地震動反應分析 。建筑抗震設計規范 ( gb 50011 - 2001 )第 4. 1. 4規定 : 建筑場地覆蓋層厚度的確定 ,一般情況下 ,應按地面至剪切

12、波速大于 500m / s的土層頂面的 距離確定 。本文所選鉆孔資料 ,終孔時剪切波速 均大于 500m / s,并且絕大多數鉆孔穿透第四系覆 蓋層進入中風化泥巖 。也就是說 ,西寧市區建設 主要在湟水河 級階地上進行 ,第四系覆蓋層厚度相對較小 ,剪切波速通常達不到 500m / s, 一般情況下剪切波速在第三系中風化泥巖可以達 到 500m / s,部分地段覆蓋層特別是卵石層較厚并 且膠結較好時 ,在卵石層可以達到 500m / s。隱線性關系式 v = ahb 兩種形式 ,我國研究者對上s海 、西安和天津的 vs 資料分析表明 , 隱線性關系式b 2 - 5 vs = ah 是一個合理的

13、表達式。因此本文采b用隱線性關系式 vs = ah ,式中 vs 為剪切波速 (m /s) , h 為鉆孔深度 (m ) , a、b為統計系數 。4. 1 不分土類的統計回歸公式采用上述 67個鉆孔 ,共 1 029 個采樣點的剪 切波速實測資料進行統計回歸 ,得到西寧市區不 分土類剪切波速沿深度變化規律為 :0. 4731( 1 )vs = 97. 656h, r = 0. 90734. 2 按土類分類的統計回歸公式由于西寧地區第四系覆蓋層厚度變化較大 ,本文還給出了西寧地區典型土類剪切波速沿深度變 化規律 ,其中粉質粘土 (黃土 ) 281 個采樣點 ,卵石176個采樣點 ,風化泥巖 48

14、7個采樣點 ,關系式為 :粉質粘土 (黃土 ) :0. 3494( 2 )vs = 109. 673h , r = 0. 9070卵石 :0. 4268vs = 111. 378h , r = 0. 9014風化泥巖 :( 3 )0. 5584( 4 )vs = 82. 186h , r = 0. 87114. 3 回歸公式有效性檢驗為了驗證 本文 統 計回 歸出 的 關 系 式 的 適 用性 ,選取青海萬立調度通信樓工程場地的剪切波 速資料進行對比 , 場地位于西寧市勝利路 87 號(勝利路與新寧路交匯處 ) ,東側緊鄰勝利路 ,鉆4剪切波速的統計分析目前 ,國內在進行剪切波速沿深度變化規律

15、的圖 3 青海萬立調度通信樓實測 、預測 vs 與 h 關系16高原地震第 21卷孔鉆進深度 30m ,剪切波速測試采用單孔檢層法 ,波速測試使用的儀器由 fd p204 型多功能工程測 試分析儀 、三分量檢波器構成 。將實測剪切波速 曲線 ,采用不分土類的回歸公式 ( 1 ) 、按土類回歸 公式 ( 2 ) 、( 3 ) 、( 4 )分別計算得到的預測值 ,分別 繪在圖 3中 。由圖 3可見實測 vs 與預測 vs 具有很好的一致性 。在此類地區推廣應用 。參考文獻 : 1 青海省地震局 . 西寧市活斷層探測與地震危險性評價技術報告 r . 西寧 : 青海省工程地震院 , 2007: 1-

16、30.陳國興 ,等 . 南京城區巖土體剪切波速與土層深度 的關系 j . 南京建筑工程學院學報 , 1998, ( 2 ) (總 第 45期 ) : 32 - 37.安衛平 ,等 . 太原地區剪切波速的深度分布 j . 山 西地震 , 1997, ( 1 - 2 ) (總第 88 - 89期 ) : 88 - 93.高 飛 ,孫小剛 . 上海地區場地剪切波速的特征分析 j . 上海地質 , 2005, ( 2 ) (總第 94期 ) : 27 - 29.李存志 . 昆明盆地剪切波速與地基特性相關分析研 究 j . 昆明冶金高等專科學校學報 , 2006, 22 ( 3 ) : 1- 5. 2

17、5 結束語本文所選取的鉆孔資料分布在 級 階 地 ,第四系覆蓋層厚度相對較小 。在市區內實測 結果與預測結果具有較好的一致性 。西寧市城北生物園區山前黃土覆蓋層達 5070m ,以及高階地 , 因無實測剪切波速資料 , 未統 計在內 ,缺乏對比資料 ,因此本經驗關系式不建議 3 4 5 character ist ics o f shear i ng w ave veloc itychanged w ith d epth o f so il lay er i n x i n i ng urban areasu xu, y a ng l ip in g, zo u ha in in g( ins

18、titu te of eng ineering s eism o logy of q ingha i p rovince, x in ing 810001, c h ina )a b stra c t: the da ta of shea ring wave ve loc ity of 67 bo re ho le s in x in ing a rea a re ana lyzed, and the emp irica lre la tion of the ve loc ity (vs ) and the dep th ( h ) is go t by lea st squa re regre ssion m e t