柳州官塘片區紅粘土剪切波速與埋深的相關性分析*

劉華貴，蔣文宇

(1.廣西工程防震研究院，廣西 南寧 530022；2.廣西大學 土木建筑工程學院 廣西 南寧 530004；3.廣西財經學院，廣西 南寧 530003)

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柳州官塘片區紅粘土剪切波速與埋深的相關性分析*

劉華貴1，蔣文宇2，3

(1.廣西工程防震研究院，廣西 南寧 530022；2.廣西大學 土木建筑工程學院 廣西 南寧 530004；3.廣西財經學院，廣西 南寧 530003)

摘要：根據廣西柳州市官塘片區地震小區劃45個鉆孔的紅粘土土層剪切波速實測數據，對其剪切波速與埋深的相關性進行了研究，結果表明：(1)紅粘土的剪切波速隨埋深增加的變化規律符合冪函數規律，經驗公式為VS=200.4H0.143(R2=0.756)；(2)與其它地區粘性土的剪切波速分布規律相比，官塘片區紅粘土在埋深較淺時具有較高的剪切波速，隨埋深增加其剪切波速遞增率減小；(3)所建立的經驗公式用于該地區實際工程預測紅粘土的剪切波速效果好于《構筑物抗震設計規范》推薦的經驗公式，可供當地實際工程估算研究紅粘土的剪切波速借鑒使用。

關鍵詞：柳州官塘；紅粘土；剪切波速；土層埋深

0引言

土體剪切波速是地震橫波(剪切波)在土中的傳播速度，它是工程場地地震安全性評價和巖土工程勘察工作中一個重要的物理量。目前在巖土工程中對剪切波速的研究和應用有：(1)劃分建筑場地土類型和場地類別；(2)確定地基巖土的動力學參數；(3)估算地面常時微動的卓越周期；(4)評價地基飽和砂土、粉土液化的可能性(巖土工程勘察規范，2009；建筑抗震設計規范，2010)。剪切波速一般受土層的成因、類型、成分、結構、物理狀態等因素影響，對同一地區相同沉積環境的土層，由于形成的地質背景和成因相同，其剪切波速相差不大，并具有一定的統計規律(薄景山，1998)。國內許多學者對不同地區不同類型土的剪切波速與埋深關系進行了大量的研究，得到了許多有意義的成果：周錫元等(1991)對不同地區、不同土層的剪切波速特征進行了系統研究，得到了黏土、砂土、礫石、卵石、碎石等巖土層的剪切波速變化范圍，以及北京、上海、天津等城市的剪切波速與埋深的變化規律；劉紅帥等(2010)依據我國地震安評工作中大量的鉆孔實測剪切波速數據，建立了碎石土、砂土、粉土和黏性土等常規土類剪切波速與埋深間的統計公式；對于缺少當地土層剪切波速經驗公式的情況，《構筑物抗震設計規范》(GB50191—2012)根據巖土層的軟硬狀態和密實程度等性狀特點，結合土層埋深也給出了常見類型土的剪切波速估算經驗公式。但現有的研究均尚未具體給出紅粘土剪切波速的估算經驗公式。

紅粘土是我國南方熱帶與亞熱帶地區較為常見的一種高塑性粘土，它主要是由白云巖、灰巖等碳酸鹽系巖石風化殘坡積，并經過長期緩慢的紅土化作用形成。紅粘土具有特殊的工程力學性質，主要表現出高含水量、大孔隙比、低密度等特點，但同時又具有高強度、低壓縮性等良好力學性質(譚羅榮，孔令偉，2006)。在紅粘土特性研究方面，以往研究多注重宏觀地質(包括紅粘土結構、成因)、物質組成、微觀結構、結合水與土的脹縮性、強度特征、土質改良方法等，而對紅粘土的剪切波速特性研究較少(周訓華，廖義玲，2004；王英輝等，2009；呂海波等，2012；王煥新，2012)。

針對目前國內對紅粘土剪切波速特性研究中的不足和實際工程的需要，本文通過對柳州市柳東新區核心區域——官塘片區45個鉆孔的紅粘土土層剪切波速實測資料進行統計回歸分析，得到了該地區紅粘土剪切波速隨埋深變化的統計經驗公式，并應用于實際工程中。這些成果不僅對當地開展建設工程的場地地震安全性評價、巖土工程勘察等工作具有十分重要的參考價值，而且對積累紅粘土的剪切波速經驗也具有很重要的意義。

1統計資料及紅粘土的特性

柳州市官塘片區位于柳東新區的東北部，下伏基巖主要為石炭系(C)白云巖，除個別鉆孔表面分布有0～1m厚的耕土或填土層外，上覆土層主要為原地風化殘積的紅粘土。紅粘土呈棕紅色、黃色，濕，土質均勻、致密，局部含少量鐵錳結核及風化角礫顆粒，以硬塑狀為主，粘性強，切面光滑，干強度較高，無搖振反應，層厚3～19m。

本文的統計資料來源于廣西柳州市官塘片區地震小區劃的鉆孔剪切波速資料*廣西工程防震研究院.2009.柳州市柳東新區(陽和、官塘)地震小區劃報告.。經過整理分析，本文共統計了其中的45個鉆孔407個紅粘土土層的剪切波速測試點結果，這45個鉆孔較均勻地分布在官塘片區中部和東部的溶蝕盆地內(圖1)，可以較好的揭示該片區的工程地質條件。

2剪切波速測試方法

現場剪切波速測試采用的方法為單孔測試法(又稱檢層法)，使用的測試儀器為中國科學院武漢巖土力學研究所生產的RSM-24FD型工程測試儀，測試示意圖如圖2所示。單孔測試法是在鉆孔孔口附近(2～4m)設置厚木板并上壓重物作為激振板，通過人工敲擊產生以剪切波能量為主的震源，同時將檢波器放置在鉆孔內不同深度并保證其緊貼孔壁，測出孔口激發震源所產生的剪切波傳到孔內不同深度所需的時間，經計算得出剪切地震波在巖土層中的傳播速度。由于紅粘土土質均勻，厚度不大，本文中各剪切波速測試點的間隔均取1m。

3剪切波速隨埋深的變化規律分析

目前國內統計分析巖土層剪切波速與埋深的變化規律采用的經驗公式主要有線性函數、冪函數和多項式函數關系模型3種(高云峰，劉漢龍，2003)。對于粘性土而言，《構筑物抗震設計規范》(GB50191—2012)和許多學者都推薦采用冪函數關系模型進行統計分析，并取得較好的擬合效果(張小平等，2012；高云峰，劉漢龍，2003；周楊銳，董明明，2012；邱志剛等，2011)。冪函數關系模型具體表示如下：

VS=aHb

(1)

式中：VS表示剪切波速，H表示土層埋深，a、b為待定系數。

根據上述統計分析方法，筆者將柳州官塘片區的45個鉆孔的紅粘土土層剪切波速測試結果繪制成散點圖，通過添加趨勢線擬合出其剪切波速與埋深間的冪函數回歸曲線，并給出擬合參數和擬合優度R2，如圖3所示。從圖中可以看出，該片區紅粘土的剪切波速值集中在200～300m/s之間，隨著土層埋深的增加，紅粘土的剪切波速具有逐漸增大的趨勢，兩者間存在較明顯的相關性；采用冪函數關系模型的擬合優度接近0.8，表明統計的結果具有較高的可信度。

紅粘土屬于一種區域性的特殊粘性土，為了更好地了解柳州官塘片區紅粘土剪切波速與埋深的關系特點，現將本文擬合的經驗公式與集合肥、大連等多個地區總結的粘性土剪切波速與埋深的經驗公式進行比較(表1、圖4)。從表1中可以發現，不同地區的粘性土剪切波速與埋深的經驗公式存在較大的差異，其中紅粘土的擬合系數a值為最大，指數b值為最小。

表1　各地區粘性土剪切波速與埋深的經驗公式

從各地區粘性土剪切波速隨埋深變化的關系曲線圖(圖4)中可發現以下兩大特點：(1)在同一埋深處，尤其是在土層埋深較淺時，柳州官塘片區紅粘土的剪切波速明顯高于其余大部分地區粘性土的剪切波速；(2)隨著埋深的增加，柳州官塘片區紅粘土的剪切波速遞增率明顯小于其余粘性土。國內外學者在對不同地區紅粘土的物理力學性質研究中發現，紅粘土雖具有高含水量、大孔隙比、低密度等不良特點，但同時又具有高強度、低壓縮性等良好力學性質(譚羅榮，孔令偉，2006)，柳州官塘片區紅粘土的剪切波速隨埋深變化的規律特點是否與其特殊的物理力學性質有關值得深入研究。

4工程檢驗

為了驗證本文成果的可靠性，選取柳州市官塘片區某一工程場地鉆孔的實測剪切波速數據，采用《構筑物抗震設計規范》(GB50191—2012)推薦的估算硬塑粘性土剪切波速的經驗公式VS=130H0.300以及本文總結的經驗公式進行了對比，并計算了相對誤差，以此來驗證本文所提出的剪切波速統計經驗公式的預測精度，具體結果如表2所示。

表2　規范推薦公式與本文經驗公式預測剪切波速的對比分析

由表2可知：本文統計經驗公式計算的剪切波速相對誤差最大為4.6%，最小為0.0%，相對誤差均小于5%；而規范推薦的公式所預測的剪切波速，絕大部分層位的相對誤差超過5%，其中最大為25.2%。同時還可以發現，規范所推薦的經驗公式在預測埋深較淺的紅粘土剪切波速時，效果相對較差。初步表明，本文所提出的統計經驗公式在預測柳州市官塘片區紅粘土剪切波速時效果較好，計算結果相對可靠，可應用于實際工程。而根據規范推薦的硬塑粘土經驗公式，在預測紅粘土的剪切波速效果欠佳。因此本文統計的經驗公式對當地而言，可作為規范公式，是一個很好的補充。

5結論

本文根據廣西柳州市柳東新區官塘片區地震小區劃的45個鉆孔剪切波速實測數據，建立了該片區紅粘土剪切波速與埋深的經驗公式，與其它地區粘性土對比分析了紅粘土剪切波速的分布特點，并通過實際工程場地實測結果將所建立的經驗公式與《構筑物抗震設計規范》(GB50191—2012)的經驗公式進行了比較驗證。研究結果表明：

(1)柳州官塘片區紅粘土的剪切波速隨埋深的變化規律符合冪函數規律，建立的經驗公式為：VS=200.4H0.143(R2=0.756)。

(2)與國內其它地區的粘性土剪切波速分布規律相比，柳州官塘片區紅粘土在埋深較淺時具有較高的剪切波速，其剪切波速隨埋深增加遞增率相對較小，具體原因有待進一步研究。

(3)本文建立的經驗公式用于實際工程預測紅粘土的剪切波速效果好于《構筑物抗震設計規范》(GB50191—2012)推薦的經驗公式，可供該地區實際工程估算研究紅粘土的剪切波速借鑒使用。

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CorrelativeAnalysisbetweenShearWaveVelocityandDepth

Aimingattheproblemsofstudyingtheshearwavevelocitycharacteristicsofredclayandtheneedofconstructionprojects，wecarriedouttheresearchinthecorrelativebetweenshearwavevelocityandthedepthofredclaybasedontherealisticshearwavevelocitydataof45drillholeswhicharelocatedinLiuzhouGuantangregionofGuangxi.Theresultshowsthat：(1)Thechangelawbetweenshearwavevelocityanddepthofredclayfollowsthepowerlawrelation，andtheestablishedempiricalformulaisVS=200.4H0.143(R2=0.756). (2)Comparedwiththedistributionlawofshearwavevelocityofclaysoilinotherarea，theshearwavevelocityofredclayismuchhigherwhenthedepthisshallow，howevertheincreaserateofitissmallerwiththeincreasingofdepthinLiuzhouGuantangregion. (3)Aftercomparingtherelativedeviation，theempiricalformulaestablishedinthispaperhasabetterforecastingeffectthantheempiricalformularecommendedbyAseimic Design of Construction Worksonestimatingtheshearwavevelocityofredclay，anditcanbeusedforthereferenceinpracticalengineeringofLiuzhouGuantangregion.

Keywords：LiuzhouGuantangregion；redclay；shearwavevelocity；depthofsoils

*收稿日期：2014-01-12. 基金項目：廣西壯族自治區地震局科研合同制項目——廣西典型紅粘土土層剪切波速與埋深的關系研究(GXJ2012009)和廣西地震科學基礎研究項目——廣西重點地區活動斷層與中強地震構造探測研究(桂科攻12426001-4)聯合資助.

中圖分類號：TV411

文獻標識碼：A

文章編號：1000-0666(2015)02-0280-05

ofRedClayinLiuzhouGuantangRegion
LIUHua-gui1，JIANGWen-yu2，3
(1.GuangxiAcademyofEngineeringShockPrevention，Nanning530022，Guangxi，China)

(2.CollegeofCivilEngineering，GuangxiUniversity，Nanning530004，Guangxi，China)

(3.GuangxiUniversityofFinanceandEconomics，Nanning530003，Guangxi，China)

Abstract