上海地區(qū)剪切波速與比貫入阻力相關(guān)性分析

唐 科 學

(上海眾材工程檢測有限公司，上海 201209)

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上海地區(qū)剪切波速與比貫入阻力相關(guān)性分析

唐 科 學

(上海眾材工程檢測有限公司，上海 201209)

結(jié)合相關(guān)文獻資料，對上海地區(qū)各類土層比貫入阻力與剪切波速值的實測數(shù)據(jù)進行線性回歸分析，得出了該地區(qū)以土層比貫入阻力計算剪切波速值的經(jīng)驗公式，可供上海地區(qū)地震安全性評價和工程勘察參考。

剪切波速，比貫入阻力，巖土工程，抗震設(shè)計

0 引言

土層的剪切波速是反映場地條件的重要指標之一，通常由現(xiàn)場的原位波速測試獲得，是對土層動力特性和判定場地類別以及進行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計所需要的重要參數(shù)。此外，土層的剪切波速也可以反映地基土的強度、變形特性，同時也可以用于判別場地液化，因此在地震小區(qū)劃和重大工程場地地震安全評價、土—結(jié)動力相互作用分析等工作中得到了廣泛的應(yīng)用。目前現(xiàn)場獲取波速測試的方法主要為單孔法、雙孔法以及瑞利波速法，相對于其他靜力學參數(shù)指標的現(xiàn)場測試工作而言波速測試的難度相對較大，花費也較高，特別是對于埋深較大土層的波速測試工作更加困難。相關(guān)研究表明，剪切波速一般受土層成因、類型、成分、結(jié)構(gòu)、物理狀態(tài)等因素影響，對同一地區(qū)相同沉積環(huán)境的土層，由于形成的地質(zhì)背景和成因相同，其剪切波速具有一定的統(tǒng)計規(guī)律，因此對于一些重要性等級較低的建筑在某些地區(qū)的地方性規(guī)范中推薦了一些估算方法，例如，上海市工程建設(shè)規(guī)范DGJ 08—37—2012巖土工程勘察規(guī)范[1]中規(guī)定：在湖沼平原Ⅰ-1區(qū)根據(jù)波速判別場地類別時，對于丁類建筑及丙類建筑中層數(shù)不超過10層、高度不超過24 m的建(構(gòu))筑物，可以根據(jù)土層名稱、埋深、性狀等估算其場地的剪切波速。相關(guān)研究表明，影響剪切波速的土性參數(shù)遠遠不止前述規(guī)范中所推薦的幾個，因此使用該類估算方法所得到的剪切波速也是相對粗糙的，勢必影響后繼的場地類別劃分及土層地震反映分析的結(jié)果。因此很有必要構(gòu)建精度更高，使用方便的剪切波速估算方法。

如前文所述，土層的剪切波速與土的其他力學指標具有很強的相關(guān)性，因此通過現(xiàn)場巖土工程勘察中常測的其他指標，分析其與剪切波速的相關(guān)性進而建立估算表達式具備可行性。為了得出各地區(qū)土層的剪切波速與土的其他力學指標的統(tǒng)計關(guān)系，國內(nèi)外許多地區(qū)的巖土工作者在這方面作了大量的工作。1978年R.W Stephenson介紹了使用超聲波方法測定試樣動剪切模量的理論依據(jù)和限制條件，測定了非飽和土的含水量、孔隙比對動剪切模量的影響。20世紀80年代，Hardin等提出場地土剪切波速與土的孔隙比、土性、重度和土層深度有關(guān)。2003年高頌東通過靜力觸探參數(shù)與天津地區(qū)地基土剪切波速進行了相關(guān)分析研究，得出一套實用的經(jīng)驗公式，并在實踐中加以應(yīng)用。

本文即通過上海地區(qū)巖土剪切波速與比貫入阻力相關(guān)性分析，建立不同類型土的估算公式，利用比貫入阻力定量計算巖土剪切波速，為推進相關(guān)規(guī)范的修正積累資料。

1 剪切波速與比貫入阻力相關(guān)性分析

比貫入阻力Ps是巖土工程勘察中的常用指標，可以通過靜力觸探試驗得到，該試驗已廣泛應(yīng)用在上海地區(qū)工程勘察實踐中。靜力觸探試驗的原理是：將探頭壓入土中時，由于受土的阻力，使探頭受到一定的壓力，土層的強度越高，探頭所受到的壓力越大，通過探頭傳感器實現(xiàn)一系列量的轉(zhuǎn)換從而得到比貫入阻力Ps，因此其與土層的物理力學指標存在正相關(guān)的關(guān)系。如前文所述，剪切波速Vs作為土的力學指標，同樣間接反映了土層的力學特性，顯然土層的比貫入阻力Ps與其剪切波速Vs之間必然存在相關(guān)性?；谇笆稣J識，本文收集了在上海地區(qū)所進行的有可比關(guān)系的剪切波速試驗與靜力觸探試驗成果作為研究對象，同時考慮到上海地區(qū)工程地質(zhì)條件較為復(fù)雜，上覆第四系主要為軟塑、可塑、硬塑的粘性土，流塑狀態(tài)淤泥質(zhì)土，密實程度不均的砂性土等，本文中在進行試驗資料整理時將土性分為一般粘性土(包括粘土、粉質(zhì)粘土)、淤泥質(zhì)土(包括淤泥質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土)和砂性土(包括粘質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土及粉細砂)三類，進而根據(jù)不同土類的剪切波速Vs與比貫入阻力Ps的分布趨勢采用式(1)進行擬合表達：

Vs=a+b×Ps

(1)

其中，a，b均為回歸分析常數(shù)，其取值與土的類型有關(guān)；Ps為比貫入阻力，MPa；Vs為土層剪切波速,m/s。式(1)采用的是一元線性回歸分析。在統(tǒng)計學中，線性回歸是利用稱為線性回歸方程的最小平方函數(shù)對一個或多個自變量和因變量之間關(guān)系進行建模的一種回歸分析。這種函數(shù)是一個或多個稱為回歸系數(shù)的模型參數(shù)的線性組合?；貧w分析中，只包括一個自變量和一個因變量，且二者的關(guān)系可用一條直線近似表示，這種回歸分析稱為一元線性回歸分析。

考慮到兩種原位測試都存在靈敏性差異、土性偏差及試驗誤差等，同一深度處數(shù)據(jù)也會相差很大，故對出現(xiàn)有明顯不合理的異常點及因土質(zhì)不均勻的異常值予以舍棄。經(jīng)篩選，共獲得110組對比數(shù)據(jù)，利用式(1)對一般粘性土、淤泥質(zhì)土、砂性土三類土的測試結(jié)果分別進行了擬合分析，并繪制了各土類的實際測試結(jié)果和擬合曲線如圖1～圖3所示，從圖中可以看出，對于每一種土均具有較強的相關(guān)性。進而給出通過回歸分析方法得到的剪切波速與比貫入阻力之間的關(guān)系式中參數(shù)的取值以及所對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)(如表1所示)。

表1 不同土類剪切波速回歸方程式

從圖1～圖3可知，一般粘性土、淤泥質(zhì)土、砂性土三類土的Vs—Ps各試驗點均呈直線線性相關(guān)，線性回歸的相關(guān)系數(shù)均較大。

通常而言比較一般粘性土、淤泥質(zhì)土、砂性土三類土，一般粘性土沉積環(huán)境水動力條件穩(wěn)定，物質(zhì)組成較均勻，所以剪切波速與比貫入阻力的相關(guān)性較好。而上海地區(qū)淤泥質(zhì)土沉積環(huán)境水動力條件復(fù)雜，局部夾有砂性土，同時在波速試驗時，因淤泥質(zhì)土易縮孔，鉆孔孔壁不完整，使檢波器與孔壁的咬合性較差，影響測試精度，所以剪切波速與比貫入阻力的離散性較大。而砂性土沉積環(huán)境水動力條件復(fù)雜，顆粒級配均勻性差，同時在波速試驗時，因砂性土易塌孔，鉆孔孔壁不完整，使檢波器與孔壁的咬合性較差，影響測試精度，所以剪切波速與比貫入阻力的離散性亦較大。

2 成果檢驗與應(yīng)用建議

為了對前述剪切波速的估算公式及其取值進行驗證，筆者于2015年12月在上海市青浦區(qū)某一場地利用處于相鄰位置的G5鉆孔和C5靜探孔(兩測試孔平面間距約2.3 m)進行單孔剪切波速和靜力觸探進行比對試驗，進而對剪切波速的測試結(jié)果和估算進行比對。該場地地貌屬瀉湖沼澤平原Ⅰ-1地貌類型，測試時為荒地，地勢較為平坦。剪切波速與靜力觸探對比試驗分析見表2。

表2 剪切波速與靜力觸探對比試驗分析表

從表2中可知，剪切波速實測值與利用靜探比貫入阻力計算所得的計算值具有很好的吻合度，從而證明了本文中所推薦的剪切波速推薦公式及參數(shù)取值具有較強的合理性。

同時值得說明的是，靜力觸探試驗作為一種原位測試技術(shù)，在上海地區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用，它特別適用于一般粘性土、淤泥質(zhì)土、砂性土且價格便宜。而波速測試試驗作為場地和地基地震效應(yīng)的主要測試手段，由于價格高，并不能廣泛地應(yīng)用于實踐。因此，對丁類建筑及丙類建筑中層數(shù)不超過10層、高度不超過24 m的建(構(gòu))筑物，通過上海地區(qū)巖土剪切波速與比貫入阻力相關(guān)性計算公式，利用比貫入阻力定量計算巖土剪切波速不失為一種方便、快捷的正確途徑。

3 結(jié)語

相對于剪切波速試驗，靜力觸探試驗具有成本低、應(yīng)用廣的優(yōu)勢，因此可以建立通過比貫阻力估算剪切波速的途徑在重要性等級較低的建筑場地安全評價或抗震設(shè)計中予以應(yīng)用?；谇笆鰬?yīng)用需求，本文通過上海地區(qū)的實測數(shù)據(jù)研究了巖土剪切波速與比貫入阻力之間的統(tǒng)計關(guān)系，并給出了估算公式和相關(guān)的參數(shù)取值，并進行了驗證。本估算公式可以在上海地區(qū)進行工程場地地震安全性評價和工程勘察時參考使用。由于筆者試驗資料有限且所用試驗技術(shù)資料均來源于上海地區(qū)，因此其適用范圍為上海地區(qū)。在未來的工作中，該經(jīng)驗公式尚需進一步的驗證和補充。

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Empirical relationship between shear wave velocities and specific penetration resistance in Shanghai

Tang Kexue

(ShanghaiZhongcaiEngineeringTestingLimitedCompany,Shanghai201209,China)

Combining with relevant literature date,through the linear regression analysis and fitting of various types of soil’s specific penetration resistance and shear wave velocities of the number of measured date in Shanghai city,in order to arrive at the emprical formula of specific penetration resistance calculated emprical formula values of shear wave， could be used for seismic safety evaluation and engineering survey in Shanghai area.

shear wave velocity,specific penetration resistance,geotechnical engineering,seismic design

1009-6825(2016)29-0055-02

2016-08-06

唐科學(1983- )，男，工程師

TU435

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