單孔法波速測試在宿州市區建筑場地類別劃分的應用及該區特征研究

劉春超, 張倩清, 李能勇, 黃長友

(安徽省地勘局 第一水文工程地質勘查院,蚌埠 233000)

0 引言

隨著我國經濟社會的快速發展和城鎮化進程的不斷加速,人居環境逐步改善,城市面積不斷增大,建筑工程數量日益增多。而建筑工程開始建設之前都應進行建筑場地巖土工程勘察,以查明、分析、評價場地的地質、環境特征和巖土工程條件,劃分對建筑有利、不利和危險地段,提供建筑的場地類別和巖土地震穩定性評價。建筑的場地類別則是根據土層等效剪切波速和覆蓋層厚度進行劃分的[1]。準確、高效地測算土層等效剪切波速,通常是通過波速測試這種原位測試技術[2]來實現的,然而對于大范圍的區域性場地來說,我們需要尋求一種基于現有場地剪切波速及場地類別數據來預測和估算方法[3],統計分析現有場地剪切波速及場地類別數據來尋找數據特征和規律,則給我們提供了一種能夠實現上述目的的可能。

1 單孔法波速測試

1.1 基本原理

當固體介質受到外力沖擊時,介質受到應力作用而產生應變,在作用于介質的應力消失后,應變和應力失去平衡。應變就在介質中以彈性波的形式由介質中的質點依次向周圍傳播,這種彈性波成分較復雜,既有面波又有體波,體波又分為壓縮波(P波)和剪切波(S波),剪切波分為垂直分量(SV波)與水平分量(SH波)。在地層表面傳播的面波可分為瑞雷波(Rayleigh)和拉夫波(Love),各種波在介質中傳播的特征和速度各不相同[4]。

波速測試方法主要有:①面波勘探法(測定地層的瑞雷波速度后,推算出地層的剪切波速度);②單孔法或跨孔法。單孔法就是在單個鉆孔孔口附近地表施加水平沖擊力,測量孔內不同深度處沖擊信號的到達時間,以計算剪切波在巖土層內傳播速度的方法。該方法具有準確度高、成本低和操作簡便的優勢,在巖土工程勘察中被廣泛應用。單孔法剪切波速測試的基本假設是地層模型在地下呈水平層狀分布,剪切波速在水平方向為均勻分布[5],垂直方向隨深度變化。利用地震波的直達波原理,選擇地面激振方式,即在地面激發,井中接收的方式,一般采用自下而上逐點進行測量。由震源產生的剪切波(橫波),經過巖(土)體,被放置在孔中的三分量檢波器接收,根據波傳播的距離和走時計算出場地地層的剪切波速度。由于不同地層的剪切波速不同,剪切波在震源和檢波器間的地下傳播路徑為折線(圖1中a實線而并非直線)[6],當板孔距L相對測點深度H較小時,按照直線(圖1中 b,虛線)路徑計算。每一波速層的剪切波波速,應按式(1)計算。

圖1 剪切波旅行路徑計算示意圖Fig.1 Schematic diagram of shear wave travel path calculation

V=ΔH/ΔT

(1)

式中:V為波速層的剪切波波速(m/s);ΔH為波速層的厚度(m);ΔT為剪切波傳到波速層頂面和底面的時間差(s)。

剪切波從震源到達測點的時間,應按式(2)進行斜距校正。

(2)

式中:T為剪切波從震源到達測點經斜距校正后的時間(s),相當于波從孔口到達測點的時間;T0為剪切波從震源到達測點的實測時間(s);H為測點的深度(m);L為從板中心到測試孔的水平距離(m)。

1.2 工作方法

單孔法剪切波測試的具體工作方法是,在距孔口一定距離處放置激震源,橫波震源采用約200 cm×45 cm×30 cm的木板,底部嵌入三角鐵釘,并在其上方壓以重物以增加木板與地面間摩擦力。在板中央位置的地表插入外觸發傳感器,當重錘敲擊木板的震動信號傳遞至該觸發傳感器時,該時刻作為接收設備的開始記錄時間;在孔中放置三分量檢波器,檢波器上安裝機械彈簧卡片,使三分量檢波器與井壁緊密耦合以提高信噪比。在測量每一個測點的橫波時,用重錘沿水平方向分別擊振木板兩端,產生極性相反的橫波波形分別記錄并保存。當采用自下而上逐點進行測量的方式時,每個測點記錄兩個波形后,向上提升檢波器一定距離,重新記錄新測點的波形,直到從鉆孔底部測量至孔口位置,形成一個鉆孔的完整的剪切波速測試記錄(圖2)。

圖2 現場測試示意圖Fig.2 Schematic diagram of field test

2 應用實例

2.1 工程概況

宿州市擬建某棚改安置區CX102-04-02地塊,包括9棟高層住宅28F-34F;6棟1-6F層商業配套;配電房、大門、地下室等?？偨ㄖ娣e約259 000 m2。擬建場地位于宿州市三八街道,區域地質資料及附近工程地質資料顯示,該場地地形平坦,地貌類型單一,屬于淮北沖積平原,微地貌單元為河間地塊,地層結構較簡單,分布連續,厚度基本穩定,物理力學性質均勻,場地及周圍不存在全新活動的斷裂構造、地裂縫等不良地質作用。為了滿足建筑抗震設計要求,項目需要進行剪切波速測試以劃分場地土類型、場地類別及估算場地卓越周期。

本次剪切波速測試工作,采用武漢巖海工程技術開發有限公司生產的RS-1616(p)基樁動測儀及井中28 Hz三分量電磁機械式檢波器,敲擊板激震源,偏移距為3 m左右,并準確測量記錄,測點距為1 m,采取自下而上逐點測量方式(圖3),共測試9個波速孔(G137#、G139#、G144#、G154#、G159#、G164#、G169#、G176#、G182#),孔深均為40 m。

圖3 觀測系統設計示意圖Fig.3 Schematic diagram of observation system design

2.2 資料處理

因工程人工激振橫波的位置和方向可以根據勘探方法和目的的需要進行人為控制,工程人工激振橫波和天然源地震橫波在識別上還是有一定的差別。在本次單孔法波速測試的資料處理上,室內我們采用武漢巖海公司剪切波分析程序將現場儀器測試的記錄進行數字解編,回放波形,并進行適當去噪聲處理,然后將每個測點上正反兩個方向敲擊激振板得到的兩個橫波記錄進行重疊。在理想狀態下,重疊的兩個橫波波形極性相反。根據極性相反這一特點以及縱波速度大、頻率高,橫波速度小、頻率低的特性,可以較清晰地對橫波(剪切波)進行識別,并對橫波初至時間進行拾取(圖4)。

圖4 剪切波初至時間拾取示意圖Fig.4 Schematic diagram of picking up the first break time of shear wave

對原始數據初至時間拾取后,對剪切波的初至時間進行孔口(偏移)時間校正,繪制時距曲線圖(圖5,深度H為縱坐標,時間T為橫坐標),根據時距曲線圖中各深度段斜率的變化再結合鉆孔地質分層情況分出各波速段,并計算出各段的剪切波平均速度(表1)。

表1 G144#孔波速測試剪切波記錄計算表

圖5 G144#孔波速測試剪切波時距曲線圖Fig.5 Time distance curve of G144# borehole wave velocity test

根據《建筑抗震設計規范》(GB50011-2010)(2016版),土層的等效剪切波速按下列公式計算:

Vs e=d0/t

(3)

(4)

式中:Vs e為土層等效剪切波速(m/s);d0為計算深度(m),取覆蓋層厚度和20 m二者較小值;t為剪切波在地面至計算深度之間的傳播時間(s);di為計算深度范圍內第i土層的厚度(m);Vs i為計算深度范圍內第i土層的剪切波速(m/s);n為計算深度范圍內土層的分層數。

由計算結果可知,該場地9個波速孔孔深度40 m內均無剪切波速大于500 m/s的土層,故建筑場地覆蓋層厚度d大于20.0 m。取20 m以上地層計算等效剪切波速度,經計算G144#孔的等效剪切波速Vs e20為208.33 m/s。

2.3 測試成果

經過資料處理和計算,宿州市擬建某棚改安置區CX102-04-02地塊項目9個波速孔土層的等效剪切波速度見表2。

表2 各孔等效剪切波速成果表Tab.2 Equivalent shear wave velocity results of each borehole

根據勘察資料并結合區域地質資料,該建筑場地覆蓋層厚度d大于50.0 m,9個孔的等效剪切波速Vs e20為201.29 m/s～210.73 m/s,平均值為205.52 m/s。由表3可知,該建筑場地類別為Ⅲ類,場地土類型屬中軟場地土,估算場地卓越周期為T=0.389 s。

表3 各類建筑場地的覆蓋層厚度Tab.3 Overburden thickness of various construction sites

3 宿州市區建筑場地類別劃分特征研究

3.1 宿州市區地質背景

宿州市位于黃淮平原南端,安徽省東北部,是安徽省的北大門,是長三角城市群、中原經濟區重要節點,宿淮蚌都市圈、宿淮城市組群城市,安徽區域中心城市之一。歷史上黃河曾多次決口和改道,奪淮河而入海,淮河與黃河的泛濫使淮北平原上堆積了厚達200 m左右的第四紀土層,多為粘性土和粉細砂互層,宿州市區及近郊無基巖出露[7]。

宿州市區地層屬華北地層大區,晉冀魯豫地層區,徐淮地層分區,淮北地層小區,第四紀地層發育,厚80 m～100 m,北薄南厚,自下而上描述如下:①下更新統桃園組(Q1t);②中更新統潘集組(Q2p);③上更新統茆塘組(Q3m);④全新統蕭碭組(Q4x)。

3.2 研究對象

場地剪切波速與場地類別數據,一般是通過鉆孔及孔內原位測試的技術方法來獲取的。為研究宿州市區建筑場地類別劃分特征,筆者收集了2012年-2021年宿州市區40個建筑場地的工程勘察資料,共201個鉆孔的土層等效剪切波速Vs e20數據,該40個建筑場地幾乎均勻分布于宿州市區的各個位置,場地類別均為Ⅲ類,201個鉆孔的土層等效剪切波速度Vs e20介于195.3 m/s～225.9 m/s之間,平均值為209.18 m/s(圖6)。通過對已有的波速進行統計分析,進而尋找該區域的建筑場地類別劃分的特征規律。

圖6 Vs e20數據散點圖Fig.6 Vs e20 data scatter plot

3.3 統計分析

宿州市區40個建筑場地的201個鉆孔土層等效剪切波速統計結果:最大值為225.9 m/s、最小值為195.3 m/s、平均值為209.18 m/s、標準差為4.43 m/s。圖7為201個鉆孔Vs e20數據直方圖和根據統計結果(平均值、標準差)畫出的正態分布曲線。從圖7可以看出,本次收集的宿州市區201個鉆孔Vse20數據直方圖和正態分布曲線形態基本擬合。

圖7 Vs e20頻數直方圖及正態曲線Fig.7 Vs e20 frequency histogram and normal curve

為檢驗本次收集宿州市區201個鉆孔Vs e20數據的分布情況,對原始數據做正態Q-Q圖(圖8)。Q-Q圖是一種散點圖[8],對應于正態分布的Q-Q圖,是由標準正態分布的分位數為橫坐標,樣本值為縱坐標的散點圖,要鑒別樣本數據是否近似于正態分布,只需看Q-Q圖上的點是否近似地在一條直線附近,圖形是直線說明是正態分布,而且該直線的斜率為標準差,截距為平均值。從圖8中可以看出,樣本數據點近似地在一條直線上,該直線的斜率約為4.4,截距約為209,與計算的標準差和平均值吻合。故本次收集的宿州市區201個鉆孔等效剪切波速度近似地呈正態分布特征。

圖8 Vs e20正態Q-Q圖Fig.8 Vs e20 normal Q-Q plot

根據正態分布的3σ(μ為平均值,σ為標準差)原則[9]:數值分布在(μ-3σ,μ+3σ)中的概率為0.997 4,服從正態分布的數據幾乎集中在(μ-3σ,μ+3σ)區間內。由此,推算出宿州市區類似地層條件的土層等效剪切波速度在195.89 m/s～222.46 m/s之間。

3.4 宿州市區建筑場地類別劃分特性

根據推算的宿州市區類似地層條件的土層等效剪切波速度為195.89 m/s～222.46 m/s,市區覆蓋層>50 m,判定宿州市區類似地層條件的建筑場地類別為Ⅲ類。

收集的宿州市區40個建筑場地工程勘察資料中,201個鉆孔Vse20在195.3 m/s～225.9 m/s之間,場地類別均為Ⅲ類,符合上述推算結果。

由于地層的剪切波速與地層的土質類型、狀態、埋深等有關,也與相鄰地層有關,影響地層剪切波速的客觀因素有很多[10]。本次收集的宿州市區40個建筑場地不能完全覆蓋宿州市區所有區域,只對該地區類似地層條件的場地而言,收集到的資料統計分析的結果具有一般性特征,不排除局部個別區域地層變化大,所測土層等效剪切波速和場地類型與統計分析結果不同的情況。

4 結論

經過對宿州市區其中一個建筑地塊的9個波速孔進行單孔法波速測試,結合工勘地層資料,計算出各個波速孔的不同地層的剪切波平均層速度,參考宿州市區覆蓋層厚度d大于50 m,取20 m以上地層計算的該9個孔的土層等效剪切波速度Vs e20為201.29 m/s～210.73 m/s,平均值為205.52 m/s,判斷該建筑地塊場地類別為Ⅲ類。

根據宿州市區覆蓋層厚度d大于50 m和收集的40個建筑場地的201個鉆孔土層等效剪切波速及場地類別數據,基于統計分析,得出宿州市區類似地層條件的土層等效剪切波Vs e20近似地呈正態分布特征,估算范圍在195.89 m/s～222.46 m/s ,預測建筑場地類別為Ⅲ類。

單孔法波速測試是巖土工程勘察中一種原位測試技術。它的激發信號由人工產生,便于控制,利于測試各個層位的波速,可適用于泥漿較稀、無堵塞的鉆孔,不受水位影響,井斜、孔徑等影響較小。相比跨孔法,它不需要更多的鉆孔,節約了測試成本;相比面波法,它不需要復雜的儀器設備以及后期復雜的資料導致的誤差。單孔法波速測試具有快速簡便、經濟、結果準確等優點,通過工程實例證實,應用單孔法測試土層等效剪切波速度,進而進行土層類別評價具有顯著效果。