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1、苏州城区深软场地土剪切波速与土层深度的经验关系第25卷,第2期2009年6月世界地震工程WORLDEARTHQUAKEENGINEERINGVo1.25No.2Jun.2009文章编号:10076069(2009)02001107苏州城区深软场地土剪切波速与土层深度的经验关系战吉艳,陈国兴,刘建达(1.南京工业大学岩土工程研究所,江苏南京210009;2.江苏省地震工程研究院,江苏南京210014)摘要:苏州地处长江下游冲湖积平原,第4系沉积土层发育,土层深厚,松软,远震,大震的长周期地震动对苏州城区的重大工程有可能造成严重震害.结合海侵地质成因,分析了苏州城区深软场地52个钻孔剖面的剪切波速
2、资料,发现剪切波速与土层深度的关系:40m以上浅土层基本符合线性函数分布,40m以下深土层基本符合幂函数分布;依据考虑和不考虑土体分类2种情况,给出了采用线性函数,幂函数分段形式拟合的苏州城区深软场地剪切波速随土层深度变化的经验关系,为苏州城区深软场地重大工程建设的场地地震效应评价提供了有益的基础性资料.关键词:苏州城区;深软场地;剪切波速;土层深度中图分类号:TU202文献标志码:AEmpiricalrelationshipbetweenshearwavevelocityandsoildepthondeepsoftsitesinurbanareaofSuzhoucityZHANJiyan,C
3、HENGuoxing,LIUJianda(1.InstituteofGeoteehnicalEngineering,Na.jingUniversityofTechnology,Nanjing210009,China2.JiangsuProvinceInstituteofEarthquakeEngineering,Nanjing210014,China)Abstract:UrbanareaofSuzhoucitylocatesonthealluvialorlacustrineplaininthelowerreachesofYangtzeRiv-er,whichiscoveredbyQuatern
4、arysedimentarysoillayer.Becauseofthethickandsoftlayer,longperiodgroundmotionoffarearthquakeorgreatearthquakemaycauseseriousdamagetosomeimportantengineeringprojectsinthisarea.Basedonanalyzingshearwavevelocitydataof52drillingholeprofiles,combininggeologicalgenesisoftransgression,therelationshipbetween
5、shearwavevelocityandsoildepthofdeepsoftsitescanbefoundthatthedistributionofthemaccordswithlinearfunctionabovethesoildepthof40meters.andaccordswithpowerfunctionunderdeeperthanthesoildepthof40meters.Accordingtotwocaseswithandwithoutconsideringsoilclassification,bothempiricalrelationshipsfittingwithpie
6、cewiselinearfunctionandpowerfunctionbetweentheshearwavevelocityandthesoildepthofdeepsoftsitesinurbanareaofSuzhoucityareobtained.ThisbeneficialbasicinformationcanbeprovidedtoseismiceffectevaluationofimportantengineeringprojectsondeepsoftsitesinurbanareaofSuzhoucity.Keywords:urbanareaofSuzhoucity;deep
7、softsites;shearwavevelocity;soildepth引言苏州作为长江下游三角洲平原经济发达地区之一,在江苏沿海,沿江,沿线开放战略及长江三角洲城市收稿日期:20090507;修订日期:20090716基金项目:国家自然科学基金重大研究计划项目(90715018);国家重点基础研究发展计划项目(2007CB714200)作者简介:战吉艳(1982一),女,博士研究生,主要从事土动_力学与城市地下结构抗震研究.E-mail:zjy一1004163.ecru12世界地震工程第25卷一体化战略中发挥着重大作用,近年来苏州城内重大工程项目发展迅速,如轨道交通,电力设施及区域供水工程
8、等生命线工程建设,已成为带动该地区经济发展的动脉;同时,由于独特的长江三角洲堆积环境,苏州城内形成第4纪的深厚软土堆积,远震,大震的长周期地震动对苏州的重大工程有可能造成严重的地震灾害.场地土剪切波速可用于场地类别划分,砂土液化判别,场地土动剪切模量和地基动力阻抗的确定,而且是城市地震小区划和重大工程场地地震安全性评价工作不可缺少的基本参数,因此,场地土剪切波速的测试是重大工程场地岩土工程勘察的一项重要内容.在城市同一区域进行大量,密集的工程建设,重复多次的深厚场地剪切波速测试不仅影响工程进度,而且加大工程投资,若能根据已有的钻孑L资料,结合当地的岩土成因和性状,给出合理的场地剪切波速随土层深
9、度变化的经验关系,将有利于加快该地区的重大工程建设进程,具有重大的社会和经济效益.苏州城区地质状况苏州城区位于长江三角洲南翼地区,太湖平原东北部,面积1650km,除西南为低山丘陵外,约4/5的面积为水网化平原区.工程地质条件差异较大,大部分地区疏松软土层发育,尤其是滨海平原和古湖沼地区,多为软弱粘性土及饱和砂性土.第4纪沉积土层厚度由西向东至平原区呈40180m之间的变化,属于典型的深厚软弱场地.该地区新生代以来新构造活动主要表现为垂直升降运动,西部丘陵山区处于缓慢抬升,东部平原区轻微下降.沉积从中生代开始,第4系发育齐全,具有自西向东逐渐增厚的变化规律.在地质剖面中显示出多旋回沉积韵律的特
10、点,河,湖,海沉积交替进行,成因比较复杂.图1所示的苏州市轨道交通1号线部分地段的地质剖面图反映了苏州城区深软场地的基本特征.竺一西外城河小站人:卜)一;:,-一,一雩竺:二_卜.30一45.一囝/图1苏州轨道交通1号线部分地段地质剖面图Fig.1EngineeringgeologicalprofileofSuzhourailtransitNo.1inpartialsections注:一1可硬塑粉质粘土粉土;一2可软塑粉质粘土;一1稍密粉土;一1软流塑粉质粘土夹粉土;一2稍密中密粉土粉砂;软流塑粉质粘土;一I硬可塑粉质粘土;一2可软塑粉质粘土;中密密实粉土粉砂;流软塑粉质粘土;可塑粉质粘土;密
11、实粉土;流塑粉质粘土第2期战吉艳,等:苏州城区深软场地土剪切波速与土层深度的经验关系13根据土层的沉积结构特征,在深度范围内主要可划分为9大层:(1)填土层(Qm1)褐灰灰色,局部褐黄色,上部为松散的杂填土,下部以素填土,耕植土为主,呈软可塑状,主要堆积于老城区,厚度一般为1.55.Om.(2)晚更新世(Q)冲,湖积相沉积成因土层1层粉质粘土粘土:黄褐色,灰黄色,可硬塑状态,含铁锰结核.层顶埋深0.83.6m,层厚1.24.8m,有缺失.2粉质粘土:灰黄色,下部渐变为灰色,可一软塑,层顶埋深3.07.5m,层厚0.45.Om,东环路一星明街一线缺失.(3)晚更新世(Q;I2)浅海相,海陆交互相
12、沉积成因土层1粉土:灰黄灰色,稍密状,摇振反应迅速,含云母片,偶见贝壳碎片,层顶埋深5.49.2m,层厚0.85.7m,阊胥路附近和平江路小学以东缺失.一1粉质粘土夹粉土:灰黄灰色,含云母片,偶见贝壳碎片,局部夹淤泥质粉质粘土,与粉土呈互层状,粉质粘土呈软流塑状,粉土呈稍密状,摇振反应中等,均一性较差,层顶埋深5.59.7m,层厚0.86.Om,分布无规律,呈透镜状,相门桥东环路一线分布较集中.一2粉土粉砂:灰色,夹薄层粘性土,透水富水性良好,稍密中密状态,见少量云母片和贝壳碎片,层顶埋深6.515.9m,层厚2.714.1m,主要发育于养育巷一人民路,阊胥路西,东环路站附近,西外城河附近缺失
13、.粉质粘土:灰色,局部夹淤泥质粉质粘土及薄层状粉土和可塑状的粉质粘土,以软塑流塑为主.局部含少量腐植物和贝壳碎屑,层顶埋深7.320.9m,层厚0.517.4m.(4)晚更新世(Qz_1)湖,冲湖积相沉积成因土层1粉质粘土:暗绿色,硬塑可塑,均质致密,夹粘土,层顶埋深20.025.7m,层厚3.38.3m,有缺失.2粉质粘土:褐黄色,灰色,可软塑,呈上硬下软状,均质性较差,局部地段无规律性地分布有薄层流塑状粉质粘土和粉土,微层理较发育,偶见铁质锈斑,夹泥质结核硬块,层顶埋深26.531.8m,层厚4.013.Om,局部缺失.3粉质粘土:灰色,软流塑,夹粉土,仅见于桐泾路站以西一处.(5)晚更新
14、世(Qz_J)冲湖积相沉积成因土层粉土粉砂:深灰色,中密密实状态,局部为细砂,透水富水性良好,局部夹粘性土薄层,层理发育,层顶埋深30.138.5m,大部未钻穿,层厚一般大于5.Om,局部较薄.(6)晚更新世(Q)泻湖相沉积成因土层粉质粘土:灰色,以流塑软塑,局部夹可塑状粉质粘土和粉土,粉砂,均一性差,见有贝壳碎屑,微层理较发育,仅在深孔中揭露,层顶埋深35.041.2m,层厚l0.421.8fn.(7)中更新世(Q;)冲湖积相沉积成因土层粉质粘土:灰绿青灰色,可塑,局部软塑,见微层理,仅在深孑L中揭露,层顶埋深55.261.6m,层厚大于5.Om.(8)中更新世(Q)的古沙洲相沉积成因土层粉
15、土:灰色,中密,摇振反应中等,局部夹粗砂和粉质粘土,仅在人民路站和阊胥路的深孔中揭露,层顶埋深59.868.1m左右,层厚大于4.Om.(9)中更新世(Q)滨海相沉积成因土层粉质粘土:灰色,流塑状态.仅在人民路站的深孑L中揭露,层顶埋深67.Om左右,未钻穿.从晚第四纪古地理环境来看,4万年来,苏州城区所在的长江三角洲南部平原变化总趋势与我国东部沿海其他地区相一致.该地区经历过两次大的海陆变迁活动.在海侵时期形成了太湖海湾及浅海相或泻湖相沉积,多粉质粘土或与粉土,粉砂,亚粘土互层,呈灰黄色或灰色;在海退时期形成暗绿色粘土或黄褐色粘土,亚粘土层.根据图1的工程地质剖面图,9大层次中的第3层及第6
16、层为海侵地层,且第6层土层深度处的这次海侵,海平面上升迅速,规模大,形成了巨大的海湾古太湖湾,海退时呈波动,回旋下降,对岩土体工程性质的影响较大.14世界地震工程第25卷2场地土剪切波速与土层深度经验关系的研究现状20世纪8O年代,Hardin等提出场地土剪切波速与土的孔隙比,土性,重度和土层深度有关;Ohta和Goto认为将场地土的标准贯人击数,深度,土的类型和地质年代一起考虑,可给出场地土剪切波速的最佳经验关系.Marshall考虑土体的性质,物理状态和饱和度,给出了场地土剪切波速与土层深度H的经验公式,s=aH,0,b为拟合参数.曾勇分析了西安,徐州,鞍山等地区的场地土剪切波速与土层深度
17、经验关系,认为土层深度是控制场地土剪切波速最重要的因素,并给出了非线性的经验公式=+b(日+C).许多学者对不同地区的场地土剪切波速与土层深度之间的关系进行了研究,如:周锡元等_4统计分析了沿海城市的场地土剪切波速资料,给出Vs=119Ho如的经验关系;胡钧等研究了上海的场地土剪切波速与土层深度之间的经验关系,建议其经验关系采用VB=o+bW的表达式;安卫平等考虑地形地貌因素对太原场地土剪切波速与土层深度经验关系的影响,给出了幂函数形式的经验关系式:98.27Ho?加;程祖锋等7分析了岩土成因,类型,物理状态和地貌类型对场地土剪切波速的影响,认为深圳地区淤泥质土,粘性土剪切波速与土层深度之间的
18、关系可用幂函数表示,砂类土,碎石土剪切波速与土层深度之间的关系可用为线性函数表示;蔺保云等研究了福州盆地场地土剪切波速与土层深度的经验关系,认为淤泥,粉质粘土适宜采用线性函数表示,砂土适宜采用二次项函数表示;徐国栋等研究了福建泉州规划区的场地剪切波速与土层深度之间的关系,考虑土体的成因和类别,给出了采用幂函数表示的剪切波速经验关系式;李存志等_】叫认为昆明盆地的场地剪切波速与土层深度之间的经验关系采用线性函数关系比较适宜;陈国兴等研究了南京城区场地土剪切波速与土层深度之间的经验关系,采用线性函数和幂函数形式给出了不同土类的经验关系.由此可见,不同研究者给出的场地土剪切波速与土层深度日之间的经验
19、关系,主要采用以下两种模型:模型1:Vs=n+6日(1)模型2:=n(2)3苏州城区场地土剪切波速测试钻孔位置的分布苏州城区场地土剪切波速现场测试采用悬挂式测井法,井下自激自收式仪器,精度高,能避免地表激励可能产生的干扰和误差.本文所用资料取自苏州城区的重大工程场地及轨道交通沿线的52个钻孔,其中:轨道交通1号线东部延线6个,2号线,4号线,控制中心工程场地43个,实验小学迁建工程1个,东吴农村商业银行办公楼2个,除两个钻孔深度为77m和83m外,其余50个钻孔深度均在100m左右.图2给出苏州快速轨道交通线网分布图,可以看出,场地土剪切波速的现场测试范围覆盖了苏州城区的大部分地区.苏州城区场
20、地土剪切波速随深度分布的基本情况列于表1.由表1可见,苏州城区场地土剪切波速明显随深度增大而增大;在40m以上浅部分,变化速率较大,在40m以下深部分,变化速率明显缓慢;在20m以上浅部分,场地土剪切波速现场测试数据点的离散性较小;在20m以下深部分,场地土剪切波速现场测试数据点的离散性相对较大,但总体分布仍极有规律,可以通过数学公式回归分析,给出场地土剪切波速与土层深度的经验关系.表1苏州城区场地土剪切波速随深度的分布范围(m/s)Table1Distributionrangeofshearwavevelocitywithsoildepthofdeepsoftsitesinurbanarea
21、ofSuzhoucity埋m120204040606080801003975714592O.4删苏I一图2苏州快速轨道交通线网分布图Fig.2LinenetworkdistributionofurbanrapidrailtransitinSuzhoucityO773弘25978850n值值值差小大均准最最平标第2期战吉艳,等:苏州城区深软场地土剪切波速与土层深度的经验关系l54苏州城区场地土剪切波速与土层深度经验关系的3种模型对比将52个钻孔的场地土剪切波速现场实测数据绘于图3中.可以直观地看出:大约在40m以上,随土层深度的增加,场地土剪切波速基本上呈线性增长,大约40m处有一个明显的转折,
22、40m以下,随土层深度的增加,场地土剪切波速变化速率明显减小.从图1的工程地质剖面图知,土层深度35.041.2m是苏州城区第一次受到海侵的地层深度,场地土剪切波速与土层深度之间的这种变化趋势可能与此地区曾受到海侵影响有关.因此,除选用公式(1),(2)两种数学模型进行回归分析外,考虑苏州城区的海侵影响,采用分段函数形式,将土层深度大约40m以上部分的l/s一关系用模型1的线性函数关系拟合,土层深度40m以下深部分采用模型2的乘幂函数关系拟合,得到模型3的关系式如下:ra+bH日h模型3:,s日(0hlOOm)(3)采用3种模型拟合的经验关系参数值列于表2.场地土剪切波速与土层深度H的拟合效果
23、见图3.可以发现,线性函数关系模型1的拟合效果最不理想,不符合苏州城区场地土剪切波速随土层深度的变化关系;幂函数关系模型2的拟合效果较为理想,但在土层深度大约40m处发生转折的位置不能很好拟合,且现场实测数据点未能均匀分布于拟合曲线两侧,分布趋势不太理想.线性函数,幂函数分段形式的模型3的拟合效果比较理想,可以比较好地反映苏州城区场地土剪切波速随土层深度增大而增大的变化趋势.表2苏州城区场地土剪切波速与土层深度日的3种经验关系比较.表2苏州城区场地土剪切波速与土层深度H的3种经验关系比较Table2Comparisonofthreeempiricmodelsbetweenshearwaveve
24、locityandsoildepthfordeepsoftsitesinurbanareaofSuzhoucity/(in.S)O10020030040o6006o0图33种模型的日经验关系拟合效果比较Fig.3ComparisonoffittingresultsofthreeempiricmodelsbetweenshearwavevelocityandsoildepthHfordeepsoftsites/(In?s-)10o20o30o40050o60o匿lll填土Ii粘土lii粉质粘j粉土圈粉砂01)钻孑1.I12Co)Ur35图4场地土剪切波速与土层深度关系的模型3预测结果与实测结果比
25、较Fig.4Comparisonofmeasuredresultswithpredictedresultsusingthirdmodelofrelationshipbetweenshearwavevelocityandsoildepthfordeepsoftsites0m锄s;m1】_16世界地震工程第25卷图4给出苏州轨道交通2号,4号线上钻孔J12,J35的剪切波速与土层深度的实测数据点及线性函数,幂函数分段形式的模型3预测的结果,可以看出,剪切波速与土层深度关系的预测曲线与实测曲线基本吻合.5不同土类下选用模型2和模型3的对比分析考虑土体类型对场地土剪切波速与土层深度关系的影响,将苏州城
26、区的土类划分为粘土,粉质粘土,粉土和粉砂4类,采用数学模型2和模型3进行回归分析,结果如图5所示,其经验关系的拟合参数值见表3.一受沉积环境的影响,粘土多分布于海退时期,成层分布,深度在2.955.7m,21.6529.5m和43.750.8m处,多分布在50m以上浅地层,由于场地土剪切波速测试数据点偏少,与土层深度的关系趋势采用幂函数形式的模型2更适合,见图5(a);粉质粘土在3一lOOm深度内均有分布,其中也含部分夹粘土或粉土的粉质粘土,在大约40m深度处有明显转折,与土层深度的关系趋势采用线性函数,幂函数分段形式的模型3更适合,见图5(b);粉土也表现出层状分布的特点,沉积数量较少,大多
27、分布在40m以下深土层和近地表处,采用模型2和模型3函数形式的拟合效果相当,而模型2更为简单,见图5(c);粉砂在40m以下深的地层中均有分布,近地表也有粉砂层分布,且含有大量粉砂夹粉土亚层,采用线性函数,幂函数分段形式的模型3的拟合效果更好,见图5(d).表3苏州城区按土类确定的剪切波速Vs与土层深度日的经验关系拟合参数Table3Fittingparametersofempiricalrelationshipbetweenshearwavevelocityandsoildepth日ondeepsoftsitesaccordingtosoiltypeinurbanareaofSuzhouci
28、ty0102030g40506o708090Vs/(m?S-)/(m.S-)100200300400500100200300400500(a)粘土(b)粉最粘土Vs/(In?S-)100200300400500/(InS)i0020030040050O(c粉土(d)粉砂图54类土体的剪切波速与土层深度关系的预测结果与实测结果比较Fig.5Comparisonofmeasuredresultswithpredictedresultsbyrelationshipbetweenshearwavevelocityandsoildepthfordeepsoftsitesclassifiedaccordi
29、ng4typesofsoil将表3中的剪切波速与土层深度日的经验关系拟合参数应用于苏州轨道交通2号,4号线上钻孔J12,J35,与土层剪切波速实测数据点的比较结果见图6.可以看出,剪切波速与土层深度关系的预测曲线与实测曲线基本吻合;粉质粘土和粉砂在整个土层深度中剪切波速的预测效果均较理想,有粘土和粉土的土层深度处预测效果较差,这可能与粘土和粉土的土层剪切波速实测数据点相对较少有关,所以分土类的拟合效第2期战吉艳,等:苏州城区深软场地土剪切波速与土层深度的经验关系17果反而不如不分土类的整体拟合效果理想./(ra.s_)01002fi03004005006006结论/(m.S-I)0100200
30、r硼400500600蓁龙团舭牡土豳粉土圈(a)钻孔J12钻孑Ll箱图6考虑土体分类的经验关系预测的场地剪切波速与实测结果的比较Fig.6Comparisonofmeasuredresultswithpredictedresultsbyrelationshipbetweenshearwavevelocityandsoildepthfordeepsoftsitesconsideringtypesofsoil(1)苏州城区场地土剪切波速与土层深度的关系,在40.5m以上浅土层符合线性函数分布,在40.5m以下深土层符合幂函数关系;采用线性函数,幂函数分段形式拟合的经验关系的预测结果与实测结果基本一
31、致,可以用于苏州城区深软场地土剪切波速的估算.(2)按土体类型,可将苏州城区的土体划分为粘土,粉质粘土,粉土和粉砂四类,粘土主要分布在50m以上浅土层,粉土和粉砂主要分布在40m以下深土层,粉质粘土在整个地层中均有分布.对于土层深度不大于50m的粘土和不小于40m的粉土,可采用幂函数形式模型2的经验关系预测场地土剪切波速与土层深度的关系;整个地层的粉质粘土和土层深度不小于40m的粉砂,可采用线性函数,幂函数分段形式模型3的经验关系预测场地土剪切波速与土层深度的关系.参考文献:1姜洪涛,王富葆,杨达源.苏州市晚第四纪古地理与T程地质条件研究J.地理科学,2003,23(1):8286.2Mars
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