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1、年月西宁市区土层剪切波速随深度变化特征苏旭 ,杨丽萍 ,邹海宁(青海省工程地震研究院 ,青海 西宁810001)摘要 :通过对西宁市区 67个钻孔剪切波速资料整理 ,采用最小二乘法进行统计回归分析 ,得到西宁市土层剪切波速 VS 随土层埋深 H 的经验关系式 , 西宁市典型土类 VS 与 H 的经验关系 。并且通过实测 剪切波速与预测剪切波速的对比 ,验证所得经验关系式的适用性 。关键词 :剪切波速 ;统计回归 ;经验关系式 ;西宁市区中图分类号 : P31518文献标识码 : A文章编号 : 1005 - 586X ( 2009) 01 - 0012 - 05川河和南侧的南川河在市中心汇入湟
2、水河 ,这些河流将盆地分割成四大块 ,盆地周边为低山丘陵 ,高程一般在 2 200 2 900m 之间 ,由河川 级以 上阶地及基岩低山组成 ;西宁市区沿湟水河 、北川河 、南川 河 构 成 的“十 ”字 型 河 谷 地 带 展 布 , 即级阶地 。西宁地区第四系较发育 ,广泛分布于湟水河0 引言场地土的剪切波速是描述土体工程特性的一个重要动力学参数之一 ,通过剪切波速测试 ,可评 价场地类别 、土的物理力学指标判定等 ,广泛应用 于工程地质勘察 、地震反应分析以及建筑抗震设 计等方面 。土的剪切波速与岩土类型 、覆盖层厚 度 、土体密度等密切相关 。大量的实测数据表明 ,土的剪切波速随土层埋
3、深的增加会呈现增加的趋 势 。根据这特点可以统计分析出剪切波速 VS 随 土层埋深 H 的经验关系式 ,而 VS 与 H 的经验关 系式又具有很强的地区性特点 。本文通过对西宁市区 67 个钻孔的实测剪切波速资料进行统计分析 ,得到西宁市区土层剪切 波速 VS 与土层埋深 H 的经验关系式 , 以及典型 土类剪切波速 VS 与土层埋深 H 的经验关系式 。及其支流河谷两侧 、陡坡下缘缓坡带及山丘顶部 。沉积物主要有 : 全新统洪冲积物 、坡积物 ,更新统冲积物和风积物 。河谷内 级阶地第四系覆盖层厚度相对较小 ,一般在 5 50m 左右 (图 1 ) 。地层分布相对较为简单 ,一般具有二元结构
4、 ,近地表一般覆盖为风积 、冲积黄土 ,其下为河流相的卵 石层 ,下伏的第三系地层为内陆湖相碎屑沉积 ,岩性以泥质岩 、砂岩 、石膏岩互层为主 。2 西宁地区第四纪地层层序特征 1 根据沉积 相 、地 层 层 序 、孢 粉 及 粒 度 特 征 分 析 、浅层地震剖面探测和光释光测年等 ,依据青海 省区域地质调查报告 ( 1 50 000 , 1985 ) 中的年代 地层和岩石地层的划分方案 ,初步建立了西宁盆 地第四纪地层格架 (表 1 ) 。自上而下岩性特征如下 : ( 1 )全新统 。1 西宁市地质地貌概况西宁市位于湟水 (西宁 ) 盆地中部的北西西 向湟水河谷地之中 。湟水 (西宁 )
5、盆地是青藏高 原东 北 部 的 第 三 系 盆 地 。北 侧 海 拔 为 4 000 6 000m的达坂山脉 ,南侧是海拔 4 000m 以上的拉 脊山 ,在北东东向区域主压应力的作用下 ,两侧地 质单元向中间逆冲 ,盆地内部新生代地层形成宽 缓的褶皱 。湟水自西向东横穿盆地 ,河谷两岸形坡积堆 积 (Qd1 ) : 发 育在 陡坡 下 缘 的 缓 坡4图 1 西宁市第四系等厚线分布部分滑塌堆积 。堆积物为土黄色黄土状土和含砾黄土状土及砾石 、块石混杂堆积 。厚度 15m。洪冲积 :分布在湟水和其支流河谷及两侧 , 为现代河床砂 、砾堆积 、河漫滩堆积和 级阶地砂 砾石层 ,上覆黄土状土堆积
6、。现代河床砂 、砾堆积为未固结的青灰色砂砾石 ,磨圆度较好 ,分选一般或不好 。河漫滩堆积物为土黄色黄土状土 、褐红色砂质粘土等 ,厚度为数厘米至数米 。阶地堆积 由两部分组成 ,下部为砂砾石层 、砾石层 ,松散 ,砾 石成分较复杂 ,具冲 、洪积特点 ,呈基座式直接覆 于基岩的上方 ,厚度 1. 53m;上部由黄土状土组成 ,夹砂砾层或透镜体 ,厚度 0. 5 2m。表 1西宁地区第四系划分简表厚度 (m )时代成因类型及岩性分布地区洪冲积 :现代河床砂 、砾堆积 ,河漫滩 级阶地砂砾石层 ,上覆黄土状土 。坡积 : 黄土状土 、含砾黄土状土及砾石 、块石混杂堆积 。风积 : 土黄色黄土 (
7、马兰黄土 ) 。洪冲积 : II级阶地 ,红黄相间泥质粉砂层 、黄色砂质粘土 ,底部灰色 、灰紫 色砾石层 。风积 : 灰黄色黄土 (离石黄土 ) 。洪冲积 : V 级阶地 ,灰绿色含砂砾石层夹浅黄绿色含砾砂层 、砂层透 镜体 。风积 : 午城黄土 。洪冲积 : 级阶地 。1. 5 51 52 605 10湟水及其支流河谷地带级阶地以下的陡坡下缘的缓坡带北川河西岸 级阶地之上 湟水及其支流河谷地带全新统上更新统20 11010 45西宁北山湟水及其支流河谷两侧中更新统10 502 15西宁北山湟水及其支流河谷两侧低山丘陵下更新统14高原地震第 21卷( 2 )上更新统 。由风积黄土和其下的洪冲
8、积层组成 。由风积黄土和其下的洪冲积层组成 ,出露于级阶地的不同标高上 。风积黄土 ( Qeo l ) 为土 黄色 、黄 色 , 由细 粉 砂 、风积黄 土 ( Qeo l ) 为 灰 黄 色 或 褐 黄 色 的 细 粉32粘土矿物及钙质组成的粘土质粉砂层 ,具土状结构 、块状构造 ,湿陷性明显 ,空隙和垂直节理发育 ,富含碳酸盐 。该层厚度 260m。 洪冲积层由上部的红黄相间泥质粉砂层 、黄色砂质粘土和下部的灰色 、灰紫色砾石层构成 。上部红黄相间泥 质粉 砂 层中 偶夹 砾 石层 或含 砾 石 ;黄色砂质粘土具水平层理 ,纹层厚度一般数厘 米 ,该层厚度约 1034m。在阶地后缘 ,因混
9、有棕红色的第三系泥岩碎屑而呈较强的红色调 ; 下部 砾石层中偶夹砂透镜体 ,砾石分选不好 ,磨圆度较 差至较好 , 成分主要为硅质岩 、花 岗 岩 、砂 岩 、砾 岩 、中性火山岩及灰岩 ;顶部因铁染呈黄褐色 。该 层厚度 210m ,为 级阶地 。在阶地后缘 ,砾石层中粘土含量增加 。( 3 )中更新统 。砂 ,矿物成分以石英 、长石 、黑云母和碳酸岩为主 ,暗色矿物和岩屑呈直径约 0. 53mm 的斑点状散 布其中 ,具土状结构 、块状构造 ,空隙较小 ,斜节理发育 。该层厚度 5 110m。洪冲积含砂砾石层 (Qp a l )呈灰色 、灰绿色 ,夹2黄绿色含砾砂层 、砂质透镜体 。砾石层
10、呈松散 半胶结状 ,砂质充填 、钙质胶结 。砾石成分主要为 石英岩 、硅质岩 ,次为中基性火山岩 、花岗岩 、灰岩及板岩 、千枚岩等 ,分选不好 ,从砂 巨砾均可见 ,磨圆度为圆状至次圆状 。该层厚度 10 45m。( 4 )下更新统 。冲积 、洪积 、冲洪积为主 ,厚度 2 15m ,与下 伏残积土呈角度不整合接触 。沉积物为灰黄色砂砾卵石 ,砾石表面呈褐黄色 ,夹粘质砂土和砂质粘土 。底界相当于地震波组解释的TQ 面 。图 2 实测剪切波速钻孔分布统计回归时 ,大多采用线性关系式 : VS = a + bH, 或3 选用资料情况本次工作所选用资料来源于西宁地区工程勘 察 ,或地震安全性评价
11、工作中实测剪切波速资料 , 并且为本院同一人员进行实地测试 。图 2为本次 工作选用样本钻孔分布图 ,从图上可以看出 ,钻孔 较为均匀的分布于西宁市区 ,从而保证了统计结 果的适用 性 。本 次参 与 统计 分析 的 钻孔 数量 为67个 ,总进尺 1 918m ,剪切波速采用单孔检层法 测试得到 ,采样间隔为 2m。无论是对于工程勘察 ,或地震安全性评价工 作 ,剪切波速最大的作用是确定场地覆盖层厚度 , 判定场地土类别 ,进而进行土层地震动反应分析 。建筑抗震设计规范 ( GB 50011 - 2001 )第 4. 1. 4规定 : 建筑场地覆盖层厚度的确定 ,一般情况下 ,应按地面至剪切
12、波速大于 500m / s的土层顶面的 距离确定 。本文所选钻孔资料 ,终孔时剪切波速 均大于 500m / s,并且绝大多数钻孔穿透第四系覆 盖层进入中风化泥岩 。也就是说 ,西宁市区建设 主要在湟水河 级阶地上进行 ,第四系覆盖层厚度相对较小 ,剪切波速通常达不到 500m / s, 一般情况下剪切波速在第三系中风化泥岩可以达 到 500m / s,部分地段覆盖层特别是卵石层较厚并 且胶结较好时 ,在卵石层可以达到 500m / s。隐线性关系式 V = aHb 两种形式 ,我国研究者对上S海 、西安和天津的 VS 资料分析表明 , 隐线性关系式b 2 - 5 VS = aH 是一个合理的
13、表达式。因此本文采b用隐线性关系式 VS = aH ,式中 VS 为剪切波速 (m /s) , H 为钻孔深度 (m ) , a、b为统计系数 。4. 1 不分土类的统计回归公式采用上述 67个钻孔 ,共 1 029 个采样点的剪 切波速实测资料进行统计回归 ,得到西宁市区不 分土类剪切波速沿深度变化规律为 :0. 4731( 1 )VS = 97. 656H, R = 0. 90734. 2 按土类分类的统计回归公式由于西宁地区第四系覆盖层厚度变化较大 ,本文还给出了西宁地区典型土类剪切波速沿深度变 化规律 ,其中粉质粘土 (黄土 ) 281 个采样点 ,卵石176个采样点 ,风化泥岩 48
14、7个采样点 ,关系式为 :粉质粘土 (黄土 ) :0. 3494( 2 )VS = 109. 673H , R = 0. 9070卵石 :0. 4268VS = 111. 378H , R = 0. 9014风化泥岩 :( 3 )0. 5584( 4 )VS = 82. 186H , R = 0. 87114. 3 回归公式有效性检验为了验证 本文 统 计回 归出 的 关 系 式 的 适 用性 ,选取青海万立调度通信楼工程场地的剪切波 速资料进行对比 , 场地位于西宁市胜利路 87 号(胜利路与新宁路交汇处 ) ,东侧紧邻胜利路 ,钻4剪切波速的统计分析目前 ,国内在进行剪切波速沿深度变化规律
15、的图 3 青海万立调度通信楼实测 、预测 VS 与 H 关系16高原地震第 21卷孔钻进深度 30m ,剪切波速测试采用单孔检层法 ,波速测试使用的仪器由 FD P204 型多功能工程测 试分析仪 、三分量检波器构成 。将实测剪切波速 曲线 ,采用不分土类的回归公式 ( 1 ) 、按土类回归 公式 ( 2 ) 、( 3 ) 、( 4 )分别计算得到的预测值 ,分别 绘在图 3中 。由图 3可见实测 VS 与预测 VS 具有很好的一致性 。在此类地区推广应用 。参考文献 : 1 青海省地震局 . 西宁市活断层探测与地震危险性评价技术报告 R . 西宁 : 青海省工程地震院 , 2007: 1-
16、30.陈国兴 ,等 . 南京城区岩土体剪切波速与土层深度 的关系 J . 南京建筑工程学院学报 , 1998, ( 2 ) (总 第 45期 ) : 32 - 37.安卫平 ,等 . 太原地区剪切波速的深度分布 J . 山 西地震 , 1997, ( 1 - 2 ) (总第 88 - 89期 ) : 88 - 93.高 飞 ,孙小刚 . 上海地区场地剪切波速的特征分析 J . 上海地质 , 2005, ( 2 ) (总第 94期 ) : 27 - 29.李存志 . 昆明盆地剪切波速与地基特性相关分析研 究 J . 昆明冶金高等专科学校学报 , 2006, 22 ( 3 ) : 1- 5. 2
17、5 结束语本文所选取的钻孔资料分布在 级 阶 地 ,第四系覆盖层厚度相对较小 。在市区内实测 结果与预测结果具有较好的一致性 。西宁市城北生物园区山前黄土覆盖层达 5070m ,以及高阶地 , 因无实测剪切波速资料 , 未统 计在内 ,缺乏对比资料 ,因此本经验关系式不建议 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 thod. A nd comp a rison of the ac tua l shea ring wave ve loc ity and the fo reca st ve loc ity, the emp irica l re la tion is te sted and ve rified to be app li2 cab le.Key word s: Shea r in g wa ve ve loc ity; S ta t ist ica l regre ss ion; Em p ir ica l re la t ion; X in in g a rea
