土体剪切波速是地震横波(剪切波)在土中的传播速度,它是工程场地地震安全性评价和岩土工程勘察工作中一个重要的物理量。目前在岩土工程中对剪切波速的研究和应用有:(1)划分建筑场地土类型和场地类别;(2)确定地基岩土的动力学参数;(3)估算地面常时微动的卓越周期;(4)评价地基饱和砂土、粉土液化的可能性(岩土工程勘察规范,2009; 建筑抗震设计规范,2010)。剪切波速一般受土层的成因、类型、成分、结构、物理状态等因素影响,对同一地区相同沉积环境的土层,由于形成的地质背景和成因相同,其剪切波速相差不大,并具有一定的统计规律(薄景山,1998)。国内许多学者对不同地区不同类型土的剪切波速与埋深关系进行了大量的研究,得到了许多有意义的成果:周锡元等(1991)对不同地区、不同土层的剪切波速特征进行了系统研究,得到了黏土、砂土、砾石、卵石、碎石等岩土层的剪切波速变化范围,以及北京、上海、天津等城市的剪切波速与埋深的变化规律; 刘红帅等(2010)依据我国地震安评工作中大量的钻孔实测剪切波速数据,建立了碎石土、砂土、粉土和黏性土等常规土类剪切波速与埋深间的统计公式; 对于缺少当地土层剪切波速经验公式的情况,《构筑物抗震设计规范》(GB50191—2012)根据岩土层的软硬状态和密实程度等性状特点,结合土层埋深也给出了常见类型土的剪切波速估算经验公式。但现有的研究均尚未具体给出红粘土剪切波速的估算经验公式。

红粘土是我国南方热带与亚热带地区较为常见的一种高塑性粘土,它主要是由白云岩、灰岩等碳酸盐系岩石风化残坡积,并经过长期缓慢的红土化作用形成。红粘土具有特殊的工程力学性质,主要表现出高含水量、大孔隙比、低密度等特点,但同时又具有高强度、低压缩性等良好力学性质(谭罗荣,孔令伟,2006)。在红粘土特性研究方面,以往研究多注重宏观地质(包括红粘土结构、成因)、物质组成、微观结构、结合水与土的胀缩性、强度特征、土质改良方法等,而对红粘土的剪切波速特性研究较少(周训华,廖义玲,2004; 王英辉等,2009; 吕海波等,2012; 王焕新,2012)。

针对目前国内对红粘土剪切波速特性研究中的不足和实际工程的需要,本文通过对柳州市柳东新区核心区域——官塘片区45个钻孔的红粘土土层剪切波速实测资料进行统计回归分析,得到了该地区红粘土剪切波速随埋深变化的统计经验公式,并应用于实际工程中。这些成果不仅对当地开展建设工程的场地地震安全性评价、岩土工程勘察等工作具有十分重要的参考价值,而且对积累红粘土的剪切波速经验也具有很重要的意义。

柳州市官塘片区位于柳东新区的东北部,下伏基岩主要为石炭系(C)白云岩,除个别钻孔表面分布有0～1 m厚的耕土或填土层外,上覆土层主要为原地风化残积的红粘土。红粘土呈棕红色、黄色,湿,土质均匀、致密,局部含少量铁锰结核及风化角砾颗粒,以硬塑状为主,粘性强,切面光滑,干强度较高,无摇振反应,层厚3～19 m。

图1 红粘土剪切波速统计钻孔分布图
Fig.1 The distribution map of statistical drill holes of shear wave velocity of red clay

现场剪切波速测试采用的方法为单孔测试法(又称检层法),使用的测试仪器为中国科学院武汉岩土力学研究所生产的RSM-24FD型工程测试仪,测试示意图如图2所示。单孔测试法是在钻孔孔口附近(2～4 m)设置厚木板并上压重物作为激振板,通过人工敲击产生以剪切波能量为主的震源,同时将检波器放置在钻孔内不同深度并保证其紧贴孔壁,测出孔口激发震源所产生的剪切波传到孔内不同深度所需的时间,经计算得出剪切地震波在岩土层中的传播速度。由于红粘土土质均匀,厚度不大,本文中各剪切波速测试点的间隔均取1 m。

图2 单孔法波速测试示意图
Fig.2 Schematic diagram of shear wave velocity measurement by single-hole method

目前国内统计分析岩土层剪切波速与埋深的变化规律采用的经验公式主要有线性函数、幂函数和多项式函数关系模型3种(高云峰,刘汉龙,2003)。对于粘性土而言,《构筑物抗震设计规范》(GB50191—2012)和许多学者都推荐采用幂函数关系模型进行统计分析,并取得较好的拟合效果(张小平等,2012; 高云峰,刘汉龙,2003; 周杨锐,董明明,2012; 邱志刚等,2011)。幂函数关系模型具体表示如下:

V_S=aH^b(1)

式中:V_S表示剪切波速,H表示土层埋深,a、b为待定系数。

根据上述统计分析方法,笔者将柳州官塘片区的45个钻孔的红粘土土层剪切波速测试结果绘制成散点图,通过添加趋势线拟合出其剪切波速与埋深间的幂函数回归曲线,并给出拟合参数和拟合优度R²,如图3所示。从图中可以看出,该片区红粘土的剪切波速值集中在200～300 m/s之间,随着土层埋深的增加,红粘土的剪切波速具有逐渐增大的趋势,两者间存在较明显的相关性; 采用幂函数关系模型的拟合优度接近0.8,表明统计的结果具有较高的可信度。

图3 红粘土剪切波速与埋深的关系曲线
Fig.3 Relation curve between shear wave velocity and the depth of red clay

表1 各地区粘性土剪切波速与埋深的经验公式
Tab.1 Empirical formulas between shear wave velocity and depth of clays in different regions

图4 各地区粘性土剪切波速随埋深变化的关系曲线
Fig.4 Relation curves between shear wave velocity and the depth of clays in different regions

为了验证本文成果的可靠性,选取柳州市官塘片区某一工程场地钻孔的实测剪切波速数据,采用《构筑物抗震设计规范》(GB50191—2012)推荐的估算硬塑粘性土剪切波速的经验公式V_S=130H^0.300以及本文总结的经验公式进行了对比,并计算了相对误差,以此来验证本文所提出的剪切波速统计经验公式的预测精度,具体结果如表2所示。

表2 规范推荐公式与本文经验公式预测剪切波速的对比分析
Tab.2 Contrast analysis of the predict shear wave velocity between standard formula and recommended empirical formula in this paper

由表2可知:本文统计经验公式计算的剪切波速相对误差最大为4.6%,最小为0.0%,相对误差均小于5%; 而规范推荐的公式所预测的剪切波速,绝大部分层位的相对误差超过5%,其中最大为25.2%。同时还可以发现,规范所推荐的经验公式在预测埋深较浅的红粘土剪切波速时,效果相对较差。初步表明,本文所提出的统计经验公式在预测柳州市官塘片区红粘土剪切波速时效果较好,计算结果相对可靠,可应用于实际工程。而根据规范推荐的硬塑粘土经验公式,在预测红粘土的剪切波速效果欠佳。因此本文统计的经验公式对当地而言,可作为规范公式,是一个很好的补充。

本文根据广西柳州市柳东新区官塘片区地震小区划的45个钻孔剪切波速实测数据,建立了该片区红粘土剪切波速与埋深的经验公式,与其它地区粘性土对比分析了红粘土剪切波速的分布特点,并通过实际工程场地实测结果将所建立的经验公式与《构筑物抗震设计规范》(GB50191—2012)的经验公式进行了比较验证。研究结果表明:

(1)柳州官塘片区红粘土的剪切波速随埋深的变化规律符合幂函数规律,建立的经验公式为:V_S=200.4H^0.143(R²=0.756)。

(2)与国内其它地区的粘性土剪切波速分布规律相比,柳州官塘片区红粘土在埋深较浅时具有较高的剪切波速,其剪切波速随埋深增加递增率相对较小,具体原因有待进一步研究。

(3)本文建立的经验公式用于实际工程预测红粘土的剪切波速效果好于《构筑物抗震设计规范》(GB50191—2012)推荐的经验公式,可供该地区实际工程估算研究红粘土的剪切波速借鉴使用。