上海市區(qū)工程場地地震波速調(diào)查與評價

上海市區(qū)工程場地地震波速調(diào)查與評價

上海是世界著名的國際城市之一。自“改革開放”以來，經(jīng)過大規(guī)模的擴(kuò)建和重建，“三公三橫”高架道路完成。先后完成了地鐵1號、2號、明湖1號、珠江3號、金茂大廈等高標(biāo)準(zhǔn)建筑。規(guī)劃實(shí)施外環(huán)線和磁浮線。為此,進(jìn)行工程場地地質(zhì)調(diào)查及剪切波地震穩(wěn)定性評價,以了解場地土類型及場地類別、場地的液化勢和場地的地脈動卓越周期等,日益受到重視和關(guān)注。1沉積回轉(zhuǎn)沉積交通前人的地質(zhì)資料表明,上海市區(qū)的第四系厚度大于200m,自古更新統(tǒng)至全新統(tǒng)發(fā)育齊全;用于工業(yè)與民用建筑施工和建筑地基處理的工程地基土層厚達(dá)120m。吳淞—莘莊剖面地基土層資料顯示,自中更新世末期以來,韻律清晰:由于沒有揭穿,最底層沉積的沉積輪回是從粉砂層開始,至粉質(zhì)粘土層結(jié)束;第二層自中砂層始至粘土層終;第三層由粉砂層起始至粘土層止。全新世以來的土層沉積特點(diǎn)與下層不同,僅有沉積輪回的后半段,即缺失粗粒和中粒沉積物。其下亞層由粉砂層過渡到粘土層,上亞層則展現(xiàn)出淤泥質(zhì)粘性土層上覆著砂質(zhì)粉土層和粘性土層的特點(diǎn)。上海地區(qū)的研究成果表明,海侵時沉積物質(zhì)巖性多為灰色的砂礫石,反映了一個水下還原狀態(tài);海退時沉積物質(zhì)多為粘土物質(zhì),呈現(xiàn)其出露地面時成土作用中有氧化鐵的積聚與沉淀。原始沉積物在遷移、沉積過程中,各種礦物發(fā)生重力分選作用,由下而上,礦物粒徑從大變小,粘土礦物(懸浮沉積物)在上,而巖屑(石英)在下,構(gòu)成這種沉積物質(zhì)鏈所揭示的沉積輪回。沉積物層自然也構(gòu)成了沉積韻律。2單孔波速測試方法由于各土層的沉積年代不同,其土質(zhì)顆粒度、孔隙度及密度等物理力學(xué)性質(zhì)存在差異,彈性波在各地層中的傳播速度有所不同。彈性波的傳播,實(shí)質(zhì)上是應(yīng)力和應(yīng)變在介質(zhì)中的傳播。其特性取決于介質(zhì)受力狀態(tài)和傳播介質(zhì)的物理力學(xué)性質(zhì),如彈性模量Ed、剪切模量Gd和泊松比μ等。根據(jù)彈性波理論,波在地層介質(zhì)中傳播時,波速與巖土的物理力學(xué)參數(shù)有下列關(guān)系vp=√E(1-μ)ρ(1+μ)(1-2μ),vs=√E2ρ(1+μ),Gd=ρv2s,Ed=2ρv2s(1+μ),(1)vp=E(1?μ)ρ(1+μ)(1?2μ)?????????√,vs=E2ρ(1+μ)??????√,Gd=ρv2s,Ed=2ρv2s(1+μ),(1)式中,vs為橫波波速,vp為縱波波速,ρ為質(zhì)量密度,Ed為動彈性模量,Gd為動剪切模量。單孔波速測試技術(shù)就是建立在這一理論基礎(chǔ)上。在地面,水平正、反方向敲擊釘耙式激震板,產(chǎn)生低頻豐富的剪切波并向土層四周傳播;井中,由抗干擾強(qiáng)、靈敏度高的三分量傳感器接收并存儲正、反向波形數(shù)據(jù)。土層的剪切波速度vs直接與地層的物理力學(xué)參數(shù)相關(guān)。彈性波初至?xí)r(T)拾取后先作斜距校正,再進(jìn)行彈性波波速計算。斜距校正公式為Τ=ΚΤL,Κ=Η+Η0√L2+(Η+Η0),(2)T=KTL,K=H+H0L2+(H+H0)√,(2)式中,TL為實(shí)測彈性波初至?xí)r,T為經(jīng)校正后的彈性波初至?xí)r,K為斜距校正系數(shù),H為測點(diǎn)的深度,H0為震源與測試孔口的高差,L為震源中心至測試孔的水平距離。彈性波波速計算公式為vi=Ηi-Ηi-1Τi-Τi-1；v=ΔΗΔΤ(3)vi=Hi?Hi?1Ti?Ti?1；v=ΔHΔT(3)式中,vi為第i測點(diǎn)彈性波波速,Hi、Hi-1為第i、第i-1測點(diǎn)的深度,Ti、Ti-1為第i、第i-1測點(diǎn)校正后的彈性波初至?xí)r,v為波速層平均彈性波波速,ΔH波速層厚度,ΔT為彈性波傳到波速層頂面和底面的時間差。2.1段證號法上各層膠結(jié)充填層預(yù)埋件波速層上海市區(qū)的研究成果表明,自中更新世末期至全新世,上海市區(qū)曾發(fā)生過4次海侵,因此出現(xiàn)了5個表征為剪切波波速自高變低的沉積輪回(表1):(1)第一沉積輪回波速依次為402m/s→386m/s→(?m/s),相應(yīng)土性則為粉砂→粉質(zhì)粘土→粘土。(2)第二沉積輪回波速依次為373m/s→362m/s→353m/s→296m/s,對應(yīng)土性則為中砂→粉、細(xì)砂→粉質(zhì)粘土。(3)第三沉積輪回波速依次為396m/s→310m/s→201m/s→248m/s→235m/s,相應(yīng)土性則為粉細(xì)砂→粉砂→砂質(zhì)粉土→粉質(zhì)粘土→粘土。(4)第四沉積輪回波速依次為294m/s→233m/s→194m/s→190m/s→143m/s→129m/s,對應(yīng)土性則為粉砂→粉質(zhì)粘土→粉砂→粘土→淤泥質(zhì)粘土→淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土。(5)第五沉積輪回波速依次則為150m/s→122m/s→113m/s→103m/s,相應(yīng)土性則為砂質(zhì)粉土→砂質(zhì)粉土→粉質(zhì)粘土→粘土。由表1可見,上海市區(qū)工程場地可分為以下10個波速層,自上至下為:(1)第一波速層波速變化為99～103m/s,平均波速102m/s,為砂質(zhì)粉土—粘土—填土層,厚度2～4m。(2)第二波速層波速變化為110～163m/s,平均波速133m/s,為淤泥質(zhì)粘土—淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土—粉質(zhì)粘土層,埋深-4～-6m以下;(3)第三波速層波速變化為170～266m/s,平均波速204m/s,為粉質(zhì)粘土—粉砂—粘土層,埋深-10～-17m以下;(4)第四波速層波速變化為234～253m/s,平均波速242m/s,為粉質(zhì)粘土—粘土層,埋深-24m～-46m以下;(5)第五波速層平均波速201m/s,為砂質(zhì)粉土層,埋深-27～-54m以下。(6)第六波速層波速變化為271～334m/s,平均波速310m/s,為粉砂層,埋深-34～-60m以下;(7)第七波速層平均波速396m/s,為粉細(xì)砂層,埋深-30～-39m以下;(8)第八波速層波速變化為292～300m/s,平均波速296m/s,為粉層粘土層,埋深-49～-63m以下;(9)第九波速層波速變化為351～377m/s,平均波速366m/s,為中砂—粉、細(xì)砂層,埋深-60～-88m以下;(10)第十波速層波速變化為375～406m/s,平均波速391m/s,為粉砂—粉質(zhì)粘土層,埋深-90m以下;吳淞—莘莊剖面場地剪切波波速測試成果,大致反映出上海市區(qū)某一結(jié)構(gòu)土體在動力作用下的動變形特征。其影響因素較為復(fù)雜,包括地下水飽和度、沉積地質(zhì)環(huán)境、土顆粒特性(孔隙度、密實(shí)度)等。由此可見,波速總體上隨深度呈階梯狀增大,僅在第一與第二波速層間、第三與第四波速層間、第四與第五波速層間和第七與第八波速層間出現(xiàn)降低臺階。2.2粉砂層及亞層由于城市工程建設(shè)上的原因,地表以下15m范圍內(nèi)土層的物理力學(xué)性質(zhì),尤其引起人們的注意。根據(jù)剪切波波速結(jié)構(gòu)特點(diǎn)(表2),分層如下:(1)2-1粘土層平均波速較低,僅103m/s左右,主要分布于市區(qū)西南部。(2)2-3砂質(zhì)粉土層平均波速只有120m/s左右,主要分布于蘇州河流域和市區(qū)西南部。(3)3-2砂質(zhì)粉土層主要分布于市區(qū)北部沿長江區(qū)域,平均波速達(dá)150m/s。(4)4-3淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層由兩個亞層組成:上亞層平均波速為127m/s,遍布市區(qū)全域;下亞層平均波速略高于上亞層,達(dá)140m/s,主要分布于浦西的西南部。(5)5淤泥質(zhì)粘土層由2個亞層組成:上亞層平均波速為140m/s,遍布市區(qū)全域;下亞層平均波速約164m/s,主要分布于浦西的北部。(6)6-1粘土層主要由3個亞層組成:上亞層平均波速為173m/s,主要分布于浦西;中亞層平均波速197m/s,遍布市區(qū)全域;下亞層平均波速達(dá)226m/s,主要分布于浦西。(7)7-2粉砂層在-15m范圍內(nèi)僅有2個亞層:上亞層平均波速約160m/s,主要分布于黃浦江流域;次亞層平均波速達(dá)214m/s,遍及市區(qū)全域。3地表土層結(jié)構(gòu)區(qū)域工程場地的地震穩(wěn)定性評價,通常著眼于地表以下15m范圍內(nèi)的土層。其評價指標(biāo)主要為場地土類型及場地類別、場地液化勢和場地地脈動卓越周期。3.1針對不同土層厚度的土壤條件的物理特性國家對該評價指標(biāo)制訂了《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GBJ11-89),具體可見表3。根據(jù)表2中-15m范圍土層剪切波波速資料統(tǒng)計,土層平均剪切波波速僅為129m/s,對照表3,可以認(rèn)為上海市區(qū)區(qū)域工程場地土類型屬軟弱場地土。土層結(jié)構(gòu)表明,上覆土層(填土、粘土、砂質(zhì)粉土)的剪切波波速不高,變化于103～150m/s之間,厚度僅為4～11m;下臥的軟弱土層多屬高壓縮性、高靈敏度、低強(qiáng)度、低滲透性淤泥質(zhì)土,剪切波波速僅為127～140m/s,厚度達(dá)7～19m不等。反映土層土顆粒特性的物理力學(xué)參數(shù)也表明,上海市區(qū)-15m范圍內(nèi)的土層總體為軟弱地基土。由于上海地區(qū)第四系較為發(fā)育,區(qū)域工程場地覆蓋層厚度遠(yuǎn)大于80m。根據(jù)上海市區(qū)區(qū)域場地土類型和場地覆蓋層厚度,對照表3,可以確定地表以下15m內(nèi)土層為Ⅳ類建筑場地。3.2自振周期的計算場地土橫波速度是工程場地土在動荷載條件下對地震波傳播特性的真實(shí)響應(yīng)。為準(zhǔn)確估計和防止產(chǎn)生共振作用,必須使工程設(shè)施的自振周期避開場地的卓越周期,可利用經(jīng)驗公式來計算場地土的卓越周期。經(jīng)驗公式為Τg=n∑i=14Ηivsi,(4)式中,Tg為地脈動卓越周期,Hi為第i層土厚度,vsi為第i層土平均橫波速度。計算結(jié)果表明,全新統(tǒng)覆蓋較厚的上海市區(qū)南部場地地脈動卓越周期相對較低,約為0.65s,市區(qū)北部區(qū)域可達(dá)0.8s,其它區(qū)域通常約0.7s。3.3剪切波速變化眾所周知,當(dāng)近地表20m范圍內(nèi)的粉性土和砂性土處于飽和狀態(tài)且遭受外力作用或振動時,由于交變周期應(yīng)力作用的結(jié)果,土體中的孔隙水壓力急劇增加,導(dǎo)致砂土抗剪強(qiáng)度驟然下降,失去其原有的承載能力,致使土體失穩(wěn),很容易發(fā)生土層內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞,造成場地液化。因此,在地震條件下,可依據(jù)土層動剪應(yīng)變量值是否超過液化臨界值來判別飽和粉性土和砂性土的液化程度。動剪應(yīng)變量值計算公式為re=0.65amaxhrdv2s(G/Gmax)re。(5)式中,amax為地面最大加速度,h為地基土深度,rd為某一深度的應(yīng)變折成系數(shù),G/Gmax為應(yīng)變?yōu)閞e時的模量析成系數(shù)計算公式為砂土:vscr=Κc√ds-0.0133d2s(6)粉土:vscr=Κc√ds-0.01d2s(7)式中,vscr為飽和砂土或飽和粉土液化剪切波速臨界值;Kc飽和砂土取92,飽和粉土取42;Ds為砂層或粉土層剪切波速測點(diǎn)深度。據(jù)計算成果分析,在Ⅶ級地震烈度條件下,不易發(fā)生土層液化的動剪切模量Gd一般小于0.50×102MPa,動剪應(yīng)變量γe<2.00×10-2%,剪切波波速大于液化剪切波速臨界值;易發(fā)生土層液化的動剪切模量Gd則大于0.50×102MPa,動剪應(yīng)變量γe均大于2.50×10-2%,剪切波波速小于液化剪切波速臨界值。上海市區(qū)的北部河口帶、黃浦江和蘇州河局部河段的兩側(cè),以及西部局部地區(qū),埋深小于15m的部位的砂性土具有時代新、埋藏淺、地下水位高、飽和松散等特性,在地震烈度Ⅶ度時,可能發(fā)生震動液化。前人的研究成果表明,1500a以來發(fā)生的地震記錄顯示,不管是上海本地的地震,還是鄰近地域地震的波及,對上海造成的地震影響都沒有超過7度?？傮w上來看,上海地區(qū)地震具有震級小,強(qiáng)度弱頻率低的特點(diǎn),較少發(fā)生5級以上地震(歷史地震中6度以上僅有4次)。區(qū)內(nèi)與地震發(fā)生有關(guān)的活動性斷裂不發(fā)育,有昆山—嘉定斷裂、張堰—南匯斷裂、太倉—奉賢斷裂、大場—周浦?jǐn)嗔训?因而地震活動基本上沿活動斷裂成帶分布。作為2級以上地震集中分布帶(浙江蕭山—上海金山帶)僅通過上海市區(qū)東南部,下?lián)P子地震帶大致沿長江斷裂破碎帶分布,地震烈度多有5度左右。因此,從總體上來看,地震對上海市區(qū)的區(qū)域工程場地影響不會很大。井中波速測試成果表明,上海市區(qū)淤泥質(zhì)粘土層以下各土層剪切波速變化于152～429m/s之間,大于震陷影響平均剪切波速臨界值,且淤泥質(zhì)粘土層4～37m以下土層地質(zhì)年代已屬晚更新世。因此,根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)定》(GB50021-94)有關(guān)規(guī)定,可以認(rèn)為Ⅶ級地震情況下,工程場地不會發(fā)生震陷災(zāi)害。4地表以下15m范圍內(nèi)土層動力特性的震害指數(shù)土層的剪切波速度vs往往反映了地層的某種物理力學(xué)性質(zhì)。早在上世紀(jì)50年代,美國科學(xué)家大量采用地震波速來研究場地的類別、場地土抗震性,包括場地液化判別和震陷的預(yù)測;日本和我國科學(xué)家對橫波速度與地基土剛度、承載力等做了許多研究,并應(yīng)用于工程實(shí)踐。1.上海市區(qū)基巖以上疏松層全部劃歸第四系,厚達(dá)300m以上,由未固結(jié)的砂土組成,海相和陸相成因。由于與地震發(fā)生有關(guān)的活動性斷裂不發(fā)育,地震對上海市區(qū)的區(qū)域工程場地影響不會很大。即使在地震設(shè)防烈度Ⅶ度情況下,僅在北部河口帶、黃浦江和蘇州河局部河段的兩側(cè),以及西部局部地區(qū)可能發(fā)生震動液化。但市區(qū)工程場地不會發(fā)生震陷災(zāi)害。2.利用經(jīng)驗公式計算地表以下30m范圍內(nèi)地脈動卓越周期,上海市區(qū)大致變化于0.65～0.8s,必須使工程設(shè)施的自振周期避開這一范圍值,以避免因其振作用導(dǎo)致軟弱場地的柔