基于典型地质特征分析的大同盆地<i>V</i><sub>S30</sub>预测研究

张龙飞; 董斌; 史琳娜

doi:10.11899/zzfy20200110

基于典型地质特征分析的大同盆地V_S30预测研究

doi: 10.11899/zzfy20200110

张龙飞^{1, 2,},
董斌^{1, 2},
史琳娜^{1, 2}

1.
山西省地震灾害研究所, 太原 030002
2.
太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站, 太原 030025

基金项目:

山西省面上青年基金 201701D221019

山西省地震局科研项目 SBK1925

山西省地震局科研项目 SBK2027

详细信息

作者简介:
张龙飞, 男, 生于1982年。硕士, 工程师。主要从事工程地震及地震地质研究。E-mail:89267561@qq.com

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出版历程
- 收稿日期: 2019-08-07
- 刊出日期: 2020-03-01

Study on V_S30 prediction of Datong Basin Based on the Analysis of Typical Geological Characteristics

Zhang Longfei^{1, 2
,},
Dong Bin^{1, 2},
Shi Linna^{1, 2}

1.
Shanxi Institute of Earthquake Disasters, Taiyuan 030002, China
2.
State Key Observatory of Shanxi Rift System, Taiyuan 030025, China

摘要

摘要: 土体剪切波速是进行土层地震反应分析的动力学参数，对场地地震动参数确定具有重要意义。基于地质地貌分析，将大同盆地划分为5类典型地质单元。对盆地1429个钻孔剪切波速资料进行分析，探讨V_S30与V_S20的相关性，研究土体埋深、岩性、地质单元、标贯击数及密实度等地质特征对V_S的影响，并基于地质单元、剪切波速比、密实度系数及第四系上部覆盖层厚度相关性分析给出土体V_S30预测模型。研究结果表明，基于典型地质特征的V_S30预测模型拟合优度R²>0.90，预测精度很高，对于离散性较大、直接拟合估算较差及无剪切波速场地来说，以区分地质单元及土体类型的方式进行V_S30分解预测是良好的研究思路。首次在区分地质单元及土体类型的前提下提出剪切波速比及密实度系数，并将其与第四系上部覆盖层厚度综合应用于V_S30预测研究。研究结果可为大同盆地城市防震减灾规划、震害预测、区域性地震安全评价提供重要技术支撑。
- 大同盆地 /
- 等效剪切波速 /
- 地质特征 /
- 标贯击数 /
- 剪切波速比
Abstract: The shear wave velocity of soil is a dynamic parameter for seismic response analysis of soil layer,which is of great significance to determine the ground motion parameters of the site. The shear wave velocity data of 1429 boreholes in the basin are analyzed,the correlation between V_S30 and V_S20 is discussed,and the influence of geological characteristics such as soil burial depth,lithology,geological unit,SPT blow number and compactness on V_S is studied. Based on the correlation analysis of geological unit,shear wave velocity ratio,compactness coefficient and thickness of Quaternary upper overburden,the soil V_S30 prediction model is given. The results show that the goodness of fitting of the V_S30 prediction model based on typical geological characteristics is greater than 0.90,and the prediction accuracy is very high. For the sites with large discreteness,poor direct fitting estimation and no shear wave velocity,it is a good research idea to distinguish geological units and soil types for V_S30 decomposition prediction. For the first time,the shear wave velocity ratio and compactness coefficient are proposed on the premise of distinguishing geological units and soil types,and they are integrated with the thickness of Quaternary upper overburden for V_S30 prediction. The research results can provide important technical support for urban earthquake prevention and mitigation planning,earthquake disaster prediction and regional earthquake safety evaluation in Datong Basin.
- Datong Basin /
- Equivalent shear wave velocity /
- Geological characteristics /
- Standard penetration number /
- Shear wave velocity ratio

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图 1 大同盆地典型地质单元分区及钻孔分布图

Figure 1. Typical geological units and borehole distribution of Datong Basin

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图 2 大同盆地V_S20与V_S30关系图

Figure 2. Relationship between V_S20 and V_S30 of Datong Basin

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图 3 V_S30与地质单元类型关系图

Figure 3. Relationship between V_S30 and geological unit types

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图 4 不同土体剪切波速-埋深关系图

Figure 4. Relationship between shear wave velocity and buried depth of different soils

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图 5 洪积单元剪切波速与标贯击数关系图

Figure 5. Relationship between shear wave velocity and standard penetration number of diluvial units

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图 6 冲积单元剪切波速与标贯击数关系图

Figure 6. Relationship between shear wave velocity and standard penetration number of alluvial units

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图 7 冲湖积单元剪切波速与标贯击数关系图

Figure 7. Relationship between shear wave velocity and standard penetration number of alluvial-lacustrine units

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图 8 基岩覆盖层与V_S20及T_g关系

Figure 8. Relationship between bedrock overburden and V_S20 and T_g

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图 9 土体V_S30与第四系上部覆盖层关系

Figure 9. Relationship between V_S30 and Quaternary upper overburden

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图 10 大同盆地不同地质单元土体V_S30预测结果

Figure 10. Prediction results of V_S30 for different geological units of Datong Basin

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表 1 大同盆地典型地质单元钻孔分布特征

Table 1. Borehole distribution characteristics of typical geological units of Datong Basin

地质单元类型	钻孔数量	V_S30优势分布区间/(m·s^-1)	钻孔分布特征
Qh^al-l	292	224.5-272.6	分布于盆地中心Qh冲湖积平原及市区Ⅰ级阶地，钻孔分布面积面大，其中山阴、应县、怀仁及浑源县城钻孔密度较大
Q_p3^al-l	274	250.8-294.7	分布于市区河谷两岸，地貌上为Ⅱ级阶地，与Q_p3^al单元前缘相邻，除朔州市区东南部以外，盆地内该单元钻孔分布密度最大
Qh^al+pl	221	268.4-306.9	分布于大同和朔州市区河床及山前倾斜平原前缘，地貌上与Q_p3^pl前缘及Q_p3^al后缘相邻，山阴、怀仁及浑源县城钻孔分布较密
Q_p3^al	423	274.6-332.4	分布于大同及朔州市区Ⅱ级以上高阶地，地貌上处于Qh^pl及Q_p3^pl单元前缘，除市区钻孔分布稀疏外，其余地段钻孔密度均较大
Q_p3^pl	219	288.7-363.5	分布于山前倾斜洪积平原，地貌上与Qh^pl及Q_p3^al单元后缘相邻，除市区钻孔分布较密外，其余地段钻孔密度较小

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表 2 不同土体剪切波速与埋深的相关性

Table 2. Correlation between shear wave velocity and buried depth of different soils

土体类型	V_S=ah²+bh+c			拟合优度R²
土体类型	a	b	c	拟合优度R²
卵砾石	-0.0299	6.7326	227.92	0.7591
中粗砂	-0.0275	6.4253	215.77	0.8755
粉质粘土	-0.0235	5.9766	216.12	0.8256
粉土	-0.0312	6.5989	197.99	0.8337
粉细砂	-0.0371	7.2017	178.39	0.9392

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表 3 剪切波速回归分析及相同密实状态下的剪切波速比

Table 3. Regression analysis of shear wave velocity and shear wave velocity ratio under the same compaction state

地质单元	回归项	土体类型
地质单元	回归项	卵砾石	中粗砂	粉细砂	粉质粘土	粉土
冲湖积单元al-l	k₁	110.42	109.40	105.23	104.02	108.86
	k₂	0.345	0.333	0.322	0.343	0.321
	拟合优度R²	0.843	0.764	0.850	0.804	0.741
	Sig(F显著性检验)	＜0.0001
	波速比区间	1.048-1.106	1.021-1.049	0.968-0.970	0.986-1.035	1.000
	波速比均值	1.087	1.039	0.969	1.018	1.000
冲积单元al	k₁	119.34	123.40	106.51	120.91	122.52
	k₂	0.346	0.320	0.344	0.326	0.315
	拟合优度R²	0.815	0.780	0.825	0.742	0.716
	Sig(F显著性检验)	＜0.0001
	波速比区间	1.035-1.113	1.032-1.044	0.929-0.995	1.014-1.028	1.000
	波速比均值	1.088	1.040	0.973	1.023	1.000
洪积单元pl	k₁	130.86	123.23	115.37	120.04	116.33
	k₂	0.348	0.352	0.353	0.356	0.358
	拟合优度R²	0.770	0.755	0.762	0.764	0.772
	Sig(F显著性检验)	＜0.0001
	波速比区间	1.084-1.109	1.036-1.051	0.975-0.985	1.028-1.030	1.000
	波速比均值	1.092	1.042	0.978	1.029	1.000

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表 4 不同密实状态土体剪切波速比

Table 4. Soil shear wave velocity ratios in different compaction states

土体类型	土体密实状态
土体类型	松散(流-软塑)	稍密	可塑		中密(硬塑)	密实(坚硬)
卵砾石	区间	0.64-0.78	0.80-0.922	0.88-0.98	1.00	1.21-1.28
卵砾石	均值	0.70	0.86	0.94	1.00	1.26
其它土体	区间	0.63-0.78	0.79-0.92	0.90-0.99	1.00	1.16-1.18
其它土体	均值	0.69	0.86	0.94	1.00	1.16

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表 5 基岩覆盖层厚度影响系数

Table 5. Influence coefficient of bedrock overburden thickness

基岩覆盖层厚度l/m	> 60	50-60	40-50	30-40	< 30
λ_(l)	1.00	1.01	1.03	1.05	1.08

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表 6 S_(H)回归分析

Table 6. Regression analysis of S_(H)

编号	地质单元类型	统计样本		回归系数			拟合优度	F显著性检验
编号	地质单元类型	样本量	标准差	a	b	c	R²	F	Sig
1	Qh^al-l	292	7.48	-0.018	0.554	259.47	0.724	378.29	＜0.0001
2	Q_p3^al-l	274	8.14	-0.006	-0.264	291.38	0.758	409.55
3	Qh^al+pl	221	8.64	-0.002	-0.607	308.78	0.812	423.49
4	Q_p3^al	423	11.18	-0.006	-0.530	331.05	0.732	579.50
5	Q_p3^pl	219	16.56	-0.007	-0.969	365.98	0.769	352.33

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表 7 预测值V_S30与实测值V_SE30拟合优度及残差描述统计

Table 7. Fitting goodness and residual descriptive statistics of predicted value V_S30 and measured value V_SE30

编号	地质单元类型	拟合优度R²	均方根误差 RMSE	残差δ
编号	地质单元类型	拟合优度R²	均方根误差 RMSE	平均值M	标准误差Se	标准差σ	置信度(95.0%)
1	Qh^al-l	0.828	4.584	0.031	0.269	4.592	0.529
2	Q_p3^al-l	0.843	3.660	-0.035	0.219	3.486	0.432
3	Qh^al+pl	0.904	3.523	-0.028	0.237	3.531	0.468
4	Q_p3^al	0.824	5.834	0.155	0.282	5.843	0.555
5	Q_p3^pl	0.865	7.100	-0.047	0.548	7.134	1.081
6	最终预测结果	0.973	5.376	0.010	0.142	5.379	0.278

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