[发明专利]一种土层等效剪切波速和土层反射界面埋深的测量方法

摘要

本发明涉及土层等效剪切波速和土层反射界面埋深的测量方法，解决直接利用土层剪切波速和埋深关系的数学模型及其拟合参数测量土层等效剪切波速和土层反射界面埋深的方法，根据场地地震工程地质条件划分地震工程地质单元；在同一个地震工程地质单元内，对土层剪切波速数据统计，建立土层剪切波速和埋深关系的数学模型及其拟合参数；将拟合参数代入与土层剪切波速和埋深关系的数学模型相对应的土层等效剪切波速计算式，得该地震工程地质单元的土层等效剪切波速；将拟合参数代入与土层剪切波速和埋深关系的数学模型相对应的土层反射界面埋深计算式，得土层反射界面埋深，本发明提高了土层等效剪切波速和土层反射界面埋深测量的便捷性和测量精度。

主权项

一种土层等效剪切波速的测量方法，其特征在于，具体步骤如下：(1)、根据场地地震工程地质条件划分场地的地震工程地质单元，方法是：A、收集场地已有地震工程地质条件资料，或对场地进行地震工程地质条件调查、勘察或钻孔剪切波速测试，获得场地地震工程地质条件资料，所述的场地地震工程地质条件资料为场地地貌单元类型、场地地下水类型与单孔地下水水位埋深、单孔场地覆盖层厚度、不同深度的水平方向土层地质成因类型、水平方向土层整体结构和土层剪切波速数据；所述的地震工程地质条件调查为携带场地地形图、地质罗盘、放大镜、GPS定位仪和测距仪，在场地及其邻区开展地形、地貌、地表地层岩性、地质成因类型、地质构造、水井、泉的观察、测量和记录；所述的地震工程地质条件勘察为在场地上进行钻孔、采集钻孔内土层样品，对土层样品进行观察、记录和化验，并对该钻孔内单孔地下水水位埋深数值进行测量和记录；所述的钻孔剪切波速测试为在场地内进行钻孔后，将波速测试仪的检波器安置在钻孔内各个埋深处即各个测点处并紧贴孔壁进行剪切波速测试，钻孔内相邻测点的垂直间距为1‑2m从而获得钻孔内各个埋深处的土层剪切波速数据；将地面至土层剪切波速大于500m·s‑1且其下方土层剪切波速均不小于500m·s‑1的土层顶面的距离确定为单孔场地覆盖层厚度，而场地覆盖层厚度由场地内多个单孔场地覆盖层厚度确定，在场地内同一个地震工程地质单元范围的场地覆盖层厚度取该地震工程地质单元内单孔场地覆盖层厚度的平均值；B、将场地地貌单元类型相同、场地地下水类型相同、水平方向土层地质成因类型相同、不同深度的水平方向土层整体结构相近、单孔地下水水位埋深数值相差不大于3m、单孔场地覆盖层厚度数值相差不大于5m的区域划分为同一个地震工程地质单元；将一个场地按照其地震工程地质条件划分为一个地震工程地质单元或多个地震工程地质单元；所述水平方向土层整体结构相近指水平方向土层岩性名称相同、水平方向土层分布连续、同一土层层面埋深相差不大于5m；(2)、在同一个地震工程地质单元内，对土层剪切波速数据进行统计，建立土层剪切波速和埋深关系的数学模型及其拟合参数，方法是：A、当测量土层等效剪切波速时，埋深区间为地面至计算深度d0，其中，计算深度d0取该地震工程地质单元内的场地覆盖层厚度和20m两者的小值；当测量土层反射界面埋深时,埋深区间为地面至钻孔内进行土层剪切波速测试的土层最大埋深；B、采用下列5个土层剪切波速和埋深关系的数学模型，利用Origin软件对该地震工程地质单元内的土层剪切波速数据进行统计，分别得到下列5个数学模型的拟合参数及其校正决定系数、标准差：土层剪切波速和埋深关系的数学模型为:v＝ah+b h∈[h1,h2]     式(3)；v＝ch2+eh+f h∈[h1,h2]     式(4)；v＝jh3+kh2+lh+p h∈[h1,h2]      式(5)；v＝qh4+rh3+uh2+wh+x h∈[h1,h2]     式(6)；v＝ghi h∈[h1,h2]     式(7)；式(3)为线性函数模型的表达式，式(4)为一元二次函数模型的表达式，式(5)为一元三次函数模型的表达式、式(6)为一元四次函数模型的表达式、式(7)为幂函数模型的表达式；式(3)‑式(7)中：h为土层埋深，单位m，v为土层埋深h处的土层剪切波速，单位m·s‑1，a、b、c、e、f、j、k、l、p、q、r、u、w、x、g、i为拟合参数，由土层剪切波速数据统计后获得，h1、h2分别为埋深区间[h1,h2]的两个端点即统计的土层埋深的上界限值和下限界值，单位m；上述数学模型是以地面为土层埋深h的零点，以垂直向下方向为土层埋深h的正方向；上述校正决定系数和标准差是用来评价统计结果优劣的主要指标；将该地震工程地质单元内的土层剪切波速数据及其对应的土层埋深数据作为输入数据，分别输入到Origin软件的上述5个数学模型的统计计算程序中，即可分别获得上述5个数学模型的拟合参数及其校正决定系数和标准差；C、根据5个数学模型统计结果中的校正决定系数、标准差，找出5个数学模型中校正决定系数值最大和标准差最小的一个数学模型，建立该地震工程地质单元的土层剪切波速和埋深关系的数学模型，并同时获得该数学模型的拟合参数；即5个数学模型中的哪一个数学模型中的校正决定系数值最大和标准差最小，该数学模型及其拟合参数越好，即越与该地震工程地质单元内的土层剪切波速数据相吻合；(3)、将上述(2)中的C步骤建立的该地震工程地质单元的土层剪切波速和埋深关系的数学模型的拟合参数代入与该建立的数学模型相对应的土层等效剪切波速计算式中，得该地震工程地质单元的土层等效剪切波速；与土层剪切波速和埋深关系的数学模型相对应的土层等效剪切波速计算式推导：根据高等数学中的积分中值定理，当函数v(h)在闭区间[h1,h2]上连续，则在积分区间[h1,h2]上至少存在一个点ζ，使下式成立：式(8)中，h为土层埋深，v为土层埋深h处的土层剪切波速，v(h)为土层剪切波速和埋深关系的数学模型即函数表达式，为土层剪切波速在埋深区间[h1,h2]上的平均值，h1、h2分别为埋深区间的两个端点，ζ为埋深区间[h1,h2]上的一点即h1≤ζ≤h2；将式(3)、式(4)、式(5)、式(6)、式(7)分别代入式(8)，化简后，得埋深区间[h1,h2]上的任意深度段即任意埋深区间[H1,H2]上土层剪切波速平均值的计算式分别为:v‾=a2A+b---(9);]]>v‾=c3B+e2A+f---(10);]]>v‾=j4C+k3B+l2A+p---(11);]]>v‾=q5D+r4C+u3B+w2A+x---(12);]]>v‾=g(H2i+1-H1i+1)(i+1)(H2-H1)---(13);]]>式(9)‑式(13)中，为在埋深区间[h1,h2]上的土层剪切波速平均值，a、b、c、e、f、j、k、l、p、q、r、u、w、x、g、i分别为式(3)‑式(7)的拟合参数，h1、h2分别为式(3)‑式(7)的埋深区间[h1,h2]的两个端点，单位m，H1、H2分别为埋深区间[h1,h2]上的任意深度段即任意埋深区间[H1,H2]的两个端点，单位m，H1≥h1，H1＜H2≤h2，A＝H1+H2，式(9)、式(10)、式(11)、式(12)、式(13)分别为与土层剪切波速和埋深关系的线性函数模型、一元二次函数模型、一元三次函数模型、一元四次函数模型、幂函数模型相对应的埋深区间[h1,h2]上的任意埋深区间[H1,H2]上土层剪切波速平均值计算式；依据我国现行建筑抗震设计规范GB 50011‑2010，土层等效剪切波速是地面至计算深度d0处的土层剪切波速平均值，由于地面的土层埋深为0.0m，计算深度d0处的土层埋深为计算深度d0，因此，取H1为0.0m，H2为计算深度d0，分别代入式(9)、式(10)、式(11)、式(12)、式(13)，化简后，得与土层剪切波速和埋深关系的线性函数模型、一元二次函数模型、一元三次函数模型、一元四次函数模型、幂函数模型相对应的土层等效剪切波速vse计算式，分别为:式(14)‑式(18)中，vse为土层等效剪切波速，d0为计算深度，取该地震工程地质单元内的场地覆盖层厚度值和20m两者的小值，a、b、c、e、f、j、k、l、p、q、r、u、w、x、g、i分别为式(3)‑式(7)的拟合参数。