天津南港鐵路第Ⅰ海相層軟土工程地質特征淺析

茹杉杉

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司, 天津 300251)

1 工程概述

天津南港鐵路地處天津市濱海新區境內,是連接天津南港與國鐵(含合資鐵路)之間的新建鐵路工程,工程西起天津鐵路樞紐西南環線萬家碼頭站,向東南跨過獨流減河進入南港工業開發區內。該區為濱海沖海積平原,地震動峰值加速度為0.10g和0.15g,土壤最大凍結深度為0.70 m，主要工程為路基和橋梁。沿線地形平坦開闊,多為荒地及坑塘,軟土分布廣泛,既有鐵路及公路兩側分布有厚度不等的填土。

2 軟土的基本特征

我國《巖土工程勘察規范》(2009年版)[1]中規定：天然孔隙比大于或等于1.0,且天然含水量大于液限的細粒土應判定為軟土,其壓縮系數大于0.5 MPa-1、不排水抗剪強度小于30 kPa。我國《鐵路工程地質勘察規范》[2]中規定：對于在靜水或緩慢流水環境中沉積形成的粉土、黏性土,具有含水率大(w≥wl)、孔隙比大(e≥1.0)、壓縮性高(a0.1-0.2≥0.5 MPa-1)、強度低(Ps<800 kPa)等特點,應按照軟土進行工程地質勘察。

3 天津濱海新區海相地層成因

在早更新世、中更新世時期主要以陸相沉積為主,海洋作用甚微。晚更新世與全新世以來,海洋作用加強,渤海灣西岸以海相沉積為主,形成了天津地區比較典型的海陸交互相地層。由于海水入侵的形式不同,造成各海相、陸相地層在天津地區的分布不均勻。據資料記載：在全新世黃河數度從河北滄州地區和天津入海,而北宋時期軍糧城以南的泥沽河口入海的黃河,塑造了由泥沽河向南至上古林貝殼堤以東的陸地。全新世中期形成主要以淤泥質軟土為主的第Ⅰ海相層,是天津地區主要的軟土地基,也是濱海地區工程地質問題較集中地層位[3-5]。

4 第Ⅰ海相層軟土工程地質特性

該區域為沖海積平原,地形平坦開闊,沿線多為溝塘,地下水埋深較淺,水量較豐富。地層為海陸交互沉積相,主要巖性為淤泥質土、黏性土、粉土和粉細砂,表層多為填土。地層分布情況見代表性剖面(圖1)。

圖1 軟土地基代表性剖面

通過對地質資料的分析,第Ⅰ海相層軟土為⑥4淤泥質黏土、⑥5淤泥質粉質黏土[6]。該層富含海相軟土動物貝殼,其底部為灰黑色有機土(泥炭層),工程性質差，其特征詳述如下。

⑥4淤泥質黏土：灰色、褐灰色,流塑,夾薄層粉質黏土、黏土局部與粉土互層。層厚1.2～5.3 m,頂板埋深3.7～11.0 m,呈透鏡狀,尖滅體狀分布。

⑥5淤泥質粉質黏土：灰色、褐灰色,流塑,夾薄層粉質黏土、黏土局部與粉土互層。層厚3.2～12.0 m,頂板埋深5.1～9.0 m,呈層狀分布。

據海相層底部廣泛分布的泥炭層測年資料為9 400±100年,海相層為近9 000年來逐步沉積的軟土層,層頂高程一般-1.4～-2.6 m,層底高程一般-13.7～-17.5 m(國家1985高程基準),含有機質較高,地基承載力為50～80 kN/m2。

5 第Ⅰ海相層軟土的物理力學指標的統計

通過勘探和靜力觸探取樣試驗,對35孔鉆探、30孔靜力觸探試驗數據進行了分析統計,其物理力學指標見表1、表2。

表1 南港鐵路第Ⅰ海相層物理力學指標(特殊試驗)

表2 南港鐵路第Ⅰ海相層物理力學指標(常規試驗)

從表1,表2中可以看出該區第Ⅰ海相層軟土有如下特征。

5.1 天然含水量高

天然含水量大于液限,且液性指數>1.0,土體一般均呈流塑狀態。

5.2 大孔隙比及高壓縮性

孔隙比≥1.0,孔隙比較大；壓縮系數α0.1-0.2≥0.5 MPa-1,屬于高壓縮性土,在上部荷載作用下會產生大的沉降,并且填土越高,軟土層越厚,沉降越大。

5.3 低強度、低承載力

Ps=qc×1.1=770 kPa<800 kPa,土體的強度低；雙橋靜力觸探的一般錐頭阻力為0.4～0.6 MPa,查得基本承載力為50～80 kPa,承載力較低。

5.4 抗剪強度低

凝聚力C一般為3～17 kPa<20 kPa,內摩擦角φ一般為2～9°<10°。土的抗剪切變形差,鐵路路基容易失穩產生滑移。

另外該區軟土有機質含量為1.4%～7.4%,有機質含量較高；由于軟土主要由黏土礦物組成,表現出滲透性差的工程特性,滲透系數為10-6～10-7cm/s；固結系數為10-2～10-3cm2/s達到正常固結所需時間較長；無側限抗壓強度為17～91 kPa,較低[7，8]。

6 結論

第Ⅰ海相層屬于第四系全新統中期沉積的土層,主要軟土巖性為淤泥質黏土、淤泥質粉質黏土,為高含水量、高壓縮性、低強度、欠固結的典型的軟弱土層。

南港鐵路工程地表至20 m以上地層中含有典型的軟土層,該軟土的工程性質較差,強度和變形不能滿足鐵路建設項目的要求,應對地基進行加固處理。如采用結合袋裝砂井排水、塑料排水板排水采取的真空預壓法或堆載預壓法,水泥土攪拌法和高壓旋噴法[9]等方法對軟土地基進行有效的地基處理。考慮該建設項目要求工期較緊的現狀,預壓排水固結不能滿足工期的要求,另外高壓旋噴法較水泥土攪拌法的成本高,結合工程工期的要求以及工程造價等方面的因素,本工程可選擇經濟合理的水泥土攪拌法對地基進行處理。應根據路堤的填高、地層情況等，進行沉降分析、穩定分析和承載力檢算，選擇合適的樁長和樁間距。

[1] GB50021—2001 巖土工程勘察規范[S]

[2] TB10012—2007 鐵路工程地質勘察規范[S]

[3] 林景星.華北平原第四紀海進海退現象的初步認識[J].地質學報,1977(2)

[4] 汪品先,等.我國東部第四紀海侵地層的初步研究[J].地質學報,1981(1)

[5] 王強,等.環渤海地區及華北平原第四紀古環境變遷機制[J].地質調查與研究,2004，27(3)

[6] DB/T29—191—2009 天津市地基土層序劃分技術規程[S]

[7] 王耀琴.南疆港進港鐵路軟土地基勘察及處理方法[J].鐵道工程,2008(3)

[8] 邢恩橋.天津沿海地層工程地質性質統計特征[J].海岸工程,2005，24(1)

[9] 易敏,等.連云港海相軟土基本特征及處理方法探討[J].公路交通科技,2005，22(5)