成都天府國際機場地基軟弱土工程地質特性淺析

王志遠， 杜 超， 楊 軍， 徐洪兵

(中國建筑西南勘察設計研究院有限公司, 四川成都 610052)

成都天府國際機場地基軟弱土工程地質特性淺析

王志遠， 杜 超， 楊 軍， 徐洪兵

(中國建筑西南勘察設計研究院有限公司, 四川成都 610052)

在長期工程現場調查研究基礎上，根據初期勘察、詳細勘察及地基處理監測資料，文章對成都天府國際機場土方工程中軟弱土工程地質問題進行了系統深入研究。研究發現，軟弱土平面上主要分布于溝谷地帶、水塘及溝渠，流水作用是場區軟弱土形成的主要原因。軟弱土層未經處理不能直接作為地基基礎持力層，是本工程建設的不利因素。及時消散軟弱土中的水、加速排水固結為本次軟弱土處理的主要措施，碎石樁+排水板的地基處理方式效果較好。

軟弱土； 地基處理； 地基

軟土是指在靜流和緩流環境中逐漸沉積而成的淤泥或飽和的軟弱黏性土，并伴有微生物作用的近代沉積物。就其成因和分布區域，軟土可歸納為兩類[1]：沿海軟土和內陸軟土。盡管軟弱土的沉積原因、結構形態和飽和度都各不相同，但都具有高壓縮性、低強度、透水性差、低抗剪、觸變性和高含水率等共同特征[2-3]。

成都天府國際機場場址位于成都市東南方向、龍泉山脈東側、簡陽市西側的蘆葭鎮、草池鎮及石板凳鎮境內。場區以淺丘～溝谷地貌為主，地勢總體是沿東西跑道方向中部高，東西兩側較低，場地高程大部分在420～470 m之間，相對高差在50 m以內，地形起伏不大，丘坡圓緩，緩坡地帶多為旱地及荒坡，自然坡度10°～30°，植被茂密。河谷呈寬緩對稱“U”字型。地形地貌受地層巖性和構造控制明顯，泥巖出露處形成緩坡，砂巖出露處常形成陡坎或陡崖。丘間谷槽寬緩平坦，多為荒地、耕地、農田、水塘等，人工灌溉渠縱橫交錯，村莊遍布，人煙密集。

建設場區內分布有眾多的稻田和水塘，存在大量的淤泥和飽和的軟弱黏性土。溝谷地帶的軟弱土與挖方區的物理力學性質迥異，這可能造成場區工后不均勻變形，帶來安全隱患，故有必要對場區進行軟弱土專項研究，探明軟弱土的分布、成因、物理力學特性以及對工程地質的影響，為確定地基處理方案提供理論依據。

1 軟弱土的分布及成因

1.1 軟弱土的地層劃分及特征

考慮到試驗段的軟弱土處理施工情況，本次研究把可塑的黏性土層也歸并為軟弱土。如表 1所示，經鉆探、靜力觸探孔等多種勘察手段探明，場區內分布的軟弱土層巖性主要為水塘及水田表層分布的耕植土(②-2)、河流(溝渠)、水塘及水田中局部分布的流塑狀淤泥(③-1)、軟塑～可塑狀淤泥質黏土(③-2)、軟塑～可塑狀粉質黏土(④-1～④-2)及軟塑～可塑狀粉質黏土(⑤-1～⑤-2)。

1.2 軟弱土的分布情況

軟弱土平面上主要分布于溝谷地帶、水塘及溝渠，且分布區域具有一定的交叉性。為了方便劃分及計算，根據軟弱土分布的特點，把水塘細分為溝谷水塘和獨立水塘，水渠細分為自然溝渠和人工溝渠。軟弱土具體分布情況如下：

1.2.1 溝谷軟弱土

如圖 1所示，溝谷軟弱土分布在丘間谷槽地帶，地勢相對低洼，地形相對平緩，平面上可呈現為樹枝狀的小區域，是整個場區軟弱土分布的主要區域，總面積為559.2×104m2，約占整個勘察區總面積的26.3 %。溝谷軟弱土主要分布在溝谷內的水田區域和局部地勢相對較低的旱地，其次為溝谷地帶的水塘(溝谷水塘)、自然溝渠區域，其中水田及旱地區域軟弱土總面積約為532.5×104m2，約占溝谷軟弱土總面積的95.2 %。

圖1 溝谷軟弱土分布范圍示意

1.2.2 水塘軟弱土

大部分水塘都分布在溝谷地帶，水塘軟弱土層底埋深與周邊溝谷地帶的軟弱土層底埋深具有連續一致性，這部分水塘定義為溝谷水塘。如圖 2所示，部分水塘位于地勢相對較高的地形地貌單元，其軟弱土分布范圍具有一定的獨立性，軟弱土平面分布上可認為與水塘平面形態一致，而深度上則一般是中間深，逐漸往水塘邊緣變淺，直至在邊緣尖滅，這類水塘定義為獨立水塘。經統計，溝谷水塘的個數為237個，總面積26.7×104m2；獨立水塘個數為65個，總面積為2.4×104m2。

表1 軟弱土土層劃分情況

圖2 典型溝谷水塘軟弱土橫剖面(單位:m)

1.2.3 溝渠軟弱土

場區內溝渠一般分為人工溝渠和自然溝渠。人工溝渠是為方便當地農業灌溉而修筑的水渠，斷面形態呈較規則的梯形或矩形，如江源干渠、棉豐支渠等，寬度在0.5～4.0 m不等。自然溝渠的規模有較大差異，規模較大的如舉人河、無名河，規模較小的如水田間保持水力聯系的小溝，平面上沿地形交錯相通，分布較為復雜，寬度在0.1～3.5 m不等，面積變化范圍大，難以逐一統計。同時，自然溝渠一般均分布在溝谷地帶中，自然溝渠軟弱土面積已包含在溝谷軟弱土面積中。

1.3 軟弱土成因分析

場區內軟弱土主要為丘間溝谷地帶的第四系沖洪積形成的黏土、粉質黏土。由于地處淺丘，溝谷內的地形相對平緩，坡降比較小，在暴雨情況下，位于坡地等地勢較高部位的表層風化土在地表水的夾帶作用下匯入地勢相對較低的溝谷，隨著水流速度的減小，土層逐漸沉積形成沖洪積扇。土層經水流沉積形成，含水量較高，隨著流水的不斷浸潤，逐漸形成軟弱土。本次勘察發現，場區內的硬塑狀黏性土主要分布于地勢坡度相對較陡的地層上部，且區內溝谷越寬緩，其下部軟弱土沉積越厚。因此，流水作用是場區軟弱土形成的主要原因。

水塘軟弱土則主要位于地勢低洼的溝塘中。由于溝塘內地表水處于靜水環境，沖洪積土層在這些區域淤積逐漸形成河湖相的淤泥或淤泥質土。形成年代較早的溝塘，由于沖溝改道等自然或人類活動因素局部被充填、掩埋，最后以暗溝、暗塘的形式被埋藏于溝谷中下部。這部分土層多以淤泥質黏土為主，局部為軟塑黏土或粉質黏土。

綜上所述，水為區內軟弱土形成的主要因素。前期為流水作用沉積黏性土，后期主要為水對黏性土的軟化作用而形成軟弱土。通過大量的室內試驗發現，區內軟弱土含水量普遍較高，基本在85%以上。因此，及時消散軟弱土中的水、加速排水固結為本次軟弱土處理的主要措施。

2 工程地質問題及處理措施

2.1 軟弱土的物理力學性質

如表 2所示，場地分布有淤泥、淤泥質黏土、軟塑粉質黏土、軟塑黏土屬高壓縮性土，可塑粉質黏土、可塑黏土屬中～高壓縮性土,這些軟弱土都具有含水量高，抗壓強度低，易壓縮、易剪切破壞，滲透系數小，排水固結時間長等特性；場地分布的，其含水量較高，壓縮性較高，滲透系數小，排水固結時間長的特性，未經處理不能直接進行回填或作為建筑基礎持力層，是本工程建設的不利因素。

對軟弱土的處理為本次機場建設的主要問題。結合本工程的設計標高線分析，絕大部分軟弱土分布區域均位于地勢相對較低的填方區(溝谷地帶)，工程完成后，軟弱土均位于正常地面以下，成為軟弱下臥層，軟弱土的分布位置及埋深對本工程建設影響很大。

2.2 軟弱土對地基的影響

2.2.1 對飛行區道槽區的影響評價

由于場地軟弱土具有高可壓縮性及排水固結時間長等特性，其空間分布不均勻，由于跑道長度較大，其跨越多個挖方區及填方區，如對道槽區及道槽影響區分布的軟弱土處理不當，則極易引起跑道的不均勻沉降。同時，由于軟弱土其滲透性差，排水固結時間長，對軟弱土進行地基處理后，其工后沉降時間長，需長待其沉降穩定后方能進行飛行跑道道面的施工，因此，軟弱土對飛行區跑道的施工、工期、運營等影響巨大。

表2 軟弱土的工程特性指標參數

2.2.2 對邊坡的穩定性影響評價

本工程挖填場平后，將在場區周邊填方范圍內形成2.0～28.0 m的高陡邊坡，其中大部分填筑邊坡下部均分布有較大厚度的軟弱土。隨著邊坡區的回填，其荷載逐漸增加，下部的軟弱土在邊坡填筑荷載下易沿邊坡底部擠出而發生剪切破壞，從而導致邊坡失穩。

2.2.3 對建筑的影響評價

本次航站區、工作區地上規劃有航站樓及相關配套用房，地下規劃有下穿隧道、大鐵、地鐵等軌道交通。由于軟弱土承載力低，不能作為上部建筑體的基礎持力層，需對其進行地基處理或采用樁基礎，從而大大增加了工程的造價及施工工期；而下穿隧道、大鐵、地鐵等軌道交通位于地下較深的部位，建設施工時需進行基坑開挖，由于軟弱土抗剪切能力差，易被剪切破壞，因此，其對基坑的施工安全造成很大影響。

2.3 軟弱土工程處理措施分析

場區內軟弱土分布廣泛，平均厚度約4 m，最大厚度14.4 m。軟弱土表層一般為較薄的耕植土、淤泥或淤泥質土，下部為軟塑～可塑狀粉質黏土、黏土或淤泥質土。根據場地軟弱土的分布特征，在不同地段不同土層性質其處理措施也不盡相同。對分布在場平地勢線以上區域的軟弱土，可采用機械直接挖除；對于分布在場平地勢線以下的區域的軟弱土，建議0～2.0 m的軟弱土采用換填法進行處理；2.0～4.0 m的軟弱土采用強夯置換法進行處理，強夯能級不宜大于4 000 kN；埋深大于4.0 m的軟弱土可采用排水板法、袋裝沙井、碎石樁法、CFG樁法及深層水泥土攪拌樁法進行處理。

單一的排水板、袋裝砂井排水固結時間較長，地基承載力增長較慢，不宜單獨采用；CFG樁造價較高，經濟性較差，不宜廣泛采用；碎石樁能有效提高地基承載力并加速軟弱土排水固結，縮短工后沉降時間，經濟性較好，建議廣泛采用；深層水泥土攪拌樁法能有效提高地基承載力，經濟性較好，但其不能穿透硬塑黏土層，建議在無硬塑黏性土層分布的區域或硬塑黏性土層下無軟弱下臥層的區域使用。

由于場區軟弱土埋深變幅較大，在針對具體工程建筑物的處理過程中，局部對地基承載和變形要求比較高的區域(如航站樓等)，也可以直接采用樁(墩)基，樁端宜進入中等風化基巖一定深度，建議采用預應力管樁或鉆孔灌注樁。

3 地基處理效果分析

本次試驗段填方范圍溝、塘采用如下方法進行處理：梳干溝、塘內的積水；清除底部淤泥，并送往指定地點；鋪設砂礫石墊層，要求砂礫石含泥量不超過5 %，厚度以能穩定壓地基土、不形成“彈簧土”現象為原則，暫按50 cm考慮，根據現場具體情況確定；沿溝、塘邊線向外開挖成高50 cm、寬100 cm的臺階式邊坡；分層填土碾壓至周圍清除植物土后的地面標高。

根據試驗一區的地質、地勢情況，對于④-2、④-3厚度(H)不超過6 m的軟弱土區采用強夯置換進行處理；對于H>6 m的軟弱土區采用碎石樁、CFG樁、水泥土攪拌進行處理，并在部分強夯置換、CFG樁和水泥土攪拌樁處理區的地勢設計面以上設置8 m高的堆載體。在地表土清理、地基處理、原地基壓實完成后進行土石方填筑，填筑工藝采用振動碾壓和沖擊碾壓(表3)。

由表 3中數據可知，在相同載荷下，碎石樁+排水板處理區表層沉降最大，CFG樁處理區次之，強夯處理區最小。填筑體頂面堆載預壓的作用是為了加速表層沉降，減少工后沉降量，從表中數據可以看出，堆載區的表層沉降速率都比非堆載區的大。

表3 試驗一區工后表層沉降統計

注：堆載區監測歷時80 d，非堆載區監測歷時21 d。

4 結 論

(1)區內軟弱土地層由水稻田耕植土、淤泥、淤泥質土、軟塑粉質黏土、可塑粉質黏土、軟塑黏土及可塑黏土組成。

(2)場區軟弱土具有含水率高、滲透性差、壓縮性高、強度低、固結時間長等特點，對地基承載力、地基變形及邊坡穩定有較大影響，軟弱土層未經處理不能直接作為地基基礎持力層，應進行相應的工程處理措施。

(3)在試驗區段中，堆載預壓對加速沉降速率效果明顯，在相同載荷下，碎石樁+排水板處理區的地基處理效果較好。

[1] 劉宏，張倬元，劉亞波. 九寨-黃龍機場地基軟弱土工程地質特性研究[J]. 中國地質災害與防治學報, 2003, 14(2): 39-43.

[2] 閻長虹，吳煥然，許寶田，等. 不同成因軟土工程地質特性研究——以連云港、南京、吳江、盱眙等地四種典型軟土為例[J]. 地質論評, 2015(3): 561-569.

[3] 沈珠江. 軟土工程特性和軟土地基設計[J]. 巖土工程學報, 1998, 20(1): 100-111.

[定稿日期]2017-08-02

王志遠(1983～)，男，本科, 工程師, 主要從事巖土工程勘察方面的技術工作。

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