成都天府国际机场地基软弱土工程地质特性浅析

王志远， 杜 超， 杨 军， 徐洪兵

(中国建筑西南勘察设计研究院有限公司, 四川成都 610052)

成都天府国际机场地基软弱土工程地质特性浅析

王志远， 杜 超， 杨 军， 徐洪兵

(中国建筑西南勘察设计研究院有限公司, 四川成都 610052)

在长期工程现场调查研究基础上，根据初期勘察、详细勘察及地基处理监测资料，文章对成都天府国际机场土方工程中软弱土工程地质问题进行了系统深入研究。研究发现，软弱土平面上主要分布于沟谷地带、水塘及沟渠，流水作用是场区软弱土形成的主要原因。软弱土层未经处理不能直接作为地基基础持力层，是本工程建设的不利因素。及时消散软弱土中的水、加速排水固结为本次软弱土处理的主要措施，碎石桩+排水板的地基处理方式效果较好。

软弱土； 地基处理； 地基

软土是指在静流和缓流环境中逐渐沉积而成的淤泥或饱和的软弱黏性土，并伴有微生物作用的近代沉积物。就其成因和分布区域，软土可归纳为两类[1]：沿海软土和内陆软土。尽管软弱土的沉积原因、结构形态和饱和度都各不相同，但都具有高压缩性、低强度、透水性差、低抗剪、触变性和高含水率等共同特征[2-3]。

成都天府国际机场场址位于成都市东南方向、龙泉山脉东侧、简阳市西侧的芦葭镇、草池镇及石板凳镇境内。场区以浅丘～沟谷地貌为主，地势总体是沿东西跑道方向中部高，东西两侧较低，场地高程大部分在420～470 m之间，相对高差在50 m以内，地形起伏不大，丘坡圆缓，缓坡地带多为旱地及荒坡，自然坡度10°～30°，植被茂密。河谷呈宽缓对称“U”字型。地形地貌受地层岩性和构造控制明显，泥岩出露处形成缓坡，砂岩出露处常形成陡坎或陡崖。丘间谷槽宽缓平坦，多为荒地、耕地、农田、水塘等，人工灌溉渠纵横交错，村庄遍布，人烟密集。

建设场区内分布有众多的稻田和水塘，存在大量的淤泥和饱和的软弱黏性土。沟谷地带的软弱土与挖方区的物理力学性质迥异，这可能造成场区工后不均匀变形，带来安全隐患，故有必要对场区进行软弱土专项研究，探明软弱土的分布、成因、物理力学特性以及对工程地质的影响，为确定地基处理方案提供理论依据。

1 软弱土的分布及成因

1.1 软弱土的地层划分及特征

考虑到试验段的软弱土处理施工情况，本次研究把可塑的黏性土层也归并为软弱土。如表 1所示，经钻探、静力触探孔等多种勘察手段探明，场区内分布的软弱土层岩性主要为水塘及水田表层分布的耕植土(②-2)、河流(沟渠)、水塘及水田中局部分布的流塑状淤泥(③-1)、软塑～可塑状淤泥质黏土(③-2)、软塑～可塑状粉质黏土(④-1～④-2)及软塑～可塑状粉质黏土(⑤-1～⑤-2)。

1.2 软弱土的分布情况

软弱土平面上主要分布于沟谷地带、水塘及沟渠，且分布区域具有一定的交叉性。为了方便划分及计算，根据软弱土分布的特点，把水塘细分为沟谷水塘和独立水塘，水渠细分为自然沟渠和人工沟渠。软弱土具体分布情况如下：

1.2.1 沟谷软弱土

如图 1所示，沟谷软弱土分布在丘间谷槽地带，地势相对低洼，地形相对平缓，平面上可呈现为树枝状的小区域，是整个场区软弱土分布的主要区域，总面积为559.2×104m2，约占整个勘察区总面积的26.3 %。沟谷软弱土主要分布在沟谷内的水田区域和局部地势相对较低的旱地，其次为沟谷地带的水塘(沟谷水塘)、自然沟渠区域，其中水田及旱地区域软弱土总面积约为532.5×104m2，约占沟谷软弱土总面积的95.2 %。

图1 沟谷软弱土分布范围示意

1.2.2 水塘软弱土

大部分水塘都分布在沟谷地带，水塘软弱土层底埋深与周边沟谷地带的软弱土层底埋深具有连续一致性，这部分水塘定义为沟谷水塘。如图 2所示，部分水塘位于地势相对较高的地形地貌单元，其软弱土分布范围具有一定的独立性，软弱土平面分布上可认为与水塘平面形态一致，而深度上则一般是中间深，逐渐往水塘边缘变浅，直至在边缘尖灭，这类水塘定义为独立水塘。经统计，沟谷水塘的个数为237个，总面积26.7×104m2；独立水塘个数为65个，总面积为2.4×104m2。

表1 软弱土土层划分情况

图2 典型沟谷水塘软弱土横剖面(单位:m)

1.2.3 沟渠软弱土

场区内沟渠一般分为人工沟渠和自然沟渠。人工沟渠是为方便当地农业灌溉而修筑的水渠，断面形态呈较规则的梯形或矩形，如江源干渠、棉丰支渠等，宽度在0.5～4.0 m不等。自然沟渠的规模有较大差异，规模较大的如举人河、无名河，规模较小的如水田间保持水力联系的小沟，平面上沿地形交错相通，分布较为复杂，宽度在0.1～3.5 m不等，面积变化范围大，难以逐一统计。同时，自然沟渠一般均分布在沟谷地带中，自然沟渠软弱土面积已包含在沟谷软弱土面积中。

1.3 软弱土成因分析

场区内软弱土主要为丘间沟谷地带的第四系冲洪积形成的黏土、粉质黏土。由于地处浅丘，沟谷内的地形相对平缓，坡降比较小，在暴雨情况下，位于坡地等地势较高部位的表层风化土在地表水的夹带作用下汇入地势相对较低的沟谷，随着水流速度的减小，土层逐渐沉积形成冲洪积扇。土层经水流沉积形成，含水量较高，随着流水的不断浸润，逐渐形成软弱土。本次勘察发现，场区内的硬塑状黏性土主要分布于地势坡度相对较陡的地层上部，且区内沟谷越宽缓，其下部软弱土沉积越厚。因此，流水作用是场区软弱土形成的主要原因。

水塘软弱土则主要位于地势低洼的沟塘中。由于沟塘内地表水处于静水环境，冲洪积土层在这些区域淤积逐渐形成河湖相的淤泥或淤泥质土。形成年代较早的沟塘，由于冲沟改道等自然或人类活动因素局部被充填、掩埋，最后以暗沟、暗塘的形式被埋藏于沟谷中下部。这部分土层多以淤泥质黏土为主，局部为软塑黏土或粉质黏土。

综上所述，水为区内软弱土形成的主要因素。前期为流水作用沉积黏性土，后期主要为水对黏性土的软化作用而形成软弱土。通过大量的室内试验发现，区内软弱土含水量普遍较高，基本在85%以上。因此，及时消散软弱土中的水、加速排水固结为本次软弱土处理的主要措施。

2 工程地质问题及处理措施

2.1 软弱土的物理力学性质

如表 2所示，场地分布有淤泥、淤泥质黏土、软塑粉质黏土、软塑黏土属高压缩性土，可塑粉质黏土、可塑黏土属中～高压缩性土,这些软弱土都具有含水量高，抗压强度低，易压缩、易剪切破坏，渗透系数小，排水固结时间长等特性；场地分布的，其含水量较高，压缩性较高，渗透系数小，排水固结时间长的特性，未经处理不能直接进行回填或作为建筑基础持力层，是本工程建设的不利因素。

对软弱土的处理为本次机场建设的主要问题。结合本工程的设计标高线分析，绝大部分软弱土分布区域均位于地势相对较低的填方区(沟谷地带)，工程完成后，软弱土均位于正常地面以下，成为软弱下卧层，软弱土的分布位置及埋深对本工程建设影响很大。

2.2 软弱土对地基的影响

2.2.1 对飞行区道槽区的影响评价

由于场地软弱土具有高可压缩性及排水固结时间长等特性，其空间分布不均匀，由于跑道长度较大，其跨越多个挖方区及填方区，如对道槽区及道槽影响区分布的软弱土处理不当，则极易引起跑道的不均匀沉降。同时，由于软弱土其渗透性差，排水固结时间长，对软弱土进行地基处理后，其工后沉降时间长，需长待其沉降稳定后方能进行飞行跑道道面的施工，因此，软弱土对飞行区跑道的施工、工期、运营等影响巨大。

表2 软弱土的工程特性指标参数

2.2.2 对边坡的稳定性影响评价

本工程挖填场平后，将在场区周边填方范围内形成2.0～28.0 m的高陡边坡，其中大部分填筑边坡下部均分布有较大厚度的软弱土。随着边坡区的回填，其荷载逐渐增加，下部的软弱土在边坡填筑荷载下易沿边坡底部挤出而发生剪切破坏，从而导致边坡失稳。

2.2.3 对建筑的影响评价

本次航站区、工作区地上规划有航站楼及相关配套用房，地下规划有下穿隧道、大铁、地铁等轨道交通。由于软弱土承载力低，不能作为上部建筑体的基础持力层，需对其进行地基处理或采用桩基础，从而大大增加了工程的造价及施工工期；而下穿隧道、大铁、地铁等轨道交通位于地下较深的部位，建设施工时需进行基坑开挖，由于软弱土抗剪切能力差，易被剪切破坏，因此，其对基坑的施工安全造成很大影响。

2.3 软弱土工程处理措施分析

场区内软弱土分布广泛，平均厚度约4 m，最大厚度14.4 m。软弱土表层一般为较薄的耕植土、淤泥或淤泥质土，下部为软塑～可塑状粉质黏土、黏土或淤泥质土。根据场地软弱土的分布特征，在不同地段不同土层性质其处理措施也不尽相同。对分布在场平地势线以上区域的软弱土，可采用机械直接挖除；对于分布在场平地势线以下的区域的软弱土，建议0～2.0 m的软弱土采用换填法进行处理；2.0～4.0 m的软弱土采用强夯置换法进行处理，强夯能级不宜大于4 000 kN；埋深大于4.0 m的软弱土可采用排水板法、袋装沙井、碎石桩法、CFG桩法及深层水泥土搅拌桩法进行处理。

单一的排水板、袋装砂井排水固结时间较长，地基承载力增长较慢，不宜单独采用；CFG桩造价较高，经济性较差，不宜广泛采用；碎石桩能有效提高地基承载力并加速软弱土排水固结，缩短工后沉降时间，经济性较好，建议广泛采用；深层水泥土搅拌桩法能有效提高地基承载力，经济性较好，但其不能穿透硬塑黏土层，建议在无硬塑黏性土层分布的区域或硬塑黏性土层下无软弱下卧层的区域使用。

由于场区软弱土埋深变幅较大，在针对具体工程建筑物的处理过程中，局部对地基承载和变形要求比较高的区域(如航站楼等)，也可以直接采用桩(墩)基，桩端宜进入中等风化基岩一定深度，建议采用预应力管桩或钻孔灌注桩。

3 地基处理效果分析

本次试验段填方范围沟、塘采用如下方法进行处理：梳干沟、塘内的积水；清除底部淤泥，并送往指定地点；铺设砂砾石垫层，要求砂砾石含泥量不超过5 %，厚度以能稳定压地基土、不形成“弹簧土”现象为原则，暂按50 cm考虑，根据现场具体情况确定；沿沟、塘边线向外开挖成高50 cm、宽100 cm的台阶式边坡；分层填土碾压至周围清除植物土后的地面标高。

根据试验一区的地质、地势情况，对于④-2、④-3厚度(H)不超过6 m的软弱土区采用强夯置换进行处理；对于H>6 m的软弱土区采用碎石桩、CFG桩、水泥土搅拌进行处理，并在部分强夯置换、CFG桩和水泥土搅拌桩处理区的地势设计面以上设置8 m高的堆载体。在地表土清理、地基处理、原地基压实完成后进行土石方填筑，填筑工艺采用振动碾压和冲击碾压(表3)。

由表 3中数据可知，在相同载荷下，碎石桩+排水板处理区表层沉降最大，CFG桩处理区次之，强夯处理区最小。填筑体顶面堆载预压的作用是为了加速表层沉降，减少工后沉降量，从表中数据可以看出，堆载区的表层沉降速率都比非堆载区的大。

表3 试验一区工后表层沉降统计

注：堆载区监测历时80 d，非堆载区监测历时21 d。

4 结 论

(1)区内软弱土地层由水稻田耕植土、淤泥、淤泥质土、软塑粉质黏土、可塑粉质黏土、软塑黏土及可塑黏土组成。

(2)场区软弱土具有含水率高、渗透性差、压缩性高、强度低、固结时间长等特点，对地基承载力、地基变形及边坡稳定有较大影响，软弱土层未经处理不能直接作为地基基础持力层，应进行相应的工程处理措施。

(3)在试验区段中，堆载预压对加速沉降速率效果明显，在相同载荷下，碎石桩+排水板处理区的地基处理效果较好。

[1] 刘宏，张倬元，刘亚波. 九寨-黄龙机场地基软弱土工程地质特性研究[J]. 中国地质灾害与防治学报, 2003, 14(2): 39-43.

[2] 阎长虹，吴焕然，许宝田，等. 不同成因软土工程地质特性研究——以连云港、南京、吴江、盱眙等地四种典型软土为例[J]. 地质论评, 2015(3): 561-569.

[3] 沈珠江. 软土工程特性和软土地基设计[J]. 岩土工程学报, 1998, 20(1): 100-111.

[定稿日期]2017-08-02

王志远(1983～)，男，本科, 工程师, 主要从事岩土工程勘察方面的技术工作。

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