天津南港铁路第Ⅰ海相层软土工程地质特征浅析

茹杉杉

(铁道第三勘察设计院集团有限公司, 天津 300251)

1 工程概述

天津南港铁路地处天津市滨海新区境内,是连接天津南港与国铁(含合资铁路)之间的新建铁路工程,工程西起天津铁路枢纽西南环线万家码头站,向东南跨过独流减河进入南港工业开发区内。该区为滨海冲海积平原,地震动峰值加速度为0.10g和0.15g,土壤最大冻结深度为0.70 m，主要工程为路基和桥梁。沿线地形平坦开阔,多为荒地及坑塘,软土分布广泛,既有铁路及公路两侧分布有厚度不等的填土。

2 软土的基本特征

我国《岩土工程勘察规范》(2009年版)[1]中规定：天然孔隙比大于或等于1.0,且天然含水量大于液限的细粒土应判定为软土,其压缩系数大于0.5 MPa-1、不排水抗剪强度小于30 kPa。我国《铁路工程地质勘察规范》[2]中规定：对于在静水或缓慢流水环境中沉积形成的粉土、黏性土,具有含水率大(w≥wl)、孔隙比大(e≥1.0)、压缩性高(a0.1-0.2≥0.5 MPa-1)、强度低(Ps<800 kPa)等特点,应按照软土进行工程地质勘察。

3 天津滨海新区海相地层成因

在早更新世、中更新世时期主要以陆相沉积为主,海洋作用甚微。晚更新世与全新世以来,海洋作用加强,渤海湾西岸以海相沉积为主,形成了天津地区比较典型的海陆交互相地层。由于海水入侵的形式不同,造成各海相、陆相地层在天津地区的分布不均匀。据资料记载：在全新世黄河数度从河北沧州地区和天津入海,而北宋时期军粮城以南的泥沽河口入海的黄河,塑造了由泥沽河向南至上古林贝壳堤以东的陆地。全新世中期形成主要以淤泥质软土为主的第Ⅰ海相层,是天津地区主要的软土地基,也是滨海地区工程地质问题较集中地层位[3-5]。

4 第Ⅰ海相层软土工程地质特性

该区域为冲海积平原,地形平坦开阔,沿线多为沟塘,地下水埋深较浅,水量较丰富。地层为海陆交互沉积相,主要岩性为淤泥质土、黏性土、粉土和粉细砂,表层多为填土。地层分布情况见代表性剖面(图1)。

图1 软土地基代表性剖面

通过对地质资料的分析,第Ⅰ海相层软土为⑥4淤泥质黏土、⑥5淤泥质粉质黏土[6]。该层富含海相软土动物贝壳,其底部为灰黑色有机土(泥炭层),工程性质差，其特征详述如下。

⑥4淤泥质黏土：灰色、褐灰色,流塑,夹薄层粉质黏土、黏土局部与粉土互层。层厚1.2～5.3 m,顶板埋深3.7～11.0 m,呈透镜状,尖灭体状分布。

⑥5淤泥质粉质黏土：灰色、褐灰色,流塑,夹薄层粉质黏土、黏土局部与粉土互层。层厚3.2～12.0 m,顶板埋深5.1～9.0 m,呈层状分布。

据海相层底部广泛分布的泥炭层测年资料为9 400±100年,海相层为近9 000年来逐步沉积的软土层,层顶高程一般-1.4～-2.6 m,层底高程一般-13.7～-17.5 m(国家1985高程基准),含有机质较高,地基承载力为50～80 kN/m2。

5 第Ⅰ海相层软土的物理力学指标的统计

通过勘探和静力触探取样试验,对35孔钻探、30孔静力触探试验数据进行了分析统计,其物理力学指标见表1、表2。

表1 南港铁路第Ⅰ海相层物理力学指标(特殊试验)

表2 南港铁路第Ⅰ海相层物理力学指标(常规试验)

从表1,表2中可以看出该区第Ⅰ海相层软土有如下特征。

5.1 天然含水量高

天然含水量大于液限,且液性指数>1.0,土体一般均呈流塑状态。

5.2 大孔隙比及高压缩性

孔隙比≥1.0,孔隙比较大；压缩系数α0.1-0.2≥0.5 MPa-1,属于高压缩性土,在上部荷载作用下会产生大的沉降,并且填土越高,软土层越厚,沉降越大。

5.3 低强度、低承载力

Ps=qc×1.1=770 kPa<800 kPa,土体的强度低；双桥静力触探的一般锥头阻力为0.4～0.6 MPa,查得基本承载力为50～80 kPa,承载力较低。

5.4 抗剪强度低

凝聚力C一般为3～17 kPa<20 kPa,内摩擦角φ一般为2～9°<10°。土的抗剪切变形差,铁路路基容易失稳产生滑移。

另外该区软土有机质含量为1.4%～7.4%,有机质含量较高；由于软土主要由黏土矿物组成,表现出渗透性差的工程特性,渗透系数为10-6～10-7cm/s；固结系数为10-2～10-3cm2/s达到正常固结所需时间较长；无侧限抗压强度为17～91 kPa,较低[7，8]。

6 结论

第Ⅰ海相层属于第四系全新统中期沉积的土层,主要软土岩性为淤泥质黏土、淤泥质粉质黏土,为高含水量、高压缩性、低强度、欠固结的典型的软弱土层。

南港铁路工程地表至20 m以上地层中含有典型的软土层,该软土的工程性质较差,强度和变形不能满足铁路建设项目的要求,应对地基进行加固处理。如采用结合袋装砂井排水、塑料排水板排水采取的真空预压法或堆载预压法,水泥土搅拌法和高压旋喷法[9]等方法对软土地基进行有效的地基处理。考虑该建设项目要求工期较紧的现状,预压排水固结不能满足工期的要求,另外高压旋喷法较水泥土搅拌法的成本高,结合工程工期的要求以及工程造价等方面的因素,本工程可选择经济合理的水泥土搅拌法对地基进行处理。应根据路堤的填高、地层情况等，进行沉降分析、稳定分析和承载力检算，选择合适的桩长和桩间距。

[1] GB50021—2001 岩土工程勘察规范[S]

[2] TB10012—2007 铁路工程地质勘察规范[S]

[3] 林景星.华北平原第四纪海进海退现象的初步认识[J].地质学报,1977(2)

[4] 汪品先,等.我国东部第四纪海侵地层的初步研究[J].地质学报,1981(1)

[5] 王强,等.环渤海地区及华北平原第四纪古环境变迁机制[J].地质调查与研究,2004，27(3)

[6] DB/T29—191—2009 天津市地基土层序划分技术规程[S]

[7] 王耀琴.南疆港进港铁路软土地基勘察及处理方法[J].铁道工程,2008(3)

[8] 邢恩桥.天津沿海地层工程地质性质统计特征[J].海岸工程,2005，24(1)

[9] 易敏,等.连云港海相软土基本特征及处理方法探讨[J].公路交通科技,2005，22(5)