通州湾新区工程地质特征及地基预处理技术研究*

刘 建，刘培贵，吴月龙，唐彤芝，蔡 锐，孙苏才

(1.南通沿海开发集团有限公司，江苏 南通 226006； 2.南京瑞迪建设科技有限公司，江苏 南京 210029；3.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029)

通州湾新区工程地质特征及地基预处理技术研究*

刘 建1，刘培贵1，吴月龙2，唐彤芝3，蔡 锐1，孙苏才1

(1.南通沿海开发集团有限公司，江苏 南通 226006； 2.南京瑞迪建设科技有限公司，江苏 南京 210029；3.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029)

对通州湾新区区域环境地质背景进行了阐述；整理、归纳、分析了区内正在开发建设的科教城A03、A04、B01、B03地块及春晖路等区域的地勘资料；依托典型工程案例，针对适宜于新区的多项地基预处理技术进行了对比分析。研究表明：新区地质土层为韵律型砂层与黏土层交替出现的双层松散型地质，既有区域环境地质特征，又有其局部特殊性。过高的地下水位、连续的降雨是新区水文地质的又一特点，给地基施工和降水带来了较大的困难。新型降水强夯法、排水固结法是完成新区大面积地基预处理较为适宜的方法。合理的选择复合地基法亦可以将地基预处理与处理合二为一，大大缩短整个工程的工期、节省造价。

岩土工程；地质特征；预处理；降水夯实法；排水固结法；复合地基法

0 引 言

通州湾新区位于长江入海口北翼，是浙江以北、山东以南上千里海岸线上得天独厚的蓝色海域，江苏沿江经济带与沿海经济带的“T”型交汇处，现已成为南通市委市政府倾全力打造的沿海新区(图1)。投资环境的巨大变化，在新区水利、建筑、交通等基础设施建设中兴起了热潮。新区由三角洲泥沙长期冲积、海边滩涂淤积和人工冲填而成的饱和性松散软土地基成了不可回避的问题，对此处工程中所遇到的工程地质问题进行理论研究，选择合适的地基处理和预处理方式[1]非常重要。

图1 通州湾新区地理位置Fig.1 Geographical location of Tongzhou Bay new district

南京地质矿产研究所在二十世纪九十年代初就对南通市第四纪沉积特征及沉积相进行了研究，并作了相应的报告[2]。刘福庆等[3]在1990年华东岩土工程学术大会上就江海港区开发的预可行性研究做了汇报，对长江岸线南通农场段工程地质进行了详细评价。吴燕开[4]对九华-海门段高速公路所通过区域软土的工程地质性质以及各物理力学指标之间关系进行了全面系统的分析，并对南通地区软基稳定性评价及防治对策进行了研究。曹建建等[5]依托海启高速对南通地区高速公路软土特性及处理方法进行了研究。类似的研究还有很多，通州湾新区发展和建设中地基处理出现的问题也越来越受到重视。

笔者依托通州湾新区科教城的一些工程实践，对若干区域的地质勘察资料进行了归纳总结和分析，简要分析提出了一些适宜新区的地基预处理新方法。

1 区域环境地质背景

通州湾在区域地质上属于南通地区，地处我国东部沿海。全境地域轮廓东西向长于南北向，三面环水，一面造陆，似不规则的菱形状。第四纪以来受到江河、海洋的交替作用，冲积层厚度达200～360 m，由于沉积环境频繁变化，形成了滨海相、三角洲相、河流相共存的一套复杂沉积相。滨海相是第一特征，沉积的滨海相灰褐色淤泥质亚黏土夹杂着纹层状粉砂，或与粉砂互层，内含腐烂的植物碎屑，以小型砂纹层理和水平层理为主。

其次，三角洲相、河流相亦是其主要特征。长江在奔流入海的行程中，除侵蚀河床及部分江岸，将大量碎屑物质搬运入海，同时还沿途堆积大量泥砂，造就了广阔的冲积平原，分别为狼山残丘区、海安里下河区、北岸古沙嘴区、通吕水脊平原区、南通古河汊平原区、南部平原和洲地、三余海积平原区、沿海新垦区等，形成了古长江与东海或黄海汇合地带，是河海相互作用的产物。地质土层常为松软、饱水的淤泥质亚黏土，黑褐色、富含有机质，同时夹较多粉砂薄层，微层理较发育。其中，黏土矿物的这种组构特征是由于长江带来的黏土质点与海水碱性电解质中阳离子发生絮凝作用，形成较大集合体沉积而成的。

全地区呈现的这种韵律型砂层与黏土层交替出现的松散型地质作为建筑地基土层压缩性较高、承载力常不能满足要求。

2 新区地质特点分析研究

通州湾新区受南通地质整个区域环境地质背景的影响，地质土层为第四纪全新世冲海相交错沉积物。对区内正在开发建设的通州湾科教城A03、A04、B01、B03地块及春晖路等区域的地勘资料进行整理、分析、归纳发现区内整体地质作为建筑地基既有区域环境地质特征，又有其局部特殊性。从土层类型、土体物理力学性质、工程水文地质3个方面分析如下。

2.1 土层类型

对A03、A04、B01、B03地块区域及春晖路区域各区块建筑物荷载影响范围内典型地质剖面见图2，主要土层名称统计见表1。

表1 土层名称统计Table 1 Statistical of soil layer names

图2 典型地质剖面Fig.2 Typical geological profile

由图2及表1可见：

1) 表1中土层情况显示，A03、A04、B01、B03地块区域及春晖路区域5个区块，除①冲填土层名称未显示土质类型外，其余所有地层基本以粉粒、砂粒类土为主，仅春晖路区块②层淤泥质粉质黏土夹粉土，含有部分黏性土。

2) 图2较为直观的反映了通州湾新区属长江下游三角洲冲积平原地貌单元，河流相和滨海相混合是其主要特征。土质多为含水率较高，结构松散的粉砂薄层，局部夹杂淤泥、植物根茎、贝壳类碎片。

3) 作为主要地基土层的粉土、粉砂及粉质黏土3种类型土相互交替夹杂出现是一大特点。粉粒含量较高的土体渗透性较强，由于滨海相沉积的特征，常体现为松散性，具有一定的可压缩性。该种类型地基属于典型饱和性松散软土地基，在进行建设开发时，需要进行针对性的地基处理。

2.2 主要土层物理力学性质

对典型地块在地表以下30 m范围内5个主要的典型土层，冲填土、淤泥质粉质黏土、粉土夹粉砂、粉质黏土、粉砂夹粉土的物理力学性质指标进行归纳、统计，数据见表2。同时，结合土层所在深度绘制各项物理力学性质随深度变化曲线见图3。

表2 土层物理力学指标表Table 2 Physical and mechanical indexes of soil layer

图3 土层物理力学指标曲线Fig.3 Physical and mechanical index curve of soil layer

由表2及图3可见：

1) 整体来看韵律型砂层与黏土层夹杂性现象导致地层物理、力学性质及承载力均形成一种低→高→低→高的交替出现的地质问题。为了深入研究相对的建筑物荷载大小，作用至地基土层中的深度，处理到哪一土层，及下卧软弱层能否满足承载力、竖向变形及不均匀沉降等多项要求，地基处理的要求就要按照作用额地层深度进行细致划分。

2) 分析5个土层的孔隙比：冲填土层孔隙比e明显大于1，属于疏松的高压缩性土；其余4个土层淤泥质粉质黏土、粉土夹粉砂、粉质黏土、粉砂夹粉土孔隙比介于0.7～1之间，属于中等密实性土；黏性土层的孔隙比e大于粉土、砂土类土层。由于土层的分布，使得地基土层内在垂直方向的密实性高低交替。

3) 抗剪强度整体不高，砂性土的黏聚力C明显小于黏性土，而内摩擦角φ则是砂性土大于黏性土，显现了不同类别土的特性。在土层垂直方向上抗剪强度的分布与其它力学性质的分布是一致的。

4) 分析压缩系数与地基承载力，A03、A04、B01、B03地块区与春晖路区域地基处理范围内均存在两个软弱土层：①/②层冲填土，高压缩性，层底最大深度约为10 m，地基承载力特征值fak=45～65 kPa，是最直接、主要的待处理土层；④/⑤层粉质黏土夹粉土，中等压缩性，层底最大深度约为24 m，地基承载力特征值fak=90～95 kPa，也是重要的待处理土层。

5) 局部区域土层也存在一定的差异性。春晖路区域出现软弱土层第②层淤泥质粉质黏土夹粉土，地基承载力特征值fak=50～80 kPa，层底深度约10 m。淤泥质土除表现为地基承载力低，压缩性大以外，仍存在渗透性较低的问题，这在地基预处理的方法选择上亦是重点。

2.3 工程水文地质

地下水类型均为孔隙潜水类型。主要补偿来源为大气降水、地表水以及区域水系。整体地下水丰富，水位较高，埋深较浅，一般在0～1 m，其中春晖路、A03地块埋设稍深约0.5～1 m，而A04、B01、B03地块基本与地面齐平。这是新区工程水文地质又一特点。

过高的地下水位对于降水措施的要求高。同时，地处北亚热带湿润性气候区的通州湾，季风影响明显，雨水充沛，年平均降水量1 099.7 mm，常年雨日平均120 d左右，尤其夏季雨量很多。降雨给野外施工和降水带来了较大的困难。

3 新区地基预处理技术分析

地基预处理就是在实施建筑物灌注桩、水泥搅拌桩、预制管桩等桩基础及复合地基施工前采取动力夯实法、排水预压固结法等对整个建筑场地进行整体加固。

地基预处理目的是改善软土土质条件和土性指标，降低土体含水率、孔隙比和压缩性，消除整个场地地基沉降压缩变形，使软土更加密实，提高土体强度和地基承载力，有效减少地基工后沉降。避免由于忽视对场地软土本身的预处理常出现的一些不良现象，如因地基土沉降压缩量大、不均匀差异沉降大导致建筑物出现裂缝、台阶踏步出现脱空；道路沉降大，影响平整度和行车安全；地下管道接头出现脱开等。

3.1 常用地基预处理技术分析

地基预处理方法的选择要结合区域工程地质、水文地质、区域建筑规划、经济技术条件、建筑材料来源等多方面因素综合考虑。常用的地基预处理方法有动力夯实法、排水固结法及换填垫层法等。

1) 动力夯实法[6]即强夯法，作为最常用的预处理方法作用于新区大面积的粉砂性地基是较为适用的。对于新区结构荷载较少、层数较低(一般不超过4层)、不需要开挖做地下室的一般建筑物、绿化带以及道路工程，比较适合，工艺简单，经济有效。

处理深度一般在6 m左右，地基表面承载力可达到80～100 kPa，同时压实土体，消除沉降，保障地下管线安全铺设和正常运行。但由于新区高地下水位下高饱和性粉砂、黏土互层地基，且连续多雨的气候条件，需要在动力夯实同时进行有效的降水，才能保证地基处理的效果。

2) 排水固结法亦是常用地基预处理方法，如真空预压[7]、真空联合堆载预压[8]。真空预压法，是通过覆盖于地面的密封膜下抽真空，使膜内外形成气压差，使黏土层产生固结压力，即是在总应力不变的情况下，通过减小孔隙水压力来增加有效应力的方法。

针对新区内一些高含水率、低渗透性的饱和软黏土地基，尤其是像春晖路区域出现淤泥质土的情况，能改善土体物理力学性质的，提高承载力，是一项良好的大面积地基处理方法。

3) 换填垫层法[9]影响深度较浅，局限于浅层处理，且受限于换填材料，只能小范围的进行地基处理，而不适用于新区建设中遇到的大面积地基预处理。

3.2 复合地基法在预处理中的应用

严格来说，复合地基法并不属于地基预处理法的一种，它是介于地基预处理与地基处理之间的一种地基处理方法。

通州湾新区由于开发区的性质，常出现荷载较大、层数较多、处理深度较大、需要开挖有地下室的建筑物，且建设周期又较短、投资经费又有一定的限制。此时，复合地基法就凸显了其特点，其处理后的地基承载力、抗变形能力已经能满足一部分建筑地基处理的要求，同时它又兼具了预处理的效果；虽然，复合地基相对于前面3种地基预处理方式价格较高，但合理的选择复合地基法能将地基预处理与处理合二为一，反而在满足设计要求同时又节省大规模的经济投入及施工时间。

常见的复合地基法处理有水泥搅拌桩、CFG桩、砼芯砂石桩、塑料套管混凝土桩、预制管桩等。

1) 水泥搅拌桩[10]系指通过特制的搅拌机械，就地将软土和固化剂强制搅拌，产生一系列的物理和化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的桩体。

水泥土搅拌桩体上部水泥含量较高，越往下水泥含量越少，这使得水泥土搅拌桩的有效桩长和有效处理深度大大减小，一般有效处理深度为10 m左右，最大处理深度一般不超过15 m。

2) CFG桩[11]是在碎石桩的基础上掺加适量石屑、粉煤灰和水泥加水拌和，制成一种黏结强度较高的半刚性桩体。CFG桩和桩间土一起，通过褥垫层形成CFG桩复合地基共同工作。

CFG桩作为灌注桩的一种，亦存在灌注桩常见的缩径、扩径、夹泥、离析和断桩等缺陷，同时由于普通CFG桩相当于素混凝土桩，没有配筋，其仅能作为抗压桩，无法承受抗拔要求。

3) 砼芯砂石桩[12-13]是由预制管桩或方桩、外包芯桩的砂石壳形成的复合桩，和桩间土、褥垫层一起形成复合地基。

砼芯桩主要起承受竖向荷载的功能；桩的砂或碎石壳主要起加大芯桩侧壁摩阻力和提供大直径竖向排水通道的作用，桩间软土在承受分担的地面荷载和桩侧摩擦力荷载后迅速固结，超静孔压迅速消散，桩间土承受的荷载迅速转化成有效应力。

4) 塑料套管混凝土桩[14]是将塑料套管按一定的间距跟管打入需要加固的地基中，打设完毕后，再在套管内用混凝土连续浇注成桩，套管不再取出，套管与填充物就形成了地基加固桩，桩顶设置盖板，并铺设垫层和土工格栅，形成复合地基系统。

它一般要求地基软土下部有硬土层或承载力相对较高硬土层时能够充分发挥其承载力较高的优势。

5) 预制预应力混凝土管桩[15]是一种刚性桩复合地基。管桩基础由沉入岩土层中的管桩和连接于桩顶的承台共同组成以承受和传递上部结构荷载。

预制管桩虽然对于桩间土有一定的挤密效应，但不能改善桩间土自身的性质，在长时间的运营期必然会形成差异沉降，严重时会造成基础地层脱空等现象，在将地基预处理与地基处理相结合方面结合性较低。其次，预制管桩锤击施工振动剧烈，噪音大，对周边居民环境造成较大影响。在园区进行大面积地基处理的过程中，预制管桩能较好的体现其施工工期快的优越性，但其造价相对较高。

4 新区典型试验案例分析

通过以上分析可以看出，动力夯实法、排水固结法是主要的地基预处理方式，而换填垫层法、复合地基法由于其地基处理的方式、桩体性质、工艺作用范围的局限性、特殊性仅作为地基预处理的辅助方法。

针对降水动力夯实法、排水固结法两种典型地基预处理方式，在新区选择3个典型试验区块进行工程试验。试验拟设置3个试验区块，单个试验区面积7 800 m2，其中试验区T1、T2采用降水动力夯实法，试验区T3采用无砂真空预压法。

4.1 降水动力夯实法

试验区T1、T2采用水气分离集成管井夯实法和低位负压排水组合动力夯实法。该两项地基处理方式是针对新区地基预处理设计的两项新型降水动力夯实法。将降水机制与动力夯实相结合的新型工艺，首先采取一定的措施降低地下水位；其次强夯采取“先轻后重，少击多遍，逐级加能”的方法。这样能够有效的防止拖延工期、出现“橡皮土”和“弹簧土”现象。

T1区采用水气分离集成管井夯实法，利用管井水力释重的原理降地下水位，一般下降至地表下预定深度，水土分离后再进行动力夯实，再利用抽真空产生的负压对夯后土体孔隙水压力消散，进行水气分离夯实，达到对软弱地基的加固处理。T2区采用低位负压组合排水动力夯实法，将水平排水与竖向排水、外部明排与内部汇集相交叉构成立体空间排水系统，将自重主动排水、负压强制排水与扰动液化排水相结合构建多重联合排水机制，采用高能量强夯与碾压相融合的联合加固机理，达到快速排水、快速促进土体结构形成和密实、快速提高地基强度和承载力的目的。试验详细参数见图4，图5。

图4 水气分离集成管井夯实法典型断面Fig.4 Typical section diagram of moisture separatorintegrated well dynamic compaction method

图5 低位负压组合排水动力夯实法典型断面Fig.5 Typical section diagram of low negative pressuredrainage combination dynamic compaction method

地基处理前后，主要物理力学性质得到极大改善(图6)，含水率ω降低了约16%，湿重度γ增加了4.5%，压缩系数α1-2降低了约65%，压缩模量Es1-2提高了约168%，压缩性由中高压缩性降低为中低压缩性土。黏聚力Ck降低了约22%，内摩擦角φk增加了210%，在强夯的作用下，原地基表层的砂被夯击进入了原②层粉质黏土夹粉土的区域，两者相互混合使得土体的性质产生了变化，使得处理后②层主要以粉粒为主。

地基预处理后经平板静载荷试验及原位静力触探试验，地基承载力特征值试验区T1达到100 kPa，试验区T2达到80 kPa，达到了原试验大纲的要求。

图6 处理前后物理力学性质变化曲线Fig.6 Variation curves of physical and mechanical properties before and after treatment

4.2 排水固结法

试验区T3采用无砂真空预压法，相较于传统真空预压法，由于待处理土体表层土体的透水性较好，取消了排水砂垫层。其详细施工参数见图7。

图7 无砂真空预压法典型断面Fig.7 Typical section diagram of sand freevacuum preloading method

地基预处理后，主要物理力学性质同样得到极大改善(图8)，含水率ω降低了11.77%，湿重度γ增加了3.93%；土体压缩系数α1-2降低了约62.96%，压缩模量Es1-2提高了约147.53%，压缩性由中高压缩性降低为中低压缩性土。黏聚力Ck降低了约22%，内摩擦角φk增加了214%。试验区T3达到80 kPa，达到了原试验大纲的要求。

4.3 试验小结

1) 试验结果显示降水动力夯实法与排水固结法针对通州湾新区这种冲海相交错沉积，韵律型砂层与黏土层交替出现的松散型地质情况进行地基预处理效果良好。

2) 相对于复合地基法，这两种方法可以更有效的改善大面积软土的整体土质条件和土性指标，降低土体含水率、孔隙比和压缩性，消除整个场地地基沉降压缩变形，使软土更加密实，提高土体强度和地基承载力，有利于场地后期基坑开挖，深层桩基打设等工作，有效减少地基工后沉降，场地的不均匀沉降。新型的降水机制能够有效的降低地下水位，保证夯实法顺利有效的进行。

3) 在进行地基预处理时两种工艺也存在一定的差异性。降水动力夯实法主要适用的土层是透水性较好的粉粒地基，而排水固结法更适用于渗透性相对较低的淤泥质土、黏土类地基。

图8 处理前后物理力学性质变化曲线Fig.8 Variation curves of physical and mechanical properties before and after treatment

5 结 论

1) 通州湾新区受南通地质整个区域环境地质背景的影响，地质土层为第四纪全新世冲海相交错沉积物，兼具滨海相、河流相和三角洲相的主要特征。韵律型砂层与黏土层交替出现的松散型地质显示作为建筑地基既有区域环境地质特征，又有其局部特殊性。

2) 高压缩性、低承载力的①②层冲填土与中等压缩性、中等承载力的④⑤层粉质黏土夹粉土形成双层软土地基，既要重点处理，又需要区别对待，因此针对性的地基预处理，对于园区规划、建筑、交通的基础设施建设非常重要。

3) 地处北亚热带湿润性气候区的通州湾，季风影响明显，雨水充沛。过高的地下水位、饱和性的松散软土是通州湾新区工程地质条件的又一特点，给野外施工和降水带来了较大的困难。

4) 对地基预处理常用方法进行了简要分析，并列举了典型的试验案例。新型的降水机制能够有效的降低地下水位，保证动力夯实法顺利有效的进行。真空预压法是针对园区内一些高含水率、低渗透性的饱和软黏土地基一项良好的大面积地基预处理方法。

5) 复合地基法是介于地基预处理与地基处理之间的一种地基处理方法，处理后的地基承载力、抗变形能力已经能满足一部分建筑地基处理的要求。合理的选择复合地基法既能满足设计要求又可以节省大规模的经济投入。

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Geological Characteristics and Foundation Pretreatment Methodin Tongzhou Bay New District Engineering

LIU Jian1，LIU Peigui1，WU Yuelong2，TANG Tongzhi3，CAI Rui1，SUN Sucai1

(1. Nantong Coastal Development Group Co. Ltd.，Nantong 226006，Jiangsu，P. R. China;2. Nanjing Ruidi Construction Technology Co. Ltd.，Nanjing 210029，Jiangsu，P. R. China;3. Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing 210029，Jiangsu，P. R. China)

The geological background of Tongzhou bay new district was expounded，and many regional geological survey materials of some developing areas including science and technology city A03，A04，B01，B03 block and Chunhui Lu were organized，summarized and analyzed. At the same time，relying on typical engineering cases，several foundation pretreatment techniques suitable for the new district were analyzed and compared. Research results show that：the geological soil layer in the new district is a double layer loose geological type alternating with rhythmic sand layer and clay layer，which has both regional environment geological characteristics and local particularity. The high water level and continuous rainfall is another feature of the new district，which brings great difficulty to the foundation construction and the dewatering. The new dewatering dynamic compaction method and drainage consolidation method are more appropriate for the foundation pretreatment of large area in new district. Reasonable choice of composite foundation method can combine the foundation pretreatment and treatment，which greatly shortens the project duration and saves the cost.

geotechnical engineering; geological features; pretreatment; dewatering dynamic compaction method; drainage consolidation method; composite foundation method

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.12.11

2016-09-13；

2017-03-21

水利部行业公益性项目(1261430210302)

刘 建(1974—)，男，江苏如皋人，高级工程师，主要从事软土地基处理方面的研究。E-mail：2077678772@qq.com。

TU449

A

1674-0696(2017)12-058-09

谭绪凯)