天津濱海新區(qū)新近沉積土確定及其工程特性研究

王 輝，趙志峰，溫偉光，劉曉磊

（1.天津市勘察設計院集團有限公司，天津 300191；2.天津泰勘工程技術咨詢有限公司，天津 300191）

新近沉積土是一種有別于一般第四紀沉積土的“近代土”，具有獨特的工程特性，多見于河漫灘、山前沖積、洪積扇的表層和已填塞的溝、塘、谷及河道泛濫區(qū)[1]。國外有關新近沉積土研究的文獻較少，一般都是就新近沉積土某些特征進行單一探討，研究并不系統(tǒng)和深入[2]。自上世紀70～80年代開始，國內(nèi)開始注意到新近沉積土特殊的工程特性，由此開展了一系列相關研究工作。目前國內(nèi)對新近沉積土確切的劃分年代界線并沒有統(tǒng)一[3]，對其基本工程地質(zhì)性質(zhì)的描述更是過于簡單和模糊，有待于進一步更細致的研究和探索。此外，雖已被納入國家標準規(guī)范，但在地質(zhì)學科中，新近沉積土并不是一個規(guī)范的專業(yè)術語，“新近期”不是地質(zhì)年代術語，在傳統(tǒng)的地層學中也沒有“新近沉積土”的巖性定名。因此，地質(zhì)地礦部門在第四紀地質(zhì)年代、地層巖相等研究中，也缺乏對“新近沉積土”的專項研究。

天津位于渤海西岸，其淺表地層形成于最后一次海退成陸過程，且自內(nèi)陸向沿海的沉積年代由老變新[4?5]。在早期城市建設中，由于缺乏對新近沉積土了解，出現(xiàn)了房屋沉降開裂、路面斷裂破壞等現(xiàn)象。為解決上述問題，天津?qū)π陆练e土開始進行專項研究，涉及范圍包括市區(qū)及濱海新區(qū)塘沽部分地段，是國內(nèi)最早一批開展新近沉積土研究的城市。經(jīng)過多年研究[6?11]，現(xiàn)已明確了天津新近沉積土的形成年代以4 000年為界，并給出了其成因類型、分布范圍、巖性組成和物理力學性質(zhì)指標。實踐證明，新近沉積土的現(xiàn)有研究成果在天津市區(qū)具有良好的適用性，但在研究涉及較少的濱海新區(qū)則出現(xiàn)了新近沉積層與第Ⅰ陸相層劃分存在重疊沖突的問題，以往為保持與市區(qū)地層一致而劃分第Ⅰ陸相層（上部陸相層）時，出現(xiàn)了許多問題，如：第Ⅰ陸相層地基承載力或樁基參數(shù)取值偏高，導致實際工程中建筑物沉降過大、開裂或基坑支護結(jié)構變形、破壞等問題。

綜上，開展濱海新區(qū)新近沉積土研究，一方面可補充完善天津新近沉積土理論成果，另一方面也為濱海新區(qū)工程建設中的勘察、設計、施工提供可靠依據(jù)。

1 濱海新區(qū)新近沉積土劃分

1.1 新近沉積土形成年代

（1）古海岸線年代分析

歷史上，黃河曾有3次改道至天津附近入海，在海浪沖擊和黃河攜帶泥沙入海時的造陸作用下，天津平原東部形成了數(shù)條由海生貝類逐漸堆積而成、大致平行的貝殼堤。因此，現(xiàn)存的貝殼堤就是原古海岸線，也就是成陸的歷史見證，同時也是天津濱海地層沉積年代的重要資料。根據(jù)《天津市地質(zhì)環(huán)境圖集》[11]和有關文獻資料[12?13]，天津濱海新區(qū)共分布有3道貝殼堤，自東向西分別為第一、第二及第三貝殼堤，其形成年代及分布具體見圖1。

圖1 古海岸線（古貝殼堤）分布示意圖Fig.1 Distribution diagram of the ancient coastline(ancient shell dike)

由圖1可知，第一道貝殼堤形成于距今約200年，基本沿現(xiàn)代海岸線分布，分布于大神堂—蔡家堡—蟶頭沽—驢駒河—高沙嶺—唐家河—岐口鎮(zhèn)，在岐口附近與第二道貝殼堤合并；第二道貝殼堤形成于距今約2 000年左右，分布于漢沽的灑金坨—茶淀—軍糧城—上古林—馬棚口—岐口，在岐口與第一道貝殼堤匯合，為戰(zhàn)國前古文化遺址；第三道貝殼堤形成于距今約3 800～3 000年，分布于漢沽的高莊村南—七里海鎮(zhèn)—造甲城鎮(zhèn)—張貴莊及北大港，根據(jù)考證大體與春秋時期的海岸線相近。

（2）測年試驗分析

為確定濱海新區(qū)新近沉積時間，根據(jù)歷年研究成果及相關單位資料，本次在研究區(qū)域及周邊共收集了了31組測年數(shù)據(jù)，按照采樣深度小于5.0 m的原則進行篩選，共篩選出13組進行分析。測年取樣位置見圖2，測年結(jié)果見表1。

表1 收集的測年成果數(shù)據(jù)Table 1 Collected dating results

圖2 測年取樣位置示意圖Fig.2 Location of the sampling points for dating

由于14C測年樣品的送樣要求高，在補充鉆孔中共取得了5組樣品的有效測試結(jié)果，如表2所示。

表2 補充測年數(shù)據(jù)Table 2 Supplementary dating data

根據(jù)以上測年數(shù)據(jù)分布及結(jié)果可知，大部分測年數(shù)據(jù)與《天津市地質(zhì)環(huán)境圖集》和有關文獻資料所提供的3道貝殼堤形成年代界限相符，僅局部在S5、B1等處測年數(shù)據(jù)有所異常。

（3）綜合分析

經(jīng)過對古海岸線（貝殼堤）分布研究，依據(jù)實際測年成果，可以確定：濱海新區(qū)第三道貝殼堤以東的上部陸相沉積土層形成年代小于4 000年。

1.2 濱海新區(qū)與市區(qū)上部陸相沉積土對比分析

（1）物理性狀

濱海地區(qū)上部陸相沉積土在顏色、結(jié)構及強度方面與市區(qū)上部陸相沉積土有明顯區(qū)別，但與市區(qū)新近沉積土卻極為相近，詳見表3。

表3 物理性狀對比Table 3 Comparison of physical properties

（2）物理力學指標

就土的工程性質(zhì)而言，濱海新區(qū)上部陸相沉積土與市區(qū)相比存在明顯差異。其一是巖性差異，濱海新區(qū)許多上部陸相沉積層中出現(xiàn)淤泥質(zhì)土，而市區(qū)除新近沉積層中出現(xiàn)淤泥質(zhì)土外，在上部陸相沉積層中不會出現(xiàn)；其二是物理力學性質(zhì)差異，濱海新區(qū)上部陸相沉積土的物理力學性質(zhì)明顯差于市區(qū)上部陸相沉積土，也差于市區(qū)新近沉積土。本次共統(tǒng)計了12 858組土樣的試驗指標，其中位于市區(qū)新近沉積層的有3 037組，位于市區(qū)上部陸相沉積層的有5 758組，位于濱海新區(qū)上部陸相沉積層的有 4 063組。上部陸相沉積層與新近沉積層中相同巖性土層的物理力學指標對比情況見表4—表7。

表4 黏土物理力學指標統(tǒng)計表Table 4 Statistics of physical and mechanical indexes of clay

表5 粉質(zhì)黏土物理力學指標統(tǒng)計Table 5 Statistics of physical and mechanical indexes of silty clay

表6 淤泥質(zhì)土物理力學指標統(tǒng)計Table 6 Statistics of physical and mechanical indexes of silty soil

表7 粉土物理力學指標統(tǒng)計Table 7 Statistics of physical and mechanical indexes of silt

1.3 新近沉積土分析確定

綜合上述研究成果可知，濱海新區(qū)上部陸相沉積土形成年代界限為4 000年，其物理力學性質(zhì)既差于市區(qū)上部陸相沉積土，也差于市區(qū)新近沉積土，完全符合天津地區(qū)新近沉積土劃分標準。結(jié)合巖土工程實踐情況，濱海新區(qū)上部陸相沉積土劃入新近沉積層確實可行。因此，濱海新區(qū)新近沉積層應由成陸后在低洼地帶、洪泛區(qū)、古河道、溝坑等地帶形成的原新近沉積土及上部陸相沉積土共同組成，為將兩者區(qū)分，后者可定名為“上部陸相新近沉積土”。

2 濱海新區(qū)新近沉積土發(fā)育分布

按成因，濱海新區(qū)新近沉積土分為古河道、洼淀沖積和濱海河流相沖積兩類。其中，古河道、洼淀沖積按沉積環(huán)境又可進一步細分為洪泛沉積及古河道沉積兩類，前者為河流近期洪水泛濫堆積而成，后者為廢棄河道自然沉積而成。所以，濱海新區(qū)新近沉積土可劃分為洪泛新近沉積土、古河道新近沉積土及上部陸相新近沉積土三類。根據(jù)區(qū)內(nèi)分布較為均勻的1 655個地質(zhì)鉆孔，其空間分布示意圖如圖3所示。

由圖3可知，濱海新區(qū)新近沉積土除在北大港水庫西側(cè)劉塘莊周邊及海岸沿線地帶缺失外，全區(qū)均有分布。其中，上部陸相新近沉積土分布最廣，位于東臺子村—北大港水庫—沙井子一線（第三道貝殼堤）以東地區(qū)；洪泛新近沉積土次之，分布于東臺子村—北大港水庫—沙井子一線（第三道貝殼堤）以西地區(qū)；古河道新近沉積土僅在塘沽響螺灣零星分布，為海河古河道沉積而成。

圖3 新近沉積土分布圖Fig.3 Distribution of the recent sedimentary soil

濱海新區(qū)新近沉積土厚度不大，一般在1～2 m，局部在楊家泊鎮(zhèn)、營城、太平鎮(zhèn)等地不到1 m，新城鎮(zhèn)、響螺灣、邱莊子及馬棚口等地大于2 m，最大厚度位于響螺灣海河河曲處，平均4 m以上（圖4）；底板埋深較淺，一般在3～4 m，局部在楊家泊鎮(zhèn)東側(cè)、營城、胡家園、中塘鎮(zhèn)、小王莊鎮(zhèn)及太平鎮(zhèn)等地小于3 m，于家堡、于莊子及馬棚口等地大于4 m，最深位于響螺灣處，可達12 m（圖5）。

圖4 新近沉積土厚度等值線圖Fig.4 Contour map of thickness of the recent sedimentary soil

圖5 新近沉積土底板埋深等值線圖Fig.5 Contour map of floor depth of the recent sedimentary soil

3 濱海新區(qū)新近沉積土工程特性

3.1 巖性組成

依據(jù)濱海新區(qū)新近沉積土中各巖性層沉積深度，結(jié)合市區(qū)新近沉積土巖性層序，經(jīng)專家論證分析，最終確定：濱海新區(qū)新近沉積土主要巖性層層序繼續(xù)延用市區(qū)巖性層序劃分標準，一是符合各巖性層的沉積先后順序，二是保證了地方標準層序的一致性。各巖性層序具體如下：③1層黏性土；③2層粉土；③3層淤泥質(zhì)土；③4層粉質(zhì)黏土。

3.2 物理性質(zhì)

濱海新區(qū)新近沉積土土質(zhì)整體軟，一般含水量較高，孔隙比較大，物理性質(zhì)差。其中，黏性土主要呈流塑—軟塑狀態(tài)；淤泥質(zhì)土多呈流塑狀態(tài)；粉土一般呈稍密狀態(tài)，但由于沉積時間短，結(jié)構較松散，在地震作用下易發(fā)生液化。通過區(qū)內(nèi)13 861組土樣的室內(nèi)試驗成果，對新近沉積土的常規(guī)物理指標進行統(tǒng)計，結(jié)果見表8。

表8 物理指標統(tǒng)計表Table 8 Statistics of physical index

3.3 抗剪強度

濱海新區(qū)新近沉積土一般土層黏聚力較低、內(nèi)摩擦角較小，整體抗剪強度較低，這與土層沉積時間短、埋深淺、固結(jié)度低有關。根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗，濱海新區(qū)進行基坑設計時，新近沉積土應選擇直接剪切指標進行設計和計算，采用水土合算的模型進行支護樁樁長的設計。根據(jù)區(qū)內(nèi)1 054組土樣的室內(nèi)抗剪試驗成果，其抗剪強度指標統(tǒng)計值見表9。

表9 抗剪強度指標統(tǒng)計Table 9 Statistics of shear strength index

3.4 地基承載力

本次采用物性法、原位法、理論法及經(jīng)驗法四類八種方法分別對濱海新區(qū)新近沉積土的地基承載力進行研究，經(jīng)綜合評價，給出了各巖性層的地基承載力特征建議值。其中，物性法及原位法依據(jù)的是《天津市巖土工程技術規(guī)范》中物理指標及靜力觸探指標、標準貫入指標查表法；理論法依據(jù)的是《建筑地基基礎設計規(guī)范》（公式1）及《天津市巖土工程技術規(guī)范》（公式2）中理論計算公式；經(jīng)驗法依據(jù)的是“天津市地基可靠度的研究”中根據(jù)天津市多年經(jīng)驗、載荷試驗驗證而總結(jié)的經(jīng)驗公式（公式1）及根據(jù)“應用原位測試評價天津市地基土性質(zhì)”成果及多年工程經(jīng)驗總結(jié)的經(jīng)驗公式（公式2）。其地基承載力研究成果見表10。

表10 地基承載力成果Table 10 Results of foundation bearing capacity

由表10可知，濱海新區(qū)新近沉積土的承載力較低，普遍在100 kPa左右。根據(jù)多年工程經(jīng)驗，新近沉積黏性土（③1）承載力特征值可取80～110 kPa，粉土（③2）可取110～140 kPa，淤泥質(zhì)土（③3）可取80～100 kPa，粉質(zhì)黏土（③4）可取100～115 kPa。

3.5 變形特性

根據(jù)室內(nèi)壓縮試驗數(shù)據(jù)，濱海新區(qū)新近沉積土的壓縮性較高。其中，黏性土一般呈中—高壓縮性，淤泥質(zhì)土多呈高壓縮性，粉土主要呈中壓縮性，但其標貫擊數(shù)平均值僅為7.2擊，固結(jié)程度差，密實度低。在工程上，濱海新區(qū)新近沉積土易造成建筑物地基不均勻沉降，進而導致建筑物傾斜、開裂，影響建筑物正常使用，對于基坑工程和其它地下工程的安全施工、建造成本、運營維護等影響重大。區(qū)內(nèi)13 180組土樣的壓縮及標貫指標統(tǒng)計如表11所示。

表11 壓縮及標貫指標統(tǒng)計表Table 11 Statistics of compression and standard penetration test index

4 結(jié)論

（1）通過對濱海新區(qū)古海岸線及測年試驗分析，結(jié)合該區(qū)上部陸相沉積土與市區(qū)新近沉積土及上部陸相沉積土的物理性狀及物理力學指標對比分析，明確了濱海新區(qū)上部陸相沉積土的形成年代界限為4 000年，完全符合天津地區(qū)新近沉積土劃分標準。為此，將濱海新區(qū)上部陸相沉積土劃為新近沉積土，與成陸后在低洼地帶、洪泛區(qū)、古河道、溝坑等地帶形成的原新近沉積土共同組成該區(qū)新近沉積層，為作區(qū)分，將其定名為“上部陸相新近沉積土”。

（2）按成因及沉積環(huán)境，濱海新區(qū)新近沉積土可劃分為洪泛新近沉積土、古河道新近沉積土及上部陸相新近沉積土三類。在平面分布上，上部陸相新近沉積土分布最廣，洪泛新近沉積土分布次之，兩者以東臺子村—北大港水庫—沙井子一線（第三道貝殼堤）為界；古河道新近沉積土呈零星分布，僅在響螺灣的海河河曲處有分布。

（3）為指導巖土設計，此次從土層厚度及底板埋深分別對濱海新區(qū)新近沉積土的發(fā)育分布規(guī)律進行研究，結(jié)果表明：濱海新區(qū)新近沉積土厚度不大，一般在1～2 m，最大位于響螺灣海河河曲處，平均4 m以上；其底板埋深較淺，一般在3～4 m，最深也位于響螺灣的古河道處，可達12 m。

（4）依據(jù)土層沉積深度，結(jié)合市區(qū)新近沉積土巖性層序，確定了濱海新區(qū)新近沉積土主要巖性層層序繼續(xù)延用市區(qū)新近沉積土的層序劃分標準，具體為：③1層黏性土、③2層粉土、③3層淤泥質(zhì)土、③4層粉質(zhì)黏土4個亞層。

（5）濱海新區(qū)新近沉積土工程性質(zhì)較差，其土質(zhì)軟，一般含水量較高，孔隙比較大，抗剪強度較低，壓縮性較高，地基承載力普遍在100 kPa左右。