黃河下游第四系地層特征及樁基礎方案選擇
——以濟南某跨黃河特大橋為例

程紅濤，代常友，卜新峰

（黃河勘測規(guī)劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450003）

黃河下游河道自河南省孟津縣出峽谷后，自西向東流經(jīng)豫魯兩省，于山東省墾利縣注入渤海，長約800 km，流經(jīng)地主要是黃河沖積形成的廣闊平原[1]。濟南處于黃河下游，是黃河下游平原地區(qū)跨黃河發(fā)展的省會城市。濟南為改善城市交通狀況，溝通黃河兩岸交通網(wǎng)，促進黃河兩岸經(jīng)濟融合，讓黃河不再成為城市發(fā)展的限制條件，使得濟南的跨黃河橋梁工程的建設加快了步伐，無形中加快了對黃河工程地質(zhì)條件的研究。

文章以濟南某跨黃河公軌兩用特大橋為例，對黃河下游工程地質(zhì)特征進行研究[2-4]，特別是濟南市地層結(jié)構(gòu)的研究[5-6]，為跨越（穿越）黃河的市政道路和軌道交通的規(guī)劃設計提供了地質(zhì)依據(jù)[7-8]。濟南跨黃河公軌兩用大橋為市政道路北延、軌道交通線北延跨黃河工程的控制性工程，屬公軌合建橋梁，橋梁鋼箱梁寬度59.7 m，主橋主跨429 m。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

1.1 地質(zhì)構(gòu)造

區(qū)內(nèi)大地構(gòu)造單元屬華北板塊的二級構(gòu)造單元魯西隆起北部，魯西隆起位于聊蘭斷裂以東，安丘-莒縣斷裂（沂沭斷裂帶的東側(cè)邊界斷裂）之西，齊廣斷裂南部的魯中、魯東南山區(qū)和魯西南平原覆蓋區(qū)。該構(gòu)造單元受控于古隆起和聊蘭斷裂、齊廣斷裂、沂沭斷裂帶。魯西隆起結(jié)晶基底為太古宙變質(zhì)地層和古元古代變質(zhì)地層及其同時期的變質(zhì)變形的花崗質(zhì)侵入巖類，其蓋層由新元古代、古生代海相沉積組成，在古生代蓋層基底上發(fā)育的中、新生代陸相沉積蓋層為主體及第四紀松散堆積。魯西隆起于晚中生代活動性逐漸增強，至古近紀該隆起構(gòu)造活動最強烈，到了新近紀，斷層也幾乎不活動，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

1.2 區(qū)域第四系地層

黃河下游河道已被黃河大堤限制，在濟南段河道穩(wěn)定。魯西隆起區(qū)地層第四系不連續(xù)沉積，缺失下更新統(tǒng)地層，濟南沿黃河地帶第四系地層厚度大，150～200 m不等，自濟南附近向北向東有逐漸變厚的趨勢。第四系中更新世時，黃河沉積物占主導地位，以沖積為主，巖性以粉質(zhì)黏土為主；中、上更新世時，黃河沉積及季節(jié)性洪水堆積而成的沖洪積物占主導地位，巖性以粉質(zhì)黏土、粉細砂為主；全新世時，主要為黃河沉積，巖性以粉細砂、粉土等為主。

2 第四系地層結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

2.1 地層結(jié)構(gòu)

濟南市南依泰山，北跨黃河，地處魯中南低山丘陵與魯西北沖積平原的交接帶上，橋址區(qū)地貌單元為黃河堆積平原地貌，地形較為平坦，橋址區(qū)地層剖面為黃河下游平原地貌的代表性剖面。勘探成果顯示，橋址區(qū)勘探深度范圍內(nèi)均為第四系地層，連續(xù)性較好，上部為第四系全新統(tǒng)沖積物（Q4al）、沖洪積物（Q4al+pl），巖性為粉質(zhì)黏土、粉土、粉細砂；下部為上更新統(tǒng)沖洪積物（Q3al+pl）巖性為粉質(zhì)黏土、粉細砂、圓礫，分布較穩(wěn)定；底部為中更新統(tǒng)沖積物（Q2al）巖性為粉質(zhì)黏土、中粗砂等，各時代成因類型巖土特征及厚度特征見表1。

表1 第四系各時代成因類型巖土特征及厚度特征表

由勘察成果可看出第四系地層的分布特征，從時代成因上看，多個勘探點同一時代成因的地層分布厚度差別不大，主層分布穩(wěn)定無缺失，不同時代成因的地層厚度差別較大。從分布位置來看，各時代成因的地層分布穩(wěn)定，從上到下依次分布第四系全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)、中更新統(tǒng)地層，黃河南北兩岸及上下游方向上地層均連續(xù)，厚度差別并不懸殊，表層全新統(tǒng)地層厚度兩岸大堤外側(cè)明顯比內(nèi)側(cè)??；從巖土類型來看，除河床處表層第四系全新統(tǒng)沖積層以粉細砂為主外，其他各層均以粉質(zhì)黏土為主，且厚度大，多夾粉土、粉細砂薄層或透鏡體，含鈣質(zhì)結(jié)核且局部有富集現(xiàn)象。勘察深度內(nèi)（最大揭露深度161.0 m）均為第四系覆蓋層。

從橋址區(qū)的地層結(jié)構(gòu)可以明顯看出，其地層結(jié)構(gòu)和區(qū)域第四系地層結(jié)構(gòu)相符。

2.2 地層物理力學特征

對地基地層而言，影響地基承載力主要因素有地層的成因及形成時代、地層的分布及結(jié)構(gòu)、地層巖性的力學性質(zhì)、地基深度等因素，同時地基承載力、壓縮模量是兩個重要的工程地質(zhì)力學指標?？辈鞎r第四系巖土層的物理力學性質(zhì)指標通過原位測試、室內(nèi)試驗等方法獲取，對試驗成果整理分析，得出覆蓋層各巖土層物理力學參數(shù)，見表2。同時通過波速測試、電阻率測試等手段獲取覆蓋層巖土層的波速、電阻率數(shù)據(jù)，見表3。

表2 第四系各巖土層物理力學參數(shù)表

表3 第四系各巖土層波速值、電阻率值表

由表2可知，第四系全新統(tǒng)（Q4al、Q4al+pl）地層物理力學指標較低，工程地質(zhì)性質(zhì)較差，下部第四系上更新統(tǒng)（Q3al+pl）、中更新統(tǒng)（Q2al）地層物理力學指標相對較高，工程地質(zhì)性質(zhì)相對較好。由上到下而言，橋址區(qū)第四系地層工程地質(zhì)性質(zhì)逐漸變好。

由表3可知，第四系全新統(tǒng)（Q4al、Q4al+pl）地層原位測試各成果指標相對較低，下部第四系上更新統(tǒng)（Q3al+pl）、中更新統(tǒng)（Q2al）地層原位測試各成果指標相對較高，下部地層工程性質(zhì)明顯優(yōu)于上部地層。

2.3 水文地質(zhì)特征

橋位區(qū)河床（主河槽）寬度約450 m，地表徑流為黃河，地下水為第四系松散堆積層孔隙潛水。地下水埋藏較淺，黃河兩岸（大堤外側(cè)）地下水埋深為1.80～3.60 m。黃河兩岸均有黃河大堤及淤背區(qū)，淤背區(qū)地下水埋深7.90～12.90 m。地下水主要賦存于第四系全新統(tǒng)沖積形成的粉質(zhì)黏土、粉土及以下地層中。地下水主要受黃河河水及大氣降水入滲補給，以蒸發(fā)和人工開采為主要排泄途徑。受黃河水位的影響，工程區(qū)地下水位變幅為2～3 m。防洪評價結(jié)果顯示，橋址區(qū)黃河最大沖刷水深下相應沖刷線深度為9.29 m。

3 樁基礎方案選擇

3.1 場地穩(wěn)定性特征

魯西隆起于晚中生代活動性逐漸增強，至古近紀該隆起構(gòu)造活動最強烈。到了新近紀，斷層也幾乎不活動，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。橋址區(qū)地貌為黃河沖積平原，地勢較為平坦。勘察期間在場地及鉆孔內(nèi)未發(fā)現(xiàn)對工程安全有影響的諸如巖溶、滑坡、崩塌、泥石流、地裂縫等不良地質(zhì)作用，場地基本穩(wěn)定。場地內(nèi)主要為第四系地層，場地巖土種類較多，以粉質(zhì)黏土為主，局部粉土、粉細砂夾層呈透鏡體狀分布，分布較不均勻，上部巖土層工程性質(zhì)一般，下部工程性質(zhì)較好。

結(jié)合各鉆孔標準貫入試驗錘擊數(shù)，20 m以上的第四系全新統(tǒng)沖積而形成的粉土、粉細砂為液化土層，場地液化等級為輕微～中等；工程設計時，抗震設防烈度大于6°時對橋梁工程應將承載力特征值及側(cè)摩阻力等基礎設計參數(shù)應按照規(guī)范進行折減。鉆孔波速測試得到各土層剪切波波速，得出橋位區(qū)場地土類型為中軟土～堅硬土，場地類別為Ⅲ類，屬于抗震不利地段。

3.2 地層工程地質(zhì)特征

在勘探深度范圍內(nèi)的地層為第四系沖積物、沖洪積物，第四系全新統(tǒng)沖積物、沖洪積物主要分布于上部，下部為第四系上更新統(tǒng)沖洪積物、沖積物，底部為第四系中更新統(tǒng)沖積物。

場地上部地基土為第四系全新統(tǒng)沖積物、全新統(tǒng)沖洪積物，巖性以粉質(zhì)黏土為主，層底深度分別為15.2～28.5 m、30.4～50.0 m，可塑～硬塑狀態(tài)，含少量鈣質(zhì)結(jié)核，其第四系全新統(tǒng)沖積成因的亞層粉土、粉細砂多為液化土層。該層分布穩(wěn)定、連續(xù)，層厚變化較大，強度較低，工程性質(zhì)一般。

場地下部地基土為第四系上更新統(tǒng)沖洪積物、中更新統(tǒng)沖積物，巖性主要以粉質(zhì)黏土為主，層底深度分別為107.0～119.6 m、151.7～161.0 m（未揭穿），硬塑～堅硬狀態(tài)，多夾鈣質(zhì)結(jié)核，局部富集成層，且夾粉土、粉細砂、圓礫等，分布連續(xù)，厚度大，工程性質(zhì)好。

3.3 基礎類型選擇

濟南跨黃河特大橋處于黃河下游河道及兩岸沖洪積平原區(qū)，第四系地層厚度大?？辈旖Y(jié)果顯示，上部第四系全新統(tǒng)沖積層、沖洪積層工程性質(zhì)較差，沖積粉細砂、粉土為液化地層。下部第四系上更新統(tǒng)沖洪積層、中更新統(tǒng)沖積層均以硬塑-堅硬粉質(zhì)黏土為主，分布連續(xù)，厚度大，強度較高，工程性質(zhì)相對較好，埋藏較深。

橋址區(qū)第四系地層在勘察深度161 m內(nèi)未揭穿，根據(jù)其工程性質(zhì)，結(jié)合橋梁上部荷載大、對地基強度及變形要求高的特征，需選擇地基承載力較高的土層作為地基持力層。橋址區(qū)為典型的黃河下游平原地區(qū)地層結(jié)構(gòu)，以第四系地層為主，對大型橋梁來說，樁基為最適宜的基礎方案，設計時采用鉆孔灌注樁（摩擦樁）方案，主墩采用直徑為2.0 m，樁長為110 m樁基方案，以下部第四系上更新統(tǒng)沖洪積層、中更新統(tǒng)沖積層硬塑～堅硬粉質(zhì)黏土樁端持力層。

3.4 成樁可能性

橋位區(qū)位于黃河沖積平原上，場地開闊，黃河兩岸地表多林地、耕地等，少量為民居、廠房等，場地內(nèi)施工障礙物較少，且未發(fā)現(xiàn)地下管線等其他地下埋藏物，場地情況對樁基施工較為有利。

場地內(nèi)主要第四系地層，從上到下依次分布第四系全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)、中更新統(tǒng)地層。上部粉細砂、粉土層多為稍密狀態(tài)，飽和為液化土層，易塌孔。下部粉質(zhì)黏土多含鈣質(zhì)結(jié)核，特別是第四系全新統(tǒng)沖洪積地層及以下地層中多含鈣質(zhì)結(jié)核，局部富集成層，且局部夾圓礫層，均不利于樁的施工。特別是第四系上更新統(tǒng)地層及以下地層多含鈣質(zhì)結(jié)核，強度較高，局部富集成層，膠結(jié)成大塊狀或?qū)訝?，對樁的施工產(chǎn)生不利影響，設計時應采取合適的施工成孔工藝。

從地層條件來看，場地內(nèi)并沒有鉗制樁基施工的因素，雖然地層中有鈣質(zhì)結(jié)核及圓礫，但采用相應的成樁工藝是可以解決的。

3.5 環(huán)境影響因素

橋址區(qū)處于濟南市黃河河床及其兩岸，地貌單元為沖積平原，地形較平坦。橋址區(qū)未發(fā)現(xiàn)地下電纜、光纜、煤氣、自來水管、排水管線等地下管線；沿線多為耕地，線路處于村莊附近并未直接經(jīng)過村莊，附近建筑多低矮民居，多在3層以下，無地下室、地下停車場等地下建（構(gòu)）筑物；黃河南、北兩岸有高壓架空線纜分布，施工前應進行拆除或移位。

橋址區(qū)主要穿過耕地、林地，與村莊相鄰，未直接經(jīng)過村莊，設計時擬采用樁基礎方案，施工過程中會產(chǎn)生噪音，應采取一定的措施降低施工噪聲，進行隔離或屏蔽等，以免影響附近居民的正常休息。鉆孔灌注樁施工時，泥漿不得隨意排放，以免污染環(huán)境，且避免黃河生態(tài)環(huán)境。

4 結(jié)束語

黃河下游平原地區(qū)分布著深厚的第四系地層，濟南齊魯大道北延跨黃河特大橋的地層結(jié)構(gòu)為黃河下游平原地區(qū)地層的典型代表。文中對濟南跨黃河特大橋的區(qū)域地質(zhì)背景進行分析，論述了其地質(zhì)構(gòu)造及第四系地層特征。通過地質(zhì)勘察成果，橋址區(qū)地層主要為第四系地層，自上而下分別為第四系全新統(tǒng)沖積物、沖洪積物、上更新統(tǒng)沖洪積物、中更新統(tǒng)沖積物，巖性以粉質(zhì)黏土為主，與黃河下游區(qū)域第四系地層結(jié)構(gòu)一致。結(jié)合第四系地層的結(jié)構(gòu)特征，研究地層的物理力學性質(zhì)，評價其場地穩(wěn)定性、地層工程地質(zhì)特征，為跨黃河大橋的工程建設的基礎方案選擇奠定了基礎。根據(jù)橋梁上部荷載大、對地基強度及變形要求高的特征，選擇摩擦樁方案，且對其成樁可行性進行了分析，同時鑒于黃河流域生態(tài)環(huán)境的敏感性，分析了橋梁建設中對環(huán)境的影響因素。