滨海新区地质概况及路基处理设计

刘润有，代茂华，曾 伟，王晓华

（天津市市政工程设计研究院，天津300051）

1 概述

滨海新区是天津东部临海的经济区，包括天津港、经济技术开发区、天津港保税区三个功能区，塘沽区、汉沽区、大港区三个行政区和东丽区、津南区的部分区域，面积2270 km2，处于京津和环渤海两大城市带的交汇点，是我国对外开放的重要窗口和通道。

21世纪初期，中央把规划和建设好天津滨海新区纳入国家发展战略的总体布局，为新区发展创造了重大历史机遇。根据天津市“双港双城、相向拓展、一轴两带、南北生态”的城市总体发展战略，滨海新区提出了“一核双港，九区支撑”的发展策略，海滨大道、中央大道、天津大道、西中环等一批重点基础设施建设项目也相继启动。因此，结合滨海新区的地质特点，研究滨海新区的路基处理设计，对于保证路基耐久性、节约工程投资就显得非常重要。

2 滨海新区地质概况及主要工程问题

滨海新区地质以滨海相沉积软土为主，同时又是盐渍土，即盐渍化的软土。

2.1 软土

天津滨海新区地势平坦，主要受波浪和潮汐作用，形成沉积软土，属典型的滨海相软土地基，其特点为土体孔隙率大、天然含水量高、压缩性高、强度低、渗透性小，工程性质差,地基承载力较低。

2.1.1 地质分层情况

滨海新区地质根据其成因，主要可分为以下几层：

（1）人工填土层：主要为素填土，一般厚度为1～2 m左右，俗称硬壳层。

（2）第Ⅰ陆相层：主要为河流冲积相，厚度一般为4 m左右，岩性主要为粘土、亚粘土组成，可塑～软塑状态，中等～高压缩性。

（3）第Ⅰ海相层：主要为浅海相沉积，厚度一般为2～15 m左右，岩性主要为淤泥质土、亚粘土、粘土、亚砂土组成。

①淤泥质土：主要为灰色，含云母、有机质，流塑状态，高压缩性。

②亚粘土：主要为灰色，含云母、有机质，软塑～流塑状态，高压缩性。

③粘土：主要为灰色，含云母、有机质，软塑状态，高压缩性。

④亚砂土：主要为灰色，饱和，含云母、小贝壳，中等压缩性。

（4）第Ⅱ陆相层：主要为冲积～湖积沉积，厚度一般为5 m左右，岩性主要为亚粘土，层顶灰黑色，含云母，大量有机质，可塑状态，高压缩性。

（5）第Ⅲ陆相层：主要为河流冲积相，厚度为9 m左右，岩性主要为粉砂、亚粘土、粘土组成。

（6）第Ⅱ海相层：主要为滨海～潮汐带相沉积，岩性主要为粘土、亚粘土组成。

（7）第Ⅳ陆相层：主要为河床～河漫滩相沉积，岩性主要为粘土、亚粘土、细砂组成。

各层物理指标统计见表1所列。

2.1.2 主要工程问题

软土地基主要的工程问题体现为：

2.1.2.1 地基承载力和稳定性问题

在道路荷载（静力和动力荷载）作用下，地基承载力不能满足要求时，地基会产生局部或整体剪切破坏，影响道路的正常使用，引起道路破坏或边坡失稳（见图1）。

2.1.2.2 沉降、水平位移及不均匀沉降问题

在荷载作用下（静力和动力荷载），地基产生变形。当道路沉降、水平位移、或不均匀沉降超过相应的允许值时，将会影响道路的正常使用，甚至可能引起破坏。道路沉降量较大时，不均匀沉降往往也比较大，不均匀沉降对道路的危害较大（见图 2）。

表1 滨海新区地质土性参数统计分析表

2.2 盐渍土

天津滨海新区面积2270 km2，其中盐渍土面积占60%以上。表2～4为不同工程的含盐量试验结果。

表2 海滨大道北段一期地基土每100 g土样可溶盐测定表

表3 集疏港公路地基土每100 g土样可溶盐测定表

表4 中央大道沿线地基土每100 g土样可溶盐测定表

从表2～3可以看出，滨海新区盐渍土中氯硫比均远大于2，依据《公路土工试验规程》（JTGE40-2007）对盐渍土分类，为典型的氯盐渍土。盐渍土易溶盐含量多在1.5%～5%之间，按盐渍化程度，为中盐渍土。在滨海新区西部个别区域，易溶盐含量小于1.0%，为弱盐渍土；东部靠近渤海湾附近个别区域，易溶盐含量大于5%，为强盐渍土，但覆盖区域比较少。

由于滨海新区盐渍土为氯盐渍土且氯硫比较大，通过试验研究，天然土盐胀系数小于3.0，加固后盐胀系数小于1.0，因此工程中可不考虑盐胀问题，但需解决利用氯盐渍土填筑路基时的改良以及路基的次生盐渍化问题。

3 滨海新区路基处理设计

滨海新区港城一体的城市布局，使得主要几条交通干道成为集疏港道路，主要承担着运送港口货物的职责，平均交通量很大，货车比重大，超载、超限严重。

以海滨大道为例，大货车比例高达51.1%，满载货车的载重量一般都要超过额定荷载的100%～200%，超载率最大为235%，轴载超限多在100%～250%，最大单轴高达31 t，超限率达210%；最大双联后轴56.62 t，超限率达215%；最大三联后轴78.64 t，超限率达257%。无论空载、满载，100%车辆轮胎充气压力P＞0.7 MPa，其中31%空载车辆轮胎充气压力P＞1.0 MPa；86%满载车辆轮胎充气压力P＞1.0 MPa。

因此，滨海新区路基处理设计除了考虑新区盐渍化软基的地质特点外，还应充分考虑地区的交通特点。

由于滨海新区开发建设时序快，工期紧，近年来排水固结法在道路路基的处理中较少使用。纵观新区的路基处理，主要分为两种情况，一种是针对一般路段及盐池采取的浅层处理，另一种是针对高填方路基及道路加宽采取的深层处理。

3.1 浅层处理

滨海新区路基浅层处理主要用于一般路段或盐田池塘段。

3.1.1 一般路段浅层处理

考虑到道路两侧城市开发建设，路基填土一般不高，一般情况下路基清表后（根据填土高度，有时需挖除部分原状土）采用加筋垫层进行处理，详见图3。

3.1.1.1 垫层加筋材料

加筋材料采用较多的是土工格栅、复合土工布等，根据地质情况，有时在土工加筋材料下铺设荆芭或竹芭进行综合加筋。

3.1.1.2 垫层

垫层厚度一般在40～80 cm之间，具体根据地质钻探资料确定。垫层较薄时一般采用混碴（顶面可用石屑灌缝）或未筛分碎石，垫层较厚时下部可采用山皮土（要求含石量大于70%），上面再填筑未筛分碎石。加筋垫层的作用主要体现在以下几个方面：

（1）施工机械承托层。一般路段清表晾晒后，施工机械难以作业，加筋垫层可作为施工机械的承托层，保证施工作业面。

（2）减少沉降量。一般地基浅层部分的沉降量在总沉降量中所占的比例是比较大的。对于道路路基，在相当于道路宽度的深度范围内的沉降量约占总沉降量的绝大部分。如以密实的粒料垫层代替上部软弱土层，就可以减少这部分的沉降量。由于加筋垫层对应力的扩散作用，使作用在下卧层土上的压力较小，这样也会相应减少下卧层土的沉降量。

（3）加速软弱土层的排水固结。垫层材料透水性大，软弱土层受压后，垫层可作为良好的排水面，可以使道路路基下面的孔隙水压力迅速消散，加速垫层下软弱土层的固结和提高其强度，避免地基土塑性破坏。

（4）阻隔毛细水上升。因为粗颗粒的垫层材料孔隙大，不易产生毛细管现象，因此可以防止地下水侵入路基，也防止寒冷地区土中结冰所造成的冻胀。这时，垫层的底面应满足当地冻结深度的要求。

（5）防止路基填土次生盐渍化。由于路基填土高度较低，设置垫层可有效防止路基次生盐渍化。

3.1.1.3 路床填料

由于滨海新区土源紧张，利用氯盐渍土填筑路基时，如不满足《路基设计规范》表7.10.3-2时，应综合考虑道路等级、交通特性、土方填筑在路基的层位、路基的干湿类型及含盐量等因素，采用水泥石灰、石灰粉煤灰或石灰等无机结合料加以改良。对于路床填筑，由于填土高度较低，建议采用加固土进行填筑，提高路基的整体强度，充分发挥路基路面的综合作用。

3.1.2 盐田池塘段路基浅层处理

对于盐田池塘段路基，由于池底较低，因此打坝、抽水、清淤后填筑的粒料垫层多位于地下水位之下，因此只能作为承托层保证施工。在地下水位之上还应设置碎石隔水层来阻止毛细水上升，防止路基次生盐渍化。这种情况下，承托层一般采用山皮土或混碴，根据实际情况，也可以采用拆房土（建筑垃圾）填筑，碎石隔水层一般采用未筛分碎石或级配碎石。详见图4。

3.2 深层处理

深层处理主要用于桥头等高填土路段，其主要目的是减小地基沉降及工后沉降。滨海新区深层处理主要包括水泥搅拌桩、旋喷桩等加固土桩以及现浇混凝土薄壁管桩、预应力混凝土管桩等刚性桩。

对于深层处理，应该注意以下几点：

（1）由于施工机具的影响，水泥搅拌桩长期施工，质量不容易保证，另外在置换率相同的条件下，桩长增加，单桩竖向承载力也呈增大趋势，但由于搅拌桩随着深度的增加，桩身轴向应力呈衰减变化，地基土所提供的侧壁摩阻力不能充分得到发挥，因此搅拌桩设计一般不宜过长。

（2）对加固处理段进行分区设计，不仅适应路基应力分布特性，而且可以尽可能地实现对工后沉降的渐变，同时还可节约工程造价。尤其对于桥头高填土路堤，进行分区设计是非常必要的。

（3）桩顶采用中部加筋的碎石垫层，可以充分发挥桩的作用。

（4）对于深厚软基采用各种桩进行深层处理，往往是桩底标高多数情况下位于软土层中，这种情况下，必须考虑悬桩对加固效果的影响。

4 设计经验总结

（1）根据滨海新区的地质特点及交通特性，合理安排工期，保证足够的预压期（建议采用超载预压），对减少路基工后沉降效果较好。

（2）设置碎石隔水层。针对新区地下水位高、土壤盐渍化、路基填土不高的特点，从提高地基承载力、隔断毛细水、防止路基次生盐渍化的角度出发，设置碎石隔水层是必需的。

（3）加筋垫层可有效减少不均匀沉降。在碎石垫层中设置土工加筋材料，与无筋垫层相比，加筋垫层能减小10%～31.5%的单位路堤沉降量。

（4）氯盐渍土用于路基填筑时必须进行改良。

无机结合料加固氯盐渍土，在强度、水稳定性、抗冻性等性能方面优劣排序为：水泥石灰土＞石灰粉煤灰土＞石灰土＞水泥土。在具体工程设计中应综合考虑道路等级、交通特性、土方填筑在路基的层位、路基的干湿类型及含盐量等因素后确定。

（5）路基处理与路面设计应综合考虑。一方面要严格控制路基填料的CBR，桥头填土压实度应适当提高，另一方面应尽可能提高路床顶面的土基回弹模量，发挥路基路面的综合作用，提高道路的耐久性。

[1]江苏宁沪高速公路股份有限公司、河海大学主编.交通土建软土地基工程手册[M].北京：人民交通出版社，2001.

[2]刘润有，蒋宏伟.桥头复合地基处理设计（J）.城市道桥与防洪，2007，（6）.

[3]刘润有，蒋宏伟.海滨大道工程中的软土地基处理设计（J）.天津市政设计，2005，（1）.

[4]王肇森，刘润有.水泥搅拌桩复合地基设计计算（J）.天津建设科技，2003，（6）.