填海区岩土工程特性分析及设计建议

刘发前

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

0 引言

围海造地是沿海城市发展建设的主要途径之一，尤其对于国土面积较小的典型沿海国家。荷兰是世界上最早实施围海造地的国家之一，其有2/3的国土资源都是填海而成；日本在20世纪90年代就大规模地进行围海造地工程，并于1994年在大阪湾建成了填海机场——关西国际机场。随后，我国也相继类似建造了澳门国际机场和珠海机场。2018年，令世界瞩目的港珠澳大桥通车，它是一连接香港、珠海、澳门三地的门户工程。与之配套建设的珠海口岸和澳门口岸，其中设置过关大厅、办公大楼和地下车库等，位于在伶仃洋上围堰填筑成的人工岛上。

在填海区进行工程建设，需在所建场址海域进行填土，通常采用吹填或抛填的方式，进而对填土区进行加固处理，最后施作地面层，再在其上进行相应的工程建设。因此，填海区具有与自然沉积区完全不同的地质特点，其设计、施工的关注重点亦有很大差异，需进行特殊考虑。在我国大陆地区，近些年来在深圳、珠海、温州、宁波、福州、上海、连云港、青岛、天津、大连等地均有不同程度的填海开发工程，上述地区建设环境各有特点，所实施的工程亦不同。然而，通过对各区工程地质特点进行分析，虽其填土类型、水文条件和填土地基处理方案均有所差异，但总体类似。因此，为有效推进填海区开发和工程建设，有必要对其共性和差异点进行分析，提出设计、施工相关建议，为类似工程参考。

1 吹填土工程特性

本节搜集列举了广东珠海口岸、澳门口岸、天津市南港工业开发区和厦门莲坂地区等填海区的工程地质资料，其填土层的主要描述见表1。

由以上对比可以看出，吹填土的材料多为中粗砂及块石，也有部分采用细砂夹杂粘性土。即使采用较为均匀的单一材料，受地基处理工艺的影响，其区域性和竖向不均匀性仍较为明显。经处理过的区域浅层土具有较高承载力，但随着深度增加，仍表现出密实度差、承载力低的特点。当抛填材料由多种材料构成时，其差异更加明显。一般情况下，抛填区地基均不能直接利用天然地基，这是因为尽管其表层承载力尚可，但随深度增加承载力下降仍比较快。

关于填海区吹填土特性的研究，目前较为深入的应属天津滨海新区。杜东菊,等[1]对天津新港和临港工业区的吹填土的组成、地层结构、强度增长规律进行整理，并采用室内试验和现场试验对经处理后的吹填土的物理力学参数进行研究，给出土体微观结构与强度发展之间的规律，最后提出吹填土快速结壳技术。经处理后的填土层，自上而下依次为：浅部硬壳层，也称“实效层”，一般仅为数米，该层属于超固结土，具有中压缩性，工程性质自上而下渐差，为中-低强度工程段；中部过渡层，深度约数米至十余米，属欠固结土，土层强度低，压缩性高，稳定性差，渗透性差，灵敏度高且经真空预压处理有大量塑料排水板残留，工程性质有一定改变，为主要工程病害层；下层无效层，该层属于正常固结状态，人工处理对该层工程性质无实质影响，自上而下工程性质渐好，可选做建筑物的桩基持力层。可见，处理过后的填海区土体的工程性质在一定程度上得到了改善，但并不能根本改变其软弱地基的根本性质，主要体现在以下方面：

表1 各地区抛填土特性描述

（1）欠固结，硬壳层为超固结土，而过渡层土层固结情况复杂，在较深部分主要为欠固结土；

（2）非均匀性，吹填土粗颗粒可很快沉积，细颗粒将随着水体流动一定距离，吹填土体在场地范围内平面分布不均匀；

（3）高压缩性和流变性，工后沉降量大、沉降时间长；

（4）抗剪强度低，硬壳层下的软土层含水量大、抗剪强度极低，是吹填场地的工程病害层；

（5）结构性，在荷载达到其屈服应力前，具有较好的抗压缩性，沉积量小，一旦超过其屈服应力，土体将出现大幅的压缩变形。

总体而言，填海区经过真空预压处理后，有效硬壳层下普遍存在处理程度不足的软弱土层。这使得对填土区的合理估计难度较大，其指标的合理选择更是决定工程经济性乃至成败的关键。这对基坑的整体稳定性尤其重要，特别是开挖深度不大，围护桩无法进入下层较好土层的土体，其设计插入深度的合理选择则是关键。

2 海积软土

除了广东珠海口岸、澳门口岸、天津市南港工业开发区和厦门莲坂地区，本节尚列举港珠澳大桥东人工岛、连云港港区和宁波鄞州等几地海积软土的工程特性，见表2。

通过上述各地工程地质资料对比可以观察到，不同地区软土层具有很强的共性。基本都具有呈流塑状态，含水量高，低强度、低透水性、高压缩性的特点，土层分布均较稳定，是典型的软弱土层，力学性质很差，触变性、蠕变性明显，不可直接作为天然地基使用。

各场地软土地层物理力学性质汇总见表3。

需要说明的是，在东人工岛和连云港港区两区域海积软土特性应属原状的，可见其承载力多在20～30 kPa之间，压缩模量1.7～1.8之间，而粘聚力C值大约3～4 kPa；其余上部有抛填土且经过处理时，软弱土层承载力和强度指标可翻一番。但是，随着深度增加，土体受抛填土加载和地基处理的加固效果很快减弱。因此，在填海区工程中，受上层填土及地基处理的影响，下穿海积软土特性的改善可以考虑，但应慎重。

表2 各地区浅层海积软土特性描述

表3 各场地软土地层物理力学性质汇总表

与填海区上层填土类似，海积软土具有很强的结构性。对土体结构性的研究，目前有多种方法：微结构形态学、固体力学、损伤力学以及土力学等。杨爱武,吴磊[2]对天津结构性海积软土在不同固结压力、不同固结时间作用下的结构强度进行了试验研究。研究成果可见，由于结构性的作用，在任意固结条件下，原状土体强度均大于重塑土。与非结构性软土类似，随着固结时间、固结压力增大，结构性软土强度增大、孔隙比减小，只是e-lgp变化曲线并非一平滑曲线，其存在明显的拐点，该点所对应的压力P即为屈服应力（见图1）[3]。研究表明，在固结压力低于结构屈服应力的范围内，土的压缩性很小；压力大于结构屈服应力时，土的压缩性很大，趋于重塑土。

图1 结构性土和重塑土压缩曲线

3 设计建议

如前所述，严格来说，（经处理后）填土层和下层海积软土层不可简单认为均匀层。平面分布与抛填工艺和施工顺序有关，竖向上地基处理效果差异也很大，尤其在土层分层厚度较大时。填土层面层因为改良处理效果较好，往往呈现超固结土的性能状态；中部随着深度增加，地基改良效果减弱但堆载较大使其密实性更好，下层地基处理较弱；海积软土层上部受填土层地基处理的影响，其承载力特性比原状土要强得多，但填土对软土层的堆载是否导致其结构性破坏，将大大影响其力学性能。因此，填海区地质勘探密度影根据施工工艺和工程特点适当加密、调整，同一土层由于地基处理效果差异可分为多层考虑，分别给出土体设计参数，这在深厚填土和软土中的基坑开挖中尤为重要。围护桩的插入深度应适当加大或加强支撑系统的自稳能力，使其与围护墙形成一稳固的整体。在分析结构物沉降和选择基础持力层时，应充分考虑下卧处理效果较弱的不利影响，采用现行“双层土固结理论”分析基础沉降并复核地基下卧层的抗冲切能力和整体性。

同样，由于勘察手段的局限性，所得土样均受到扰动，根据室内试验所得土体参数与其原状土又差异较大。因此，实际工程中，应根据实际情况进行修正或采用现场原位试验确定。目前多位研究人员均建议填海区桩基承载力应通过现场试桩试验确定。如，牛富丽,等[4]对青岛市黄岛西海岸经济新区滨海深厚回填土中钻孔桩的沉降、侧摩阻力和桩端阻力（合计为承载力）进行了试桩试验，并提出通过在桩底注浆，以使得桩基沉降满足规范及设计要求；张兴业,任杰东[5]结合天津滨海新区的工程实例，对单桩的承载性状进行了分析。

在海积软土下方，多数为陆相沉积土或海陆交互相黏土，其承载力均可达150 kPa以上，工程设计中应根据实际情况有效利用该层，如选取该层作为桩基持力层，围护墙墙趾深入该层一定深度以增强其“防踢脚”能力，否则，围护结构应做成一个连接较好的封闭整体，这对支撑的强度、稳定性，支撑与围护墙之间的连接可靠性提出了更高的要求。

4 结语

地下工程本身是一项复杂的系统性工程，影响因素众多、离散性大。填海区填土层和下卧海积软土层各向不均匀，加之明显的“结构性”，给工程建设带来了更大不确定性。本文通过搜集我国多地填海区开发项目地质材料，总结给出上层抛填土和下部海积软土的工程特性。土体指标选取时应充分考虑加固效果与是否达到结构破坏双重影响，根据静力触探结果和现场试验，将土层分为多层或进行合理修正，万不可简单视为均匀土层，以免误差过大。结构设计成果应有现场试验验证，并尽量考虑利用下部较强土层。