黄河下游第四系地层特征及桩基础方案选择——以济南某跨黄河特大桥为例

程红涛，代常友，卜新峰

（黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003）

黄河下游河道自河南省孟津县出峡谷后，自西向东流经豫鲁两省，于山东省垦利县注入渤海，长约800 km，流经地主要是黄河冲积形成的广阔平原[1]。济南处于黄河下游，是黄河下游平原地区跨黄河发展的省会城市。济南为改善城市交通状况，沟通黄河两岸交通网，促进黄河两岸经济融合，让黄河不再成为城市发展的限制条件，使得济南的跨黄河桥梁工程的建设加快了步伐，无形中加快了对黄河工程地质条件的研究。

文章以济南某跨黄河公轨两用特大桥为例，对黄河下游工程地质特征进行研究[2-4]，特别是济南市地层结构的研究[5-6]，为跨越（穿越）黄河的市政道路和轨道交通的规划设计提供了地质依据[7-8]。济南跨黄河公轨两用大桥为市政道路北延、轨道交通线北延跨黄河工程的控制性工程，属公轨合建桥梁，桥梁钢箱梁宽度59.7 m，主桥主跨429 m。

1 区域地质背景

1.1 地质构造

区内大地构造单元属华北板块的二级构造单元鲁西隆起北部，鲁西隆起位于聊兰断裂以东，安丘-莒县断裂（沂沭断裂带的东侧边界断裂）之西，齐广断裂南部的鲁中、鲁东南山区和鲁西南平原覆盖区。该构造单元受控于古隆起和聊兰断裂、齐广断裂、沂沭断裂带。鲁西隆起结晶基底为太古宙变质地层和古元古代变质地层及其同时期的变质变形的花岗质侵入岩类，其盖层由新元古代、古生代海相沉积组成，在古生代盖层基底上发育的中、新生代陆相沉积盖层为主体及第四纪松散堆积。鲁西隆起于晚中生代活动性逐渐增强，至古近纪该隆起构造活动最强烈，到了新近纪，断层也几乎不活动，基本处于稳定状态。

1.2 区域第四系地层

黄河下游河道已被黄河大堤限制，在济南段河道稳定。鲁西隆起区地层第四系不连续沉积，缺失下更新统地层，济南沿黄河地带第四系地层厚度大，150～200 m不等，自济南附近向北向东有逐渐变厚的趋势。第四系中更新世时，黄河沉积物占主导地位，以冲积为主，岩性以粉质黏土为主；中、上更新世时，黄河沉积及季节性洪水堆积而成的冲洪积物占主导地位，岩性以粉质黏土、粉细砂为主；全新世时，主要为黄河沉积，岩性以粉细砂、粉土等为主。

2 第四系地层结构与性质

2.1 地层结构

济南市南依泰山，北跨黄河，地处鲁中南低山丘陵与鲁西北冲积平原的交接带上，桥址区地貌单元为黄河堆积平原地貌，地形较为平坦，桥址区地层剖面为黄河下游平原地貌的代表性剖面。勘探成果显示，桥址区勘探深度范围内均为第四系地层，连续性较好，上部为第四系全新统冲积物（Q4al）、冲洪积物（Q4al+pl），岩性为粉质黏土、粉土、粉细砂；下部为上更新统冲洪积物（Q3al+pl）岩性为粉质黏土、粉细砂、圆砾，分布较稳定；底部为中更新统冲积物（Q2al）岩性为粉质黏土、中粗砂等，各时代成因类型岩土特征及厚度特征见表1。

表1 第四系各时代成因类型岩土特征及厚度特征表

由勘察成果可看出第四系地层的分布特征，从时代成因上看，多个勘探点同一时代成因的地层分布厚度差别不大，主层分布稳定无缺失，不同时代成因的地层厚度差别较大。从分布位置来看，各时代成因的地层分布稳定，从上到下依次分布第四系全新统、上更新统、中更新统地层，黄河南北两岸及上下游方向上地层均连续，厚度差别并不悬殊，表层全新统地层厚度两岸大堤外侧明显比内侧薄；从岩土类型来看，除河床处表层第四系全新统冲积层以粉细砂为主外，其他各层均以粉质黏土为主，且厚度大，多夹粉土、粉细砂薄层或透镜体，含钙质结核且局部有富集现象。勘察深度内（最大揭露深度161.0 m）均为第四系覆盖层。

从桥址区的地层结构可以明显看出，其地层结构和区域第四系地层结构相符。

2.2 地层物理力学特征

对地基地层而言，影响地基承载力主要因素有地层的成因及形成时代、地层的分布及结构、地层岩性的力学性质、地基深度等因素，同时地基承载力、压缩模量是两个重要的工程地质力学指标。勘察时第四系岩土层的物理力学性质指标通过原位测试、室内试验等方法获取，对试验成果整理分析，得出覆盖层各岩土层物理力学参数，见表2。同时通过波速测试、电阻率测试等手段获取覆盖层岩土层的波速、电阻率数据，见表3。

表2 第四系各岩土层物理力学参数表

表3 第四系各岩土层波速值、电阻率值表

由表2可知，第四系全新统（Q4al、Q4al+pl）地层物理力学指标较低，工程地质性质较差，下部第四系上更新统（Q3al+pl）、中更新统（Q2al）地层物理力学指标相对较高，工程地质性质相对较好。由上到下而言，桥址区第四系地层工程地质性质逐渐变好。

由表3可知，第四系全新统（Q4al、Q4al+pl）地层原位测试各成果指标相对较低，下部第四系上更新统（Q3al+pl）、中更新统（Q2al）地层原位测试各成果指标相对较高，下部地层工程性质明显优于上部地层。

2.3 水文地质特征

桥位区河床（主河槽）宽度约450 m，地表径流为黄河，地下水为第四系松散堆积层孔隙潜水。地下水埋藏较浅，黄河两岸（大堤外侧）地下水埋深为1.80～3.60 m。黄河两岸均有黄河大堤及淤背区，淤背区地下水埋深7.90～12.90 m。地下水主要赋存于第四系全新统冲积形成的粉质黏土、粉土及以下地层中。地下水主要受黄河河水及大气降水入渗补给，以蒸发和人工开采为主要排泄途径。受黄河水位的影响，工程区地下水位变幅为2～3 m。防洪评价结果显示，桥址区黄河最大冲刷水深下相应冲刷线深度为9.29 m。

3 桩基础方案选择

3.1 场地稳定性特征

鲁西隆起于晚中生代活动性逐渐增强，至古近纪该隆起构造活动最强烈。到了新近纪，断层也几乎不活动，基本处于稳定状态。桥址区地貌为黄河冲积平原，地势较为平坦。勘察期间在场地及钻孔内未发现对工程安全有影响的诸如岩溶、滑坡、崩塌、泥石流、地裂缝等不良地质作用，场地基本稳定。场地内主要为第四系地层，场地岩土种类较多，以粉质黏土为主，局部粉土、粉细砂夹层呈透镜体状分布，分布较不均匀，上部岩土层工程性质一般，下部工程性质较好。

结合各钻孔标准贯入试验锤击数，20 m以上的第四系全新统冲积而形成的粉土、粉细砂为液化土层，场地液化等级为轻微～中等；工程设计时，抗震设防烈度大于6°时对桥梁工程应将承载力特征值及侧摩阻力等基础设计参数应按照规范进行折减。钻孔波速测试得到各土层剪切波波速，得出桥位区场地土类型为中软土～坚硬土，场地类别为Ⅲ类，属于抗震不利地段。

3.2 地层工程地质特征

在勘探深度范围内的地层为第四系冲积物、冲洪积物，第四系全新统冲积物、冲洪积物主要分布于上部，下部为第四系上更新统冲洪积物、冲积物，底部为第四系中更新统冲积物。

场地上部地基土为第四系全新统冲积物、全新统冲洪积物，岩性以粉质黏土为主，层底深度分别为15.2～28.5 m、30.4～50.0 m，可塑～硬塑状态，含少量钙质结核，其第四系全新统冲积成因的亚层粉土、粉细砂多为液化土层。该层分布稳定、连续，层厚变化较大，强度较低，工程性质一般。

场地下部地基土为第四系上更新统冲洪积物、中更新统冲积物，岩性主要以粉质黏土为主，层底深度分别为107.0～119.6 m、151.7～161.0 m（未揭穿），硬塑～坚硬状态，多夹钙质结核，局部富集成层，且夹粉土、粉细砂、圆砾等，分布连续，厚度大，工程性质好。

3.3 基础类型选择

济南跨黄河特大桥处于黄河下游河道及两岸冲洪积平原区，第四系地层厚度大。勘察结果显示，上部第四系全新统冲积层、冲洪积层工程性质较差，冲积粉细砂、粉土为液化地层。下部第四系上更新统冲洪积层、中更新统冲积层均以硬塑-坚硬粉质黏土为主，分布连续，厚度大，强度较高，工程性质相对较好，埋藏较深。

桥址区第四系地层在勘察深度161 m内未揭穿，根据其工程性质，结合桥梁上部荷载大、对地基强度及变形要求高的特征，需选择地基承载力较高的土层作为地基持力层。桥址区为典型的黄河下游平原地区地层结构，以第四系地层为主，对大型桥梁来说，桩基为最适宜的基础方案，设计时采用钻孔灌注桩（摩擦桩）方案，主墩采用直径为2.0 m，桩长为110 m桩基方案，以下部第四系上更新统冲洪积层、中更新统冲积层硬塑～坚硬粉质黏土桩端持力层。

3.4 成桩可能性

桥位区位于黄河冲积平原上，场地开阔，黄河两岸地表多林地、耕地等，少量为民居、厂房等，场地内施工障碍物较少，且未发现地下管线等其他地下埋藏物，场地情况对桩基施工较为有利。

场地内主要第四系地层，从上到下依次分布第四系全新统、上更新统、中更新统地层。上部粉细砂、粉土层多为稍密状态，饱和为液化土层，易塌孔。下部粉质黏土多含钙质结核，特别是第四系全新统冲洪积地层及以下地层中多含钙质结核，局部富集成层，且局部夹圆砾层，均不利于桩的施工。特别是第四系上更新统地层及以下地层多含钙质结核，强度较高，局部富集成层，胶结成大块状或层状，对桩的施工产生不利影响，设计时应采取合适的施工成孔工艺。

从地层条件来看，场地内并没有钳制桩基施工的因素，虽然地层中有钙质结核及圆砾，但采用相应的成桩工艺是可以解决的。

3.5 环境影响因素

桥址区处于济南市黄河河床及其两岸，地貌单元为冲积平原，地形较平坦。桥址区未发现地下电缆、光缆、煤气、自来水管、排水管线等地下管线；沿线多为耕地，线路处于村庄附近并未直接经过村庄，附近建筑多低矮民居，多在3层以下，无地下室、地下停车场等地下建（构）筑物；黄河南、北两岸有高压架空线缆分布，施工前应进行拆除或移位。

桥址区主要穿过耕地、林地，与村庄相邻，未直接经过村庄，设计时拟采用桩基础方案，施工过程中会产生噪音，应采取一定的措施降低施工噪声，进行隔离或屏蔽等，以免影响附近居民的正常休息。钻孔灌注桩施工时，泥浆不得随意排放，以免污染环境，且避免黄河生态环境。

4 结束语

黄河下游平原地区分布着深厚的第四系地层，济南齐鲁大道北延跨黄河特大桥的地层结构为黄河下游平原地区地层的典型代表。文中对济南跨黄河特大桥的区域地质背景进行分析，论述了其地质构造及第四系地层特征。通过地质勘察成果，桥址区地层主要为第四系地层，自上而下分别为第四系全新统冲积物、冲洪积物、上更新统冲洪积物、中更新统冲积物，岩性以粉质黏土为主，与黄河下游区域第四系地层结构一致。结合第四系地层的结构特征，研究地层的物理力学性质，评价其场地稳定性、地层工程地质特征，为跨黄河大桥的工程建设的基础方案选择奠定了基础。根据桥梁上部荷载大、对地基强度及变形要求高的特征，选择摩擦桩方案，且对其成桩可行性进行了分析，同时鉴于黄河流域生态环境的敏感性，分析了桥梁建设中对环境的影响因素。