張會榮

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司 廣州510230）

近些年隨著經(jīng)濟的發(fā)展，有些城市發(fā)展受用地局限以及凈空環(huán)境的要求，開始尋求一勞永逸地解決這一問題的辦法，即將機場建在海上。臨海的機場改擴建工程是在海陸交互相沉積土這一特殊地質(zhì)條件下建設(shè)，深圳機場三跑道擴建工程即屬此例。珠江三角洲位于南海北部，面積約8 600 km2，洲內(nèi)軟土十分發(fā)育，主要由西江、北江、東江在珠江口受內(nèi)海岸浪流及潮汐水動力作用逐漸淤積而成，屬第四紀沉積物，土層多為含水豐富的淤泥、淤泥質(zhì)粘土及粉細砂[1]，其沉積呈現(xiàn)階段性和多樣性的特點，具有含水量更高、土質(zhì)更軟、受荷后變形大、差異沉降量變顯著、固結(jié)速度快等特性。為了提高機場的建設(shè)工程質(zhì)量、節(jié)約投資，開展項目所在地軟土特性研究具有重要意義。

1 工程概況

深圳機場三跑道擴建工程位于深圳市西部、伶仃洋東岸，深圳寶安國際機場西側(cè)，陸路與107 國道、廣深高速公司和機荷高速公路接近，具有極其便利的交通優(yōu)勢。機場基準點坐標為：東經(jīng)113°48"30″，北緯22°38′24″?，F(xiàn)有場地地貌包括蓄水池、灘涂、現(xiàn)有海堤圍堰及標高-1.0 m～-4.0 m 之間的海域。地勢東北高、西南低，向珠江方向緩傾。場區(qū)地貌單元為海陸交互相沖積地帶，場地在大地貌單元上位于剝蝕海蝕堆積地形-三角洲平原上，為淺灘、灘涂地帶，地勢較為平坦，場地東部為海堤和人工填海地貌。

本工程用海面積控制在294 公頃以內(nèi)，陸域形成面積約278.9 萬m2，功能區(qū)總面積約288.74 萬m2，結(jié)合機場規(guī)劃及實際情況，本工程設(shè)計分為跑道區(qū)、滑行道、土面區(qū)、水面區(qū)、場區(qū)圍堰、外海堤、穿越道及繞行滑行道共7 個功能分區(qū)的永久建筑物。

2 海域附近水域灘槽演變及泥沙特性

深圳寶安國際機場位于珠江口東岸濱海平原，面向伶仃洋。伶仃洋是一個呈NNW～SSE 向的喇叭形河口灣，匯集了珠江入海八個口門中的虎門、蕉門、洪奇瀝和橫門四口門的徑流，是珠江主要出?？诤妥畲蟮暮涌跒?。伶仃洋水下地形西北高、東南低，灣外20～30 m等深線呈WSW～ENE 向展布，水深自外海向灣內(nèi)逐漸減小。灣內(nèi)地形變化復(fù)雜，淺灘和深槽相間，機場三跑道擴建工程位于機場二跑道以西，沿江高速以東，福永河以南。項目通過填海的方式形成機場陸域。

2.1 深圳機場海域附近水域灘槽演變

自1980年代以來，伶仃洋兩岸實施了一系列開發(fā)建設(shè)工程，在一定程度上改變了伶仃洋河口灣的邊界形態(tài)。西岸的岸線開發(fā)規(guī)模明顯大于伶仃洋東岸，東岸灘涂資源較少、岸線較順直，其岸線利用開發(fā)以向海推進為主，東岸整體岸段變得更為順直。1978～2015年間共圍墾17.08 km2，岸線呈整體向外擴展之勢，岸線向外推進最遠處約1 820 m。從開發(fā)時間看，工程區(qū)附近岸線開發(fā)主要發(fā)生在1988～2009年期間，其中1999～2009年期間圍墾強度最大。深圳機場海域附近水域灘槽平面格局和沖淤變化主要呈現(xiàn)如下特征：

⑴工程所在東灘平面上變化不大，受機場前期圍填建設(shè)影響，前沿漲潮溝有所萎縮。從-3 m 等高線變化來看，工程所在東灘灘面變化不大，僅交椅灣至工程區(qū)北側(cè)一段向外海有所推移，呈淤積狀態(tài)，工程區(qū)及以下岸段變化不大。-5 m 等高線變化顯示，工程區(qū)前沿漲潮溝呈萎縮狀態(tài)，1984年之后由于圍填占用納潮空間，漲潮動力有所減弱，槽寬縮窄近470 m，向南后退約500 m。本工程占用中下段潮溝，需考慮漲潮流對工程建設(shè)的影響。同時潮流動力將進一步減弱，漲潮溝將繼續(xù)萎縮。

⑵工程區(qū)1977～2000年期間以輕微沖刷為主，2000年以來由沖轉(zhuǎn)淤，近期以淤積為主，工程區(qū)附近水域整體呈輕微沖刷狀態(tài)，平均沖刷約0.12 m，沖刷速率在-0.024 m/a；1984～2000年間沖刷幅度減小，速率在-0.005 m/a；2000年之后由沖轉(zhuǎn)淤，淤積速率在0.062 m/a。從空間分布來看，1977～2000年沖刷區(qū)域主要集中在工程區(qū)靠外海部分，2000～2016年期間整體淤積顯著。

⑶工程區(qū)附近灘槽斷面整體呈沖刷變深趨勢，1977～1984年稍有淤淺，1984～2011年整體下切，2000年以后下切幅度顯著。

2.2 泥沙來源及泥沙特性

2.2.1 泥沙來源

進入伶仃洋的泥沙主要來源于陸域，海域來沙很少。每年進入珠江三角洲的泥沙約有80%輸出口門外，約20%留在網(wǎng)河區(qū)內(nèi)。八大口門多年平均輸沙量為7 098×104t，其中東四門為3 389×104t，占輸出總沙量的47.7%，西四門為3 709×104t，占52.3%。自上世紀80年代以來，隨著國內(nèi)經(jīng)濟建設(shè)的迅猛發(fā)展，工程用沙大量增加，在珠江河道內(nèi)取沙大量出現(xiàn)，使得向河口（伶仃洋）輸送的泥沙數(shù)量大為減小，近年來，河道內(nèi)取沙已受到政策的限制。但由于上游植被保護的增強，以及水利工程的修建，也使得輸入河口的泥沙量呈現(xiàn)減小趨勢。

2.2.2 泥沙特性

2016年冬季和夏季在珠江口進行過水文泥沙觀測，從懸沙觀測的時間變化過程來看，各站表、中、底三層含沙量多數(shù)時間內(nèi)較為接近，而在中層與底層的某些峰值普遍高于表層。

從整體變化過程看來，各站含沙量夏季高于冬季，冬季一般不超過0.05 kg/m3，夏季一般不超過0.1 kg/m3。從含沙量特征值統(tǒng)計表來看，冬季最大懸浮泥沙濃度為0.041 kg/m3，夏季最大為0.060 kg/m3。最大含沙量的垂向分布中，基本表現(xiàn)為底層最大，表層最?。ㄒ妶D1）。

圖1 各站含沙量值圖Fig.1 Sand Content Diagram of Each Station

根據(jù)2016年工程周邊海區(qū)多次底質(zhì)采樣的粒度分析結(jié)果，該海域底質(zhì)類型以粘土質(zhì)粉砂為主，中值粒徑多在0.006～0.01 mm；其中砂的組份含量約占10%，粘土約占20～30%，粉砂約占60%。

珠江口屬于淤泥質(zhì)河口，河流所挾帶的泥沙在河口及海岸地區(qū)落淤后，由于絮凝作用，使得泥沙顆粒形成絮凝顆粒，到一定濃度后，形成具有一定流動性、高含沙量的浮泥或淤泥。項目所在地的淤泥層是典型的淤泥質(zhì)河口沉積的產(chǎn)物，含砂量高。

3 項目地層研究

軟土在我國分布廣泛，主要集中在濱海平原、三角洲、湖盆底周圍、山間谷地等地方，其中三角洲軟土最具典型的是長江三角洲和珠江三角洲。各地區(qū)軟土在形成過程中都受多種成因作用，造成各軟土的土性特征（微觀結(jié)構(gòu)、粒度成分以及礦物成分）差異巨大，其宏觀土層分布表現(xiàn)也各有不同。

長江三角洲如上海地區(qū)屬三角洲沖積平原，軟土層在濱海相陸域?qū)游环植挤€(wěn)定，僅在黃埔江、蘇州河沿線，受河道侵蝕淤積影響，局部區(qū)域地層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層缺失或變薄。相關(guān)研究表明，長江口北岸第四紀沉積物中黏性土或薄層黏土與粉、細砂互層、多韻律，呈現(xiàn)類似于“千層餅”特征。在宏觀上沿深度方向存在典型的不連續(xù)性、互層現(xiàn)象嚴重[2]。

地處珠江三角洲的廣州地區(qū)軟土雖同為第四紀海相沉積層，但是軟土沉積環(huán)境差異巨大。由于經(jīng)歷復(fù)雜的海侵、海退與江水的共同作用，即沉積、沖刷、再沉積的反復(fù)作用，構(gòu)成了復(fù)雜的地層，使其土層的均勻性極差，平面分布不規(guī)則，沿層理面夾有薄層粉細砂，垂直向上厚度變化不均，存有夾層或透鏡體的特點，土層厚度可達50 m 以上[3]。

地層劃分與巖土參數(shù)統(tǒng)計分析是巖土工程勘察工作的重要內(nèi)容，劃分的精度和合理性對場地土層的巖土工程條件分析和評價影響極大。地層劃分精度與巖土參數(shù)統(tǒng)計的變異性密切相關(guān)[4]，為了減少樣本誤差，初勘和詳勘階段進行了大量勘察工作，完成鉆孔535 個，鉆探總進尺9 703 m，原狀土樣2 548 件，擾動土樣223 件，巖石樣22 件。要取得可靠的土質(zhì)參數(shù)，只有通過原位測試[5]，兩階段勘察進行現(xiàn)場標準貫入試驗5 899 次，44 個標貫孔附加了十字板試驗，進行了195 次十字板原狀峰值剪切試驗，187 次十字板重塑峰值剪切試驗。深圳機場附近海陸交互相沉積土土層劃分如表1 所示。

表1 深圳機場附近海陸交互相沉積土土層劃分Tab.1 Division of Marine-land Interchange Sedimentary Soil Layers Around Shenzhen Airport

結(jié)合地質(zhì)成因、沉積規(guī)律及巖土參數(shù)、廣東地區(qū)的九分方案研究成果[6]等方面確定了地層層序，對各主要地層進行重點巖土參數(shù)的統(tǒng)計分析工作，以標準差及變異系數(shù)為控制指標，優(yōu)化了地層層序劃分，提出了各主要地層的分布標高、統(tǒng)計參數(shù)范圍。本項目地層分布從上至下依次為：第四系全新統(tǒng)人工堆積層、第四系全新統(tǒng)海積層，全新統(tǒng)沖洪積粘土～粉質(zhì)粘土、中粗砂，上更新統(tǒng)湖沼沉積淤泥質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)中砂，沖洪積粘土～粉質(zhì)粘土、中粗砂，中更新統(tǒng)殘積砂質(zhì)粘性土及全～中風(fēng)化薊縣系的混合花崗巖（見圖2）。

沉積土在宏觀上表現(xiàn)為砂土與黏土層交互沉積，主要的軟土層為淺部淤泥、淤泥質(zhì)土夾粉砂層和深部淤泥質(zhì)土層，沿層理面夾有薄層粉細砂或中粗砂，垂直向上厚度變化極不均勻，這正反映出海陸交互沉積條件下土性復(fù)雜非均質(zhì)的特點。軟土主要有：海相沉積層②1淤泥淤泥、②2淤泥～淤泥質(zhì)土和湖沼沉積層④1-1淤泥質(zhì)土。

圖2 地層剖面圖Fig.2 Stratigraphic Section

4 軟土的物理力學(xué)特性分析

4.1 軟土物理屬性

按照相關(guān)規(guī)范的規(guī)定，并根據(jù)各層地基土的物理力學(xué)性質(zhì)指標、原位試驗結(jié)果及鄰近場地勘察經(jīng)驗，用數(shù)理統(tǒng)計法，對所有樣點進行篩選、剔除異常值后進行統(tǒng)計和分析，得出土的物理指標統(tǒng)計結(jié)果如表2 所示。

表2 軟土物理指標統(tǒng)計表Tab.2 Statistical Table of Physical Indexes of Soft Soil

⑴珠江三角洲軟土的含水量和孔隙比都比較大，W 一般大于35%，統(tǒng)計均值為58.6%，孔隙比e 一般在1.0～2.68，統(tǒng)計均值為1.6[7]，本項目②1淤泥含水率W=92.3%，孔隙比e=2.52，②2淤泥～淤泥質(zhì)土含水率W=69%，孔隙比e=1.87，該土層的含水率和孔隙比遠高于珠三角其他地方的軟土。軟土天然含水率、界限含水率（液限和塑限）隨深度變化隨深度遞減。軟土的天然含水率大多大于液限。多數(shù)液性指數(shù)IL＞1，軟土處于流動狀態(tài)。含水量愈大，將導(dǎo)致土的抗剪強度愈小，壓縮性愈大。

⑵土體接近完全飽和。所研究的土樣的飽和度Sr=94%～100%，統(tǒng)計均值約Sr=97%。

⑶垂直滲透性低。②1淤泥的滲透系數(shù)為6.1～6.4×10-8cm/s，②2淤泥質(zhì)土為1.0×10-6cm/s，使得土體在荷載作用下固結(jié)速率很慢，強度不能提高。

⑷土的有機質(zhì)含量為0～3.4%，研究資料[8]表明深圳其他地方，淤泥有機質(zhì)含量為2%～7%，淤泥質(zhì)土有機質(zhì)含量為7%～10%，含泥炭質(zhì)黏性土機質(zhì)含量為10%～60%，含量遠高于本項目。牟春梅等人[9]研究表明,當(dāng)有機質(zhì)含量大于1.74%滲透系數(shù)和固結(jié)系數(shù)總體隨著含量逐漸減小，在不同階段遞減速率不一樣，當(dāng)含量大于3.5%時遞減速率明顯加快。本項目有機質(zhì)含量較低，對滲透系數(shù)和固結(jié)系數(shù)影響較小。相關(guān)資料表明該含量對水泥的加固效果影響較小[10]。

4.2 軟土的力學(xué)屬性

軟土工程特性一直是國內(nèi)外巖土工程領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容之一，其研究重點集中于變形特性，包括固結(jié)變形和次固結(jié)變形。所研究的軟土具有下述特性：

⑴軟土的靈敏度高，表現(xiàn)出一定的結(jié)構(gòu)性。軟土的靈敏性與軟土的結(jié)構(gòu)特性密切相關(guān)，結(jié)構(gòu)性軟土一旦被擾動后，其強度明顯下降，而且難以恢復(fù)[11]。十字板試驗測得②1淤泥的靈敏度最大值4.4，最小值1.1，平均值2.6，②2淤泥～淤泥質(zhì)土的靈敏度最大值3.3，最小值1.8，平均值2.7，④1-1淤泥質(zhì)土的靈敏度最大值5.2，最小值0.8，平均值2.5。土的靈敏度越高，結(jié)構(gòu)性越強，受擾動后土的強度降低愈多（見圖3）。

⑵軟土的壓縮性高。珠江三角洲軟土層大多呈正常固結(jié)狀態(tài)，也有部分淺層軟土屬欠固結(jié)土層（見圖4）。②1淤泥的壓縮系數(shù)α1-2=2.4/MPa，②2淤泥～淤泥質(zhì)土的壓縮系數(shù)α1-2=1.9/MPa，④1-1淤泥質(zhì)土壓縮系數(shù)α1-2=0.82/MPa，屬于高壓縮性土。

⑶抗剪強度低。試驗結(jié)果表明，軟土的快剪強度為c=3.5～12.3 kPa，其值隨著土層的深度而提高；內(nèi)摩擦角φ一般較小，接近于零。直剪固快試驗表明，固結(jié)后土的φ值有顯著提高，由接近零增加到13.4°～15.2°，而土的c 值則變化較小，三軸試驗具有同樣的規(guī)律。

圖3 軟土層靈敏度統(tǒng)計圖Fig.3 Statistical Chart of Soft Soil Sensitivity

圖4 軟土的E-P 曲線圖Fig.4 E-P Graph of Soft Soil

⑷欠固結(jié)特性。對36 個淤泥的高壓固結(jié)試驗數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計（見表3），②1淤泥的先期固結(jié)壓力的平均值為30.6 kPa，其4 m 以上的土樣和4 m 一下的土樣的期固結(jié)壓力變化較?。虎?淤泥～淤泥質(zhì)土的先期固結(jié)壓力最大值為77.1 kPa，最小值22.2 kPa，平均值為56.1 kPa，離散值較大；④1-1淤泥質(zhì)土的先期固結(jié)壓力最大值為112.4 kPa，最小值35.7 kPa，平均值為77.5 kPa，離散值較大。②1淤泥超固結(jié)比OCR 的平均值為0.74，②2淤泥～淤泥質(zhì)土超固結(jié)比OCR 的平均值為0.83，④1-1淤泥質(zhì)土的固結(jié)比OCR 的平均值為0.88，說明海積軟土處于較嚴重的欠固結(jié)狀態(tài)。

表3 軟土力學(xué)指標統(tǒng)計表Tab.3 Statistical Table of Mechanical Indexes of Soft Soil

5 軟土的固結(jié)變形參數(shù)

5.1 固結(jié)參數(shù)研究

機場工程對場道地基處理工后沉降和差異要求嚴格,使用期30年內(nèi)，場道區(qū)（三跑道、滑行道、穿越道和繞行滑行道）工后沉降小于15 cm，差異沉降小于1.5‰，飛行區(qū)工后沉降小于25 cm。軟土地基在荷載作用下沉降變形主要為主固結(jié)沉降，此外還包括瞬時沉降與次固結(jié)沉降。

深圳西部濱海海積軟土Cv、Ch主要分布范圍在0.2～0.8×10-3cm2/s 之間，各級荷載下Cv的均值約為0.458×10-3cm2/s，Ch的均值約為0.474×10-3cm2/s[11]。本項目土層的固結(jié)Cv、Ch約為0.65～0.85×10-3cm2/s，Cv、Ch值基本相等，均大于已有統(tǒng)計資料平均值（見表4）。固結(jié)系數(shù)越大，固結(jié)度越大，施工期沉降量越大，越有利于減小工后沉降。

表4 固結(jié)和次固結(jié)系數(shù)統(tǒng)計表Tab.4 Statistics of Consolidation and Secondary Consolidation Cefficient

5.2 次固結(jié)參數(shù)研究

沿海軟土存在著顯著的次固結(jié)（又叫次壓縮）特性，即是在孔壓消散，主固結(jié)完成后,仍然會有隨時間發(fā)展的長期壓縮，其量值不可忽略[12]，是影響軟基工后沉降的重要參數(shù)。粘土次固結(jié)變形是指在恒定的固結(jié)壓力下，由于土骨架的粘滯蠕變作用而隨時間不斷發(fā)展的變形。

張惠明等人[13，14]研究深圳地區(qū)軟土的次固結(jié)系數(shù)進行了統(tǒng)計并研究其變化規(guī)律，次固結(jié)系數(shù)Cα介于0.013～0.030，本項目的Cα介于0.015～0.033，接近于已有統(tǒng)計資料平均值。Cα隨深度遞減。Cα越大，次固結(jié)沉降就越大；反之，次固結(jié)沉降就越小。

超載預(yù)壓法，就是將預(yù)壓荷載加到設(shè)計荷載以上，待發(fā)生相當(dāng)大的沉降后再卸荷到設(shè)計荷載。這種超載預(yù)壓法,目前在軟基處理中被廣泛采用，超載預(yù)壓對減少工后次壓縮沉降是有利的[15]。而Conroy 等人[16]的研究表明當(dāng)堆載預(yù)壓超載比為1.2 時，軟土經(jīng)預(yù)壓后土層的次固結(jié)系數(shù)Cα′與加固前土層的次固結(jié)系數(shù)Cα的存在一定關(guān)系。結(jié)合其研究成果并考慮到本項目的軟土特點、工期和造價等因素，本次計算取Cα′/Cα=0.4。超載預(yù)壓通過減小次固結(jié)系數(shù)和推遲次固結(jié)發(fā)生時間來減少一定時間內(nèi)軟基的次固結(jié)沉降，以滿足機場工程的工后沉降要求。

6 結(jié)論

⑴伶仃洋東灘水域灘槽格局和沖淤平面上變化不大，受機場前期圍填建設(shè)影響，前沿漲潮溝有所萎縮。工程區(qū)近期以淤積為主，工程區(qū)附近灘槽斷面整體呈沖刷變深趨勢。項目所在地的淤泥層是典型的淤泥質(zhì)河口沉積的產(chǎn)物，含砂量高。

⑵項目所在場地土層在宏觀上表現(xiàn)為砂土與黏土層交互沉積，主要的軟土層為淺部淤泥、淤泥質(zhì)土夾粉砂層和深部淤泥質(zhì)土層，沿層理面夾有薄層粉細砂或中粗砂，垂直向上厚度變化極不均勻。

⑶海海積軟土為較新的海相沉積層，處于欠固結(jié)狀態(tài)，與珠江三角洲其他區(qū)域軟土相比具有較低有機質(zhì)含量的特點，對水泥土強度影響較小。

⑷結(jié)合機場工后沉降的特點，對本項目的固結(jié)Cv、Ch系數(shù)為0.65～0.85×10-3cm2/s 之間，比深圳其他地區(qū)軟土的固結(jié)系數(shù)大，土的固結(jié)速度相對較快；次固結(jié)系次固結(jié)系數(shù)Cα為0.015～0.033 之間，通過超載可以減小次固結(jié)系數(shù)，從而減小軟基處理的工后沉降。