深圳机场三跑道扩建工程软土特性研究

张会荣

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司 广州510230）

近些年随着经济的发展，有些城市发展受用地局限以及净空环境的要求，开始寻求一劳永逸地解决这一问题的办法，即将机场建在海上。临海的机场改扩建工程是在海陆交互相沉积土这一特殊地质条件下建设，深圳机场三跑道扩建工程即属此例。珠江三角洲位于南海北部，面积约8 600 km2，洲内软土十分发育，主要由西江、北江、东江在珠江口受内海岸浪流及潮汐水动力作用逐渐淤积而成，属第四纪沉积物，土层多为含水丰富的淤泥、淤泥质粘土及粉细砂[1]，其沉积呈现阶段性和多样性的特点，具有含水量更高、土质更软、受荷后变形大、差异沉降量变显著、固结速度快等特性。为了提高机场的建设工程质量、节约投资，开展项目所在地软土特性研究具有重要意义。

1 工程概况

深圳机场三跑道扩建工程位于深圳市西部、伶仃洋东岸，深圳宝安国际机场西侧，陆路与107 国道、广深高速公司和机荷高速公路接近，具有极其便利的交通优势。机场基准点坐标为：东经113°48"30″，北纬22°38′24″。现有场地地貌包括蓄水池、滩涂、现有海堤围堰及标高-1.0 m～-4.0 m 之间的海域。地势东北高、西南低，向珠江方向缓倾。场区地貌单元为海陆交互相冲积地带，场地在大地貌单元上位于剥蚀海蚀堆积地形-三角洲平原上，为浅滩、滩涂地带，地势较为平坦，场地东部为海堤和人工填海地貌。

本工程用海面积控制在294 公顷以内，陆域形成面积约278.9 万m2，功能区总面积约288.74 万m2，结合机场规划及实际情况，本工程设计分为跑道区、滑行道、土面区、水面区、场区围堰、外海堤、穿越道及绕行滑行道共7 个功能分区的永久建筑物。

2 海域附近水域滩槽演变及泥沙特性

深圳宝安国际机场位于珠江口东岸滨海平原，面向伶仃洋。伶仃洋是一个呈NNW～SSE 向的喇叭形河口湾，汇集了珠江入海八个口门中的虎门、蕉门、洪奇沥和横门四口门的径流，是珠江主要出海口和最大的河口湾。伶仃洋水下地形西北高、东南低，湾外20～30 m等深线呈WSW～ENE 向展布，水深自外海向湾内逐渐减小。湾内地形变化复杂，浅滩和深槽相间，机场三跑道扩建工程位于机场二跑道以西，沿江高速以东，福永河以南。项目通过填海的方式形成机场陆域。

2.1 深圳机场海域附近水域滩槽演变

自1980年代以来，伶仃洋两岸实施了一系列开发建设工程，在一定程度上改变了伶仃洋河口湾的边界形态。西岸的岸线开发规模明显大于伶仃洋东岸，东岸滩涂资源较少、岸线较顺直，其岸线利用开发以向海推进为主，东岸整体岸段变得更为顺直。1978～2015年间共围垦17.08 km2，岸线呈整体向外扩展之势，岸线向外推进最远处约1 820 m。从开发时间看，工程区附近岸线开发主要发生在1988～2009年期间，其中1999～2009年期间围垦强度最大。深圳机场海域附近水域滩槽平面格局和冲淤变化主要呈现如下特征：

⑴工程所在东滩平面上变化不大，受机场前期围填建设影响，前沿涨潮沟有所萎缩。从-3 m 等高线变化来看，工程所在东滩滩面变化不大，仅交椅湾至工程区北侧一段向外海有所推移，呈淤积状态，工程区及以下岸段变化不大。-5 m 等高线变化显示，工程区前沿涨潮沟呈萎缩状态，1984年之后由于围填占用纳潮空间，涨潮动力有所减弱，槽宽缩窄近470 m，向南后退约500 m。本工程占用中下段潮沟，需考虑涨潮流对工程建设的影响。同时潮流动力将进一步减弱，涨潮沟将继续萎缩。

⑵工程区1977～2000年期间以轻微冲刷为主，2000年以来由冲转淤，近期以淤积为主，工程区附近水域整体呈轻微冲刷状态，平均冲刷约0.12 m，冲刷速率在-0.024 m/a；1984～2000年间冲刷幅度减小，速率在-0.005 m/a；2000年之后由冲转淤，淤积速率在0.062 m/a。从空间分布来看，1977～2000年冲刷区域主要集中在工程区靠外海部分，2000～2016年期间整体淤积显著。

⑶工程区附近滩槽断面整体呈冲刷变深趋势，1977～1984年稍有淤浅，1984～2011年整体下切，2000年以后下切幅度显著。

2.2 泥沙来源及泥沙特性

2.2.1 泥沙来源

进入伶仃洋的泥沙主要来源于陆域，海域来沙很少。每年进入珠江三角洲的泥沙约有80%输出口门外，约20%留在网河区内。八大口门多年平均输沙量为7 098×104t，其中东四门为3 389×104t，占输出总沙量的47.7%，西四门为3 709×104t，占52.3%。自上世纪80年代以来，随着国内经济建设的迅猛发展，工程用沙大量增加，在珠江河道内取沙大量出现，使得向河口（伶仃洋）输送的泥沙数量大为减小，近年来，河道内取沙已受到政策的限制。但由于上游植被保护的增强，以及水利工程的修建，也使得输入河口的泥沙量呈现减小趋势。

2.2.2 泥沙特性

2016年冬季和夏季在珠江口进行过水文泥沙观测，从悬沙观测的时间变化过程来看，各站表、中、底三层含沙量多数时间内较为接近，而在中层与底层的某些峰值普遍高于表层。

从整体变化过程看来，各站含沙量夏季高于冬季，冬季一般不超过0.05 kg/m3，夏季一般不超过0.1 kg/m3。从含沙量特征值统计表来看，冬季最大悬浮泥沙浓度为0.041 kg/m3，夏季最大为0.060 kg/m3。最大含沙量的垂向分布中，基本表现为底层最大，表层最小（见图1）。

图1 各站含沙量值图Fig.1 Sand Content Diagram of Each Station

根据2016年工程周边海区多次底质采样的粒度分析结果，该海域底质类型以粘土质粉砂为主，中值粒径多在0.006～0.01 mm；其中砂的组份含量约占10%，粘土约占20～30%，粉砂约占60%。

珠江口属于淤泥质河口，河流所挟带的泥沙在河口及海岸地区落淤后，由于絮凝作用，使得泥沙颗粒形成絮凝颗粒，到一定浓度后，形成具有一定流动性、高含沙量的浮泥或淤泥。项目所在地的淤泥层是典型的淤泥质河口沉积的产物，含砂量高。

3 项目地层研究

软土在我国分布广泛，主要集中在滨海平原、三角洲、湖盆底周围、山间谷地等地方，其中三角洲软土最具典型的是长江三角洲和珠江三角洲。各地区软土在形成过程中都受多种成因作用，造成各软土的土性特征（微观结构、粒度成分以及矿物成分）差异巨大，其宏观土层分布表现也各有不同。

长江三角洲如上海地区属三角洲冲积平原，软土层在滨海相陆域层位分布稳定，仅在黄埔江、苏州河沿线，受河道侵蚀淤积影响，局部区域地层淤泥质粉质粘土层缺失或变薄。相关研究表明，长江口北岸第四纪沉积物中黏性土或薄层黏土与粉、细砂互层、多韵律，呈现类似于“千层饼”特征。在宏观上沿深度方向存在典型的不连续性、互层现象严重[2]。

地处珠江三角洲的广州地区软土虽同为第四纪海相沉积层，但是软土沉积环境差异巨大。由于经历复杂的海侵、海退与江水的共同作用，即沉积、冲刷、再沉积的反复作用，构成了复杂的地层，使其土层的均匀性极差，平面分布不规则，沿层理面夹有薄层粉细砂，垂直向上厚度变化不均，存有夹层或透镜体的特点，土层厚度可达50 m 以上[3]。

地层划分与岩土参数统计分析是岩土工程勘察工作的重要内容，划分的精度和合理性对场地土层的岩土工程条件分析和评价影响极大。地层划分精度与岩土参数统计的变异性密切相关[4]，为了减少样本误差，初勘和详勘阶段进行了大量勘察工作，完成钻孔535 个，钻探总进尺9 703 m，原状土样2 548 件，扰动土样223 件，岩石样22 件。要取得可靠的土质参数，只有通过原位测试[5]，两阶段勘察进行现场标准贯入试验5 899 次，44 个标贯孔附加了十字板试验，进行了195 次十字板原状峰值剪切试验，187 次十字板重塑峰值剪切试验。深圳机场附近海陆交互相沉积土土层划分如表1 所示。

表1 深圳机场附近海陆交互相沉积土土层划分Tab.1 Division of Marine-land Interchange Sedimentary Soil Layers Around Shenzhen Airport

结合地质成因、沉积规律及岩土参数、广东地区的九分方案研究成果[6]等方面确定了地层层序，对各主要地层进行重点岩土参数的统计分析工作，以标准差及变异系数为控制指标，优化了地层层序划分，提出了各主要地层的分布标高、统计参数范围。本项目地层分布从上至下依次为：第四系全新统人工堆积层、第四系全新统海积层，全新统冲洪积粘土～粉质粘土、中粗砂，上更新统湖沼沉积淤泥质粘土、淤泥质中砂，冲洪积粘土～粉质粘土、中粗砂，中更新统残积砂质粘性土及全～中风化蓟县系的混合花岗岩（见图2）。

沉积土在宏观上表现为砂土与黏土层交互沉积，主要的软土层为浅部淤泥、淤泥质土夹粉砂层和深部淤泥质土层，沿层理面夹有薄层粉细砂或中粗砂，垂直向上厚度变化极不均匀，这正反映出海陆交互沉积条件下土性复杂非均质的特点。软土主要有：海相沉积层②1淤泥淤泥、②2淤泥～淤泥质土和湖沼沉积层④1-1淤泥质土。

图2 地层剖面图Fig.2 Stratigraphic Section

4 软土的物理力学特性分析

4.1 软土物理属性

按照相关规范的规定，并根据各层地基土的物理力学性质指标、原位试验结果及邻近场地勘察经验，用数理统计法，对所有样点进行筛选、剔除异常值后进行统计和分析，得出土的物理指标统计结果如表2 所示。

表2 软土物理指标统计表Tab.2 Statistical Table of Physical Indexes of Soft Soil

⑴珠江三角洲软土的含水量和孔隙比都比较大，W 一般大于35%，统计均值为58.6%，孔隙比e 一般在1.0～2.68，统计均值为1.6[7]，本项目②1淤泥含水率W=92.3%，孔隙比e=2.52，②2淤泥～淤泥质土含水率W=69%，孔隙比e=1.87，该土层的含水率和孔隙比远高于珠三角其他地方的软土。软土天然含水率、界限含水率（液限和塑限）随深度变化随深度递减。软土的天然含水率大多大于液限。多数液性指数IL＞1，软土处于流动状态。含水量愈大，将导致土的抗剪强度愈小，压缩性愈大。

⑵土体接近完全饱和。所研究的土样的饱和度Sr=94%～100%，统计均值约Sr=97%。

⑶垂直渗透性低。②1淤泥的渗透系数为6.1～6.4×10-8cm/s，②2淤泥质土为1.0×10-6cm/s，使得土体在荷载作用下固结速率很慢，强度不能提高。

⑷土的有机质含量为0～3.4%，研究资料[8]表明深圳其他地方，淤泥有机质含量为2%～7%，淤泥质土有机质含量为7%～10%，含泥炭质黏性土机质含量为10%～60%，含量远高于本项目。牟春梅等人[9]研究表明,当有机质含量大于1.74%渗透系数和固结系数总体随着含量逐渐减小，在不同阶段递减速率不一样，当含量大于3.5%时递减速率明显加快。本项目有机质含量较低，对渗透系数和固结系数影响较小。相关资料表明该含量对水泥的加固效果影响较小[10]。

4.2 软土的力学属性

软土工程特性一直是国内外岩土工程领域的重要研究内容之一，其研究重点集中于变形特性，包括固结变形和次固结变形。所研究的软土具有下述特性：

⑴软土的灵敏度高，表现出一定的结构性。软土的灵敏性与软土的结构特性密切相关，结构性软土一旦被扰动后，其强度明显下降，而且难以恢复[11]。十字板试验测得②1淤泥的灵敏度最大值4.4，最小值1.1，平均值2.6，②2淤泥～淤泥质土的灵敏度最大值3.3，最小值1.8，平均值2.7，④1-1淤泥质土的灵敏度最大值5.2，最小值0.8，平均值2.5。土的灵敏度越高，结构性越强，受扰动后土的强度降低愈多（见图3）。

⑵软土的压缩性高。珠江三角洲软土层大多呈正常固结状态，也有部分浅层软土属欠固结土层（见图4）。②1淤泥的压缩系数α1-2=2.4/MPa，②2淤泥～淤泥质土的压缩系数α1-2=1.9/MPa，④1-1淤泥质土压缩系数α1-2=0.82/MPa，属于高压缩性土。

⑶抗剪强度低。试验结果表明，软土的快剪强度为c=3.5～12.3 kPa，其值随着土层的深度而提高；内摩擦角φ一般较小，接近于零。直剪固快试验表明，固结后土的φ值有显著提高，由接近零增加到13.4°～15.2°，而土的c 值则变化较小，三轴试验具有同样的规律。

图3 软土层灵敏度统计图Fig.3 Statistical Chart of Soft Soil Sensitivity

图4 软土的E-P 曲线图Fig.4 E-P Graph of Soft Soil

⑷欠固结特性。对36 个淤泥的高压固结试验数据进行了统计（见表3），②1淤泥的先期固结压力的平均值为30.6 kPa，其4 m 以上的土样和4 m 一下的土样的期固结压力变化较小；②2淤泥～淤泥质土的先期固结压力最大值为77.1 kPa，最小值22.2 kPa，平均值为56.1 kPa，离散值较大；④1-1淤泥质土的先期固结压力最大值为112.4 kPa，最小值35.7 kPa，平均值为77.5 kPa，离散值较大。②1淤泥超固结比OCR 的平均值为0.74，②2淤泥～淤泥质土超固结比OCR 的平均值为0.83，④1-1淤泥质土的固结比OCR 的平均值为0.88，说明海积软土处于较严重的欠固结状态。

表3 软土力学指标统计表Tab.3 Statistical Table of Mechanical Indexes of Soft Soil

5 软土的固结变形参数

5.1 固结参数研究

机场工程对场道地基处理工后沉降和差异要求严格,使用期30年内，场道区（三跑道、滑行道、穿越道和绕行滑行道）工后沉降小于15 cm，差异沉降小于1.5‰，飞行区工后沉降小于25 cm。软土地基在荷载作用下沉降变形主要为主固结沉降，此外还包括瞬时沉降与次固结沉降。

深圳西部滨海海积软土Cv、Ch主要分布范围在0.2～0.8×10-3cm2/s 之间，各级荷载下Cv的均值约为0.458×10-3cm2/s，Ch的均值约为0.474×10-3cm2/s[11]。本项目土层的固结Cv、Ch约为0.65～0.85×10-3cm2/s，Cv、Ch值基本相等，均大于已有统计资料平均值（见表4）。固结系数越大，固结度越大，施工期沉降量越大，越有利于减小工后沉降。

表4 固结和次固结系数统计表Tab.4 Statistics of Consolidation and Secondary Consolidation Cefficient

5.2 次固结参数研究

沿海软土存在着显著的次固结（又叫次压缩）特性，即是在孔压消散，主固结完成后,仍然会有随时间发展的长期压缩，其量值不可忽略[12]，是影响软基工后沉降的重要参数。粘土次固结变形是指在恒定的固结压力下，由于土骨架的粘滞蠕变作用而随时间不断发展的变形。

张惠明等人[13，14]研究深圳地区软土的次固结系数进行了统计并研究其变化规律，次固结系数Cα介于0.013～0.030，本项目的Cα介于0.015～0.033，接近于已有统计资料平均值。Cα随深度递减。Cα越大，次固结沉降就越大；反之，次固结沉降就越小。

超载预压法，就是将预压荷载加到设计荷载以上，待发生相当大的沉降后再卸荷到设计荷载。这种超载预压法,目前在软基处理中被广泛采用，超载预压对减少工后次压缩沉降是有利的[15]。而Conroy 等人[16]的研究表明当堆载预压超载比为1.2 时，软土经预压后土层的次固结系数Cα′与加固前土层的次固结系数Cα的存在一定关系。结合其研究成果并考虑到本项目的软土特点、工期和造价等因素，本次计算取Cα′/Cα=0.4。超载预压通过减小次固结系数和推迟次固结发生时间来减少一定时间内软基的次固结沉降，以满足机场工程的工后沉降要求。

6 结论

⑴伶仃洋东滩水域滩槽格局和冲淤平面上变化不大，受机场前期围填建设影响，前沿涨潮沟有所萎缩。工程区近期以淤积为主，工程区附近滩槽断面整体呈冲刷变深趋势。项目所在地的淤泥层是典型的淤泥质河口沉积的产物，含砂量高。

⑵项目所在场地土层在宏观上表现为砂土与黏土层交互沉积，主要的软土层为浅部淤泥、淤泥质土夹粉砂层和深部淤泥质土层，沿层理面夹有薄层粉细砂或中粗砂，垂直向上厚度变化极不均匀。

⑶海海积软土为较新的海相沉积层，处于欠固结状态，与珠江三角洲其他区域软土相比具有较低有机质含量的特点，对水泥土强度影响较小。

⑷结合机场工后沉降的特点，对本项目的固结Cv、Ch系数为0.65～0.85×10-3cm2/s 之间，比深圳其他地区软土的固结系数大，土的固结速度相对较快；次固结系次固结系数Cα为0.015～0.033 之间，通过超载可以减小次固结系数，从而减小软基处理的工后沉降。