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摘要：天津地基土层的成因及空间分布较为复杂，陆相、海相沉积交替出现，工程地质特性呈现明显差异。本文利用现有的试验资料对天津市区地基土层分布进行了简要介绍，并对工程特性进行初步分析，选择适宜作为桩基持力层的地基土层进行压缩特性及抗剪强度对比分析，为试验测试、工程勘察、基础设计与施工提供相关技术参考。
关键词：地基土，压缩性，抗剪强度，砂土液化
Abstract: the causes of tianjin ground soil and space distribution is relatively complex, terrestrial and Marine deposits appear alternately, engineering geological characteristics present obvious difference. This paper use of the existing test material to tianjin city ground soil distribution are briefly introduced, and the engineering characteristics of the preliminary analysis, choose appropriate for pile foundation used ground soil compression characteristics and shear strength analysis, the test, for the engineering survey, design and construction of foundation provides technical reference.
Keywords: foundation soil, compressibility, shear strength, sandy soil liquefaction
中图分类号：TU47 文献标识码： A 文章编号：
1 前言
天津市及滨海新区近年来发展较快，城市建设日新月异。无论是民用还是商业建筑，新建矮层建筑已不多见，高层及超高层建筑越来越多地呈现在我们面前。天津市地处滨海平原，海相沉积软弱土层遍布市区。由于土地资源的不可再生性，建筑物类型多向大型、功能综合性的趋势发展，天然地基或浅层地基的简单处理大多已不能满足高层建筑的要求。
在天津地区，对于浅层地基土无法满足其承载力与变形要求的高层建筑物多采用桩基础。详实准确的试验资料是工程勘察、桩基础设计的重要依据。本文旨在利用现有的试验资料对天津市区地基土层的工程特性进行初步分析，总结规律，为勘察设计施工部门做好服务的同时，也能对提高实验测试的工作质量有所帮助，提高测试人员判别勘察取样问题、室内检测误差的能力。
2 天津市地基土层分布
天津地区境内陆是在漫长的历史时期，经过多次海陆变迁逐渐形成的。从晚更新世至今，市区经历了由陆地变海洋，由海洋再变陆地的沧海桑田的过程[1]。地基土层的成因及空间分布较为复杂。地表以下分布0～4米填土层，向下陆相沉积、海相沉积交替出现，从地表至埋深50m左右范围内主要可以划分为以下几个成因层。（见表1）
2.1 人工填土层
由人类活动堆积而成，分为素填土、杂填土和冲填土。一般具有均匀性差、疏密差异大、强度低、压缩性高等特点。
2.2 新近沉积（Q43N）
坑底淤泥：多为黑色、灰色软塑、流塑状淤泥、淤泥质土。
故河道、洼淀冲积：以黑灰～褐灰色粘性土为主，并堆积有粉土、淤泥及淤泥质土，呈软塑、流塑状。
2.3 第一陆相层（Q43）
河床～河漫滩相沉积：以黄褐、灰褐色粘土、粉质粘土为主，多呈可塑状。局部由淤泥质粘土及淤泥质粉质粘土组成，含氧化铁，呈软塑～可塑状。
湖沼相沉积：以灰绿、灰黄色粘性土为主，呈可塑状态，有腐植物夹层。中上部出现大孔隙土，但仍较密实。底界在低洼部位沉积有钢灰色软粘土或淤泥质粘土。
2.4 第一海相层（Q42）
以灰色粉质粘土为主，富含海相软体动物贝壳。上部由软塑状粉质粘土及粉土组成，工程性质较差；中部常见软～流塑状千层状粉质粘土及淤泥质土，工程性质差；下部软～可塑状粉质粘土及粉土组成，工程性质较好。
2.5第二陆相层（Q41）
沼泽相沉积：上部为黑色有机质土（或泥炭）层；下部为灰白色粉质粘土，软～可塑状态。
河床～河漫滩相沉积：以褐黄色粉质粘土为主，呈可塑状态，夹粘土、粉土或粉砂，含姜石。底部出现“混粒土”。
2.6第三陆相层（Q3e）
以黄褐色粉质粘土、粉土为主，呈可塑偏硬状态，夹砂土和粘土，含姜石及氧化铁锈斑。顶部见褐色粘土。
2.7第二海相层（Q3d）
以灰～灰黄色粘性土为主，呈可～软塑状态。顶部常见灰色粘土。局部可见粉土、粉砂。
2.8第四陆相层（Q3c）
以褐～褐黄色粘性土、粉土及粉细砂层组成。粘性土一般呈可～硬塑状态。
上述不同成因的地基土中，仅有全新统Q4第一陆相层中河床～河漫滩相沉积层、湖沼相沉积层，工程性质较好，能作为理想的天然地基浅基础持力层。人工填土层中粘性土质的素填土，须经适当处理后，可用作一般低矮建筑物的基础持力层。
在天津地区，对于浅层地基土无法满足其承载力与变形要求的高层建筑物多采用桩基础。根据文献记载，桩基础一般选择深层地基土的较硬土层作为桩基持力层。首选深层砂性土（粉土、粉砂），当深层粘性土当其状态及压缩性均满足工程需要时也可选用。因此本文主要对天津地区不同成因砂性土层的工程特性进行对比分析。
3 各砂性土层土工试验指标
天津市区地基土层中新近沉积层（Q43N）、第一陆相层（Q43）、第一海相层（Q42）、第二陆相层（Q41）、第三陆相层（Q3e）、第二海相层（Q3d）、第四陆相层（Q3c）均可见粉土层，层位较为稳定的有第一海相层（Q42）、第二陆相层（Q41）、第三陆相层（Q3e）、第四陆相层（Q3c）。天津地区各典型土层物理力学指标如表2所示。
表中所列试验数据依据《土工试验方法标准》GB50123-1999进行试验，固结试验采用标准固结试验，剪切试验采用直接快剪[2]。数据为典型数据，并非多个试验数据均值。
由表2中可以看出，各成因砂性土层压缩系数a1-2均为中～低压缩性土。少数粘质粉土由于粘粒含量较高的影响，呈现界于粉砂和软～可塑粉质粘土之间的固结特点，为中压缩性土，砂质粉土及粉砂均为低压缩性土。各成因层砂性土层均具有较高的抗剪强度。
表2典型土层物理力学指标表
土的粒度成分决定土的工程地質性质，说明土的物质组成和结构特征的主要指标。当细小的粘粒在土中的含量超过3%时，可使其他各粒组间具有一定程度的连接，表现出粘性土的特征。因此土的粒度成分与土的强度特征有密切的关系[3]。本文选取地铁四号线部分砂性土土工试验颗粒分析数据列于表3。
表3颗粒分析成果表
3.1 第一海相层（Q42）
主要为灰色粉土及少量粉砂组成，含贝壳。粒度成分以粉粒组为主，达全重的60%左右，粘粒含量占1.9%～14.9%。压缩系数a1-2多为0.1左右，最大为0.2～0.3，内摩擦角多为26～30度，最低为22～25度。因本层土沉积变化及空间分布较为复杂，经常夹有粘土斑或粘土薄层，局部地区的粉土层含大量云母及有机物，所以不同工程场地因地基土因粘粒含量或夹杂物成分不同，导致土体的压缩性及抗剪强度变化较大。
3.2 第二陆相层（Q41）
主要为黄色粉土、粉砂及粘粒含量较多的混粒土组成。粒度成分以砂粒组为主，达全重的40%～50%左右，而粘粒组也较高，可达全重的10%～20%，粉粒组含量相对较低。属低压缩性土，数值变化范围较小。抗剪强度也较高，变化范围小。
3.3 第三陆相层（Q3e）
主要以黄色粉砂、粉土为主。粒度成分以砂粒组或粉粒组为主占全重的50%～80%，粘粒含量较少。均为低压缩性土，高抗剪强度土。
4 工程特性评价
地基土的强度与地基土的堆积时代，成因，土性等因素密切相关。一般认为，砂性土颗粒粗大，呈散粒结构，颗粒间的孔隙大并相互连通，孔隙水几乎全是自由水，可以顺利流通。其压缩性特征是：(1)一般压缩变形量不大，而压缩变形速度快。(2)压缩变形大部分属于永久变形，弹性变形很小[3]。显而易见，Q42、Q41、Q3e三个成因层地基土的压缩性指标均属中～低压缩性土。第一海相层Q42中粘粒含量高或含有大量云母、有机物时，压缩系数较大接近于0.2～0.3；第二陆相层Q41虽然粘粒含量较高，但砂粒组含量达40%～50%左右，构成地基土体的骨架，且颗粒间有一定程度的胶结，使本层土呈现更多的近于粉砂的固结特点，为低压缩性土；第三陆相层Q3e粘粒含量低，为低压缩性土。
通常，土的粘聚力主要来源于土粒间的相互吸引、水膜联接及颗粒间的胶结等，其中土颗粒间的水膜联接和胶结作用对粘聚力产生具有重要作用[4]。砂性土的抗剪强度特点是：砂性土基本没有连接，抗剪强度主要由内摩擦力组成，它包括土粒间相互滑动的阻力、抵抗土粒间滚动的阻力、土粒相互嵌接的连锁阻力等。随着土粒粒度、粗糙性、密度和法向应力的增大，土粒间的接触面扩大，接触点增多，抵抗剪切的摩擦阻力也就增大。所以砂性土的抗剪强度主要取决于土的粒度成分和密度[3]。Q42、Q41、Q3e三个成因层地基土粒度成分区别较大，所以其抗剪强度也不尽相同。第一海相层Q42地基土因粘粒含量不同，内摩擦角变化范围较大；第二陆相层Q41呈现的特点是粘聚力，内摩擦角均较高；第三陆相层Q3e粘聚力低，内摩擦角高。
依据《建筑桩基技术规范》（JGJ 94－2008）4.3.1 条规定，饱和砂土和饱和粉土（不含黄土）的液化判别和地基处理，6 度时，一般情况下可不进行判别和处理，但对液化沉陷敏感的乙类建筑可按 7 度的要求进行判别和处理。4.3.4条规定，当饱和砂土、粉土的初步判别认为需进一步进行液化判别时，应采用标准贯入试验判别法判别地面下 20m 深度范围内的液化。在地面下 20m 深度范围内，液化判别标准贯入锤击数临界值可按下式计算[5]：
式中Ncr——液化判别标准贯入锤击数临界值； N0——液化判别标准贯入锤击数基准值； ds——饱和土标准贯入点深度（m）； dw——地下水位（m）；
ρc——黏粒含量百分率，当小于 3 或为砂土时，应采用 3。
Q42、Q41、Q3e三个成因层地基土中，只须对第一海相层Q42（为饱和粉土）进行液化判别。
5 結语
天津地区Q42、Q41、Q3e三个成因层砂性地基土层压缩及抗剪强度特征均符合砂性土的特点，即压缩性低，压缩变形快，抗剪强度高。但因沉积时间、颗粒成分、夹杂物、胶结程度不同，其试验测试结果也有较大差异。应依据地区经验结合实际工程，针对具体情况具体分析。
第一海相层Q42砂性地基土在进行桩基础设计时宜进行砂土液化的判别。
第二陆相层Q41、第三陆相层Q3e砂性地基土层，当层位稳定，有足够厚度时都可用作桩基持力层使用。
参考文献
[1]《岩土工程技术规范 》（DB29-20-2000）. 北京：中国建筑工业出版社，2000
[2]《土工试验方法标准》（GB/T 50123-1999）.中国计划出版社，1999年；
[3] 楮桂棠.工程地质学.地质出版社,1988
[4] 钱家欢,殷宗泽.土工原理与计算.中国水利水电出版社,1996
[5]《建筑桩基技术规范》（JGJ 94－2008）. 中国建筑工业出版社，2008
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：地基土，压缩性，抗剪强度，砂土液化
Abstract: the causes of tianjin ground soil and space distribution is relatively complex, terrestrial and Marine deposits appear alternately, engineering geological characteristics present obvious difference. This paper use of the existing test material to tianjin city ground soil distribution are briefly introduced, and the engineering characteristics of the preliminary analysis, choose appropriate for pile foundation used ground soil compression characteristics and shear strength analysis, the test, for the engineering survey, design and construction of foundation provides technical reference.
Keywords: foundation soil, compressibility, shear strength, sandy soil liquefaction
中图分类号：TU47 文献标识码： A 文章编号：
1 前言
天津市及滨海新区近年来发展较快，城市建设日新月异。无论是民用还是商业建筑，新建矮层建筑已不多见，高层及超高层建筑越来越多地呈现在我们面前。天津市地处滨海平原，海相沉积软弱土层遍布市区。由于土地资源的不可再生性，建筑物类型多向大型、功能综合性的趋势发展，天然地基或浅层地基的简单处理大多已不能满足高层建筑的要求。
在天津地区，对于浅层地基土无法满足其承载力与变形要求的高层建筑物多采用桩基础。详实准确的试验资料是工程勘察、桩基础设计的重要依据。本文旨在利用现有的试验资料对天津市区地基土层的工程特性进行初步分析，总结规律，为勘察设计施工部门做好服务的同时，也能对提高实验测试的工作质量有所帮助，提高测试人员判别勘察取样问题、室内检测误差的能力。
2 天津市地基土层分布
天津地区境内陆是在漫长的历史时期，经过多次海陆变迁逐渐形成的。从晚更新世至今，市区经历了由陆地变海洋，由海洋再变陆地的沧海桑田的过程[1]。地基土层的成因及空间分布较为复杂。地表以下分布0～4米填土层，向下陆相沉积、海相沉积交替出现，从地表至埋深50m左右范围内主要可以划分为以下几个成因层。（见表1）
2.1 人工填土层
由人类活动堆积而成，分为素填土、杂填土和冲填土。一般具有均匀性差、疏密差异大、强度低、压缩性高等特点。
2.2 新近沉积（Q43N）
坑底淤泥：多为黑色、灰色软塑、流塑状淤泥、淤泥质土。
故河道、洼淀冲积：以黑灰～褐灰色粘性土为主，并堆积有粉土、淤泥及淤泥质土，呈软塑、流塑状。
2.3 第一陆相层（Q43）
河床～河漫滩相沉积：以黄褐、灰褐色粘土、粉质粘土为主，多呈可塑状。局部由淤泥质粘土及淤泥质粉质粘土组成，含氧化铁，呈软塑～可塑状。
湖沼相沉积：以灰绿、灰黄色粘性土为主，呈可塑状态，有腐植物夹层。中上部出现大孔隙土，但仍较密实。底界在低洼部位沉积有钢灰色软粘土或淤泥质粘土。
2.4 第一海相层（Q42）
以灰色粉质粘土为主，富含海相软体动物贝壳。上部由软塑状粉质粘土及粉土组成，工程性质较差；中部常见软～流塑状千层状粉质粘土及淤泥质土，工程性质差；下部软～可塑状粉质粘土及粉土组成，工程性质较好。
2.5第二陆相层（Q41）
沼泽相沉积：上部为黑色有机质土（或泥炭）层；下部为灰白色粉质粘土，软～可塑状态。
河床～河漫滩相沉积：以褐黄色粉质粘土为主，呈可塑状态，夹粘土、粉土或粉砂，含姜石。底部出现“混粒土”。
2.6第三陆相层（Q3e）
以黄褐色粉质粘土、粉土为主，呈可塑偏硬状态，夹砂土和粘土，含姜石及氧化铁锈斑。顶部见褐色粘土。
2.7第二海相层（Q3d）
以灰～灰黄色粘性土为主，呈可～软塑状态。顶部常见灰色粘土。局部可见粉土、粉砂。
2.8第四陆相层（Q3c）
以褐～褐黄色粘性土、粉土及粉细砂层组成。粘性土一般呈可～硬塑状态。
上述不同成因的地基土中，仅有全新统Q4第一陆相层中河床～河漫滩相沉积层、湖沼相沉积层，工程性质较好，能作为理想的天然地基浅基础持力层。人工填土层中粘性土质的素填土，须经适当处理后，可用作一般低矮建筑物的基础持力层。
在天津地区，对于浅层地基土无法满足其承载力与变形要求的高层建筑物多采用桩基础。根据文献记载，桩基础一般选择深层地基土的较硬土层作为桩基持力层。首选深层砂性土（粉土、粉砂），当深层粘性土当其状态及压缩性均满足工程需要时也可选用。因此本文主要对天津地区不同成因砂性土层的工程特性进行对比分析。
3 各砂性土层土工试验指标
天津市区地基土层中新近沉积层（Q43N）、第一陆相层（Q43）、第一海相层（Q42）、第二陆相层（Q41）、第三陆相层（Q3e）、第二海相层（Q3d）、第四陆相层（Q3c）均可见粉土层，层位较为稳定的有第一海相层（Q42）、第二陆相层（Q41）、第三陆相层（Q3e）、第四陆相层（Q3c）。天津地区各典型土层物理力学指标如表2所示。
表中所列试验数据依据《土工试验方法标准》GB50123-1999进行试验，固结试验采用标准固结试验，剪切试验采用直接快剪[2]。数据为典型数据，并非多个试验数据均值。
由表2中可以看出，各成因砂性土层压缩系数a1-2均为中～低压缩性土。少数粘质粉土由于粘粒含量较高的影响，呈现界于粉砂和软～可塑粉质粘土之间的固结特点，为中压缩性土，砂质粉土及粉砂均为低压缩性土。各成因层砂性土层均具有较高的抗剪强度。
表2典型土层物理力学指标表
土的粒度成分决定土的工程地質性质，说明土的物质组成和结构特征的主要指标。当细小的粘粒在土中的含量超过3%时，可使其他各粒组间具有一定程度的连接，表现出粘性土的特征。因此土的粒度成分与土的强度特征有密切的关系[3]。本文选取地铁四号线部分砂性土土工试验颗粒分析数据列于表3。
表3颗粒分析成果表
3.1 第一海相层（Q42）
主要为灰色粉土及少量粉砂组成，含贝壳。粒度成分以粉粒组为主，达全重的60%左右，粘粒含量占1.9%～14.9%。压缩系数a1-2多为0.1左右，最大为0.2～0.3，内摩擦角多为26～30度，最低为22～25度。因本层土沉积变化及空间分布较为复杂，经常夹有粘土斑或粘土薄层，局部地区的粉土层含大量云母及有机物，所以不同工程场地因地基土因粘粒含量或夹杂物成分不同，导致土体的压缩性及抗剪强度变化较大。
3.2 第二陆相层（Q41）
主要为黄色粉土、粉砂及粘粒含量较多的混粒土组成。粒度成分以砂粒组为主，达全重的40%～50%左右，而粘粒组也较高，可达全重的10%～20%，粉粒组含量相对较低。属低压缩性土，数值变化范围较小。抗剪强度也较高，变化范围小。
3.3 第三陆相层（Q3e）
主要以黄色粉砂、粉土为主。粒度成分以砂粒组或粉粒组为主占全重的50%～80%，粘粒含量较少。均为低压缩性土，高抗剪强度土。
4 工程特性评价
地基土的强度与地基土的堆积时代，成因，土性等因素密切相关。一般认为，砂性土颗粒粗大，呈散粒结构，颗粒间的孔隙大并相互连通，孔隙水几乎全是自由水，可以顺利流通。其压缩性特征是：(1)一般压缩变形量不大，而压缩变形速度快。(2)压缩变形大部分属于永久变形，弹性变形很小[3]。显而易见，Q42、Q41、Q3e三个成因层地基土的压缩性指标均属中～低压缩性土。第一海相层Q42中粘粒含量高或含有大量云母、有机物时，压缩系数较大接近于0.2～0.3；第二陆相层Q41虽然粘粒含量较高，但砂粒组含量达40%～50%左右，构成地基土体的骨架，且颗粒间有一定程度的胶结，使本层土呈现更多的近于粉砂的固结特点，为低压缩性土；第三陆相层Q3e粘粒含量低，为低压缩性土。
通常，土的粘聚力主要来源于土粒间的相互吸引、水膜联接及颗粒间的胶结等，其中土颗粒间的水膜联接和胶结作用对粘聚力产生具有重要作用[4]。砂性土的抗剪强度特点是：砂性土基本没有连接，抗剪强度主要由内摩擦力组成，它包括土粒间相互滑动的阻力、抵抗土粒间滚动的阻力、土粒相互嵌接的连锁阻力等。随着土粒粒度、粗糙性、密度和法向应力的增大，土粒间的接触面扩大，接触点增多，抵抗剪切的摩擦阻力也就增大。所以砂性土的抗剪强度主要取决于土的粒度成分和密度[3]。Q42、Q41、Q3e三个成因层地基土粒度成分区别较大，所以其抗剪强度也不尽相同。第一海相层Q42地基土因粘粒含量不同，内摩擦角变化范围较大；第二陆相层Q41呈现的特点是粘聚力，内摩擦角均较高；第三陆相层Q3e粘聚力低，内摩擦角高。
依据《建筑桩基技术规范》（JGJ 94－2008）4.3.1 条规定，饱和砂土和饱和粉土（不含黄土）的液化判别和地基处理，6 度时，一般情况下可不进行判别和处理，但对液化沉陷敏感的乙类建筑可按 7 度的要求进行判别和处理。4.3.4条规定，当饱和砂土、粉土的初步判别认为需进一步进行液化判别时，应采用标准贯入试验判别法判别地面下 20m 深度范围内的液化。在地面下 20m 深度范围内，液化判别标准贯入锤击数临界值可按下式计算[5]：
式中Ncr——液化判别标准贯入锤击数临界值； N0——液化判别标准贯入锤击数基准值； ds——饱和土标准贯入点深度（m）； dw——地下水位（m）；
ρc——黏粒含量百分率，当小于 3 或为砂土时，应采用 3。
Q42、Q41、Q3e三个成因层地基土中，只须对第一海相层Q42（为饱和粉土）进行液化判别。
5 結语
天津地区Q42、Q41、Q3e三个成因层砂性地基土层压缩及抗剪强度特征均符合砂性土的特点，即压缩性低，压缩变形快，抗剪强度高。但因沉积时间、颗粒成分、夹杂物、胶结程度不同，其试验测试结果也有较大差异。应依据地区经验结合实际工程，针对具体情况具体分析。
第一海相层Q42砂性地基土在进行桩基础设计时宜进行砂土液化的判别。
第二陆相层Q41、第三陆相层Q3e砂性地基土层，当层位稳定，有足够厚度时都可用作桩基持力层使用。
参考文献
[1]《岩土工程技术规范 》（DB29-20-2000）. 北京：中国建筑工业出版社，2000
[2]《土工试验方法标准》（GB/T 50123-1999）.中国计划出版社，1999年；
[3] 楮桂棠.工程地质学.地质出版社,1988
[4] 钱家欢,殷宗泽.土工原理与计算.中国水利水电出版社,1996
[5]《建筑桩基技术规范》（JGJ 94－2008）. 中国建筑工业出版社，2008
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。