上海市工程地质结构特征.pdf

2006年第4期杨建刚:工程物探方法在上海城市建设与管理中的应用上海市工程地质结构特征严学新史玉金(上海 市地质调查研究院2 00 0 7 2)摘要关健词根据前人的研究,结合三维城市地质调查取得的阶段成果,对上海市域 工程地质研究程度、工程地质层的划分及其工程地质结构特征、工程地质分区及分区评价进行了论述。工程地质分区上海前言上海市地处长江三角洲东缘,系江、河、湖、海动力作用条件下形成的广裹堆积平原。区内河渠交织成网,湖塘星 罗棋布。全区地势平坦,略成东高西低的倾斜状平原。地面高程(吴淞基准面)一般为2.Zm一4.sm,其中高程在4.om以下的地区约占全区总 面积的5 0%左右。上海市的工程地质工作起于上世纪5 0年代,后来随着城市建设 的发展,为城市规划、市政建设、高层建筑和地面沉降等方面又进行了大量的工程地质勘察和研究工作,特别是通过200 4年启动的三维城市地质调查,取得了丰富的资料。根据前人的研究,结合三维城市地质调查的取得的阶段成果,对上海市工程地质结构特征作进一步研究,本文即是初步成果。1工程地质研究程度自二十世纪5 0年代以来,上海市进行区域、专项、工业与民用建筑地质勘察等大量的工程地质工作。区域工程地质调查:结合城市规划、供水需要系统地进行了工程地质调查工作,198 2年,上海市水文地质工程地质队 开展了上海市1:1 0万工程地质普查,查明了 7 5m以浅土体的岩性、成因类型、地质年代、工程地质特性及动力地质作用(现象)的区域性分布规律。对主要工程地质问题作了较为全面的论述。专项工程地质调查:结合卫星城镇、工业基地建设,开展了如嘉定县城、星火一潜径地区的专门工程地质与水文地质调查工作。199 1年为配合编制城市总体规划,进行了城区1:2万工程地质详查工作,完成了城区约60 0k澎工程地质勘察,为建筑设计和规划部门提供地质依据。基本掌握了上海市工程地质特征,对工程适宜性进行了评价。所取得的成果,已成 为上海市地基基础设计、城市供水的重要基础资料。线性工程工程地质勘察:近年来,随着城市建设的快速发展,兴建了大批地 铁、隧道、高速公路等线性工程,由此积累了大量的工程地质勘察资料。工业与民用建筑地质勘察:资料散存于各勘察单位,但多数工程集中于市中心城区。三维城市地质调查:200 4年启动,旨在建立系统的平面上 以中心城区、外环线以外陆域、河口滨海地区的工程建设层的地质结构模型,为地下空 间开发、建筑桩基适宜性评价、工程地质概念模型、城市规划、建设与管理工作需要的开放、动态的三维可视化城市地质信息咨询与服务平台的依据。通过上述大量各种不同精度、不同用途的工程地质工作,基本查明了上海市域的工程地质条件,为地下空间开发、建筑桩基适宜性评价、城市规划、建设与管理提供了基础依据。2工程地质层的划分及其工程地质特征收稿日期:20 06一11一2 7第一作者简介:严学新,男,1961年1 2月生,教授级高级工程师,本科,从事工程地 质、环境地质工作。总第100期20上海地质Sha nghaiGe olo盯上海境内除西南部裸露有零星火山岩残丘外,2.1工程地质层的划分基岩面被厚约25 0m35 0m的第四系所覆盖。境内结合上海地区的特点及工程地质研究需要,在裸露的岩体分布于西南部的青浦、金山、松江县的佘第四纪地层划分的基础上,对工程影响深度(1 00m)山、天 马 山、秦皇山等孤山残丘及杭州湾水域孤岛。第四纪地层以其生成时代、成因类型及其主要的工其岩性为坚 硬块状的中一酸性火成岩。由于基岩出程地质特征为依据,岩性、结构及其物理力学性质指露面积甚少,程地质条件的研究主要是针对第四标的差异,划分出若干工程地质(亚)层。见表1。系松散土体表1上海区工程地质层划分简表Tab.1Thema sso fdivisio no ftheeng ineer inggeologielayer s岩 性特征层号主要分布范 围褐黄色粘性土灰黄色粘性土、淤泥质粘性土灰色粉土、粉砂灰色淤泥质粉质粘土灰色淤泥质粘土灰色粘性土灰色砂质粉土、粉砂灰色粘性土灰绿 色粘性土暗绿一褐黄色粘性土草黄色一灰色粉土、砂土灰色粘性土暗绿一褐黄色粘性土草黄色粉性土灰色粉质粘土夹粉砂灰色粉质粘土与粉砂互层兰灰一褐黄色粉质粘土灰色砂质粉土夹粉质粘土褐黄色粉质粘土夹粉砂灰色粉质粘土灰色细砂、灰绿 细砂、含砾 中细砂、含砾中粗砂兰灰、褐黄、杂色粉质粘土夹细砂黄灰色粉细砂、中细砂、砂砾石1、2全区分布河口砂岛、东部海岸带、冲积平原普遍分布、河口砂岛局部地区缺失广泛分布-普遍分布分布在古河道区分布在古河道区分布在古河道区广泛分布,但在古河道区缺失广泛分布,但在河口砂岛及古河道深切区缺失普遍分布,但在浦东新区中部及南部缺失湖沼平原区西部湖沼平原区西部么一一一氛一氢一氢一氛一一一督歇一吼2_2普遍分布,但在 浦东新区中部及南部缺失湖沼平原区湖沼平原区湖沼平原区湖沼平原区叠一一叠一吼普遍分布分布较普遍普遍分布一 一回2.2各工程地质层 的工程地质特征上海地仔埋深7 5m以内各工程地质层埋藏分布规律与特初分述如下:第,、讼2粘性土层表土层全区广泛分布,在黄浦江和吴淞江两岸局部地段缺失。为卜海地区的表土层,顶面标高约在2.g m左右,一般厚度为lm一3m。该层岩性在平面展布上存在着差异,河口砂岛地区为粉质粘土夹砂质粉土,具水平层理;滨海平原东部海岸地带地区则以粉质粘土为主;中心城区则以粘土为主;湖沼平原以粉质粘土为主。垂向上以潜水面为界,上、下 工程地质性质差异明显,自上而下含水量增大、土性变软。上层为褐黄色粘性土(,)层,稍湿一湿,可 塑,中压缩性,见有植物根茎及铁锰质斑点或小结核。该层可作为浅基础的持力层,但基础宜浅埋。下层为灰黄色淤泥质粘性土(:)层,很湿,软塑一流塑,中偏高一高压缩性。第3砂土、粉土层第一砂层2006年第4期严学新等:上海市工程地质结构特征主要分布在河口砂岛地区的崇 明三岛以及滨海平原东部海岸带的浦东新区东部和冲积平原(黄浦江、苏州河古河道)地段,分布基本呈条带状。滨海平原东部海岸带厚度5.om一10.om,岩性为灰色砂质粉土。其它陆域地段厚度一般小于sm,岩性为灰色粉砂、砂质粉土夹薄层粉质粘土。冲积平原沿吴淞江、黄浦江两岸厚度大,一般为6m左右,其中吴淞江与黄浦江汇合处厚度最大,岩性以砂质粉土为主。河口砂岛区厚度最大,且层顶埋深浅,约在Zm一3m之间,厚度介于1 4m一2 8m之 间,岩性以灰色砂质粉土为主,粉砂及粘质粉土次之,稍密,气孔发育,矿物成份以石英为主,长石次之,暗色矿物少量,并夹有较多的云母、贝壳碎屑。由于沉积环境上的差异,其埋藏条件、岩性的颗粒组份和工程地质性质在纵向及平面分布上亦相应不同。由于埋藏较浅,结构较松散,开挖时在水压力作用下易产生流砂,当地震设防烈度为7度时,有可能产生震动液化现象。第淤泥质粉质粘土层软土层河口砂岛区的崇明三岛被后期3层切割而缺失,陆域冲积平原区亦被:层切割而不连续分布。层顶标高为3.3 8m一7.3 8m,厚度为0.6m一Z I.om,由于沉积环境不同,湖沼平原区青浦、重固、安亭等地该层土的工程地质性质要好于滨海平原区,湖沼平原区该层土一般为粘性土,属中偏高压缩性土层,厚度较大。而滨海平原区一般为软土层,属高压缩性土层,强度低,是天然地基的主要软弱下卧层。在东部滨海平原区和宝山西部地区,第层 中常夹有砂质粉土透镜体(:层),该砂质粉土层层顶标高1.14m-一8.o sm,厚度0.sm一7.48m,饱和,稍密,中压缩性,基坑开挖过程 中易产生流砂现象。第层淤泥质粘土软土层西部湖沼平原局部因沉积间断而缺失,崇明岛西北部地区被后期3层切割亦缺失。层顶标高2.6 lm一1 9.2 0m,由西部向东部标高逐渐降低,厚度0.6m一1 7.6m。饱和,流塑,横断面见有鱼鳞状构造,鳞片排列紧密,直径大小以lm一Zm m多见,粘土矿物成份主要为水云母、蒙脱石,层内夹少量微薄层粉土、粉砂,含贝壳碎屑,在滨海平原区,该层 底部常见有Zcm一1 0cm厚度的贝壳砂层。该层土在上海地区土性变化不大,均具有压缩性高、强度低、渗透性低以及流变性和触变性等不 良工程地质特性,是上海地区典型的软土层,也是天然地基的主要软弱 下卧层。第层一般粘性土层湖沼平原区西部因沉积间断而缺失,其余区域普遍分布。顶板自西向东渐深,厚度因古河道分布变化大,最大厚度可达4 0余m,据其岩性差异可划分为四个工程地质亚层。灰色粘性土层(;):普遍分布。岩性上部一般为灰色粘土,下部为粉质粘土,根据岩性差异可分为,_,灰色粘土层和,_2灰色粉质粘土层。湿-很湿,软塑,层内偶见似波状层理,局部夹较多薄层状粉砂,层内含有呈垂直分布的植物根茎和灰黄色泥质结核,属中偏高一高压缩性土层。灰色粉砂夹砂质粉土层(:):在第一硬土层()缺失区局部分布,河口砂岛区分布较为普遍。层顶标高西部较高,通常在一1 2.0 8m一2 0.犯m之间,东部和河口砂岛区标高较低,通常在一2().o om-一4 5.o om之间;河口砂岛区厚度较大,岩性为灰色砂质粉土夹粉砂,饱和,中密,具水平微层理,层内气孔发育,属中偏低压缩性。该层厚度大时,可作为建筑物的桩基持力层。也是区内的微承压含水层,地下工程活动时极易产生流砂现象。灰色粉质粘土(。):分布于第一硬土层()缺失区。该层埋深、厚度变化均较大。层内富含有机质,局部地段呈灰黑色,夹有黑色泥炭薄层,层厚一般在0.sm左右,但炭化程度较差。湿一很湿,软一可塑,中压缩性土层。局部地段本层中夹粉砂层,夹层处见有斜层理或波状水平层理,该层由于封 闭环境中沉积,故一般含天然气。灰绿色粘性土(吼):分布于古河床边缘的第一硬土层()缺失区,在东部滨海平原区沿古河道呈狭长条带状分布,顶板埋深通常在3 5.o n卜4 6.om,厚度在1.0m3.0m之间,含有机质,偶夹粉砂薄层。湿,可塑,中压缩性土层。第层暗绿色粘性土层第一硬土层在西部湖沼平原地区广泛、连续分布,东部滨海平原和冲积平原区由于被后期古河道切割成支离破碎,平面上呈块状分布,受长江河道影响,河口沙岛地区则荡然无存。埋深 由西部向东部加深,西部埋深一般在3m一sm之间,宝山 区则在1 2m一1 6m之间,东部滨海平原和中心城区在 2 0m一2 5m之间,并在安亭、嘉定等区呈阶梯状分布。厚度变化在2.Om上海地质ShanghaiGe olo舒总第100期2 2一1 2.6m之间,一般以3.Om一5.0m多见,本层自下而上大致有川下几个变化规律:岩性从粘质粉土、粉质粘土、粘土;土层颜色从土黄色、褐黄色。草黄色、黄绿色。草绿色、暗绿色;颗粒组份粘粒成分逐渐增加沙粒成份逐渐减少;矿物成份铁、锰氧化物从高价变为低价。这些变化反映了其沉积环境从氧化*氧t 还原。还原环境逐渐过渡。本层下部略具水平层理,上部未见明显层理构造,含有铁锰质侵染斑点、结恢及少量植物残体。本区的东南部一般以粘土为仁,其它分布区则以粘土及粉质粘土为主,稍湿一湿.可塑一硬可塑状态,属中等压缩性土。该层土厚度较薄,作为桩基持力层时应进行适宜性评价。该层亦为全新世底界的标志层。第层一一第二砂层在滨海平原的东南部地区与下伏层连通,河口砂岛区和卜:江南岸一带缺失。埋深 由西向东部加深,安亭、嘉定地区层顶标高在一6.o om一1 2.om之间,宝山区层顶标高在一巧.o om一1 8.o om之间,厚度变化大,本层从上至下颗粒逐渐变粗,根据岩性差异又叮划分为上、下两个工程地质亚层:草黄色灰色砂质粉土层(1):饱和、中密,略具水平层理夹有少量贝壳碎片,属中偏低压缩性。灰黄 色吩细砂层(:):分选性好,饱和、中密一密实,属低压缩性土层。具水平层理。矿物成份以石英为仁,长石次之,暗色矿物少量,局部云母片富集。第层砂层埋藏深度适中,具高强度、低压缩性特点,是上海地区大中型建构筑物良好的桩基持力层。但由于 i找层承压水头较高,在深基坑、沉井、深埋隧道等地工程施工时,应注意在承压水头作用下的坑底突涌问题。第层粘性土层浦东新火中部及南部该层被晚更新世中期古河道切割而缺大,其余地区普遍分布。该层埋深变化大,由西 向东逐渐加深,安亭、嘉定区顶面埋深约15m一ZOm,)介i宝J J J区北部埋深也在25m左右,中心城区和浦东新区西部多在3 5m一4 5m之 间,河口砂岛区和浦东新区东部埋深较深,一般在4 5m一6 0m之间。该层叮度亦是由西向东变厚。按岩性差异可分上、下两工程地质亚层:灰色粘性.土层(,):该层按 岩性差异又可分为,_1粘土层和,_2粉质粘土层。粘土为湿一很湿,软塑,属中偏高压缩性土层。粉质粘土湿、软-可 塑,夹薄层粉砂,属中压缩性土层。由于该层是桩基持力层的主要软弱 下卧层,因此,该层也是桩基沉降的主要压缩层。灰色粘性土、粘砂互层(:)在滨海平原区和冲积平原区该层主要为粉质粘土夹砂和粉质粘土与粉砂互层,层面间有鱼鳞状构造,具明显 的水平或单斜层理。本层湿、可 塑、中等压缩性。层状构造,层内见有螺贝壳、植物根茎。该层可作为大型建筑物的桩基持力层。在河口砂岛区,该层基本为砂质粉土层和粉砂夹粉质粘土层,饱和,中密一密实,属中偏低压缩性土层。可作为大型建筑的桩基持力层。在湖沼平原区,:层岩性上 变化较 大。根据岩性差异,湖沼平原区该层可分为三个亚层。吼_,暗绿一褐黄色硬土层:该层即以前所提的西部第二硬土层,属泛滥湖泊相沉积。在西部地区该层分布较广,在“冈身”地区有零星揭露,至东部地区该层基本缺失。西部地区埋深大约在 2 0m-3 0m,厚6m一1 0m。稍湿一湿,硬一可塑,偶见鱼骨碎片,属中偏低压缩性土层。2_2褐黄色砂质 粉土、粉砂 层:该层与上覆2_1暗绿一褐黄色硬土层构成了三角洲河流一泛滥平原的二 元结构。含云母、腐植物,夹薄层粘性土。2_3灰色粉质粘土夹粉砂层:分布较广,湿,可塑,含云母,夹薄层粉砂,局部呈“千层饼”状,属中压缩性土层。第层第三砂层属Qp:滨海一河流相沉积,区内广泛分布。岩性从上至下有细一粗的变化规律,即上部为细砂,夹粘性土和少量细砾,下部为含砾粗中砂或 中粗砂。矿物成份以石英为主,次为暗色矿物。分选性较好,底部为中粗砂、砾石层,砾石直径一般Z m一smm,磨圆度好,呈亚 圆状。饱和,密实,低压缩性。局部夹有薄层粘性土透镜体,见有水平层理,夹少量贝壳碎片。该层为超大型建筑的良好桩基持力层。上海地区土体在7 5m以下,还分布有第三硬土层()、第四砂层(卿)(第三承压含水层)、第四硬土层(归)、第五砂层(第四承压含水层)、第五硬土 层、第六砂层(第五承压含水层)等工程地质层,由于分布较普遍,层位较稳定,相对来说与工程建设关系不密切,2006年第4期严学新等:上海市工程地质结构特征故在此不作细述。3工程地质条件分区评价3.1分区原则a、根据地基土结构类型,按照工程建设规划要求,以经济合理性和技术可行性作为分区指导思想。b、以采用天然地基和桩基础的建筑及相应的城市建设规划布局作为分区的主要服务对象。c、从大、中型或特大型建(构)筑物建筑适宜性出发,以 区内工程地质条件的优劣程度作为工程地质区(亚区、段)的划分标准。由于地貌类型能较好体现区内地基土层的构成与变化特征,从而反映工程地质条件的总体差异,因此,一级分区以地貌类型为依据,分为四个工程地质区,即:湖沼平原区(I),滨海平原区(1 1),河口砂岛区(1 1 1)和冲积平原区(W)。二级分区则强调 了工程地质条件对建(构)筑物建筑适宜性的影响。由于上海是典型 的软土地区,目前上海地区建构筑物采用桩基础的较多,而暗绿一褐黄色硬土层()的分布缺失情况总体上反映了桩基工程地质条件的优劣,因此二级分区以暗绿一褐黄色硬土层()分布状况为依据,工程地质分区及评价详见表2。3.2工程地质区(亚区)划分及其简要评价表2工程地质分区简表Tab.2T hema ssofdivisionoft hee ngine eringge ologiedistr iets工程地质区代号工程地质亚区土层组合代号分区评价(桩基条件)湖沼平原区好较好较好差最差差一般最差较好较好nW W 1 1 1 W 1 1 1 nW滨海平原区n河口砂岛区1 1 1冲积平原区W有两层暗绿一褐黄色粘性土层有一层暗绿一褐黄色粘性土层有暗绿一褐黄色粘性土层古河道切割区有层软土层存在区无层软土层存在区东部有一层暗绿-褐黄色粘性土层古河道切割区西部有一层暗绿-褐黄色粘性土层有二层暗绿一褐黄色粘性土层,2,2_l,;,:,:,;,2,3,:,3,2,3,叠,。,2,。,3,:,3,2,3,2_,a.湖沼平原区工程地质条件好区(11):该区主要分布于西部安亭、大盈、重固等地区。表土层一般均存在,其下部灰黑色泥炭土层不发育,浅部层灰色粘性土层软塑一可塑,强度相对滨海平原区高,且缺失层淤泥质粘土层,因工程建设引起的固结沉降量小,因此,天然地基条件良好。该区有连续沉积的暗绿一褐黄色硬粘性土层及2_:暗绿一褐黄色硬粘性土层,其含水量较小,压缩性较低,下伏2_2褐黄色砂质粉土和2_3灰色粉质粘土夹粉砂层均存在,其工程性质亦较好,且埋深较浅,桩基条件好,基础投资少。工程地质条件较好区(12):主要分布于西部黄渡、凤溪等局部地区。表土层一般均存在,其下部灰黑色泥炭土层存在;浅部层发育,强度相对I,区低,但高于东部滨海平原区;局部地段该层夹有砂质粉土透镜体,易产生液化现象;层淤泥质粘性土仅局部发育;因此,天然地基条件总体较好。该区有连续沉 积的暗绿一褐黄色硬粘性土层,但缺失:_,暗绿一褐黄色硬粘性土层,下伏2_2褐黄色砂质粉土仅有零星分布,2_3灰色粉质粘土夹粉砂层均存在,且埋深较浅,桩基条件较好。b.滨海平原区工程地质条件较好区(1 1,):该区分布于滨海平原正常沉积区。表土层一般均存在,浅部、层软土层均连续分布,但厚度相对较小,天然地基条件相对较好。浅部砂层。层不发育,但局部地段软土层中夹有砂质粉土透镜体,开挖 时易产生流砂现象。该区有连续沉积的暗绿一褐黄色硬粘性土层,大部分地区层砂层分布较为连续,厚度亦较上海地质Shang haiGeo lo舒总第1 00期大,桩基条件较好。但宝山区附近层埋藏浅,厚度较小,不宜作为大中型建筑物的桩基持力层。工程地质条件差区(n:):该区为滨海平原古河道切割卜.。表土层一般均存在,浅部砂层3层不发育,层软土层连续分布,厚度大,层粘性土层较其已区厚度大,且土性变化大。由此导致在地基土层变化上与其它区有显著差异,因此,该区及与其它区交 界处易产生地基土的不均匀变形现象,从而导致地 面不均匀沉降,夭然地基条件较差。部分地段有口:层砂质粉土分布,属上海市微承压含水层,但一帐不连续,厚度变化大,工程施工时易产生流砂现象。该区因受古河道切割,均缺失层暗绿一褐黄色硬粘性土层,由于受切割深度变化影响,层砂层亦不连续分布,埋深及厚度变化均较大,桩基条件差。但在浦东新区东南部层砂层与层砂层相连通,炸桩基条件较该区其它地段好。C、河一)砂岛区工程地质条件最差区(1 1 1,):分布于上海市崇明东部、长兴、横沙三岛区。表土层一般均存在,3层粉土层广泛分布,埋藏浅,厚度大,横向和垂向上岩性变化大对浅基础设计不利,对于采用天然地基的建筑工科.应注意地基沉降特别是不均匀沉降的危害;该层的存在也使本区地下工程施工时砂土渗流液化问题昆得尤为突出,工程设计、施工时需引起重视。由于本区地震设防烈度为6度,一般可不考虑震动液化影响,但当建(构)筑物按7度设 防时,应注意。明的震动液化问题。从地层结构来看,因受后期冲刷侵蚀,区内均缺失层软土层,但层软土层均有分布,为该区的主要压缩层;层粘性土层分布连续,厚度大,2层砂质粉土分布连续,埋深、厚度变化不大,可作为建筑物的桩基持力层,但应注意下卧层1层粘性土层的压缩变形。该区均缺失暗绿一褐黄色硬粘性土层。2层分 布连续,可作为该区的大型建筑的桩基持力层。工程地质条件差区(1 1 1:):分布于上海市 崇明西北部。工程地质条件 与l,区基本相似,但该区均缺失层软土层,因此天然地基条件相1 1 1、区要好。d、冲积平原区W,分布于冲积平原正常沉积层区,工程地质条件类似于1 1:区,但该区浅部砂层(3)层均发育,厚度大,且变化大,呈条带状分布,工程开挖施工时,该层易产生流砂现象;层软土层由于受河流冲刷侵蚀而分布不连续;天然地基条件一般。该区连续沉积 暗绿一褐黄色硬粘性土层。层砂层也均有分布,埋藏较深,其下卧层,层粘性土层均有分布,桩基条件一般。W:分布于冲积平原古河道切割区。浅部砂层,层均发育,厚度大,且变化大,呈条带状分布,工程开挖施工时,该层易产生流砂现象。层软土层由于受其侵蚀而分 布不 连续,其余条件 同1 12区。W。、W;区主要分布在西部,浅部砂层较薄,其地基土性质与湖沼平原区相近,工程地质条件相对W,、l V:要好。St ruet ureeharade rist ieofengineering ge ology inShanghaiYA N(Shangha iInstituteo fXuexinSHI Yu jingGe olog iealSur vey,S hanghai 200()72)A bstr aet:户1:ordingtother ese a rehofthepredee es so ra ndstageaehie v ementwhiehobtain edtof or mthr eedimen-s一。1。algeologie alinve stigationofSha ng hai,it15dis eu ss edinthispaPe rabout ther es ear chdegr eeofen-g:,eer inggeolo舒,thedivisio nofthe5 011Iayer s,t hestr uetu r eehar aeter istieofe ngin e eringgeolo舒,the亡i、isionandtheevalu atio nofthee ngine e ringge ologiedistrietsinShanghai.KeyWords:.:ng in e er inggeolo盯,divisionoftheeng ineeringgeologiedistr iets,Shanghai