某核電廠回填環(huán)境對(duì)軟土工程特性的影響研究

胡石磊

中核勘察設(shè)計(jì)研究有限公司 河南 鄭州 450000

目前，我國(guó)在建、已建的核電工程大都位于沿海地區(qū)，工程建設(shè)不可避免的會(huì)遇到沿海地區(qū)廣泛分布的軟土。例如在連云港某核電站附近分布厚層的淤泥和淤泥質(zhì)土，最大厚度可達(dá)30m。

二十多年來(lái)，我單位在該核電站周邊進(jìn)行了數(shù)十個(gè)勘察項(xiàng)目工作，取得了該地區(qū)核電站建設(shè)前后不同環(huán)境下軟土的大量數(shù)據(jù)。本文將對(duì)回填前后數(shù)十年間軟土工程特性的變化進(jìn)行分析與總結(jié)。

1 軟土的結(jié)構(gòu)特征

1.1 軟土的定義

軟土是指天然孔隙比大于或等于1.0，天然含水量大于液限[1]，具有高含水量、高孔隙比、高壓縮性、低強(qiáng)度、高靈敏度、低透水性和高流變性，在較大震力作用下可能出現(xiàn)震陷的細(xì)粒土。淤泥為在靜水或緩慢的流水環(huán)境中沉積，并經(jīng)生物化學(xué)作用形成，其天然含水量大于液限、天然孔隙比大于或等于1.5的黏性土；天然含水量大于液限而天然孔隙比小于1.5而大于或等于1.0的黏性土或粉土為淤泥質(zhì)土。

1.2 連云港區(qū)域軟土的地質(zhì)成因

連云港地區(qū)整個(gè)地勢(shì)自西北向東南方向傾斜，平均海拔在2～4m左右。在地質(zhì)歷史中廣泛沉積了一套灰～灰綠色流塑狀的軟土，該層土地質(zhì)年代近，沉積歷史短，層厚較大、層理明顯，水平方向地層分布較均勻。主要呈灰～灰綠色，有腥臭味，中間夾極薄的粉土、粉細(xì)砂層，一般呈流塑狀態(tài)。由于地下水位淺，其長(zhǎng)期處于飽水狀態(tài)，海相沉積環(huán)境對(duì)其工程力學(xué)性質(zhì)有著顯著的影響。

1.3 連云港區(qū)域軟土的微觀結(jié)構(gòu)

根據(jù)我單位及搜集資料結(jié)果，該地區(qū)軟土黏粒含量在66%～87.9%[2]，膠粒含量在42%～61%。軟土中的黏土礦物以伊利石（43.24%）和綠泥石（34.23%）為主，其次為蒙脫石，其中蒙脫石對(duì)土的工程特性影響最大。一般黏土礦物形狀以片狀為主，造成了軟土體顆粒比表面積大，顆粒帶電明顯，結(jié)合水膜很厚，造成顆粒之間直接接觸少，顆粒間易發(fā)生錯(cuò)動(dòng)、滑動(dòng)。表現(xiàn)出高液限、高孔隙比、低密度、弱透水性等特點(diǎn)。

根據(jù)相關(guān)資料[2]，該區(qū)域軟土的微結(jié)構(gòu)為不穩(wěn)定的片架狀，黏土礦物呈扁平狀顆粒聚集體或單元體，以面接觸面的形式為主，其次為邊-面的接觸（最不穩(wěn)定的一種接觸關(guān)系）。該區(qū)域軟土的超大孔（孔徑≥40μm）約占總孔隙的14.73%；大孔（20～40μm）約占總孔隙的11.59%；中孔（5～20μm）約占總孔隙的32.39%；小孔（2～5μm）約占總孔隙的9.33%；極微孔（＜1μm）約占總孔隙的8.46%。各類(lèi)型大小孔隙占比隨深度分布趨于均勻，這與軟土強(qiáng)度隨深度增大漸增的規(guī)律一致。而上部軟土層大孔隙占比大，顆粒間接觸不穩(wěn)定的關(guān)系更加明顯，是其強(qiáng)度低的一個(gè)重要原因。

2 工程實(shí)例

2019年1月連云港某核電機(jī)組勘察項(xiàng)目，場(chǎng)地原始地貌南部為海積平原，于2009年開(kāi)始廠坪回填，回填材料主要為開(kāi)山塊石，混巖屑、粘性土等，目前已整平至廠坪標(biāo)高。本文將就回填前后軟土層，主要是淤泥的工程地質(zhì)性質(zhì)的變化進(jìn)行綜合分析、概括。

2.1 回填環(huán)境概述

該核電廠通過(guò)周邊護(hù)岸對(duì)海水進(jìn)行了阻隔。原低山丘陵區(qū)進(jìn)行開(kāi)山，用于核電機(jī)組放置，而原海積平原區(qū)則多利用開(kāi)山石料回填、整平至廠坪標(biāo)高，多布置非重要的小型建筑。

擬建場(chǎng)地原為海積平原，標(biāo)高多在1.5～3.2m左右，自2009年起回填至標(biāo)高8m左右，回填層厚度在6～8m左右，回填塊石粒徑不一，分選性差。至2019年，呈松散～稍密狀態(tài)，具有明顯的大孔隙性特征，密實(shí)度不均。回填前下伏黏土、軟土未經(jīng)過(guò)預(yù)壓、排水處理，回填層也未經(jīng)過(guò)夯實(shí)、碾壓等處理。

2.2 工程地質(zhì)概況

2.2.1 回填前工程地質(zhì)概況

場(chǎng)地原地貌為海積平原，地層主要為第四系海相沉積的③黏土、⑤淤泥、⑤-1粉土、⑤-2淤泥質(zhì)黏土、⑤-3淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和沖-海積層⑥、⑦層等。

2.2.2 回填后工程地質(zhì)概況

2019年進(jìn)行勘察時(shí)，場(chǎng)地已為人工回填地貌，場(chǎng)地南部回填層以下原軟土層多相變?yōu)轲ば酝痢M建物地段的現(xiàn)狀工程地質(zhì)剖面見(jiàn)圖1。

圖1 2019年某擬建場(chǎng)地地層剖面

2.3 回填環(huán)境下軟土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)對(duì)比、分析

根據(jù)我單位1998、1999年得到的土工試驗(yàn)結(jié)果，核電廠建設(shè)前，場(chǎng)地范圍內(nèi)的淤泥平均含水率達(dá)到65.7%，淤泥質(zhì)黏土平均含水率達(dá)46.6%，天然孔隙比淤泥最大達(dá)2.140，淤泥質(zhì)黏土可達(dá)1.488，多呈流塑狀態(tài)，壓縮系數(shù)均大于1，壓縮性高。

通過(guò)搜集周邊場(chǎng)地2009年以來(lái)的勘察土工試驗(yàn)結(jié)果，淤泥的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)變化見(jiàn)圖2。

圖2 2002～2019年淤泥的主要物理力學(xué)指標(biāo)趨勢(shì)圖

從以上圖中可以看出，2009～2019年淤泥平均含水率、孔隙比、壓縮系數(shù)呈逐漸下降的趨勢(shì)。其中，回填后5～6年的時(shí)間內(nèi)，含水率、孔隙比平均降低約7.1～11.8%，壓縮系數(shù)平均降低約10.5～11.7%；淤泥漸變?yōu)橛倌噘|(zhì)黏土、黏土。在堆載十年后，孔隙比、含水率、壓縮系數(shù)有一個(gè)明顯下降的趨勢(shì)，表明前期孔隙水排出速度慢，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的壓縮后，從以孔隙水消散為主進(jìn)入以孔隙壓縮為主，淤泥的各主要指標(biāo)均較大幅度下降。但由于孔隙所占體積有限，即便在長(zhǎng)期堆載的情況下，土體也不會(huì)無(wú)限壓縮，主要指標(biāo)最終將趨于穩(wěn)定。

2.4 回填環(huán)境下軟土的強(qiáng)度指標(biāo)對(duì)比分析

2002年我單位王煜霞、許波濤[1]等人根據(jù)多項(xiàng)室內(nèi)及原位試驗(yàn)的結(jié)果，綜合統(tǒng)計(jì)了抗剪強(qiáng)度指標(biāo)見(jiàn)表1，并總結(jié)出其強(qiáng)度與深度的關(guān)系式可以表示為下式：

表1 2002年前的淤泥的力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

通過(guò)搜集2009年至2019年數(shù)據(jù)，該場(chǎng)地淤泥的力學(xué)指標(biāo)變化見(jiàn)表2。

表2 2009～2019年第⑤層淤泥的力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)表3的結(jié)果，在擬建場(chǎng)地廠坪后，淤泥的抗剪強(qiáng)度等強(qiáng)度指標(biāo)均有不同程度的提高。其中黏聚力值增長(zhǎng)明顯，2009～2013年增長(zhǎng)了54.4%～70.7%，而2013～2019年只增長(zhǎng)了8.2%～22.4%。需要提到的是，淤泥的十字板強(qiáng)度值與深度之間的關(guān)系差異較大。受回填條件影響，不同地段淤泥強(qiáng)度提高的過(guò)程差異大，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況結(jié)合其它手段綜合分析，選取適宜的數(shù)據(jù)。

2.5 回填環(huán)境下軟土的固結(jié)變形特征

該核電站地區(qū)的淤泥是連云港地區(qū)典型的軟土。由于潮汐和洋流的水動(dòng)力影響，沉積物顆粒往往被打磨、篩選，礦物成分又以親水性礦物蒙脫石為主，沉積速度相對(duì)緩慢，黏粒易以絮凝狀膠結(jié)狀態(tài)結(jié)合，具有較大的孔隙，因而壓縮性大，滲透系數(shù)較小。成分較為均一，滲透性在各向上差異較小，各向滲透系數(shù)一般在1.1×10-8～4.2×10-7cm/s[3]，各向固結(jié)系數(shù)在50-400kPa壓力下一般為0.4×10-3～1.3×10-3cm2/s。

飽和軟土的固結(jié)過(guò)程即為孔隙水壓力的消散過(guò)程，但滲透性差，在僅有豎向排水固結(jié)條件下，孔隙水壓力難以消散，土的固結(jié)和強(qiáng)度的增長(zhǎng)都是很緩慢的。若想快速提高土的強(qiáng)度，在外加荷載作用的同時(shí)改善土的排水條件，加快孔隙水壓力的消散以達(dá)到加快土體固結(jié)的目的。根據(jù)連云港地區(qū)的地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，施工期形成的沉降量?jī)H占總沉降量的約20%，從我單位自2002年以來(lái)的觀測(cè)記錄（圖3）表明，雖然該區(qū)域回填前進(jìn)行了排水處理，但固結(jié)沉降仍在進(jìn)行并可能還需要較長(zhǎng)的一段時(shí)間才能完結(jié)。

圖3 某核電廠一期N南BOP工程04UCE沉降過(guò)程組合圖(1～35期)

2.6 回填環(huán)境下軟土的指標(biāo)間的相關(guān)關(guān)系

2002年我單位王煜霞、許波濤等[1]總結(jié)了連云港地區(qū)海相軟土的天然孔隙比e和天然含水率w之間的關(guān)系（表3）。

表3 2002年天然孔隙比e和天然含水率W關(guān)系表

根據(jù)搜集到同場(chǎng)地的2009～2019年天然孔隙比和含水率數(shù)據(jù)，總結(jié)了以下關(guān)系，見(jiàn)表4。

表4 2009～2019年天然孔隙比e和天然含水率W關(guān)系表

由表5、圖4可以看出，在回填環(huán)境下淤泥含水率與孔隙仍然存在較規(guī)律的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)均大于0.8，相關(guān)性強(qiáng)。這種線性關(guān)系在回填后的不同時(shí)間點(diǎn)上仍然是相似的（斜率相差無(wú)幾）。

圖4 某核電廠機(jī)組回填前后第⑤層土含水量與空隙比關(guān)系圖

3 結(jié)論

（1）連云港某核電廠中的淤泥受到回填層的長(zhǎng)期壓覆后，物理力學(xué)指標(biāo)有了較明顯的變化，其中孔隙比、含水率等指標(biāo)隨時(shí)間增長(zhǎng)而減小且在初期降幅較小，各項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)相反且在初期增幅明顯。

（2）該區(qū)域軟土，垂直和水平向的滲透系數(shù)小，即使受到長(zhǎng)時(shí)間的回填堆載壓覆，固結(jié)沉降仍需要較長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)完成，對(duì)建筑物的影響至少在15年以上。

（3）在較復(fù)雜的回填環(huán)境下，該區(qū)域淤泥層在各個(gè)時(shí)間點(diǎn)上，含水率與孔隙比仍然存在較規(guī)律的線性關(guān)系，且這種線性關(guān)系在回填后的不同時(shí)間點(diǎn)上仍然是相似的（斜率相差無(wú)幾）。