某核電東護(hù)岸沉降分析

王兵

（福建巖土工程勘察研究院有限公司，福州 350100）

1 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國家對高水平核電技術(shù)的要求與日俱增。在滿足供電需求的前提下，核電廠的規(guī)模也日漸擴(kuò)大，與之相關(guān)的工程巖體力學(xué)問題也隨之凸顯[1-3]，地面沉降問題也受到更多關(guān)注[4-5]。地面沉降是指地殼表層土體壓縮致使區(qū)域地面標(biāo)高降低的一種地質(zhì)現(xiàn)象，該現(xiàn)象是一種不可補(bǔ)償?shù)挠谰眯原h(huán)境和資源損失[6-8]。據(jù)不完全統(tǒng)計，全球約有150個國家和地區(qū)出現(xiàn)不同程度的地面沉降，嚴(yán)重制約了人類的生存和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[9]。杜東[10]等人利用PS-InSAR與GPS相結(jié)合技術(shù)，研究北京市通州區(qū)地面沉降問題。張斌[11]等人基于現(xiàn)場沉降監(jiān)測，通過數(shù)值分析研究了地鐵盾構(gòu)下穿對建筑物沉降的影響。因此，通過有效的分析手段，掌握地面沉降機(jī)理，對預(yù)防地面沉降有重要的現(xiàn)實意義。本文通過原位測試和取樣方式，對某核電的沉降情況進(jìn)行分析，同時采用巖土工程和數(shù)學(xué)模型的方法對填石下臥層進(jìn)行沉降驗算，預(yù)測東護(hù)岸未來沉降情況。

2 工程概況

某核電站東護(hù)岸沿線為濱海、海岸地貌單元，范圍內(nèi)無大斷裂構(gòu)造帶通過。場區(qū)內(nèi)地面高程7.2～7.8 m，地勢平坦，護(hù)岸擋墻高約8.5 m，墻頂高程15.7～16.4 m，擋墻結(jié)構(gòu)為漿砌塊石，擋墻腳堆積大量工程材料。擋墻外側(cè)區(qū)域為大海，坡腳采用扭王字塊堆填壓腳。按地層新老關(guān)系分類，該場地上自上而下巖土層結(jié)構(gòu)為：第四系人工填土（①-1混凝土和①-2填塊石）、海相沖淤積層（②-1淤泥質(zhì)黏土、②-2礫砂、②-3粉砂、②-4粉質(zhì)黏土（流塑）、②-5粉質(zhì)黏土（可塑）、②-5-1粉質(zhì)黏土（軟塑）、②-5-2粉砂和②-6（含砂礫）粉質(zhì)黏土）以及下伏凝灰?guī)r風(fēng)化層（③-1全風(fēng)化凝灰?guī)r、③-2砂土狀強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r、③-3碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r和③-4中風(fēng)化凝灰?guī)r）。

3 沉降觀測及沉降分析

3.1 沉降監(jiān)測點布設(shè)及觀測結(jié)果

本次勘察主要采取原位測試和取樣，獲取東護(hù)岸北段地基土各巖土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，8個監(jiān)測點、6個勘測點和6個分層沉降觀測點的地理位置如圖1所示。所獲實測指標(biāo)成果按國標(biāo)GB 50021—2001《巖土工程勘察規(guī)范》（2009年版）[12]中的有關(guān)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)整理與分層統(tǒng)計。

圖1 監(jiān)測點布置示意圖

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，東護(hù)岸沉降速率整體放緩。H01～H08在2014年10月至2019年1月期間，累計沉降在90.1～165.3 mm，平均沉降速率為0.06～0.11 mm/d。2018年9月30日至2019年1月，961 d沉降量在2.2～8.91 mm，沉降速率0.02～0.09 mm/d。

根據(jù)原位測試、巖土室內(nèi)試驗統(tǒng)計，參考省標(biāo)準(zhǔn)DBJ 13-84—2006《巖土工程勘察規(guī)范》[13]、GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》[14]和地區(qū)建筑經(jīng)驗，得到地基主要數(shù)據(jù)②-1淤泥質(zhì)黏土、②-4粉質(zhì)黏土（流塑）、②-5粉質(zhì)黏土（可塑）、②-5-1粉質(zhì)黏土（軟塑）、②-5-2粉砂、②-6（含砂礫）粉質(zhì)黏土的壓縮模量Es0.1～0.2分別為3.3 MPa、4.6 MPa、4.4 MPa、3.3 MPa、6.0 MPa和5.2 MPa，Es0.2～0.4分別為5.8 MPa、7.4 MPa、6.4 MPa、4.9 MPa、9.0 MPa和7.3 MPa；變形模量E0分別為40 MPa、15 MPa、15 MPa、30 MPa、50 MPa和80 MPa。

勘測點主要分布在圖1c的Ⅰ斷面和Ⅱ斷面處，編號分別為BK1～BK6。EA、EB和EC勘察孔為2007年觀測位置。對比本次室內(nèi)試驗及在2007年8月完成勘察的數(shù)據(jù)可知，BK1孔位的壓縮系數(shù)、壓縮模量和固結(jié)系數(shù)分別增長35.37%、34.48%和18.32%；BK2孔位分別增長40.24%、44.83%和43.56%；BK3孔位分別增長30.49%、24.14%和37.62%；BK6孔位分別增長29.41%、15.79%和62.89%；2007年BK4孔位各系數(shù)均為0，至今增長為0.39 MPa-1，4.9 kPa和1.71×10-3cm2/s；BK5孔位的壓縮系數(shù)、壓縮模量增長量為31.08%和36.67%，固結(jié)系數(shù)由0變?yōu)?.3×10-3cm2/s。

3.2 沉降分析

根據(jù)勘察結(jié)果分析，東護(hù)岸主要沉降為下部厚層粉質(zhì)黏土沉降，其次為填石的自重固結(jié)沉降和局部擠淤后淤泥殘留造成的沉降。

3.2.1 下部厚層粉質(zhì)黏土的沉降

將2007年8月的鉆探成果與本次試驗結(jié)果進(jìn)行對比，護(hù)岸頂部BK1、BK2、BK4、BK5鉆孔各土層壓縮系數(shù)減小，壓縮模量增大且固結(jié)系數(shù)減小，說明土層各項物理力學(xué)指標(biāo)均有偏好趨勢。BK3、BK6各項指標(biāo)稍有提高，但提高幅度較小。這是由于BK1、BK2、BK4、BK5上部填石厚度較大，下臥黏性土層屬超載狀態(tài)，加載壓縮明顯。BK3、BK6上部填石厚度較小，下臥黏性土層附加荷載較小，加載壓縮效果相對較小。

3.2.2 填石層沉降

因東護(hù)岸未進(jìn)行深層沉降觀測，參考BX樓深層沉降數(shù)據(jù)（見圖1b），分析2014年12月、2019年7月東護(hù)、岸的填石沉降情況。截至2019年7月，由勘測數(shù)據(jù)可知，D4點臨近山體，無下臥軟弱層，無明顯沉降，地面總沉降量23.1mm；D6點為填石下臥薄層黏性土，總沉降量相對較小，總沉降量為145.8 mm；D5、D7、D8點為下臥厚層黏性土，因此，其沉降量較大，地面總沉降量244.1～433.8 mm，填石體沉降量14.9～33.8 mm，填石下臥層沉降量229.2～400.0 mm。2014年12月至2019年7月，分層沉降觀測點位的填石體沉降量0.4～20.7 mm，相對總沉降量占比較小，小于總沉降量的10%，填石層沉降量遠(yuǎn)小于護(hù)岸整體沉降量。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查，場地內(nèi)東護(hù)岸擋墻未見開裂，地面未見裂縫。因此，填石體為整體沉降，不均勻沉降差異性較小。

3.2.3 淤泥質(zhì)黏土沉降

采用控制加載爆破擠淤置換法及爆夯法進(jìn)行基礎(chǔ)排淤處理，發(fā)現(xiàn)鉆孔BK1、BK2、BK6位置的填石以下存在厚度為0.90～2.30 m的淤泥質(zhì)黏土。淤泥質(zhì)黏土屬高壓縮性土，上部堆載后沉降明顯，周期長，但該層厚度較薄，根據(jù)巖土計算，淤泥質(zhì)黏土沉降量整體較小。

綜合上述分析可知，東護(hù)岸沉降主要集中在填石下部土層，上部填石層存在少量沉降，但沉降量較小。

4 沉降驗算

4.1 最終沉降量驗算

根據(jù)《工程地質(zhì)手冊》[15]中關(guān)于沉降時間效應(yīng)的原理，在施工期間，對于砂土可認(rèn)為已基本完成沉降，對于高壓縮黏性土（壓縮模量＜4 MPa）可認(rèn)為已完成最終沉降量的50%～80%，對于中壓縮黏性土（4 MPa＜壓縮模量＜20 MPa）可認(rèn)為已完成20%～40%。根據(jù)勘察結(jié)果，填石以下土層主要為砂層、中～高壓縮黏土，因此可推斷，截至目前東護(hù)岸初始沉降已完成，現(xiàn)處于主固結(jié)沉降后期到次固結(jié)沉降階段。為計算沉降量，采用巖土工程法和數(shù)學(xué)模型法對填石下臥層進(jìn)行沉降驗算。

4.2 巖土工程法——分層總和法

根據(jù)本次勘察及室內(nèi)試驗，采用《工程地質(zhì)手冊》內(nèi)關(guān)于大面積堆載的地面沉降量的分層總和法進(jìn)行估算。

黏性土及粉土按式（1）計算：

砂土按式（2）計算：

式中，s∞為土層最終變形量，cm；a為土層壓縮系數(shù)，MPa-1；e0為土層原始孔隙比；p為水位變化施加于土層上的平均附加應(yīng)力，MPa；H為計算土層厚度，cm；E為砂層彈性模量，MPa。

由于場地臨近海岸，上部荷載會受水位進(jìn)行周期性變化，水位變化施加于土層上的平均附加應(yīng)力Δp取平均潮水位高程0 m進(jìn)行驗算。粉砂、礫砂、全風(fēng)化巖、砂土狀強(qiáng)風(fēng)化為砂土結(jié)構(gòu)，在施工期間砂層的最終沉降量已基本完成，可不進(jìn)行砂土層沉降量的計算及考慮。經(jīng)計算得到，BK1～BK5累計沉淀量分別為92.60 cm、88.94 cm、59.85 cm和66.8 cm。即BK1～BK5點位在2020年8月以后的沉降量為59.85～92.6 cm。

根據(jù)巖土計算分析，東護(hù)岸沉降主要集中在粉質(zhì)黏土（可塑）②-5層，該層厚度較大，在上部填石荷載的情況下，未來會持續(xù)沉降，沉降變形將持續(xù)到土層完整壓縮固結(jié)。

按K.Terzaghi單項固結(jié)理論計算黏性土地基固結(jié)速率，當(dāng)?shù)鼗鶠殡p面排水時：

式中，TV為對應(yīng)于固結(jié)度的時間因素，取常數(shù)0.7；t為固結(jié)的時間，s；Hs為壓縮層厚度，cm；CV為土的固結(jié)系數(shù)，cm2/s。

已知BK1～BK6的Hs分別為3630 cm、3390 cm、4100 cm、2660 cm、2430 cm和2940 cm，CV為1.42×10-3、1.36×10-3、1.55×10-3、1.13×10-3、1.02×10-3和1.26×10-3。采用式（3）計算，可得BK1～BK6的鉆孔固結(jié)時間分別為51.5 a、46.9 a、60.2 a、34.7 a、32.1 a和38.1 a。

由于其受地層及上部荷載大小影響時間跨度較大，因此，平均固結(jié)時間43.9 a。預(yù)估現(xiàn)有場地從2020年7月至以后沉降時間效應(yīng)約44 a。

4.3 數(shù)學(xué)模型法

分別采用三點法、雙曲線截距法和Matlab擬合法對H1～H8進(jìn)行擬合計算沉降量。4.3.1三點法

采用《工程地質(zhì)手冊》預(yù)壓地基的工程理論計算沉降量，通過利用豎向變形與時間，孔隙水壓力與時間的關(guān)系曲線，推算地基的最終豎向變形sf。計算公式如式（4）：

式中，s1、s2、s3為加荷停止時間t1、t2、t3相應(yīng)的豎向變形量，并取t2-t1=t3-t2。

4.3.2 雙曲線截距法

利用沉降觀測點的結(jié)果，將時間t與沉降量s分別求其倒數(shù)1/t、1/s，擬合雙曲線采用停止加載以后的直線在縱坐標(biāo)的截距推算最終沉降量sf。

4.3.3 Matlab擬合法

根據(jù)曲線及函數(shù)方程式計算當(dāng)沉降量趨近于0 mm時的最終沉降量及最終時間。H1～H8最終沉降時間分別為29.8 a、34 a、25.5 a、39.2 a、37.5 a、37.6 a、22.7 a和41.9 a，2020年8月以后沉降量分別為375.3 mm、561.9 mm、495.6 mm、760.4 mm、683.2 mm、621.2 mm、288.9 mm和420.5 mm。

根據(jù)監(jiān)測成果數(shù)據(jù)采用三點法估算勘察后的總沉降量246.4～736.2 mm；采用雙曲線截距法估算勘察后（2020年8月后）的總沉降量357.5～733.6 mm；采用數(shù)學(xué)模型擬合編程預(yù)估勘察后（2020年8月后）總沉降量為288.9～760.4 mm，沉降時間效應(yīng)為22.7～41.9 a。3種數(shù)學(xué)模型成果較為近似，為246.4～760.4 mm。

5 結(jié)論

某核電東護(hù)岸隸屬濱海、海岸地貌單元，主要沉降集中在填石下部土層。上部填石層沉降量較小，且為整體沉降，不均勻沉降差異性較小。按巖土工程方法計算，東護(hù)岸北段現(xiàn)有場地從2020年8月以后沉降量為598.5～926.0 mm，沉降時間為32.1～60.2 a。采用數(shù)學(xué)模型法計算得出，最終沉降量為246.4～760.4 mm，沉降時間為22.7～41.9 a。