某核電廠回填環境對軟土工程特性的影響研究

胡石磊

中核勘察設計研究有限公司 河南 鄭州 450000

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

二十多年來，我單位在該核電站周邊進行了數十個勘察項目工作，取得了該地區核電站建設前后不同環境下軟土的大量數據。本文將對回填前后數十年間軟土工程特性的變化進行分析與總結。

1 軟土的結構特征

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震陷的細粒土。淤泥為在靜水或緩慢的流水環境中沉積，并經生物化學作用形成，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土。

1.2 連云港區域軟土的地質成因

連云港地區整個地勢自西北向東南方向傾斜，平均海拔在2～4m左右。在地質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、粉細砂層，一般呈流塑狀態。由于地下水位淺，其長期處于飽水狀態，海相沉積環境對其工程力學性質有著顯著的影響。

1.3 連云港區域軟土的微觀結構

根據我單位及搜集資料結果，該地區軟土黏粒含量在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，結合水膜很厚，造成顆粒之間直接接觸少，顆粒間易發生錯動、滑動。表現出高液限、高孔隙比、低密度、弱透水性等特點。

根據相關資料[2]，該區域軟土的微結構為不穩定的片架狀，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（最不穩定的一種接觸關系）。該區域軟土的超大孔（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%。各類型大小孔隙占比隨深度分布趨于均勻，這與軟土強度隨深度增大漸增的規律一致。而上部軟土層大孔隙占比大，顆粒間接觸不穩定的關系更加明顯，是其強度低的一個重要原因。

2 工程實例

2019年1月連云港某核電機組勘察項目，場地原始地貌南部為海積平原，于2009年開始廠坪回填，回填材料主要為開山塊石，混巖屑、粘性土等，目前已整平至廠坪標高。本文將就回填前后軟土層，主要是淤泥的工程地質性質的變化進行綜合分析、概括。

2.1 回填環境概述

該核電廠通過周邊護岸對海水進行了阻隔。原低山丘陵區進行開山，用于核電機組放置，而原海積平原區則多利用開山石料回填、整平至廠坪標高，多布置非重要的小型建筑。

擬建場地原為海積平原，標高多在1.5～3.2m左右，自2009年起回填至標高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，具有明顯的大孔隙性特征，密實度不均。回填前下伏黏土、軟土未經過預壓、排水處理，回填層也未經過夯實、碾壓等處理。

2.2 工程地質概況

2.2.1 回填前工程地質概況

場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淤泥質黏土、⑤-3淤泥質粉質黏土和沖-海積層⑥、⑦層等。

2.2.2 回填后工程地質概況

2019年進行勘察時，場地已為人工回填地貌，場地南部回填層以下原軟土層多相變為黏性土。擬建物地段的現狀工程地質剖面見圖1。

圖1 2019年某擬建場地地層剖面

2.3 回填環境下軟土物理力學性質指標對比、分析

根據我單位1998、1999年得到的土工試驗結果，核電廠建設前，場地范圍內的淤泥平均含水率達到65.7%，淤泥質黏土平均含水率達46.6%，天然孔隙比淤泥最大達2.140，淤泥質黏土可達1.488，多呈流塑狀態，壓縮系數均大于1，壓縮性高。

通過搜集周邊場地2009年以來的勘察土工試驗結果，淤泥的物理力學性質指標變化見圖2。

圖2 2002～2019年淤泥的主要物理力學指標趨勢圖

從以上圖中可以看出，2009～2019年淤泥平均含水率、孔隙比、壓縮系數呈逐漸下降的趨勢。其中，回填后5～6年的時間內，含水率、孔隙比平均降低約7.1～11.8%，壓縮系數平均降低約10.5～11.7%；淤泥漸變為淤泥質黏土、黏土。在堆載十年后，孔隙比、含水率、壓縮系數有一個明顯下降的趨勢，表明前期孔隙水排出速度慢，經過一定時間的壓縮后，從以孔隙水消散為主進入以孔隙壓縮為主，淤泥的各主要指標均較大幅度下降。但由于孔隙所占體積有限，即便在長期堆載的情況下，土體也不會無限壓縮，主要指標最終將趨于穩定。

2.4 回填環境下軟土的強度指標對比分析

2002年我單位王煜霞、許波濤[1]等人根據多項室內及原位試驗的結果，綜合統計了抗剪強度指標見表1，并總結出其強度與深度的關系式可以表示為下式：

表1 2002年前的淤泥的力學指標統計表

通過搜集2009年至2019年數據，該場地淤泥的力學指標變化見表2。

表2 2009～2019年第⑤層淤泥的力學指標統計表

根據表3的結果，在擬建場地廠坪后，淤泥的抗剪強度等強度指標均有不同程度的提高。其中黏聚力值增長明顯，2009～2013年增長了54.4%～70.7%，而2013～2019年只增長了8.2%～22.4%。需要提到的是，淤泥的十字板強度值與深度之間的關系差異較大。受回填條件影響，不同地段淤泥強度提高的過程差異大，應根據實際情況結合其它手段綜合分析，選取適宜的數據。

2.5 回填環境下軟土的固結變形特征

該核電站地區的淤泥是連云港地區典型的軟土。由于潮汐和洋流的水動力影響，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，沉積速度相對緩慢，黏粒易以絮凝狀膠結狀態結合，具有較大的孔隙，因而壓縮性大，滲透系數較小。成分較為均一，滲透性在各向上差異較小，各向滲透系數一般在1.1×10-8～4.2×10-7cm/s[3]，各向固結系數在50-400kPa壓力下一般為0.4×10-3～1.3×10-3cm2/s。

飽和軟土的固結過程即為孔隙水壓力的消散過程，但滲透性差，在僅有豎向排水固結條件下，孔隙水壓力難以消散，土的固結和強度的增長都是很緩慢的。若想快速提高土的強度，在外加荷載作用的同時改善土的排水條件，加快孔隙水壓力的消散以達到加快土體固結的目的。根據連云港地區的地區經驗，施工期形成的沉降量僅占總沉降量的約20%，從我單位自2002年以來的觀測記錄（圖3）表明，雖然該區域回填前進行了排水處理，但固結沉降仍在進行并可能還需要較長的一段時間才能完結。

圖3 某核電廠一期N南BOP工程04UCE沉降過程組合圖(1～35期)

2.6 回填環境下軟土的指標間的相關關系

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

表3 2002年天然孔隙比e和天然含水率W關系表

根據搜集到同場地的2009～2019年天然孔隙比和含水率數據，總結了以下關系，見表4。

表4 2009～2019年天然孔隙比e和天然含水率W關系表

由表5、圖4可以看出，在回填環境下淤泥含水率與孔隙仍然存在較規律的線性關系，相關系數均大于0.8，相關性強。這種線性關系在回填后的不同時間點上仍然是相似的（斜率相差無幾）。

圖4 某核電廠機組回填前后第⑤層土含水量與空隙比關系圖

3 結論

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

（2）該區域軟土，垂直和水平向的滲透系數小，即使受到長時間的回填堆載壓覆，固結沉降仍需要較長的時間來完成，對建筑物的影響至少在15年以上。

（3）在較復雜的回填環境下，該區域淤泥層在各個時間點上，含水率與孔隙比仍然存在較規律的線性關系，且這種線性關系在回填后的不同時間點上仍然是相似的（斜率相差無幾）。