某核电厂回填环境对软土工程特性的影响研究

胡石磊

中核勘察设计研究有限公司 河南 郑州 450000

目前，我国在建、已建的核电工程大都位于沿海地区，工程建设不可避免的会遇到沿海地区广泛分布的软土。例如在连云港某核电站附近分布厚层的淤泥和淤泥质土，最大厚度可达30m。

二十多年来，我单位在该核电站周边进行了数十个勘察项目工作，取得了该地区核电站建设前后不同环境下软土的大量数据。本文将对回填前后数十年间软土工程特性的变化进行分析与总结。

1 软土的结构特征

1.1 软土的定义

软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、高压缩性、低强度、高灵敏度、低透水性和高流变性，在较大震力作用下可能出现震陷的细粒土。淤泥为在静水或缓慢的流水环境中沉积，并经生物化学作用形成，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的黏性土或粉土为淤泥质土。

1.2 连云港区域软土的地质成因

连云港地区整个地势自西北向东南方向倾斜，平均海拔在2～4m左右。在地质历史中广泛沉积了一套灰～灰绿色流塑状的软土，该层土地质年代近，沉积历史短，层厚较大、层理明显，水平方向地层分布较均匀。主要呈灰～灰绿色，有腥臭味，中间夹极薄的粉土、粉细砂层，一般呈流塑状态。由于地下水位浅，其长期处于饱水状态，海相沉积环境对其工程力学性质有着显著的影响。

1.3 连云港区域软土的微观结构

根据我单位及搜集资料结果，该地区软土黏粒含量在66%～87.9%[2]，胶粒含量在42%～61%。软土中的黏土矿物以伊利石（43.24%）和绿泥石（34.23%）为主，其次为蒙脱石，其中蒙脱石对土的工程特性影响最大。一般黏土矿物形状以片状为主，造成了软土体颗粒比表面积大，颗粒带电明显，结合水膜很厚，造成颗粒之间直接接触少，颗粒间易发生错动、滑动。表现出高液限、高孔隙比、低密度、弱透水性等特点。

根据相关资料[2]，该区域软土的微结构为不稳定的片架状，黏土矿物呈扁平状颗粒聚集体或单元体，以面接触面的形式为主，其次为边-面的接触（最不稳定的一种接触关系）。该区域软土的超大孔（孔径≥40μm）约占总孔隙的14.73%；大孔（20～40μm）约占总孔隙的11.59%；中孔（5～20μm）约占总孔隙的32.39%；小孔（2～5μm）约占总孔隙的9.33%；极微孔（＜1μm）约占总孔隙的8.46%。各类型大小孔隙占比随深度分布趋于均匀，这与软土强度随深度增大渐增的规律一致。而上部软土层大孔隙占比大，颗粒间接触不稳定的关系更加明显，是其强度低的一个重要原因。

2 工程实例

2019年1月连云港某核电机组勘察项目，场地原始地貌南部为海积平原，于2009年开始厂坪回填，回填材料主要为开山块石，混岩屑、粘性土等，目前已整平至厂坪标高。本文将就回填前后软土层，主要是淤泥的工程地质性质的变化进行综合分析、概括。

2.1 回填环境概述

该核电厂通过周边护岸对海水进行了阻隔。原低山丘陵区进行开山，用于核电机组放置，而原海积平原区则多利用开山石料回填、整平至厂坪标高，多布置非重要的小型建筑。

拟建场地原为海积平原，标高多在1.5～3.2m左右，自2009年起回填至标高8m左右，回填层厚度在6～8m左右，回填块石粒径不一，分选性差。至2019年，呈松散～稍密状态，具有明显的大孔隙性特征，密实度不均。回填前下伏黏土、软土未经过预压、排水处理，回填层也未经过夯实、碾压等处理。

2.2 工程地质概况

2.2.1 回填前工程地质概况

场地原地貌为海积平原，地层主要为第四系海相沉积的③黏土、⑤淤泥、⑤-1粉土、⑤-2淤泥质黏土、⑤-3淤泥质粉质黏土和冲-海积层⑥、⑦层等。

2.2.2 回填后工程地质概况

2019年进行勘察时，场地已为人工回填地貌，场地南部回填层以下原软土层多相变为黏性土。拟建物地段的现状工程地质剖面见图1。

图1 2019年某拟建场地地层剖面

2.3 回填环境下软土物理力学性质指标对比、分析

根据我单位1998、1999年得到的土工试验结果，核电厂建设前，场地范围内的淤泥平均含水率达到65.7%，淤泥质黏土平均含水率达46.6%，天然孔隙比淤泥最大达2.140，淤泥质黏土可达1.488，多呈流塑状态，压缩系数均大于1，压缩性高。

通过搜集周边场地2009年以来的勘察土工试验结果，淤泥的物理力学性质指标变化见图2。

图2 2002～2019年淤泥的主要物理力学指标趋势图

从以上图中可以看出，2009～2019年淤泥平均含水率、孔隙比、压缩系数呈逐渐下降的趋势。其中，回填后5～6年的时间内，含水率、孔隙比平均降低约7.1～11.8%，压缩系数平均降低约10.5～11.7%；淤泥渐变为淤泥质黏土、黏土。在堆载十年后，孔隙比、含水率、压缩系数有一个明显下降的趋势，表明前期孔隙水排出速度慢，经过一定时间的压缩后，从以孔隙水消散为主进入以孔隙压缩为主，淤泥的各主要指标均较大幅度下降。但由于孔隙所占体积有限，即便在长期堆载的情况下，土体也不会无限压缩，主要指标最终将趋于稳定。

2.4 回填环境下软土的强度指标对比分析

2002年我单位王煜霞、许波涛[1]等人根据多项室内及原位试验的结果，综合统计了抗剪强度指标见表1，并总结出其强度与深度的关系式可以表示为下式：

表1 2002年前的淤泥的力学指标统计表

通过搜集2009年至2019年数据，该场地淤泥的力学指标变化见表2。

表2 2009～2019年第⑤层淤泥的力学指标统计表

根据表3的结果，在拟建场地厂坪后，淤泥的抗剪强度等强度指标均有不同程度的提高。其中黏聚力值增长明显，2009～2013年增长了54.4%～70.7%，而2013～2019年只增长了8.2%～22.4%。需要提到的是，淤泥的十字板强度值与深度之间的关系差异较大。受回填条件影响，不同地段淤泥强度提高的过程差异大，应根据实际情况结合其它手段综合分析，选取适宜的数据。

2.5 回填环境下软土的固结变形特征

该核电站地区的淤泥是连云港地区典型的软土。由于潮汐和洋流的水动力影响，沉积物颗粒往往被打磨、筛选，矿物成分又以亲水性矿物蒙脱石为主，沉积速度相对缓慢，黏粒易以絮凝状胶结状态结合，具有较大的孔隙，因而压缩性大，渗透系数较小。成分较为均一，渗透性在各向上差异较小，各向渗透系数一般在1.1×10-8～4.2×10-7cm/s[3]，各向固结系数在50-400kPa压力下一般为0.4×10-3～1.3×10-3cm2/s。

饱和软土的固结过程即为孔隙水压力的消散过程，但渗透性差，在仅有竖向排水固结条件下，孔隙水压力难以消散，土的固结和强度的增长都是很缓慢的。若想快速提高土的强度，在外加荷载作用的同时改善土的排水条件，加快孔隙水压力的消散以达到加快土体固结的目的。根据连云港地区的地区经验，施工期形成的沉降量仅占总沉降量的约20%，从我单位自2002年以来的观测记录（图3）表明，虽然该区域回填前进行了排水处理，但固结沉降仍在进行并可能还需要较长的一段时间才能完结。

图3 某核电厂一期N南BOP工程04UCE沉降过程组合图(1～35期)

2.6 回填环境下软土的指标间的相关关系

2002年我单位王煜霞、许波涛等[1]总结了连云港地区海相软土的天然孔隙比e和天然含水率w之间的关系（表3）。

表3 2002年天然孔隙比e和天然含水率W关系表

根据搜集到同场地的2009～2019年天然孔隙比和含水率数据，总结了以下关系，见表4。

表4 2009～2019年天然孔隙比e和天然含水率W关系表

由表5、图4可以看出，在回填环境下淤泥含水率与孔隙仍然存在较规律的线性关系，相关系数均大于0.8，相关性强。这种线性关系在回填后的不同时间点上仍然是相似的（斜率相差无几）。

图4 某核电厂机组回填前后第⑤层土含水量与空隙比关系图

3 结论

（1）连云港某核电厂中的淤泥受到回填层的长期压覆后，物理力学指标有了较明显的变化，其中孔隙比、含水率等指标随时间增长而减小且在初期降幅较小，各项强度指标相反且在初期增幅明显。

（2）该区域软土，垂直和水平向的渗透系数小，即使受到长时间的回填堆载压覆，固结沉降仍需要较长的时间来完成，对建筑物的影响至少在15年以上。

（3）在较复杂的回填环境下，该区域淤泥层在各个时间点上，含水率与孔隙比仍然存在较规律的线性关系，且这种线性关系在回填后的不同时间点上仍然是相似的（斜率相差无几）。