株洲地區(qū)紅層填料自然休止角與滲透系數(shù)研究*

卿啟斌，肖猛，湯淼

(湖南省地質(zhì)工程勘察院有限公司， 湖南 株洲市 412003)

0 引言

隨著城市建設(shè)的迅猛發(fā)展，由于地形條件的限制，對于類似株洲地區(qū)白堊系紅層沉積盆地的丘陵地貌，工程建設(shè)中不得不進(jìn)行大量的挖方和填方，使得紅層地區(qū)殘坡積土及全風(fēng)化巖填料場地的邊坡和深基坑支護(hù)工程越來越多，但目前此類紅層填料的綜合內(nèi)摩擦角取值和支護(hù)結(jié)構(gòu)土壓力計(jì)算是采用水土分算還是采用水土合算是工程領(lǐng)域的難題之一，相關(guān)的理論研究及實(shí)踐調(diào)查均較少，其合理的選取對支護(hù)結(jié)構(gòu)受力分析和經(jīng)濟(jì)、合理地確定支護(hù)結(jié)構(gòu)方案有重要影響。本文以株洲地區(qū)紅層殘坡積土及全風(fēng)化巖填料作為研究對象，進(jìn)行了紅層填料現(xiàn)場自然休止角的調(diào)查和三類紅層填料分別在不同壓實(shí)度條件下室內(nèi)滲透系數(shù)試驗(yàn)的測定，得出紅層地區(qū)填料自然休止角與滲透系數(shù)的參考值，為株洲及類似的紅層丘陵地區(qū)填料場地邊坡和基坑支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)填料參數(shù)的合理選取提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 紅層填料自然休止角

紅層一般發(fā)育在內(nèi)陸盆地和湖泊環(huán)境，所以其沉積特征在粒度上呈現(xiàn)出一定的規(guī)律。紅層盆地邊緣往往堆積巨厚的洪積相混雜泥礫，往中心漸變?yōu)楹?、沖積礫巖、砂礫巖、砂巖與河、湖積細(xì)砂、粉砂巖或泥質(zhì)巖[1]。而接近湖盆中心的細(xì)碎屑堆積區(qū)，巖性的垂直變化一般較小[2]。

株洲紅層地區(qū)下伏基巖為侏羅系和白堊系內(nèi)陸湖相沉積的紅色、褐紅色巖體組成，巖性較為簡單，大致可分為粗碎屑巖和細(xì)碎屑巖兩種巖性[3]。粗碎屑巖一般為戴家坪組較堅(jiān)硬厚層塊狀砂礫巖，一般為泥質(zhì)、硅質(zhì)或鈣質(zhì)膠結(jié)為主；細(xì)碎屑巖一般為高家田組、神皇山組及戴家坪組軟弱的中—厚層狀的泥質(zhì)粉砂巖，以泥質(zhì)膠結(jié)為主。

株洲地區(qū)紅層填料自然休止角的調(diào)查地點(diǎn)分別位于石峰區(qū)銅霞路、天元區(qū)創(chuàng)業(yè)路、天元區(qū)新馬西路與湘蓮大道附近、天元區(qū)袁家沖附近、天元區(qū)湘江大道東側(cè)、天元區(qū)008 縣道附近等場地?？傆?jì)進(jìn)行10 個(gè)填料場地坡體的自然休止角的量測，填料坡體物源為紅層殘坡積土及全風(fēng)化巖、泥質(zhì)粉砂巖或砂礫巖經(jīng)開挖填筑而成，角礫、碎石、塊石含量約20%～40%，均為未經(jīng)壓實(shí)自然堆積而成，根據(jù)紅層地區(qū)風(fēng)化母巖的不同，將其分為母巖為砂礫巖和母巖為泥質(zhì)粉砂巖兩類紅層填料，量測結(jié)果見圖1。

從圖1 可以看出，株洲地區(qū)紅層填料場地未經(jīng)壓實(shí)在自然堆積條件下填方邊坡自然休止角為34°～42°，其自然休止角角度隨填方邊坡高度增加總體上是略有下降的趨勢。在邊坡高度較低時(shí)，母巖為砂礫巖紅層填料的自然休止角比母巖為泥質(zhì)粉砂巖紅層填料的自然休止角稍大；在邊坡高度較高時(shí)，兩類紅層填料的自然休止角趨于接近。

圖1 自然休止角與填方邊坡高度關(guān)系

2 紅層填料滲透試驗(yàn)

紅層殘坡積土及全風(fēng)化巖填料場地填料來源主要可分為母巖為砂礫巖殘坡積土及全風(fēng)化巖紅層填料，和母巖為泥質(zhì)粉砂巖殘坡積土及全風(fēng)化巖紅層填料兩大類。其中，針對母巖為泥質(zhì)粉砂巖殘坡積土，及全風(fēng)化巖紅層填料在實(shí)際開挖堆積過程中一般含有一定量的碎石土，在研究母巖為泥質(zhì)粉砂巖紅層填料時(shí)，增加一類母巖為泥質(zhì)粉砂巖殘坡積土及全風(fēng)化巖紅層填料，添加中—微風(fēng)化砂巖角礫、碎石10%，角礫、碎石為泥質(zhì)粉砂巖破碎后形成。

試驗(yàn)樣品取自株洲戴永紅農(nóng)產(chǎn)品科研倉儲(chǔ)物流基地、株洲信息港、株洲市荷塘區(qū)桂花村等場地，對以上3 類紅層填料進(jìn)行室內(nèi)滲透試驗(yàn)。

2.1 填料顆粒組成分析

顆粒組成是填料的最基本的物理性質(zhì)和孔隙形成的基本條件，對紅層殘坡積土及全風(fēng)化巖填料顆粒粒度分析，可以了解其構(gòu)架組成，能夠更好地認(rèn)識(shí)紅層殘坡積土及全風(fēng)化巖填料場地的工程特性。在研究過程中，對取得的樣品的3 類紅層填料進(jìn)行了詳細(xì)的粒徑組成分析，統(tǒng)計(jì)分析見表1。

表1 填料顆粒組成分析

2.2 滲透系數(shù)測定方法

滲透系數(shù)測定方法一般根據(jù)所用試驗(yàn)裝置的差異分為常水頭試驗(yàn)和變水頭試驗(yàn)，常水頭試驗(yàn)適用于透水性較大的土體（κ＞10?3cm/s），當(dāng)土樣的透水性較差時(shí)，由于滲流量太小，加上水的蒸發(fā)等因素影響，宜采用變水頭試驗(yàn)確定κ值[4]。根據(jù)紅層填料滲透性的具體情況，試驗(yàn)采用變水頭法來測定填料滲透系數(shù)。由于試驗(yàn)過程中填料樣品需按規(guī)定的壓實(shí)度進(jìn)行壓實(shí)，變水頭法滲透試驗(yàn)裝置采用直徑為15.2 cm 的擊實(shí)筒加工制作而成，試驗(yàn)中水流從一根直立的帶有刻度的管自上而下滲過土樣，從而進(jìn)行土樣滲透系數(shù)的測定，如圖2 所示。

圖2 變水頭法滲透試驗(yàn)裝置

2.3 填料滲透試驗(yàn)

3 類紅層填料在飽和狀態(tài)下采用擊實(shí)筒按壓實(shí)度0.80，0.85，0.90，0.95 分別進(jìn)行壓實(shí)，每類紅層填料分別制作3 組試樣。對母巖為砂礫巖殘坡積土及全風(fēng)化巖紅層填料、母巖為泥質(zhì)粉砂巖殘坡積土及全風(fēng)化巖紅層填料、母巖為泥質(zhì)粉砂巖殘坡積土及全風(fēng)化巖（含礫石10%）紅層填料分別進(jìn)行變水頭滲透試驗(yàn)[5]，試驗(yàn)數(shù)據(jù)平均值見表2。

表2 紅層填料滲透試驗(yàn)

滲透試驗(yàn)[6]表明，紅層殘坡積土及全風(fēng)化巖填料的壓實(shí)系數(shù)達(dá)到0.90 以上時(shí)，土體的滲透性相對較小，隨壓實(shí)度的增加，空隙比隨之減小，滲透系數(shù)逐漸減小，表明壓實(shí)度對填料孔隙和滲透系數(shù)起控制作用[7]。

按國家標(biāo)準(zhǔn)[8]對土體滲透性等級進(jìn)行分級。從上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，當(dāng)壓實(shí)度達(dá)到0.95 時(shí)，母巖為泥質(zhì)粉砂巖殘坡積土及全風(fēng)化巖和母巖為泥質(zhì)粉砂巖殘坡積土及全風(fēng)化巖（含礫石10%）2 類紅層填料為極微透水，母巖為砂礫巖殘坡積土及全風(fēng)化巖紅層填料為微透水；當(dāng)壓實(shí)度達(dá)到0.90時(shí)，母巖為泥質(zhì)粉砂巖殘坡積土及全風(fēng)化巖和母巖為泥質(zhì)粉砂巖殘坡積土及全風(fēng)化巖（含礫石10%）2 類紅層填料為微透水，母巖為砂礫巖殘坡積土及全風(fēng)化巖紅層填料為弱透水；當(dāng)壓實(shí)度達(dá)到0.85 時(shí)，母巖為泥質(zhì)粉砂巖殘坡積土及全風(fēng)化巖和母巖為泥質(zhì)粉砂巖殘坡積土及全風(fēng)化巖（含礫石10%）2 類紅層填料為弱透水，母巖為砂礫巖殘坡積土及全風(fēng)化巖紅層填料為中等透水；當(dāng)壓實(shí)度達(dá)到0.80 時(shí)，3 類紅層填料均為中等透水。

在研究過程中對株洲戴永紅農(nóng)產(chǎn)品科研倉儲(chǔ)物流基地填料進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，此處填料物源為砂礫巖殘坡積土及全風(fēng)化巖開挖自然堆填形成，回填時(shí)未經(jīng)壓實(shí)。回填后8 個(gè)月壓實(shí)度為0.72，空隙比為0.892，滲透系數(shù)平均值為1.467×10?3cm/s；回填后18 個(gè)月壓實(shí)度升至0.83，空隙比降至0.631。

3 結(jié)論

以株洲地區(qū)紅層殘坡積土及全風(fēng)化巖填料作為研究對象，進(jìn)行了紅層地區(qū)填料現(xiàn)場自然休止角的調(diào)查，和3 類紅層填料分別在不同壓實(shí)度條件下室內(nèi)滲透系數(shù)試驗(yàn)的測定，結(jié)果表明：

（1）株洲地區(qū)紅層填料場地未經(jīng)壓實(shí)在自然堆積條件下填方邊坡自然休止角為34°～42°，其自然休止角角度隨填方邊坡高度增加總體上是略有下降的趨勢。在邊坡高度較低時(shí)，母巖為砂礫巖紅層填料的自然休止角比母巖為泥質(zhì)粉砂巖紅層填料自然休止角稍大；在邊坡高度較高時(shí)，兩類紅層填料的自然休止角趨于接近。

（2）3 類紅層填料分別在不同壓實(shí)度條件下進(jìn)行了室內(nèi)滲透試驗(yàn)，分別測定填料的空隙比與滲透系數(shù)，并對土體滲透性等級進(jìn)行分級，試驗(yàn)結(jié)果表明紅層殘坡積土及全風(fēng)化巖填料的壓實(shí)度達(dá)到0.90 以上時(shí)，其滲透性相對較小。

（3）根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，通常滲透系數(shù)數(shù)量級大于10?5cm/s 時(shí)，此時(shí)用水土分算為宜。在較高壓實(shí)狀態(tài)下（λ=0.90、0.95），3 類紅層填料的滲透系數(shù)均較小，支護(hù)結(jié)構(gòu)土壓力可采用水土合算；在較低壓實(shí)度狀態(tài)下（λ=0.80），3 類紅層填料滲透系數(shù)數(shù)量級均為10?4cm/s，支護(hù)結(jié)構(gòu)土壓力應(yīng)采用水土分算。