株洲地區紅層填料自然休止角與滲透系數研究*

卿啟斌，肖猛，湯淼

(湖南省地質工程勘察院有限公司， 湖南 株洲市 412003)

0 引言

隨著城市建設的迅猛發展，由于地形條件的限制，對于類似株洲地區白堊系紅層沉積盆地的丘陵地貌，工程建設中不得不進行大量的挖方和填方，使得紅層地區殘坡積土及全風化巖填料場地的邊坡和深基坑支護工程越來越多，但目前此類紅層填料的綜合內摩擦角取值和支護結構土壓力計算是采用水土分算還是采用水土合算是工程領域的難題之一，相關的理論研究及實踐調查均較少，其合理的選取對支護結構受力分析和經濟、合理地確定支護結構方案有重要影響。本文以株洲地區紅層殘坡積土及全風化巖填料作為研究對象，進行了紅層填料現場自然休止角的調查和三類紅層填料分別在不同壓實度條件下室內滲透系數試驗的測定，得出紅層地區填料自然休止角與滲透系數的參考值，為株洲及類似的紅層丘陵地區填料場地邊坡和基坑支護設計時填料參數的合理選取提供了基礎數據。

1 紅層填料自然休止角

紅層一般發育在內陸盆地和湖泊環境，所以其沉積特征在粒度上呈現出一定的規律。紅層盆地邊緣往往堆積巨厚的洪積相混雜泥礫，往中心漸變為洪、沖積礫巖、砂礫巖、砂巖與河、湖積細砂、粉砂巖或泥質巖[1]。而接近湖盆中心的細碎屑堆積區，巖性的垂直變化一般較小[2]。

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

株洲地區紅層填料自然休止角的調查地點分別位于石峰區銅霞路、天元區創業路、天元區新馬西路與湘蓮大道附近、天元區袁家沖附近、天元區湘江大道東側、天元區008 縣道附近等場地。總計進行10 個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化巖、泥質粉砂巖或砂礫巖經開挖填筑而成，角礫、碎石、塊石含量約20%～40%，均為未經壓實自然堆積而成，根據紅層地區風化母巖的不同，將其分為母巖為砂礫巖和母巖為泥質粉砂巖兩類紅層填料，量測結果見圖1。

從圖1 可以看出，株洲地區紅層填料場地未經壓實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，母巖為砂礫巖紅層填料的自然休止角比母巖為泥質粉砂巖紅層填料的自然休止角稍大；在邊坡高度較高時，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系

2 紅層填料滲透試驗

紅層殘坡積土及全風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化巖紅層填料，和母巖為泥質粉砂巖殘坡積土及全風化巖紅層填料兩大類。其中，針對母巖為泥質粉砂巖殘坡積土，及全風化巖紅層填料在實際開挖堆積過程中一般含有一定量的碎石土，在研究母巖為泥質粉砂巖紅層填料時，增加一類母巖為泥質粉砂巖殘坡積土及全風化巖紅層填料，添加中—微風化砂巖角礫、碎石10%，角礫、碎石為泥質粉砂巖破碎后形成。

試驗樣品取自株洲戴永紅農產品科研倉儲物流基地、株洲信息港、株洲市荷塘區桂花村等場地，對以上3 類紅層填料進行室內滲透試驗。

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和孔隙形成的基本條件，對紅層殘坡積土及全風化巖填料顆粒粒度分析，可以了解其構架組成，能夠更好地認識紅層殘坡積土及全風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 類紅層填料進行了詳細的粒徑組成分析，統計分析見表1。

表1 填料顆粒組成分析

2.2 滲透系數測定方法

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

圖2 變水頭法滲透試驗裝置

2.3 填料滲透試驗

3 類紅層填料在飽和狀態下采用擊實筒按壓實度0.80，0.85，0.90，0.95 分別進行壓實，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化巖紅層填料、母巖為泥質粉砂巖殘坡積土及全風化巖紅層填料、母巖為泥質粉砂巖殘坡積土及全風化巖（含礫石10%）紅層填料分別進行變水頭滲透試驗[5]，試驗數據平均值見表2。

表2 紅層填料滲透試驗

滲透試驗[6]表明，紅層殘坡積土及全風化巖填料的壓實系數達到0.90 以上時，土體的滲透性相對較小，隨壓實度的增加，空隙比隨之減小，滲透系數逐漸減小，表明壓實度對填料孔隙和滲透系數起控制作用[7]。

按國家標準[8]對土體滲透性等級進行分級。從上述試驗數據分析，當壓實度達到0.95 時，母巖為泥質粉砂巖殘坡積土及全風化巖和母巖為泥質粉砂巖殘坡積土及全風化巖（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化巖紅層填料為微透水；當壓實度達到0.90時，母巖為泥質粉砂巖殘坡積土及全風化巖和母巖為泥質粉砂巖殘坡積土及全風化巖（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化巖紅層填料為弱透水；當壓實度達到0.85 時，母巖為泥質粉砂巖殘坡積土及全風化巖和母巖為泥質粉砂巖殘坡積土及全風化巖（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化巖紅層填料為中等透水；當壓實度達到0.80 時，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產品科研倉儲物流基地填料進行現場試驗，此處填料物源為砂礫巖殘坡積土及全風化巖開挖自然堆填形成，回填時未經壓實。回填后8 個月壓實度為0.72，空隙比為0.892，滲透系數平均值為1.467×10?3cm/s；回填后18 個月壓實度升至0.83，空隙比降至0.631。

3 結論

以株洲地區紅層殘坡積土及全風化巖填料作為研究對象，進行了紅層地區填料現場自然休止角的調查，和3 類紅層填料分別在不同壓實度條件下室內滲透系數試驗的測定，結果表明：

（1）株洲地區紅層填料場地未經壓實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，母巖為砂礫巖紅層填料的自然休止角比母巖為泥質粉砂巖紅層填料自然休止角稍大；在邊坡高度較高時，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度條件下進行了室內滲透試驗，分別測定填料的空隙比與滲透系數，并對土體滲透性等級進行分級，試驗結果表明紅層殘坡積土及全風化巖填料的壓實度達到0.90 以上時，其滲透性相對較小。

（3）根據工程經驗，通常滲透系數數量級大于10?5cm/s 時，此時用水土分算為宜。在較高壓實狀態下（λ=0.90、0.95），3 類紅層填料的滲透系數均較小，支護結構土壓力可采用水土合算；在較低壓實度狀態下（λ=0.80），3 類紅層填料滲透系數數量級均為10?4cm/s，支護結構土壓力應采用水土分算。