株洲地区红层填料自然休止角与渗透系数研究*

卿启斌，肖猛，汤淼

(湖南省地质工程勘察院有限公司， 湖南 株洲市 412003)

0 引言

随着城市建设的迅猛发展，由于地形条件的限制，对于类似株洲地区白垩系红层沉积盆地的丘陵地貌，工程建设中不得不进行大量的挖方和填方，使得红层地区残坡积土及全风化岩填料场地的边坡和深基坑支护工程越来越多，但目前此类红层填料的综合内摩擦角取值和支护结构土压力计算是采用水土分算还是采用水土合算是工程领域的难题之一，相关的理论研究及实践调查均较少，其合理的选取对支护结构受力分析和经济、合理地确定支护结构方案有重要影响。本文以株洲地区红层残坡积土及全风化岩填料作为研究对象，进行了红层填料现场自然休止角的调查和三类红层填料分别在不同压实度条件下室内渗透系数试验的测定，得出红层地区填料自然休止角与渗透系数的参考值，为株洲及类似的红层丘陵地区填料场地边坡和基坑支护设计时填料参数的合理选取提供了基础数据。

1 红层填料自然休止角

红层一般发育在内陆盆地和湖泊环境，所以其沉积特征在粒度上呈现出一定的规律。红层盆地边缘往往堆积巨厚的洪积相混杂泥砾，往中心渐变为洪、冲积砾岩、砂砾岩、砂岩与河、湖积细砂、粉砂岩或泥质岩[1]。而接近湖盆中心的细碎屑堆积区，岩性的垂直变化一般较小[2]。

株洲红层地区下伏基岩为侏罗系和白垩系内陆湖相沉积的红色、褐红色岩体组成，岩性较为简单，大致可分为粗碎屑岩和细碎屑岩两种岩性[3]。粗碎屑岩一般为戴家坪组较坚硬厚层块状砂砾岩，一般为泥质、硅质或钙质胶结为主；细碎屑岩一般为高家田组、神皇山组及戴家坪组软弱的中—厚层状的泥质粉砂岩，以泥质胶结为主。

株洲地区红层填料自然休止角的调查地点分别位于石峰区铜霞路、天元区创业路、天元区新马西路与湘莲大道附近、天元区袁家冲附近、天元区湘江大道东侧、天元区008 县道附近等场地。总计进行10 个填料场地坡体的自然休止角的量测，填料坡体物源为红层残坡积土及全风化岩、泥质粉砂岩或砂砾岩经开挖填筑而成，角砾、碎石、块石含量约20%～40%，均为未经压实自然堆积而成，根据红层地区风化母岩的不同，将其分为母岩为砂砾岩和母岩为泥质粉砂岩两类红层填料，量测结果见图1。

从图1 可以看出，株洲地区红层填料场地未经压实在自然堆积条件下填方边坡自然休止角为34°～42°，其自然休止角角度随填方边坡高度增加总体上是略有下降的趋势。在边坡高度较低时，母岩为砂砾岩红层填料的自然休止角比母岩为泥质粉砂岩红层填料的自然休止角稍大；在边坡高度较高时，两类红层填料的自然休止角趋于接近。

图1 自然休止角与填方边坡高度关系

2 红层填料渗透试验

红层残坡积土及全风化岩填料场地填料来源主要可分为母岩为砂砾岩残坡积土及全风化岩红层填料，和母岩为泥质粉砂岩残坡积土及全风化岩红层填料两大类。其中，针对母岩为泥质粉砂岩残坡积土，及全风化岩红层填料在实际开挖堆积过程中一般含有一定量的碎石土，在研究母岩为泥质粉砂岩红层填料时，增加一类母岩为泥质粉砂岩残坡积土及全风化岩红层填料，添加中—微风化砂岩角砾、碎石10%，角砾、碎石为泥质粉砂岩破碎后形成。

试验样品取自株洲戴永红农产品科研仓储物流基地、株洲信息港、株洲市荷塘区桂花村等场地，对以上3 类红层填料进行室内渗透试验。

2.1 填料颗粒组成分析

颗粒组成是填料的最基本的物理性质和孔隙形成的基本条件，对红层残坡积土及全风化岩填料颗粒粒度分析，可以了解其构架组成，能够更好地认识红层残坡积土及全风化岩填料场地的工程特性。在研究过程中，对取得的样品的3 类红层填料进行了详细的粒径组成分析，统计分析见表1。

表1 填料颗粒组成分析

2.2 渗透系数测定方法

渗透系数测定方法一般根据所用试验装置的差异分为常水头试验和变水头试验，常水头试验适用于透水性较大的土体（κ＞10−3cm/s），当土样的透水性较差时，由于渗流量太小，加上水的蒸发等因素影响，宜采用变水头试验确定κ值[4]。根据红层填料渗透性的具体情况，试验采用变水头法来测定填料渗透系数。由于试验过程中填料样品需按规定的压实度进行压实，变水头法渗透试验装置采用直径为15.2 cm 的击实筒加工制作而成，试验中水流从一根直立的带有刻度的管自上而下渗过土样，从而进行土样渗透系数的测定，如图2 所示。

图2 变水头法渗透试验装置

2.3 填料渗透试验

3 类红层填料在饱和状态下采用击实筒按压实度0.80，0.85，0.90，0.95 分别进行压实，每类红层填料分别制作3 组试样。对母岩为砂砾岩残坡积土及全风化岩红层填料、母岩为泥质粉砂岩残坡积土及全风化岩红层填料、母岩为泥质粉砂岩残坡积土及全风化岩（含砾石10%）红层填料分别进行变水头渗透试验[5]，试验数据平均值见表2。

表2 红层填料渗透试验

渗透试验[6]表明，红层残坡积土及全风化岩填料的压实系数达到0.90 以上时，土体的渗透性相对较小，随压实度的增加，空隙比随之减小，渗透系数逐渐减小，表明压实度对填料孔隙和渗透系数起控制作用[7]。

按国家标准[8]对土体渗透性等级进行分级。从上述试验数据分析，当压实度达到0.95 时，母岩为泥质粉砂岩残坡积土及全风化岩和母岩为泥质粉砂岩残坡积土及全风化岩（含砾石10%）2 类红层填料为极微透水，母岩为砂砾岩残坡积土及全风化岩红层填料为微透水；当压实度达到0.90时，母岩为泥质粉砂岩残坡积土及全风化岩和母岩为泥质粉砂岩残坡积土及全风化岩（含砾石10%）2 类红层填料为微透水，母岩为砂砾岩残坡积土及全风化岩红层填料为弱透水；当压实度达到0.85 时，母岩为泥质粉砂岩残坡积土及全风化岩和母岩为泥质粉砂岩残坡积土及全风化岩（含砾石10%）2 类红层填料为弱透水，母岩为砂砾岩残坡积土及全风化岩红层填料为中等透水；当压实度达到0.80 时，3 类红层填料均为中等透水。

在研究过程中对株洲戴永红农产品科研仓储物流基地填料进行现场试验，此处填料物源为砂砾岩残坡积土及全风化岩开挖自然堆填形成，回填时未经压实。回填后8 个月压实度为0.72，空隙比为0.892，渗透系数平均值为1.467×10−3cm/s；回填后18 个月压实度升至0.83，空隙比降至0.631。

3 结论

以株洲地区红层残坡积土及全风化岩填料作为研究对象，进行了红层地区填料现场自然休止角的调查，和3 类红层填料分别在不同压实度条件下室内渗透系数试验的测定，结果表明：

（1）株洲地区红层填料场地未经压实在自然堆积条件下填方边坡自然休止角为34°～42°，其自然休止角角度随填方边坡高度增加总体上是略有下降的趋势。在边坡高度较低时，母岩为砂砾岩红层填料的自然休止角比母岩为泥质粉砂岩红层填料自然休止角稍大；在边坡高度较高时，两类红层填料的自然休止角趋于接近。

（2）3 类红层填料分别在不同压实度条件下进行了室内渗透试验，分别测定填料的空隙比与渗透系数，并对土体渗透性等级进行分级，试验结果表明红层残坡积土及全风化岩填料的压实度达到0.90 以上时，其渗透性相对较小。

（3）根据工程经验，通常渗透系数数量级大于10−5cm/s 时，此时用水土分算为宜。在较高压实状态下（λ=0.90、0.95），3 类红层填料的渗透系数均较小，支护结构土压力可采用水土合算；在较低压实度状态下（λ=0.80），3 类红层填料渗透系数数量级均为10−4cm/s，支护结构土压力应采用水土分算。