全、強風化砂巖填料粗細比對滲透系數影響研究

劉振宇，馮文凱，譚 歡，李 坤

（成都理工大學環(huán)境與土木工程學院，四川成都610059）

全、強風化砂巖填料粗細比對滲透系數影響研究

劉振宇1，馮文凱2，譚 歡3，李 坤4

（成都理工大學環(huán)境與土木工程學院，四川成都610059）

在我國西南地區(qū)廣泛分布有厚度較大的全、強風化砂巖，可將其部分應用于填方工程中；影響該類填料滲透性的因素有很多，研究填料粗細比對滲透系數的影響，通過加強對水的控制，來提高填料的強度。針對不同粗細比的全、強風化砂巖擊實試樣進行變水頭滲透試驗，結果顯示：當粗細比為4∶6時，不均勻系數Cu為45.5，曲率系數Cc為12.85時，滲透系數最小為1.8×10-6cm/s。此外，將滲透系數k分別與Cu、Cc和CuCc進行擬合分析，結果顯示：滲透系數k與CuCc的相關度最大，并通過擬合得到滲透系數關于不均勻系數與曲率系數的經驗公式。該公式對于降低填料含水率并提高強度有重大意義，可進一步用于對填料粗細比的評價。

全、強風化砂巖；滲透系數；曲率系數；擬合分析

伴隨著我國西部地區(qū)經濟的迅猛發(fā)展，在大力開展西部大開發(fā)的進程中，國家在西南地區(qū)規(guī)劃了大量的工程建設項目，且主要分布在川渝紅層地區(qū)。該地區(qū)分布有大量的三疊系河湖相的沉積巖層，由于成巖的時間較短，固結度較低，存在易風化的特點。此外，機場在選址的過程中，為了盡可能少地占用耕地和居民房屋，一般將場址選擇在低山丘陵地區(qū)，地勢落差較大，必將涉及到浩大的土石方工程。針對于紅層地區(qū)的高填方工程，一般采用挖方區(qū)的砂泥巖碎石料；而巴中機場場區(qū)分布有大量的全、強風化砂巖，所以其必將成為填料的主體［1］。

以往的研究表明，全、強風化砂巖填料受水的影響較大，而滲透系數作為描述液體流過填方體性質的重要指標，對于全、強風化砂巖填方體的穩(wěn)定性研究具有重要意義。影響滲透性的因素主要有巖土體自身的性質、壓實度、流體的黏滯程度和顆粒級配等。粗細比作為影響滲透系數的關鍵因素，眾多學者就此展開研究。邱賢德等［2］研究發(fā)現堆石體中的細顆粒含量與滲透系數存在負指數關系；孔令偉等［3-4］研究發(fā)現碎石體的滲透系數同樣隨細顆粒含量增加而逐漸減??；許建聰等［5］研究發(fā)現碎石土的滲透系數隨碎塊石含量的增大呈指數增長，而隨細顆粒的增加呈指數下降，尤其受顆粒粒徑在0.1 mm～2 mm范圍內的影響。

本文主要針對不同粗細比的全、強風化砂巖填料的不均勻系數Cu、曲率系數Cc和滲透系數k三者之間的關系展開研究，并將所得結論應用于生產實踐之中。

1 試驗材料與試驗過程

1.1 試驗材料

試驗材料采用白堊系下統(tǒng)白龍組（k1b）砂巖，并且主要為全、強風化砂巖，主要成分為以石英、長石、云母和方解石；呈土黃色并夾雜紫紅色砂泥巖，風化程度越高顏色越偏黃。

圖1 天然全強風化砂巖的顆粒累計曲線和顆粒分布曲線

表1 天然試樣基本物理指標

表2 天然全強風化砂巖顆粒級配情況

1.2 試驗過程

本次試驗采用變水頭滲透試驗，試驗所用儀器設備主要由滲透容器和變水頭裝置組成。滲透容器為TST-55型滲透儀，由環(huán)刀、透水石、套環(huán)、上蓋和下蓋組成（見圖2）。環(huán)刀內徑為61.8 mm，高為40 mm；透水石的滲透系數大于10-3cm/s。變水頭裝置由滲透容器、變水頭管、供水瓶和進水管組成。

試驗中，將粒徑大于5 mm小于60 mm的全、強風化砂巖顆粒定義為粗顆粒，小于5 mm的全、強風化砂巖顆粒定義為細顆粒。試驗時按粗顆粒含量分別為90%、80%、70%、60%、50%、40%、30%、20%、10%，的級配進行配料，且將試樣干密度ρd控制在1.85 g/cm3左右，分三層擊實，將每一層試樣以同等擊實功擊實，從而保證試樣的干密度和均勻性。

進行滲透試驗之前采用抽氣飽和法，將所有試樣放入真空缸內，并抽成真空，抽氣時間為1.5 h，飽和時間為24 h。

圖2 滲透試驗裝置

在進行滲透前，先由底部排氣嘴出水，排除底部空氣至氣嘴無氣泡產出時關閉排氣嘴，水自下向上滲流由頂部出水管排水。向變水頭管注入純水使水位上升至預定高度，一般不應小于2 m。待水位穩(wěn)定后，開進水管夾，使水通過試樣并開始記錄水頭變化和時間間隔并計算滲透系數k［8-9］。

2 試驗結果分析

2.1 不同粗細比下級配參數變化情況

按以下公式計算不均勻系數Cu和曲率系數Cc。式中：d60為小于某粒徑累計百分含量為60%所對應的顆粒粒徑；d30為小于某粒徑累計百分含量為30%所對應的顆粒粒徑；d10為小于某粒徑累計百分含量為10%所對應的顆粒粒徑。

圖3為不同粗細比的全強風化砂巖填料的級配曲線，圖4為不均勻系數Cu和曲率系數Cc隨粗細比的變化曲線圖。

According to the RS diffraction theory28–30, the field at an arbitrary observation plane at a distance z can be written as:

由圖4可知：（1）隨著粗顆粒含量的逐漸增加，不均勻系數Cu和曲率系數Cc均呈現出先增高后降低的趨勢，在不同階段下會出現相同的Cu、Cc值［10-11］。

圖3 天然全強風化砂巖的顆粒級配曲線

圖4 Cu、Cc隨粗細比的變化曲線圖

（2）Cu曲線為圓滑的凸形，Cc曲線為尖銳的山峰形；且當粗顆粒小于50%時，不均勻系數Cu與曲率系數Cc同步增長，當粗顆粒含量大于50%時，曲率系數Cc發(fā)生驟降，最終穩(wěn)定于15左右，而Cu曲線勻速下降；當粗顆粒大于90%時，不均勻系數Cu和曲率系數Cc均逼近于0。

（3）曲率系數Cc在粗細比為5∶5時，達到最大值，為20.42；不均勻系數Cu在粗細比為6∶4時，達到最大值，為92.67。

2.2 級配參數對滲透性的影響

2.2.1 不均勻系數對滲透系數的影響

圖5為滲透系數與不均勻系數的相關關系曲線，該曲線呈拋物線型，隨著不均勻系數的增加，滲透系數先減少后增加，二者相關度為0.92，不均勻系數是反映顆粒離散程度的量［12］，不均勻系數越大，顆粒粒度變化范圍越大，此時粗細顆粒粒徑相差懸殊，粗顆粒之間的孔隙無法得到充分填充，致使?jié)B透系數較大。當填料粗細比為4∶6時，不均勻系數為45.5時，滲透系數最小為1.8×10-6cm/s，此時細顆粒剛好填充與粗顆粒之間的孔隙中，導致滲透系數最?。?3］。

圖5 滲透系數與不均勻系數的相關關系

2.2.2 曲率系數對滲透系數的影響

圖6為滲透系數與曲率系數的相關關系曲線，由圖6可知，曲率系數與滲透系數呈二次拋物線關系；伴隨著曲率系數的逐漸增大，滲透系數同樣呈現出先減少后增加的趨勢，二者相關性較差，相關度僅為0.64。曲率系數反映了顆粒組成的連續(xù)性，系數越大表明粒組缺失越嚴重，反映在級配曲線中為明顯的平臺段［7］，將直接導致大顆粒間的孔隙不能得到充分填充，滲透系數偏大。對于全、強風化砂巖擊實試樣來講，曲率系數為12.85時，滲透系數最小為1.8×10-6cm/s，與此對應的填料粗細比為4∶6。綜合以上分析，為了使全強風化砂巖填料的滲透系數最小，將填料粗細比定為4∶6較為合適。

由圖4～圖6可知，當全、強風化砂巖填料粗細比不同時，對應的不均勻系數與曲率系數可能是相同的，滲透系數也是相同的。填料粗細比可影響不均勻系數和曲率系數，進而影響滲透系數，所以根本影響因子為填料的不均勻系數和曲率系數。

圖6 滲透系數與曲率系數的相關關系

2.2.3 綜合分析

通過以上相關性分析，滲透系數與不均勻系數和曲率系數均存在一定的二次關系，但相關度較低。為了得到不均勻系數與曲率系數對于滲透系數的綜合影響，引入系數λ=CuCc［14］，將λ與滲透系數k擬合，并進行相關性分析（見圖7）。λ與滲透系數k有著密切的二次拋物線關系，相關度可達0.97。最終得到滲透系數k關于Cu和Cc的經驗公式

k=6×10-13λ2-1.1×10-9λ+2.2×10-6（3）式中λ=CuCc。該公式可供全強風化砂巖填料粗細比選擇時使用。

圖7 滲透系數與λ的相關關系

3 結 論

（1）通過對不同粗細比的全、強風化砂巖填料研究，不均勻系數和曲率系數均隨著粗顆粒的增加而先增加后減少；不均勻系數曲線呈圓滑的凸形，而曲率系數曲線呈尖銳的山峰形。

（2）全、強風化山巖填料的滲透系數與顆粒的絕對含量無關，主要取決于顆粒與顆粒之間的相對含量與空間相對位置關系等。

（3）當粗細比為4∶6時，不均勻系數Cu為45.5，曲率系數Cc=12.85；此時，全、強風化砂巖滲透系數最小為1.8×10-6cm/s。

（4）滲透系數與不均勻系數和曲率系數均呈二次拋物線關系，相關度均不高。但滲透系數k與λ=CuCc的相關性較好，相關度可達0.97，并擬合出滲透系數k關于Cu和Cc的經驗公式，供選擇填料粗細比時使用。也說明了不均勻系數與曲率系數共同控制滲透系數的大小，但實質上還是取決于d60，d30和d10的大小［15-16］。

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Pepmeability Coefficient Influenced by Gradation Characteristics of the Full and Strong Weathered Sandstones Filler

LIU Zhenyu1，FENG Wenkai2，TAN Huan3，LI Kun4
（College of Environment and Civil Engineering，Chengdu University of Technology，Chengdu，Sichuan 610059，China）

Lots of full and strong weathered sandstone is distributed in southwest China，which can be applied to fill engineering.There are many factors influencing the permeability of filler，this paper focuses on the filler grading on the permeability coefficient，by controlling the amount of water and the strength of it can be efficiently improved.This research carry out the variable head permeability experiments on the whole and strong weathered sandstone compacted samples with different grading cases.The experiment results are as follows，when the grading ratio is 4∶6，the uniformity coefficient is 45.5 and the curvature coefficient is 12.85，the minimum permeability coefficient is 1.8×10-6cm/s.Finally，fitting analysis about permeability coefficient，uniformity coefficient and curvature coefficient are finished.The results showed that the permeability coefficient has the greatest association with CuCc.The empirical formula about the permeability coefficient can be derived，the uniformity coefficient and the curvature coefficient，which has a significant influence of decreasing the moisture content of the filler and improving the strength of it，and the grading of it can be evaluated further.

full and strong weathered sandstone；permeability coefficient；curvature coefficient；fitting analysis

TU441+.33

A

1672—1144（2016）05—0026—04

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.05.005

2016－07－10

2016－08－13

國家自然科學基金項目（41572291）

劉振宇（1994—），男，黑龍江齊齊哈爾人，本科生，所學專業(yè)為巖土工程。E－mail：1614332980@qq.com