室內(nèi)固結(jié)試驗(yàn)測定基準(zhǔn)基床系數(shù)的方法與分析

朱智勇，曹玉蘋

（浙江省工程勘察院，浙江 寧波 315012）

0 引言

基床系數(shù)，也稱彈性抗力系數(shù)或地基反力系數(shù)，是工程建設(shè)中常用的一個(gè)參數(shù)，是指地基土在外力作用下產(chǎn)生單位變位時(shí)所需的應(yīng)力，一般是通過野外載荷試驗(yàn)進(jìn)行測定的。但是因?yàn)橥翆勇癫厣疃炔灰?，對于淺層的土層可以通過現(xiàn)場載荷試驗(yàn)進(jìn)行測定，但中深層土的測定難度較大，也容易產(chǎn)生偏差。當(dāng)前勘探手段相對來說比較成熟，可以采取不同深度的原狀土樣。室內(nèi)試驗(yàn)中的固結(jié)試驗(yàn)就是測試土樣在不同壓力下的固結(jié)變形特征，與基床系數(shù)測定條件非常相似。因此，通過室內(nèi)固結(jié)試驗(yàn)來模擬測定土的基床系數(shù)有其便捷和經(jīng)濟(jì)可行性。本文通過對大量土樣的室內(nèi)試驗(yàn)成果分析，收集對比外業(yè)試驗(yàn)資料與工程使用經(jīng)驗(yàn)，對室內(nèi)試驗(yàn)測定土的基準(zhǔn)基床系數(shù)方法進(jìn)行了探討。

1 常用測定方法

土的基床系數(shù)為文克爾假設(shè)中基底某點(diǎn)的反力與該點(diǎn)沉降的比值[1]，為P-S曲線直線段的斜率，其表達(dá)式為：

式中：P為基底某點(diǎn)的反力，kN/m2；S為相應(yīng)于該點(diǎn)的沉降量，m。

K值的確定比較復(fù)雜，基床系數(shù)的大小與地基土的類別、土的狀況、物理力學(xué)特性、基礎(chǔ)的形狀及作用面積受力狀況等有關(guān)。有研究表明，在同一壓力作用下，K不是常數(shù)，與基礎(chǔ)埋深、面積、形狀等因素有關(guān)[1]。為便于評價(jià)土的特性與工程使用，一般由試驗(yàn)測定土的基準(zhǔn)基床系數(shù)。目前對土的基準(zhǔn)基床系數(shù)測定方法主要分直接與間接測定兩種。直接測定法就是用邊長為30 cm的方形承壓板的現(xiàn)場平板載荷試驗(yàn)直接測定[2]，間接測定法一種是通過對非標(biāo)準(zhǔn)承壓板的平板載荷試驗(yàn)進(jìn)行修正換算，另一種就是由室內(nèi)模擬試驗(yàn)進(jìn)行測定。室內(nèi)試驗(yàn)方法可以通過三軸壓縮與固結(jié)試驗(yàn)方法等進(jìn)行測定。

非標(biāo)準(zhǔn)承壓板平板載荷試驗(yàn)結(jié)果可通過式（2）、（3）進(jìn)行換算[2]。

式中：KV1為由非標(biāo)準(zhǔn)承壓板平板載荷試驗(yàn)所得的基床系數(shù)。

室內(nèi)固結(jié)試驗(yàn)法是根據(jù)固結(jié)試驗(yàn)中測得的應(yīng)力與變形關(guān)系來確定土的基床系數(shù)[3]。

平板載荷試驗(yàn)受土層埋深、經(jīng)費(fèi)條件等限制，其數(shù)量與深度也同樣受限。而室內(nèi)壓縮試驗(yàn)一定程度上可以彌補(bǔ)此問題，在有原狀土樣的情況下，可以批量地進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，并可對垂直、水平方向分別進(jìn)行試驗(yàn)，測定土的基床系數(shù)。

2 室內(nèi)固結(jié)試驗(yàn)的設(shè)備與方法

根據(jù)基床系數(shù)的定義及上述分析的測定方法，考慮試驗(yàn)批量化可行性及經(jīng)濟(jì)性因素，采用室內(nèi)固結(jié)試驗(yàn)方法進(jìn)行測定并作分析研究。

根據(jù)土力學(xué)原理，地基土的受壓變形主要分為三個(gè)階段：彈性變形階段、塑性變形階段和破壞變形階段。而基床系數(shù)作為一項(xiàng)常數(shù)項(xiàng)的指標(biāo)，為位于臨塑荷載前彈性變形階段的壓力-變形關(guān)系常數(shù)，該階段土體的變形與所受的荷載呈線性增長的關(guān)系。

為便于研究，以及對比需要，對浙東、浙東南地區(qū)的大量淤泥質(zhì)土（或淤泥）、可～硬塑狀黏性土進(jìn)行室內(nèi)固結(jié)試驗(yàn)并進(jìn)行了計(jì)算分析。

試驗(yàn)采用KTG-98全自動固結(jié)試驗(yàn)系統(tǒng)，可以消除加荷時(shí)的沖擊力影響，所需荷載可以根據(jù)情況靈活選擇設(shè)定。試驗(yàn)采用全自動加荷法，可以分多級施加壓力，更細(xì)致地反映出土樣在受到不同壓力情況下的豎向變形特征。尤其對于淤泥質(zhì)土、軟土來說，其初級壓力的選擇合適與否對試驗(yàn)成果的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。

采用全自動固結(jié)試驗(yàn)采集儀自動記錄土樣在每級壓力下的歷時(shí)變形量，按快速固結(jié)法，每隔2 h逐級加荷進(jìn)行試驗(yàn)[4]，并采用末級判穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn)（施加末級荷載2 h以后，每小時(shí)變形量不超過0.01 mm作為穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)）結(jié)束試驗(yàn)。

從已有試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，對于高壓縮性、流塑狀的淤泥質(zhì)土，其臨塑試驗(yàn)荷載一般在50 kPa左右，可～硬塑狀黏性土的臨塑試驗(yàn)荷載一般在100～200 kPa之間。因此，試驗(yàn)選擇從較小的壓力12.5 kPa開始，試驗(yàn)加荷順序按高壓固結(jié)加壓等級（12.5，25，50，100，200，400，800，1 600，3 200 kPa）進(jìn)行。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與整理

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，繪制壓力－變形（P-S）曲線（見圖1）。從曲線特征看，第一階段的變形較明顯，土樣變形隨荷載的增加呈線性增加的特征，并于臨塑荷載出現(xiàn)了拐點(diǎn)，進(jìn)入了塑性變形階段。第二階段塑性變形范圍增大，變形量增加緩慢，其原因主要有：一方面，室內(nèi)固結(jié)試驗(yàn)采用的鋼環(huán)限制了土樣的側(cè)向變形，使得土的壓縮變形方向只能沿著垂直方向發(fā)展；另一方面，在固結(jié)試驗(yàn)中，允許土顆粒間的自由水排出，使土顆粒間能更緊密地接觸，達(dá)到快速固結(jié)，增加了土的強(qiáng)度與可塑性（塑性變形區(qū)），減慢了土的破壞發(fā)展。

圖1 室內(nèi)固結(jié)試驗(yàn)典型P-S曲線

按臨塑荷載前的彈性變形階段取值代入式（1）計(jì)算固結(jié)試驗(yàn)基床系數(shù)KV1（見表1）。

表1 固結(jié)試驗(yàn)基床系數(shù)KV1、基準(zhǔn)基床系數(shù)KV計(jì)算結(jié)果

一般認(rèn)為基底壓力相同，承壓板寬度很小時(shí)，寬度的大小與沉降量的增加成反比，當(dāng)承壓板的寬度超過一定值后，寬度的增加與沉降量的增加成正比，當(dāng)寬度再增加時(shí)，沉降量即趨于定值，不再隨寬度的增加而增加[2]。室內(nèi)試驗(yàn)采用的環(huán)刀面積為30 mm2，等效換算承壓板寬度與基準(zhǔn)基床系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)尺寸（0.3 m）同處一變化特征區(qū)間，因此尺寸效應(yīng)的換算可采用公式（2）、（3）。但由于室內(nèi)試驗(yàn)的試樣高度h0=2 cm，小于相同面積載荷板現(xiàn)場平板載荷試驗(yàn)的實(shí)際壓縮土層厚度，且試驗(yàn)采用的鋼環(huán)限制了試樣的側(cè)向變形。在相同載荷板面積的條件下，室內(nèi)試驗(yàn)所測得的壓縮變形量要小?？紤]固結(jié)試驗(yàn)設(shè)備的特點(diǎn)，壓縮變形量調(diào)整系數(shù)α可按下式近似考慮[5]：

式中：D為環(huán)刀直徑；h0為試驗(yàn)初始高度。

室內(nèi)固結(jié)試驗(yàn)基準(zhǔn)基床系數(shù)計(jì)算公式可進(jìn)一步簡化為：

采用式（5）、（6）計(jì)算結(jié)果（見表1），淤泥質(zhì)土的基準(zhǔn)基床系數(shù)為0.1×104～0.4×104kN/m3，可～硬塑狀黏性土的基準(zhǔn)基床系數(shù)為1.6×104～9.2×104kN/m3，與現(xiàn)場試驗(yàn)值及各規(guī)范經(jīng)驗(yàn)值符合良好[6]。

4 結(jié)語

1）通過對室內(nèi)固結(jié)試驗(yàn)壓力等級施加、穩(wěn)定時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)定，可以模擬野外地基土的受力變形狀態(tài)，進(jìn)行土的基床系數(shù)的測定，并通過相關(guān)的換算，求取土的基準(zhǔn)基床系數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果也比較可靠。

2）室內(nèi)固結(jié)試驗(yàn)測定地基土的基準(zhǔn)基床系數(shù)，可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)批量測定，為單位工程提供更多的數(shù)據(jù)；同時(shí)也可減少費(fèi)用的投入，克服野外現(xiàn)場測試的深度、廣度限制。

3）室內(nèi)模擬試驗(yàn)有其方便性和快捷性，但由于試驗(yàn)結(jié)果受試樣的尺寸、樣品的代表性、地基土的均勻性，以及土樣的鉆探采取、中間運(yùn)輸及試驗(yàn)制備等環(huán)節(jié)對土樣擾動的影響。因此，室內(nèi)試驗(yàn)測定基床系數(shù)時(shí)，應(yīng)注意嚴(yán)格控制每個(gè)環(huán)節(jié)的工作質(zhì)量，確保試驗(yàn)精度。工程使用時(shí)，應(yīng)結(jié)合地基土特點(diǎn)綜合分析采用。

[1]龔曉南，潘秋元，張季容，等.土力學(xué)及基礎(chǔ)工程實(shí)用名詞詞典[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，1993.

[2]常士驃，張?zhí)K民.工程地質(zhì)手冊[M].第四版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

[3]GB50307-1999，地下鐵道、輕軌交通巖土工程勘察規(guī)范[S].

[4]甘德福，袁雅康.土的基本性質(zhì)與室內(nèi)土工試驗(yàn)[M].上海：上海市地質(zhì)學(xué)會，1984.

[5]張三定，劉世斌.固結(jié)試驗(yàn)法求取基床系數(shù)的運(yùn)用[J].長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008（3）：20-22.

[6]顧曉魯.地基與基礎(chǔ)[M].第三版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003.