長(zhǎng)春伊通河中粗砂地層基床系數(shù)研究

劉秀秀 孫廣利

(吉林建筑大學(xué)測(cè)繪與勘查工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130118)

1 概述

1.1 基床系數(shù)的概念

基床系數(shù)是由Winkler于1867年提出的彈性地基模型中的一個(gè)概念.該模型與其他模型相比使計(jì)算過(guò)程得到簡(jiǎn)化，且工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)多，是目前地基模型中使用較多的一個(gè)[1].該地基模型認(rèn)為地基土表面上任一點(diǎn)所受的壓力強(qiáng)度p與該點(diǎn)的地基沉降量s成正比，這個(gè)比例系數(shù)K就是基床反力系數(shù)，也稱基床系數(shù)，單位為kN/m3.該系數(shù)是巖土工程中一個(gè)非常重要的參數(shù)，在工程設(shè)計(jì)中具有重要的實(shí)用意義.

1.2 基床系數(shù)的用途及影響因素

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，土木工程建設(shè)規(guī)模日益擴(kuò)大，如何正確地進(jìn)行地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)是一個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題.基床系數(shù)K在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中是一個(gè)重要參數(shù)，主要用于模擬地基土與結(jié)構(gòu)物的相互作用，計(jì)算結(jié)構(gòu)物的內(nèi)力以及變位.地基土基床系數(shù)的取值大小及分布形式，直接影響求解作用在擋土結(jié)構(gòu)物上的土壓力、位移和內(nèi)力，以及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的剪力、彎矩、撓度的計(jì)算，對(duì)工程安全可靠度有直接的影響[2－3].我國(guó)地域遼闊，巖土成因類型復(fù)雜多樣，并且基床系數(shù)的大小，除了與土體的類別、物理力學(xué)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)部分的形狀、大小、剛度及位移有關(guān)以外，還與基礎(chǔ)埋深、應(yīng)力水平、應(yīng)力狀態(tài)、地下水和時(shí)間效應(yīng)等因素有關(guān)，這些因素共同決定了基床系數(shù)是一個(gè)較難確定的指標(biāo)[3].為了確定基床系數(shù)K，各地區(qū)從事巖土工程的學(xué)者根據(jù)當(dāng)?shù)氐膸r土工程條件，在巖土工程勘察工作中進(jìn)行了大量的室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)，目的在于能確定出最符合本地區(qū)地基土的基床系數(shù).

1.3 基床系數(shù)的常用確定方法

Winkler提出的彈性地基模型中給出了計(jì)算基床系數(shù)K的定義式:

式中，p，s分別代表試驗(yàn)載荷和與該載荷對(duì)應(yīng)的沉降量，根據(jù)定義式可以直接確定K，稱之為載荷試驗(yàn)基床系數(shù).

1955年，K.Terzaghi提出了采用方形承壓板載荷試驗(yàn)測(cè)試地基土的基床系數(shù)，即根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)測(cè)得的p－s曲線求解.K.Terzaghi認(rèn)為，基床系數(shù)與載荷板的尺寸有關(guān)，故建議將標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)得出的基床系數(shù)分不同土類，并考慮基礎(chǔ)大小、形狀及埋置深度進(jìn)行修正，得出修正后的基床系數(shù)Kv.考慮承壓板的尺寸影響，對(duì)于砂土的基床系數(shù)其計(jì)算公式為:

對(duì)于粘性土的計(jì)算公式為:

式中，B為承壓板的直徑或邊長(zhǎng).

設(shè)計(jì)工作中在尺寸修正后考慮基礎(chǔ)的寬度影響得出地基土的基床系數(shù)，計(jì)算公式為:

對(duì)于粘性土:

式中，BF為基礎(chǔ)的寬度.

另外，還有一種根據(jù)沉降觀測(cè)資料確定基床系數(shù)K的方法:

式中，p為基礎(chǔ)底面平均壓力;s為實(shí)測(cè)沉降量.

無(wú)論是Winkler的定義計(jì)算方法，還是K.Terzaghi的修正公式，都需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)，考慮到現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)的難度，相關(guān)規(guī)范和文獻(xiàn)也推薦采用室內(nèi)三軸試驗(yàn)或固結(jié)試驗(yàn)的方法來(lái)測(cè)定基床系數(shù).還有一些學(xué)者建議可采用靜力觸探、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)及旁壓試驗(yàn)等間接方法測(cè)定基床系數(shù)，但在試驗(yàn)的過(guò)程中，因試樣和變形的尺寸問(wèn)題，存在p和s的取值標(biāo)準(zhǔn)差異性.而建筑物沉降觀測(cè)資料則耗費(fèi)時(shí)間，效率低，所以如何簡(jiǎn)單方便并且準(zhǔn)確地確定基床系數(shù)成為一個(gè)重要課題.

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

本文研究長(zhǎng)春伊通河地區(qū)中粗砂地層的基床系數(shù)，以現(xiàn)場(chǎng)淺層平板載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，建立標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)和靜力觸探錐尖阻力等與淺層平板載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)的相關(guān)關(guān)系式，以期得出計(jì)算基床系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式.

2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

本文中的實(shí)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)為長(zhǎng)春伊通河地區(qū)，該地區(qū)土的主要成分為砂土，砂土的成因主要是沖積、沖洪積，構(gòu)成河漫灘和階地.現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的試驗(yàn)有載荷試驗(yàn)(承壓板面積為0.5 m2)、雙橋靜力觸探試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，共收集了20組中粗砂地層的平板載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)分析和篩選，其中，13組數(shù)據(jù)具有代表性和統(tǒng)計(jì)意義.試驗(yàn)及測(cè)試成果相關(guān)數(shù)據(jù)見表1.

表1 長(zhǎng)春市伊通河地區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，中粗砂土層的基床系數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)關(guān)系曲線如圖1所示.圖1表明，中粗砂土層基床系數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)線性相關(guān)，相關(guān)數(shù)為0.870.該地區(qū)可以應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)指標(biāo)推算該地的基床系數(shù)，計(jì)算所采用的經(jīng)驗(yàn)公式如下:

式中，KV為基床系數(shù)，104kN/m3;N為標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù).

圖1 粗砂土層的基床系數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)關(guān)系曲線

中粗砂土層的基床系數(shù)與靜探錐尖阻力關(guān)系曲線圖如圖2.圖2表明，中粗砂土層基床系數(shù)與雙橋靜力觸探錐尖阻力線性相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)為0.766.

圖2 粗砂土層的基床系數(shù)與雙橋靜力觸探錐尖阻力關(guān)系曲線

該地區(qū)可應(yīng)用雙橋靜力觸探錐尖阻力指標(biāo)推算該地的基床系數(shù)，計(jì)算采用的經(jīng)驗(yàn)公式如下:

式中，KV為基床系數(shù)，104kN/m3;qc為雙橋靜探錐尖阻力，MPa(當(dāng)使用單橋探頭進(jìn)行靜探試驗(yàn)時(shí)，比貫入阻力Ps=1.1qc).

中粗砂土層的基床系數(shù)與變形模量關(guān)系曲線如圖3.

圖3粗砂土層的基床系數(shù)與變形模量關(guān)系曲線

圖3 表明，中粗砂土層基床系數(shù)與變形模量線性相關(guān)，相關(guān)數(shù)為0.976.該地區(qū)可以應(yīng)用變形模量指標(biāo)推算相應(yīng)的基床系數(shù)，計(jì)算采用的經(jīng)驗(yàn)公式如下:

式中，KV為基床系數(shù)，104kN/m3;E0為變形模量，MPa.

3 結(jié)語(yǔ)

(1)根據(jù)載荷試驗(yàn)確定基床系數(shù)是最可靠的方法，在沒(méi)有或缺少當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)的情況下應(yīng)由載荷試驗(yàn)方法確定基床系數(shù);

(2)利用原位靜力觸探試驗(yàn)指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)指標(biāo)確定基床系數(shù)的方法簡(jiǎn)便可靠.本文運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法建立標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)、靜力觸探錐尖阻力等與淺層平板載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)的相關(guān)關(guān)系，研究并得出了利用靜探錐尖阻力、標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)及變形模量計(jì)算基床系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式;

(3)根據(jù)文中3個(gè)關(guān)系曲線圖的對(duì)比可以得出，長(zhǎng)春伊通河中粗砂土層的基床系數(shù)與變形模量相關(guān)性最大.所以，在利用回歸方程確定基床系數(shù)時(shí)，可優(yōu)先采用基床系數(shù)與變形模量的關(guān)系式.

[1]屈峰玉.基床系數(shù)測(cè)試方法的研究及應(yīng)用[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué)，2008.

[2]陳定安，茅加峰.室內(nèi)基床系數(shù)測(cè)試方法研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2011(2):282－283.

[3]黃 緯，袁燦勤.對(duì)基床系數(shù)試驗(yàn)方法的淺析[J].西部探礦工程，2007(12):40－41.