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)中常用的一個參數(shù)，是指地基土在外力作用下產(chǎn)生單位變位時所需的應(yīng)力，一般是通過野外載荷試驗進行測定的。但是因為土層埋藏深度不一，對于淺層的土層可以通過現(xiàn)場載荷試驗進行測定，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)試驗中的固結(jié)試驗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)試驗來模擬測定土的基床系數(shù)有其便捷和經(jīng)濟可行性。本文通過對大量土樣的室內(nèi)試驗成果分析，收集對比外業(yè)試驗資料與工程使用經(jīng)驗，對室內(nèi)試驗測定土的基準基床系數(shù)方法進行了探討。

1 常用測定方法

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

式中：P為基底某點的反力，kN/m2；S為相應(yīng)于該點的沉降量，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]。為便于評價土的特性與工程使用，一般由試驗測定土的基準基床系數(shù)。目前對土的基準基床系數(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)場平板載荷試驗直接測定[2]，間接測定法一種是通過對非標準承壓板的平板載荷試驗進行修正換算，另一種就是由室內(nèi)模擬試驗進行測定。室內(nèi)試驗方法可以通過三軸壓縮與固結(jié)試驗方法等進行測定。

非標準承壓板平板載荷試驗結(jié)果可通過式（2）、（3）進行換算[2]。

式中：KV1為由非標準承壓板平板載荷試驗所得的基床系數(shù)。

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

平板載荷試驗受土層埋深、經(jīng)費條件等限制，其數(shù)量與深度也同樣受限。而室內(nèi)壓縮試驗一定程度上可以彌補此問題，在有原狀土樣的情況下，可以批量地進行室內(nèi)試驗，并可對垂直、水平方向分別進行試驗，測定土的基床系數(shù)。

2 室內(nèi)固結(jié)試驗的設(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，考慮試驗批量化可行性及經(jīng)濟性因素，采用室內(nèi)固結(jié)試驗方法進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)作為一項常數(shù)項的指標，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～硬塑狀黏性土進行室內(nèi)固結(jié)試驗并進行了計算分析。

試驗采用KTG-98全自動固結(jié)試驗系統(tǒng)，可以消除加荷時的沖擊力影響，所需荷載可以根據(jù)情況靈活選擇設(shè)定。試驗采用全自動加荷法，可以分多級施加壓力，更細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成果的準確性至關(guān)重要。

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

從已有試驗數(shù)據(jù)分析，對于高壓縮性、流塑狀的淤泥質(zhì)土，其臨塑試驗荷載一般在50 kPa左右，可～硬塑狀黏性土的臨塑試驗荷載一般在100～200 kPa之間。因此，試驗選擇從較小的壓力12.5 kPa開始，試驗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）進行。

3 試驗數(shù)據(jù)分析與整理

根據(jù)試驗結(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，進入了塑性變形階段。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，達到快速固結(jié)，增加了土的強度與可塑性（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）計算固結(jié)試驗基床系數(shù)KV1（見表1）。

表1 固結(jié)試驗基床系數(shù)KV1、基準基床系數(shù)KV計算結(jié)果

一般認為基底壓力相同，承壓板寬度很小時，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，沉降量即趨于定值，不再隨寬度的增加而增加[2]。室內(nèi)試驗采用的環(huán)刀面積為30 mm2，等效換算承壓板寬度與基準基床系數(shù)的標準尺寸（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)場平板載荷試驗的實際壓縮土層厚度，且試驗采用的鋼環(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)試驗所測得的壓縮變形量要小?？紤]固結(jié)試驗設(shè)備的特點，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為試驗初始高度。

室內(nèi)固結(jié)試驗基準基床系數(shù)計算公式可進一步簡化為：

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

4 結(jié)語

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

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

3）室內(nèi)模擬試驗有其方便性和快捷性，但由于試驗結(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、中間運輸及試驗制備等環(huán)節(jié)對土樣擾動的影響。因此，室內(nèi)試驗測定基床系數(shù)時，應(yīng)注意嚴格控制每個環(huán)節(jié)的工作質(zhì)量，確保試驗精度。工程使用時，應(yīng)結(jié)合地基土特點綜合分析采用。

[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[M].上海：上海市地質(zhì)學(xué)會，1984.

[5]張三定，劉世斌.固結(jié)試驗法求取基床系數(shù)的運用[J].長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，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.