摘 要：本文以烏魯木齊地鐵1號(hào)線卵石土基床系數(shù)的測(cè)試為例，根據(jù)沿線卵石土的巖土特性，采用了K30載荷試驗(yàn)直接測(cè)定和非標(biāo)準(zhǔn)板載荷試驗(yàn)間接測(cè)定2種試驗(yàn)方法。結(jié)果表明，采用K30載荷試驗(yàn)方法無(wú)法客觀、準(zhǔn)確測(cè)試烏魯木齊卵石土的基床系數(shù)，采用非標(biāo)準(zhǔn)板K80載荷試驗(yàn)?zāi)軌蛉〉幂^準(zhǔn)確的測(cè)試結(jié)果；實(shí)測(cè)烏魯木齊密實(shí)卵石基床系數(shù)范圍值為93MPa/m～132MPa/m，建議值為115MPa/m；卵石土中粒徑60mm～200mm的顆粒對(duì)基床系數(shù)測(cè)試的準(zhǔn)確性影響較大，建議現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)承壓板直徑應(yīng)大于卵石土層最大粒徑的5倍。研究結(jié)果為烏魯木齊卵石土基床系數(shù)的確定提供了參考案例。

關(guān)鍵詞：卵石土；基床系數(shù)K；載荷試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TU 413" " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

基床系數(shù)是指巖土體在外力作用下，單位面積巖土體產(chǎn)生單位變形情況下所需的壓力，也稱彈性抗力系數(shù)或地基反力系數(shù)。按照巖土體受力方向，基床系數(shù)分為水平基床系數(shù)Kh和垂直基床系數(shù)Kv，最早出于E.Winkler（文克爾）在1867年提出的彈性地基假設(shè)。文克爾認(rèn)為地基上任一點(diǎn)的變形s與所受的壓力p成正比，即p=Ks，其中的比例系數(shù)K稱為基床系數(shù)。

基床系數(shù)是城市地鐵工程設(shè)計(jì)中一個(gè)非常重要的參數(shù)，可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)物內(nèi)力和變位，其取值直接影響作用在擋土結(jié)構(gòu)物的土壓力、位移和內(nèi)力的求解，對(duì)工程措施的合理選擇、工程造價(jià)和安全可靠性程度也有重要影響。

1 研究現(xiàn)狀

烏魯木齊城市軌道交通1號(hào)線大西溝-國(guó)際機(jī)場(chǎng)段位于山前沖、洪積傾斜平原區(qū)，地區(qū)內(nèi)卵石土廣泛分布，厚度20m～35m，成分以砂巖、灰?guī)r為主，渾圓狀，磨圓度較好，粒徑組成為2mm～20mm約10%，20mm～60mm約40%，60mm～200mm約20%，余為雜砂礫砂與粉黏粒充填，零星分布粒徑約200mm～450mm的漂石。地鐵結(jié)構(gòu)基底主要位于密實(shí)的卵石土中。

地鐵埋深較大，一般在地下十幾米，當(dāng)?shù)厝鄙偕顚勇咽粱蚕禂?shù)的取值經(jīng)驗(yàn)。為了確定基床系數(shù)，北京等大型城市都進(jìn)行了大量試驗(yàn)和研究，積累了一定的地方經(jīng)驗(yàn)。周宏磊、張?jiān)诿鱗1]在大量原位載荷試驗(yàn)結(jié)果和室內(nèi)土工試驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立了不同土類室內(nèi)壓縮模量與基床系數(shù)間的數(shù)值統(tǒng)計(jì)關(guān)系，方便了對(duì)已有成果資料的有效利用。但是，由于對(duì)卵石土欲取原狀土樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，只能利用荷載試驗(yàn)資料確定，因此利用這種統(tǒng)計(jì)關(guān)系無(wú)法確定烏魯木齊卵石土的基床系數(shù)。汪定熵、羅毅[2]在收集了成都地區(qū)卵石土大量工程實(shí)踐資料后，建立了N120和ES的相關(guān)公式，并推薦使用壓縮模量來(lái)計(jì)算砂卵石土的基床系數(shù)。嚴(yán)耿升等[3]對(duì)旁壓試驗(yàn)和重型圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了折減，間接獲取了砂卵石基床系數(shù)。肖鴻斌[4]收集杭州地區(qū)多條地鐵的原位測(cè)試，包括深層螺旋板試驗(yàn)、扁鏟試驗(yàn)和旁壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在最新規(guī)范框架前提下提出均按基礎(chǔ)尺寸和土性進(jìn)行雙修正的方法。張永榮[5]比較扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)法、靜力觸探法、K30試驗(yàn)法、預(yù)鉆式旁壓法和標(biāo)準(zhǔn)貫入法的各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出各類原位測(cè)試方法適合于福州地區(qū)的修正公式和修正系數(shù)，并給出了各方法的優(yōu)劣排序。但是以上方法均沒(méi)有列出適合相應(yīng)卵石土的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，能否用上述方法類比計(jì)算烏魯木齊卵石土的基床系數(shù)，還需要進(jìn)一步探討。

本文采用載荷試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)試，對(duì)不同載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果和相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)分析，從而找出適合烏魯木齊卵石土基床系數(shù)的測(cè)試方法，為烏魯木齊軌道交通和其他工程的建設(shè)積累巖土工程勘察經(jīng)驗(yàn)，提高工程的經(jīng)濟(jì)學(xué)和可靠性。

2 測(cè)試方法

Terzaghi認(rèn)為基床系數(shù)K與基礎(chǔ)（載荷板）尺寸、形狀等因素有關(guān)，其最早采用面積為929.03cm2的載荷板（邊長(zhǎng)30.5cm）進(jìn)行載荷試驗(yàn)，以測(cè)試基床系數(shù)。

目前《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范（GB50307—2012）》中規(guī)定，基床系數(shù)在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定過(guò)程中宜采用K30方法，即采用直徑30cm的載荷板垂直或水平加載試驗(yàn)，得出的結(jié)果為基準(zhǔn)基床系數(shù)Kv，也稱K30。

根據(jù)《工程地質(zhì)手冊(cè)（第五版）》，如果載荷試驗(yàn)的承壓板邊長(zhǎng)或直徑b不是標(biāo)準(zhǔn)的30cm，可以利用公式（1）、公式（2）換算成基準(zhǔn)基床系數(shù)，進(jìn)行間接測(cè)定。

對(duì)于黏性土：

K_v=（b/0.3）Kv1 （1）

對(duì)于砂土等粗粒土：

K_v=[4b²/（b+0.3）²]K_v1 （2）

式中：K_v為基準(zhǔn)基床系數(shù)；K_v1為非標(biāo)準(zhǔn)承壓板載荷試驗(yàn)得到的基床系數(shù)。

3 K30載荷試驗(yàn)直接測(cè)定

3.1 試驗(yàn)概況

本次K30基床反力系數(shù)測(cè)試工作主要在既有剪切試驗(yàn)基坑內(nèi)進(jìn)行，具體試驗(yàn)位置主要集中在青海路剪切試驗(yàn)基坑和城北主干道西段東側(cè)剪切試驗(yàn)基坑內(nèi)的密實(shí)卵石土層，共計(jì)進(jìn)行32組K30基床系數(shù)測(cè)試工作。

3.2 資料分析與數(shù)據(jù)處理

本次K30試驗(yàn)基床反力系數(shù)結(jié)果數(shù)據(jù)離散性大，并且與規(guī)范經(jīng)驗(yàn)值所給范圍相差較大，見表1。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況分析，造成該現(xiàn)象的主要原因如下所示。

第一，由于本次試驗(yàn)土層的巖性為卵石土，局部含200mm～450mm的漂石，因此在試驗(yàn)過(guò)程中很難避免試驗(yàn)點(diǎn)下含有大顆粒漂石。對(duì)K30承壓板30cm的直徑來(lái)說(shuō)，當(dāng)承壓板下有卵石顆粒粒徑大于120mm時(shí)，加載過(guò)程中承壓板的力主要作用于骨架顆粒上，其產(chǎn)生的位移偏小，則計(jì)算出的試驗(yàn)結(jié)果會(huì)偏大。

第二，地層為粗顆粒卵石，試驗(yàn)面凸凹不平，為了找平試驗(yàn)點(diǎn)，通常需要鋪設(shè)厚2cm～3cm的水泥砂漿找平層，當(dāng)在試驗(yàn)加載過(guò)程中遇到突出顆粒時(shí)，承壓板無(wú)法將作用力均勻作用在整體試驗(yàn)面上，試驗(yàn)作用力容易破壞找平層，使其產(chǎn)生的位移偏大，則計(jì)算出的試驗(yàn)結(jié)果會(huì)偏小。

第三，碎石類土顆粒不均勻，再試驗(yàn)過(guò)程中，承壓板面積較小，所選加荷等級(jí)也相對(duì)較小，在荷載面1.25mm特征沉降量范圍內(nèi)產(chǎn)生不均勻位移的概率比較大，不能客觀反映卵石層應(yīng)力與應(yīng)變的實(shí)際線性關(guān)系。

綜上所述，由于卵石土地層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和K30方法、設(shè)備本身的局限性，在卵石層中采用K30方法測(cè)試的基床系數(shù)離散性較大，不能客觀、準(zhǔn)確地反映卵石土的力學(xué)特征。

4 非標(biāo)準(zhǔn)板（K80）載荷試驗(yàn)間接測(cè)定

4.1 試驗(yàn)概況

在本次K30載荷試驗(yàn)無(wú)法客觀、準(zhǔn)確測(cè)試卵石基準(zhǔn)基床系數(shù)Kv的情況下，本文又在青海路、城北主干道原位測(cè)試試驗(yàn)點(diǎn)7m、9m、10m和12m的密實(shí)卵石土中進(jìn)行了非標(biāo)準(zhǔn)板K80載荷試驗(yàn)，即采用直徑80cm的載荷板進(jìn)行試驗(yàn)。

4.2 載荷試驗(yàn)技術(shù)參數(shù)

在烏魯木齊第四系全新統(tǒng)卵石層中進(jìn)行本次載荷試驗(yàn)，結(jié)合前期勘探資料，參考《巖土工程勘察規(guī)范（2009年版）（GB 50021—2001）》中關(guān)于混合土現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)的要求，承壓板直徑應(yīng)大于試驗(yàn)土層最大粒徑的5倍。本次試驗(yàn)點(diǎn)卵石粒徑在60mm～200mm，最大粒徑為150mm，本文確定采用直徑80cm，即面積5000cm2的承壓板進(jìn)行載荷試驗(yàn)。載荷試驗(yàn)的最大壓板應(yīng)力設(shè)定為1200kPa，最大有效荷載為600kN，采用堆載反力系統(tǒng)，壓重平臺(tái)的堆載量大于72t。

4.3 試驗(yàn)技術(shù)處理措施

為了保證載荷試驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可靠性，試驗(yàn)面的處理至關(guān)重要。由于烏魯木齊地區(qū)試驗(yàn)?zāi)康膶訛槁咽?，顆粒較粗，原始地層試驗(yàn)面凸凹不平，因此在進(jìn)行平板載荷試驗(yàn)前，需要對(duì)試驗(yàn)面進(jìn)行找平處理。具體做法是在試驗(yàn)面上鋪設(shè)M15水泥砂漿找平層，層厚控制在3cm～5cm，并添加速凝劑，以加快凝固速度。水泥砂漿找平層鋪設(shè)完成后，施加30kPa～50kPa的壓板應(yīng)力進(jìn)行預(yù)壓，該過(guò)程有助于使水泥砂漿找平層與原始地層試驗(yàn)面更好地耦合。這樣的預(yù)壓和養(yǎng)護(hù)措施可以有效提高試驗(yàn)面的平整度和穩(wěn)定性，為后續(xù)的載荷試驗(yàn)提供良好的基礎(chǔ)條件，保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4.4 加載和觀測(cè)方法

根據(jù)《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程（TB 10102—2023）》的要求，本次載荷試驗(yàn)采用6m×6m的壓重平臺(tái)堆載反力荷載，保證堆載量大于720kN。試驗(yàn)的加荷等級(jí)共分為10級(jí)，每級(jí)荷載按120kPa等量遞增，以逐步施加壓力并觀察地基的反應(yīng)。在觀測(cè)方法上，每級(jí)荷載條件下前1h按時(shí)間間隔10min、10min、10min、15min和15min觀測(cè)地基沉降，1h以后每隔30min觀測(cè)、記錄一次地基沉降。地基沉降的相對(duì)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)是連續(xù)2h地基沉降量小于0.1mm，達(dá)到該標(biāo)準(zhǔn)后，可以判定在本級(jí)荷載條件下地基沉降已經(jīng)穩(wěn)定。

4.5 資料分析與數(shù)據(jù)處理

當(dāng)P-S曲線上有明顯比例界限時(shí)，比例界限終點(diǎn)對(duì)應(yīng)的荷載為P1，以比例界限對(duì)應(yīng)承載力P1為地基基本承載力。

當(dāng)極限荷載P2能夠確定，且P2小于P1的2倍時(shí)，地基基本承載力按照極限荷載P2的一半取值。

當(dāng)P-S曲線為緩變形曲線時(shí)，應(yīng)根據(jù)相對(duì)地基相對(duì)變形值S=0.01d對(duì)應(yīng)的荷載確定地基基本承載力σ0（S為地基沉降量；d為承壓板直徑）。

當(dāng)實(shí)測(cè)P-S曲線第一級(jí)、第二級(jí)沉降率和沉降量相對(duì)于第三級(jí)、第四級(jí)明顯異常時(shí)，應(yīng)采用圖解法和最小二乘法對(duì)實(shí)測(cè)P-S曲線進(jìn)行修正，根據(jù)修正P-S曲線分析載荷試驗(yàn)結(jié)果。

載荷試驗(yàn)承載力測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)處理方法為每處4組載荷試驗(yàn)，剔除級(jí)差大于30%的點(diǎn)，見表2。

將表2實(shí)測(cè)基床系數(shù)Kv1利用公式（2）換算為基準(zhǔn)基床系數(shù)Kv。由于烏魯木齊地鐵1號(hào)線沿線卵石層中局部含有粒徑大于200mm的漂石，使個(gè)別基床系數(shù)實(shí)測(cè)值偏高而不具備代表性，因此剔除表2中基床基床系數(shù)Kv1大于100MPa/m的高值，具體換算結(jié)果見表3。

該方法使承壓板有效作用面積增大，降低了承壓板下大顆粒漂石等骨架顆粒對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響；鋪設(shè)較厚的水泥砂漿找平層，避免了地表突出顆粒對(duì)加載的影響，承壓板能夠?qū)⒆饔昧鶆蜃饔迷谡w試驗(yàn)面上，降低了找平層的破壞概率；在試驗(yàn)過(guò)程中能夠施加較大的作用力，使荷載面產(chǎn)生較大的位移，才可以消除或降低骨架顆粒不均勻位移的影響，從而獲得更客觀、準(zhǔn)確的基床系數(shù)試驗(yàn)值，其試驗(yàn)結(jié)果離散性較小。綜上所述，烏魯木齊卵石土中的基床系數(shù)測(cè)試工作采用承壓板直徑b=80cm的載荷試驗(yàn)是合適的。

5 成果資料比較

比較標(biāo)準(zhǔn)板K30載荷試驗(yàn)和非標(biāo)準(zhǔn)板K80載荷試驗(yàn)得出的基床系數(shù)成果可知，K30載荷試驗(yàn)中的部分?jǐn)?shù)據(jù)與K80載荷試驗(yàn)成果非常接近，為試驗(yàn)點(diǎn)總數(shù)的37.5%，能夠和K80載荷試驗(yàn)結(jié)果相互驗(yàn)證，如圖1所示，但是大部分?jǐn)?shù)據(jù)值遠(yuǎn)小于K80載荷試驗(yàn)結(jié)果，無(wú)法客觀、準(zhǔn)確地反映烏魯木齊密實(shí)卵石土的基床系數(shù)。

本文還同步進(jìn)行了大剪試驗(yàn)，得到了密實(shí)卵石土的黏聚力、內(nèi)摩擦角試驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)收集勘察過(guò)程中的超重型動(dòng)力觸探、承載力以及變形模量等相關(guān)物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。研究發(fā)現(xiàn)，密實(shí)卵石土的基床系數(shù)與其黏聚力、內(nèi)摩擦角存在一定相關(guān)性。黏聚力和內(nèi)摩擦角越大，土體的整體穩(wěn)定性越好，承載力越高，基床系數(shù)相對(duì)較高。此外，超重型動(dòng)力觸探擊數(shù)、變形模量與基床系數(shù)也表現(xiàn)出一定的正相關(guān)性。在實(shí)際工程勘察中，一般小型項(xiàng)目很少進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)，以上物理力學(xué)參數(shù)能夠?yàn)楸緟^(qū)域類似工程密實(shí)卵石土基床系數(shù)取值提供依據(jù)。烏魯木齊密實(shí)卵石土物理力學(xué)指標(biāo)建議見表4。

《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》（GB50307—2012）附錄H中給出的密實(shí)卵石垂直基床系數(shù)Kv經(jīng)驗(yàn)范圍值為50MPa/m～120MPa/m。從表3、表4的比較可以看出，試驗(yàn)得出的基準(zhǔn)基床系數(shù)Kv實(shí)測(cè)值比規(guī)范建議值大1.5～3倍，密實(shí)卵石土的基床系數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果大于經(jīng)驗(yàn)值，說(shuō)明經(jīng)驗(yàn)值考慮了一定的安全系數(shù)，試驗(yàn)值仍然具有合理性。由于烏魯木齊地區(qū)以往卵石基床系數(shù)的實(shí)測(cè)試驗(yàn)較少，已有數(shù)據(jù)、經(jīng)驗(yàn)不多，基床系數(shù)的取值仍然需要考慮一定安全系數(shù)。根據(jù)專家建議，根據(jù)“安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理”的宗旨，本文按照安全系數(shù)1.5給出烏魯木齊密實(shí)卵石土的基床系數(shù)建議值。

6 結(jié)論

鑒于烏魯木齊卵石土的地層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和K30方法、設(shè)備本身的局限性，本文采用K30方法測(cè)試的基床系數(shù)離散性較大，無(wú)法客觀、準(zhǔn)確地測(cè)試卵石土的基床系數(shù)。采用非標(biāo)準(zhǔn)板b=80cm的載荷試驗(yàn)?zāi)軌蜉^準(zhǔn)確地測(cè)試烏魯木齊密實(shí)卵石土基床系數(shù)，并得到承載力和變形模量等力學(xué)參數(shù)。

實(shí)測(cè)烏魯木齊密實(shí)卵石基床系數(shù)大于規(guī)范建議值，本次現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)給出的建議值的上、下限比規(guī)范建議值提高了43MPa/m，上限比規(guī)范建議值提高12MPa/m，建議在地鐵工程設(shè)計(jì)中按照平均值115MPa/m考慮。

卵石土中粒徑60mm～200mm的顆粒對(duì)基床系數(shù)測(cè)試的準(zhǔn)確性影響較大，建議現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)的承壓板直徑應(yīng)大于卵石土層最大粒徑的5倍，宜將零星分布的大于200mm的漂石宜作為異常值予以剔除。

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