室內固結試驗測定基準基床系數的方法與分析

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，也稱彈性抗力系數或地基反力系數，是工程建設中常用的一個參數，是指地基土在外力作用下產生單位變位時所需的應力，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，也容易產生偏差。當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。室內試驗中的固結試驗就是測試土樣在不同壓力下的固結變形特征，與基床系數測定條件非常相似。因此，通過室內固結試驗來模擬測定土的基床系數有其便捷和經濟可行性。本文通過對大量土樣的室內試驗成果分析，收集對比外業試驗資料與工程使用經驗，對室內試驗測定土的基準基床系數方法進行了探討。

1 常用測定方法

土的基床系數為文克爾假設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為相應于該點的沉降量，m。

K值的確定比較復雜，基床系數的大小與地基土的類別、土的狀況、物理力學特性、基礎的形狀及作用面積受力狀況等有關。有研究表明，在同一壓力作用下，K不是常數，與基礎埋深、面積、形狀等因素有關[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。目前對土的基準基床系數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，另一種就是由室內模擬試驗進行測定。室內試驗方法可以通過三軸壓縮與固結試驗方法等進行測定。

非標準承壓板平板載荷試驗結果可通過式（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。

室內固結試驗法是根據固結試驗中測得的應力與變形關系來確定土的基床系數[3]。

平板載荷試驗受土層埋深、經費條件等限制，其數量與深度也同樣受限。而室內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。

2 室內固結試驗的設備與方法

根據基床系數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濟性因素，采用室內固結試驗方法進行測定并作分析研究。

根據土力學原理，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。而基床系數作為一項常數項的指標，為位于臨塑荷載前彈性變形階段的壓力-變形關系常數，該階段土體的變形與所受的荷載呈線性增長的關系。

為便于研究，以及對比需要，對浙東、浙東南地區的大量淤泥質土（或淤泥）、可～硬塑狀黏性土進行室內固結試驗并進行了計算分析。

試驗采用KTG-98全自動固結試驗系統，可以消除加荷時的沖擊力影響，所需荷載可以根據情況靈活選擇設定。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重要。

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

從已有試驗數據分析，對于高壓縮性、流塑狀的淤泥質土，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加壓等級（12.5，25，50，100，200，400，800，1 600，3 200 kPa）進行。

3 試驗數據分析與整理

根據試驗結果，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，室內固結試驗采用的鋼環限制了土樣的側向變形，使得土的壓縮變形方向只能沿著垂直方向發展；另一方面，在固結試驗中，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，增加了土的強度與可塑性（塑性變形區），減慢了土的破壞發展。

圖1 室內固結試驗典型P-S曲線

按臨塑荷載前的彈性變形階段取值代入式（1）計算固結試驗基床系數KV1（見表1）。

表1 固結試驗基床系數KV1、基準基床系數KV計算結果

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]。室內試驗采用的環刀面積為30 mm2，等效換算承壓板寬度與基準基床系數的標準尺寸（0.3 m）同處一變化特征區間，因此尺寸效應的換算可采用公式（2）、（3）。但由于室內試驗的試樣高度h0=2 cm，小于相同面積載荷板現場平板載荷試驗的實際壓縮土層厚度，且試驗采用的鋼環限制了試樣的側向變形。在相同載荷板面積的條件下，室內試驗所測得的壓縮變形量要小。考慮固結試驗設備的特點，壓縮變形量調整系數α可按下式近似考慮[5]：

式中：D為環刀直徑；h0為試驗初始高度。

室內固結試驗基準基床系數計算公式可進一步簡化為：

采用式（5）、（6）計算結果（見表1），淤泥質土的基準基床系數為0.1×104～0.4×104kN/m3，可～硬塑狀黏性土的基準基床系數為1.6×104～9.2×104kN/m3，與現場試驗值及各規范經驗值符合良好[6]。

4 結語

1）通過對室內固結試驗壓力等級施加、穩定時間與標準的設定，可以模擬野外地基土的受力變形狀態，進行土的基床系數的測定，并通過相關的換算，求取土的基準基床系數，試驗結果也比較可靠。

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

3）室內模擬試驗有其方便性和快捷性，但由于試驗結果受試樣的尺寸、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節對土樣擾動的影響。因此，室內試驗測定基床系數時，應注意嚴格控制每個環節的工作質量，確保試驗精度。工程使用時，應結合地基土特點綜合分析采用。

[1]龔曉南，潘秋元，張季容，等.土力學及基礎工程實用名詞詞典[M].杭州：浙江大學出版社，1993.

[2]常士驃，張蘇民.工程地質手冊[M].第四版.北京：中國建筑工業出版社，2007.

[3]GB50307-1999，地下鐵道、輕軌交通巖土工程勘察規范[S].

[4]甘德福，袁雅康.土的基本性質與室內土工試驗[M].上海：上海市地質學會，1984.

[5]張三定，劉世斌.固結試驗法求取基床系數的運用[J].長江工程職業技術學院學報，2008（3）：20-22.

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