軌道交通基床系數測定方法應用研究

韓 丹

(南京南大巖土工程技術有限公司，江蘇 南京 210000)

1 概述

據GB 50307城市軌道交通巖土工程勘察規范定義，在外力作用下，單位面積巖土體產生單位變形時所需壓力稱為基床系數，其根據巖土體受力情況可分為水平基床系數和垂直基床系數[1]。基床系數不單純是土的性質指標，其取值受土的類型和狀態、基礎形狀和埋深、地基剛度、基底面積、荷載作用時間等因素綜合影響，是軌道交通巖土工程勘察需要測定的重要參數之一。

近年來，國內外學者通過大量試驗研究總結出多種基床系數確定方法，主要包括原位測試法(載荷試驗、旁壓試驗、扁鏟試驗)、室內試驗法(三軸試驗和固結試驗)、經驗公式法與經驗值法等[2-4]。其中，室內試驗法在實踐中應用較多，尤其當現場試驗難以實施時，采用室內試驗更加簡單、經濟。就軌道交通基床系數測定方法而言，GB 50307給出了三軸試驗和固結試驗基床系數計算公式，但具體如何實現，需要工程技術人員在實踐中探索、總結。本文以南京軌道交通九號線初勘工程項目為例，著重論述基于固結試驗法的基床系數測定方法，并結合扁鏟試驗數據和地區經驗數據分析試驗成果準確性，給出合理的基床系數修正思路。

2 地質條件

3 固結試驗方法

3.1 數據采集

試驗采用智龍全自動氣壓固結儀，氣壓加壓可消除荷載增加的沖擊力影響，提高試驗數據準確性。試驗過程電腦控制，自動判穩。

數據采集選擇快速固結法，由于試驗段為淤泥質粉質粘土，根據工程經驗，對于高壓縮性、流塑狀的淤泥質土，臨塑荷載一般在50 kPa左右，試驗選擇從較小的壓力12.5 kPa開始，荷載增加順序按12.5 kPa,25 kPa,50 kPa,100 kPa,200 kPa,400 kPa,800 kPa,1 600 kPa進行，每間隔1 h施加一級荷載，記錄每級壓力下的歷時變形量，采用末級判穩標準，施加末級荷載24 h后，若每小時變形量不超過0.01 mm，結束試驗。

3.2 數據處理

根據固結試驗中測得的應力與變形關系確定基床系數，可采用式(1)[1]：

(1)

其中，h0為樣品高度，m；em=(e1+e2)/2為試驗過程中孔隙比的平均值；σ2-σ1為應力增量，MPa。

由于基準基床系數是由邊長為30 cm的方形承壓板通過荷載試驗測得，實際應用中承壓板的面積不同，且基床系數K大小受基礎寬度影響，需要將非標準尺寸承壓板測得的基床系數根據土類修正為基準基床系數，對于粘性土，可按式(2)換算[5]：

(2)

室內壓縮試驗測試深度為樣品高度20 mm，荷載試驗測試深度為承壓板影響范圍內深度，考慮到彼此差異，取樣品直徑B=61.8 mm，樣品高度h0=20 mm，測試深度影響因素β按B/h0=3.09考慮，代入式(2)中得K1≈0.067K。經計算，試驗段淤泥質粉質粘土層基床系數統計值如表1所示。

表1 試驗段基床系數測定統計值 MPa/m

4 成果分析

由于不同試驗方法和試驗條件測定的基床系數數值結果存在較大差異，近年來各地區通過原位測試等手段積累了大量的資料，形成了地區經驗值。為驗證試驗段固結試驗成果可靠性，另對中保站進行扁鏟側脹試驗，獲取了對應的基床系數。本文將固結試驗數據與扁鏟試驗數據、地區經驗值進行對比分析，綜合確定試驗段基床系數。

根據地區經驗，軟土(包括軟粘性土、軟粉土、淤泥質土等)水平基床系數為1 MPa/m～12 MPa/m,垂直基床系數為1 MPa/m～10 MPa/m[6]，由表1可以看出，固結試驗法未修正數據和扁鏟試驗數據均比地區經驗值大，其中固結試驗未修正結果比經驗值大20倍左右，扁鏟試驗結果比經驗值大10倍左右。

固結試驗法取樣方便、快捷，同時取垂直、水平向試樣進行試驗，測試周期短，費用低，但取樣過程易擾動，樣品選取代表性、均勻性以及試驗方法本身缺陷等方面均影響著試驗結果，試驗數據不宜直接使用，而對基礎寬度、影響深度等參數進行修正后的數據則接近地區經驗值。由于地基土層垂直方向長期受自重應力作用，理論上土樣垂直方向的物理力學性質應優于水平方向，即垂直基床系數大于水平基床系數，由于本試驗段土層深度有限，并未明顯體現該規律，兩個方向數值相近。

扁鏟試驗是原位測試的一種方法，測試中能基本保持土體的原位應力狀態，但由于受基礎性質(剛度、尺寸、形狀等)、試驗荷載增加速率等因素影響，特別是本試驗中扁鏟側頭對靈敏性軟土的擾動，試驗值與經驗值存在一定差距，不宜直接使用，同樣應注意修正。

采用室內試驗手段確定基床系數在實踐中應用較多，但常存在著與載荷試驗結果及地區經驗值有較大誤差的現象。綜合分析以上測試結果，本著“安全、經濟、合理、可行”的設計原則，結合固結試驗修正結果和地區經驗值，考慮1.3～1.5的安全系數，建議試驗段基床系數綜合取值如表2所示。

表2 試驗段基床系數綜合取值 MPa/m

5 結語

基床系數是軌道交通勘察的一項重要參數，室內固結試驗簡單、經濟、快速，在實踐中應用廣泛，但因方法局限性和理論依據不充分，試驗數據與原位測試結果相差較大。本文以南京軌道交通九號線初勘工程項目為例，利用扁鏟試驗數據和地區經驗數據修正固結試驗數據，取得了較好的效果，可為室內固結試驗法準確測定基床系數積累經驗。后續如何完善試驗理論及規范試驗流程仍是軌道交通基床系數測定工作有待進一步研究的方向。