地基土基床系数研究
第1卷 第7期地下空间与工程学报Vol. 1
2005年12月Chinese Journal of Underground Space and Engineering Dec. 2005
文章编号:1673 0836(2005) 07 1109 04
地基土基床系数研究
仲锁庆, 张西平, 潘海利
(南京市测绘勘察研究院有限公司, 江苏南京 210005)
摘 要:地基土基床系数是岩土工程中一个非常重要的参数。通过对现有基床系数的确定方法和影响准确确定地基土基床系数的一些因素的分析, 对地基土基床系数确定方法及其选取提出了一些建议。
关键词:原位测试; 室内土工试验; 地基土; 基床系数中图分类号:TU44 文献标识码:A
Study on Foundation Soil Coefficient of Subgrade Reaction
Z HONG Suo qing , ZHANG Xi ping , PAN Hai li
(Nan jin g I nstitute o f Surve ying , Ma pping an d Geotechnical Investigation , Co . Ltd , Nan j ing 210005, China ) Abstract :Foundation soil coefficient of subgrade reaction is an important computation parameter i n geotechnical engi neering. The methods of determining K value and some factors affecting precise determination K value are analyzed. Finally , some suggestions are given to determine K.
Keywords :in-si tu test; laboratory soil test; foundation soil; coefficien t of subgrade reaction
1 引言
基床系数K 是公路、机场、地下工程和建筑地基基础工程, 特别是近年来城市地铁工程中一个非常重要的参数, 它主要用于模拟地基土与结构物的
相互作用, 计算结构物内力及变位。地基土基床系数的取值大小、分布形式直接影响求解作用在挡土结构物的土压力、位移和内力, 对工程造价、安全可靠性程度均有直接影响。为此, 国内外学者进行了大量的室内试验和现场原位试验, 提出了若干个计算地基土基床系数K 的经验公式, 但仍然存在诸多不确定因素, 还需要科研技术人员作进一步的研究。因此, 本文对现有地基土基床系数的确定方法和影响地基土基床系数的一些因素进行探讨, 并对地基土基床系数确定方法及其选取提出一些建议。
质、结构物基础部分的形状、大小、刚度、位移有关以外, 还和埋深、应力水平、应力状态、地下水、时间效应等因素有关, 这些因素共同决定了基床系数是一个不容易确定的指标。这就要求对影响基床系数K 值的主要因素有个较全面的了解, 才能制定出反映工程实际的测试方法, 才能确定符合实际的地基土基床系数。下面就基床系数的主要影响因素进行讨论。
2. 1 土性的影响
土的类别、含水量、稠度状态、密实程度是土体本身对压缩变形影响最大的因素。对于细粒土来说, 一方面, 含水量小, 可以被排出的水的体积就小, 压缩性就小; 另一方面, 含水量小, 细粒土稠度增加, 抵抗变形的能力增加, 基床系数相应增加。对粗粒土来说, 含水量小, 密实程度高, 土颗粒之间的可压缩的孔隙小, 在外力的作用下排出的液体、气体相对较少, 所以随粗粒土的密实程度越高, 基床系数就越大。因此, 细粒土与粗粒土之间所表现
[1]
2 影响地基土基床系数K 的因素
基床系数的大小与土体的类别、物理力学性
收稿日期:2005 08 05(修改稿)
(, , ,
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地下空间与工程学报 第1卷
的特性有显著的差异性, 细粒土稠度增加, 粗粒土密实程度的提高都会使基床系数增加。2. 2 时间效应
在实际工程设计施工过程中, 基床系数在确定后就一直把它作为一个固定不变的值处理。而对于软塑、流塑的粘性土具有很明显的流变性, 所以在土的本构关系中, 不在仅仅是应力、应变两者的关系, 而是应力、应变、时间三者的关系, 即土不仅是应该作为弹性体来研究, 同时也应该作为粘弹性体来研究。但是由于土层的分层及各向非均质性, 特别是不同的开挖施工顺序和土体暴露时间引起的土体流变系数难以确定。可以采用弹性理论, 通过改变基床系数的值来模拟不同时刻的挡土结构的实测位移, 得到基床系数与时间的关系, 即基床系数的时间效应
[3]
[2]
长(m) 。
3 地基土基床系数K 的取值分析
基床系数是地基土在外力作用下产生单位变位时所需的应力, 也称弹性抗力系数或地基反力系数。一般可表示为:
K =S
应力(kPa) ; S 为地基的变位(m m) 。
从基床系数的定义分析可知
[5]
(3)
式中:K 为基床系数(MPa m) ; P 为地基土所受的
:第一, 荷载板
单位下沉量所对应的单位面积的压力不是一个常数, 荷载板面积越大, 对应单位面积压力越小; 第二, 大量载荷试验结果表明, 试验压力和变形曲线并不是线性特征关系, 而是非线性特征关系, 因此, 下沉量S 的取值比例对K 值的影响不能忽视。
由以上分析可知, 基床系数K 这个指标, 不同的试验方法、不同的试验条件以及不同的取值比例, 其结果均会有较大的差别。
由于存在上述原因, 地铁规范
[6]
。
2. 3 地下水的影响
地下水的存在对基床系数的影响十分明显: 从微观的、土的机理角度看, 地下水对土的强度参数有弱化作用, 水和土之间的相互作用削弱了颗粒之间的连接, 从而增加了土的压缩性, 基床系数减小; 从宏观的、土与结构物的相互作用的角度看, 地下水和土共同对结构物产生直接的力学作用。在计算挡土结构物的荷载的时候, 除了土压力以外, 还必须考虑地下水位以下的水压力, 水压力加大了结构物在土体中发生位移的束缚。所以从这一点来看, 地下水对基床系数有正面的影响, 影响程度随着地下水的排泄、补给量的变化、施工降水的速度和施工方法的变化而变化。2. 4 基础尺寸的影响
基床系数与基础尺寸密切相关, 基础尺寸越大, 基床系数就相应减小。有关试验研究表明, 因土的复杂性, 土体的变形量与基础尺寸并不完全是呈线形关系变化, 即基床系数与基础尺寸的关系不一定是线形关系。Terzaghi 和Peck 曾经在砂土和粘性土中用不同宽度的载荷板进行试验, 得出了砂土的变形与基础宽度的非线形关系
=s 1(B +0. 305)
系:
=s 10. 305
(2)
2
[4]
规定, 为便于
统一和比较, 建议K 30荷载板(0. 305m 宽标准荷载板) 试验值作为标准基床系数K 1值; 文献[4]中也作出说明, 如果试验荷载板尺寸与标准尺寸不同, 应进行换算, 求出标准基床系数。
4 地基土基床系数K 的确定方法
4. 1 原位测试4. 1. 1 平板载荷试验
平板载荷试验是在一定面积的刚性承压板上加荷, 通过测定天然埋藏条件下地基土的变形来计算地基土基床系数的方法。一般情况下承压板的面积为2500~5000c m , 因此, 应将载荷试验基床系数K 换算成标准基床系数K 1。
由不同尺寸载荷试验结果得到的基床系数, 分不同土类, 按下列公式换算成标准基床系数:对于砂土, 采用的公式为:
K 1= K
(B +0. 305)
对于粘性土, 采用的公式为:
K 1=0. 305 K =3. 28B K
(5)
22
:
(1)
(4)
对粘性土, 变形与基础宽度基本上呈线形关
平板载荷试验得到的基床系数能真实反映地基土的特性, 在有条件的情况下应尽可能采用该方式中:s 为土体的变形量(mm ) ; s 1为基础宽度为0. (
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要适用地表浅层地基土, 其适用性受到限制, 且费时费力。
4. 1. 2 螺旋板载荷试验
螺旋板载荷试验是将螺旋板旋入地下预定深度, 通过传力杆向螺旋板施加竖向荷载, 同时量测螺旋板沉降, 可用来计算地基土垂直基床系数的原位测试方法。
进行螺旋板载荷试验时, 如旋入螺旋板深度与螺距不相协调, 土层也可能发生较大扰动; 当螺距过大, 竖向荷载作用大, 可能发生螺旋板本身的旋进, 影响沉降的量测; 加荷方式的不同试验结果也会产生较大差别。4. 1. 3 旁压试验
旁压试验(PMT) 是用可侧向膨胀的旁压器, 对钻孔孔壁周围的土体施加径向压力的原位测试方法, 包括预钻式、自钻式和压入式三种。国内目前以预钻式为主, 可用于测求地基土的水平基床系数。
预钻式旁压试验对成孔质量要求高, 要保持孔壁垂直、光滑、呈规则圆形, 尽可能减少对孔壁的扰动。因此, 成孔质量是预钻式旁压试验成败的关键, 成孔质量差, 特别是软弱土层易发生缩孔、坍孔现象, 会使旁压曲线反常失真, 无法应用。4. 1. 4 扁铲侧胀试验
扁铲侧胀试验(DMT)
[7]
不同, 出发点都是尽可能多的去考虑其影响因素。实际上要完全考虑其影响因素是不可能的, 笔者利用已有经验, 通过考虑影响试验本身的主要因素, 给出了南京地区计算标准水平基床系数K h1的简化公式:
对于砂土、粉土, 采用的公式为:
K h 1=0. 10K h 0
对于粘性土, 采用的公式为:
K h 1=0. 15K h 0
4. 2 室内土工试验4. 2. 1 三轴试验法
将土样经饱和处理后, 在K 0状态下固结, 对一组土样分别做不同应力路径下的三轴试验(慢剪) , 得到 ' 1~ h 0曲线, 求得初始切线模量或某一割线模量, 定义为基床系数, 三轴试验法不易控制且难度较大。
4. 2. 2 固结试验法
固结试验方法是根据固结试验中测得的应力与变形关系来确定基床系数K :
2- 11+e m
K =e -e h
120
(10) (8)
[10]
式中: 2- 1为应力增量(MPa) ; e 1-e 2为相应的孔隙比减量; e m =(e 1+e 2) 2; h 0为土样的试验高度(m) 。
通过用公式(10) 计算的基床系数与相应资料经验数据进行对比
[11]
是一种侧向受力试验,
扁平状插板避免了土体的拱效应, 相对于圆柱探头和其它原位测试对土体扰动小得多, 并且可得到近乎连续的地层剖面, 试验结果与人们熟悉的土工参数相关联。这为通过现场试验有效获得水平基床系数提供可能, 目前已有一些岩土工程师提出了不
同的计算方法。
陈国民等通过研究, 提出了以下计算地基土水平基床系数的公式:
K h =a t K h 0(1-R s R f )
(6)
式中:K h 为水平基床系数(MPa m) ; K h0为初始切线基床系数(MPa m) ; a t 为加荷速率修正系数; R s 为应力比; R f 为破坏比。
唐世栋等在考虑了基础尺寸修正系数 1、基础形状及刚柔性修正系数 加荷速率修正系数 2、3等因素影响后提出了以下的计算公式:
K b = 1 2 3K h 0
(7)
上述两种计算地基土水平基床系数的方法是[9][8]
, 发现用该式计算的基床系
数在数值上比相应资料经验数据大5~10倍以上,
为此笔者认为用室内固结试验方法确定的地基土基床系数不宜直接提供给设计使用, 应进行修正。并提出了以下修正公式:
对于砂土、粉土, 计算公式为:
K 1 =0. 037K
对于粘性土, 计算公式为:
K 1 =0. 066K
数的公式:
对于砂土、粉土, 计算公式为:
K 1 1. 85E S 1-2
对于粘性土, 计算公式为:
K 1 3. 30E S 1-2
(13) (14) (12)
笔者也给出了采用压缩模量E S 1-2近似估算基床系
(11)
由于用压缩模量E S 1-2估算的基床系数存在取值比例上的误差, 因此, 其估算值仅作为参考。
1112
地下空间与工程学报 第1卷
4. 3. 1 基床系数K 与标准贯入击数N 的经验关系
参考谢旭升等(1996) 及其它有关资料, 基床系数K 与标准贯入击数N 的经验关系式为:
K =(1. 5~3. 0) N
基床系数的公式为:
水平基床系数 K S =4N
垂直基床系数 K C =2N 系
粘土可根据无侧限抗压强度q u 推算水平基床系数和垂直基床系数的公式为:
水平基床系数 K S =(8~12) q u
垂直基床系数 K C =(4~6) q u
4. 4 经验值
国内外通过对基床系数的试验研究, 在许多文献、手册、规范等资料中给出了基床系数的经验值, 例地铁规范
[6]
[12]
[12]
[6]
5 结语
通过以上对原位测试、室内土工试验、经验公
式、经验值等方法对比可以看出, 就目前确定地基土基床系数的较多方法中, 较好的方法是原位扁铲侧胀试验、旁压试验和室内固结试验。建议用室内固结试验方法确定地基土的垂直基床系数, 用原位扁铲侧胀试验或旁压试验确定地基土的水平基床系数。由于现阶段以上方法尚不十分成熟, 宜通过与其它方法和已有经验值对比后综合确定。同时建议提供的设计参数应为标准基床系数, 对于具体设计中基床系数K 的取值, 应由设计人员根据实际工况条件经修正确定。
(15)
也可由标准贯入击数N 推算水平基床系数和垂直
(16) (17)
4. 3. 2 基床系数K 与无侧限抗压强度q u 经验关
(18) (19)
参考文献:
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附录F 给出了垂直基床系数K 的经
验值(表1) , 并规定在初步勘察阶段当缺乏试验资料时, 可根据地基土的类别、状态等具体情况选用。
表1 基床系数K 的经验值(MPa m)
Table 1 The coefficient of subgrade reaction K value
岩土类别软土、淤泥质土、有机土
软塑
粘性土
可塑硬塑坚硬
松散
砂土
稍密中密密实中密密实状态
K 值1~88~1515~3535~7070~905~1010~1515~2525~4025~4040~9530~50
圆砾、角砾黄土、黄土质土