室内固结试验测定基准基床系数的方法与分析

朱智勇，曹玉苹

（浙江省工程勘察院，浙江 宁波 315012）

0 引言

基床系数，也称弹性抗力系数或地基反力系数，是工程建设中常用的一个参数，是指地基土在外力作用下产生单位变位时所需的应力，一般是通过野外载荷试验进行测定的。但是因为土层埋藏深度不一，对于浅层的土层可以通过现场载荷试验进行测定，但中深层土的测定难度较大，也容易产生偏差。当前勘探手段相对来说比较成熟，可以采取不同深度的原状土样。室内试验中的固结试验就是测试土样在不同压力下的固结变形特征，与基床系数测定条件非常相似。因此，通过室内固结试验来模拟测定土的基床系数有其便捷和经济可行性。本文通过对大量土样的室内试验成果分析，收集对比外业试验资料与工程使用经验，对室内试验测定土的基准基床系数方法进行了探讨。

1 常用测定方法

土的基床系数为文克尔假设中基底某点的反力与该点沉降的比值[1]，为P-S曲线直线段的斜率，其表达式为：

式中：P为基底某点的反力，kN/m2；S为相应于该点的沉降量，m。

K值的确定比较复杂，基床系数的大小与地基土的类别、土的状况、物理力学特性、基础的形状及作用面积受力状况等有关。有研究表明，在同一压力作用下，K不是常数，与基础埋深、面积、形状等因素有关[1]。为便于评价土的特性与工程使用，一般由试验测定土的基准基床系数。目前对土的基准基床系数测定方法主要分直接与间接测定两种。直接测定法就是用边长为30 cm的方形承压板的现场平板载荷试验直接测定[2]，间接测定法一种是通过对非标准承压板的平板载荷试验进行修正换算，另一种就是由室内模拟试验进行测定。室内试验方法可以通过三轴压缩与固结试验方法等进行测定。

非标准承压板平板载荷试验结果可通过式（2）、（3）进行换算[2]。

式中：KV1为由非标准承压板平板载荷试验所得的基床系数。

室内固结试验法是根据固结试验中测得的应力与变形关系来确定土的基床系数[3]。

平板载荷试验受土层埋深、经费条件等限制，其数量与深度也同样受限。而室内压缩试验一定程度上可以弥补此问题，在有原状土样的情况下，可以批量地进行室内试验，并可对垂直、水平方向分别进行试验，测定土的基床系数。

2 室内固结试验的设备与方法

根据基床系数的定义及上述分析的测定方法，考虑试验批量化可行性及经济性因素，采用室内固结试验方法进行测定并作分析研究。

根据土力学原理，地基土的受压变形主要分为三个阶段：弹性变形阶段、塑性变形阶段和破坏变形阶段。而基床系数作为一项常数项的指标，为位于临塑荷载前弹性变形阶段的压力-变形关系常数，该阶段土体的变形与所受的荷载呈线性增长的关系。

为便于研究，以及对比需要，对浙东、浙东南地区的大量淤泥质土（或淤泥）、可～硬塑状黏性土进行室内固结试验并进行了计算分析。

试验采用KTG-98全自动固结试验系统，可以消除加荷时的冲击力影响，所需荷载可以根据情况灵活选择设定。试验采用全自动加荷法，可以分多级施加压力，更细致地反映出土样在受到不同压力情况下的竖向变形特征。尤其对于淤泥质土、软土来说，其初级压力的选择合适与否对试验成果的准确性至关重要。

采用全自动固结试验采集仪自动记录土样在每级压力下的历时变形量，按快速固结法，每隔2 h逐级加荷进行试验[4]，并采用末级判稳标准（施加末级荷载2 h以后，每小时变形量不超过0.01 mm作为稳定标准）结束试验。

从已有试验数据分析，对于高压缩性、流塑状的淤泥质土，其临塑试验荷载一般在50 kPa左右，可～硬塑状黏性土的临塑试验荷载一般在100～200 kPa之间。因此，试验选择从较小的压力12.5 kPa开始，试验加荷顺序按高压固结加压等级（12.5，25，50，100，200，400，800，1 600，3 200 kPa）进行。

3 试验数据分析与整理

根据试验结果，绘制压力－变形（P-S）曲线（见图1）。从曲线特征看，第一阶段的变形较明显，土样变形随荷载的增加呈线性增加的特征，并于临塑荷载出现了拐点，进入了塑性变形阶段。第二阶段塑性变形范围增大，变形量增加缓慢，其原因主要有：一方面，室内固结试验采用的钢环限制了土样的侧向变形，使得土的压缩变形方向只能沿着垂直方向发展；另一方面，在固结试验中，允许土颗粒间的自由水排出，使土颗粒间能更紧密地接触，达到快速固结，增加了土的强度与可塑性（塑性变形区），减慢了土的破坏发展。

图1 室内固结试验典型P-S曲线

按临塑荷载前的弹性变形阶段取值代入式（1）计算固结试验基床系数KV1（见表1）。

表1 固结试验基床系数KV1、基准基床系数KV计算结果

一般认为基底压力相同，承压板宽度很小时，宽度的大小与沉降量的增加成反比，当承压板的宽度超过一定值后，宽度的增加与沉降量的增加成正比，当宽度再增加时，沉降量即趋于定值，不再随宽度的增加而增加[2]。室内试验采用的环刀面积为30 mm2，等效换算承压板宽度与基准基床系数的标准尺寸（0.3 m）同处一变化特征区间，因此尺寸效应的换算可采用公式（2）、（3）。但由于室内试验的试样高度h0=2 cm，小于相同面积载荷板现场平板载荷试验的实际压缩土层厚度，且试验采用的钢环限制了试样的侧向变形。在相同载荷板面积的条件下，室内试验所测得的压缩变形量要小。考虑固结试验设备的特点，压缩变形量调整系数α可按下式近似考虑[5]：

式中：D为环刀直径；h0为试验初始高度。

室内固结试验基准基床系数计算公式可进一步简化为：

采用式（5）、（6）计算结果（见表1），淤泥质土的基准基床系数为0.1×104～0.4×104kN/m3，可～硬塑状黏性土的基准基床系数为1.6×104～9.2×104kN/m3，与现场试验值及各规范经验值符合良好[6]。

4 结语

1）通过对室内固结试验压力等级施加、稳定时间与标准的设定，可以模拟野外地基土的受力变形状态，进行土的基床系数的测定，并通过相关的换算，求取土的基准基床系数，试验结果也比较可靠。

2）室内固结试验测定地基土的基准基床系数，可实现室内批量测定，为单位工程提供更多的数据；同时也可减少费用的投入，克服野外现场测试的深度、广度限制。

3）室内模拟试验有其方便性和快捷性，但由于试验结果受试样的尺寸、样品的代表性、地基土的均匀性，以及土样的钻探采取、中间运输及试验制备等环节对土样扰动的影响。因此，室内试验测定基床系数时，应注意严格控制每个环节的工作质量，确保试验精度。工程使用时，应结合地基土特点综合分析采用。

[1]龚晓南，潘秋元，张季容，等.土力学及基础工程实用名词词典[M].杭州：浙江大学出版社，1993.

[2]常士骠，张苏民.工程地质手册[M].第四版.北京：中国建筑工业出版社，2007.

[3]GB50307-1999，地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范[S].

[4]甘德福，袁雅康.土的基本性质与室内土工试验[M].上海：上海市地质学会，1984.

[5]张三定，刘世斌.固结试验法求取基床系数的运用[J].长江工程职业技术学院学报，2008（3）：20-22.

[6]顾晓鲁.地基与基础[M].第三版.北京：中国建筑工业出版社，2003.