地铁勘察中基床系数的确定范文

近年来，国内各大中城市轨道交通建设规模日益增多，工程建设需要准确合理的岩土参数。地铁勘察过程中涉及的参数多，一般包括地基土（围岩）强度分析方面的参数、变形分析、边坡（围岩）稳定性分析、工法施工、结构抗震、地下水控制技术、水土化学环境、通风散热与配电设计等方面的参数。上述岩土设计参数类型众多，相应的涉及到许多的测试及试验手段，有些参数是以往很少提供或无相关经验的，需要在工程实践中不断积累经验，有些参数测试、试验方法不统一，取值差别大，如何提供符合设计要求，能准确代表地基岩土层（围岩）的工程特征及结构设计工况的设计参数至关重要。

1基床系数的定义及在轨道交通设计中的用途

基床系数是指地基土在外力作用下产生单位变形时所需要的压力，也称弹性抗力系数或地基反力系数。在轨道交通工程设计中，基床系数常用于围岩的弹性抗力强度、结构底板、围护结构等计算分析中，具有很重要的作用。根据地铁设计规范，基床系数一般应用于三个方面：（1）板墙式围护结构按竖向弹性地基梁模型计算；（2）明挖结构按底板支承在弹性地基上的结构物计算；（3）路基土采用地基系数K30控制压实标准。地基土的基床抗力系数的大小直接关系着地基变形，对于地铁结构分析计算有重要的影响，因此，基床系数是地铁工程重要的结构设计参数。

2基床系数的原位测试方法

2.1载荷试验法笔者列出了对各类规范对基床系数试验的测试和试验要求，详见表1。从表中可以看出各规范均要求采用平板载荷试验进行基床系数的现场测定，但现场测试承压板大小及形状要求不同，由此测得的基床系数在取值上也差别较大。对比上表分析，载荷试验中采用圆形承压板，符合轴对称的弹性理论解，方形板则成为三维复杂课题，同时，承压板直径多规定采用30cm，在铁路、公路等行业也采用相同的规格，因此，地铁勘察规范规定采用直径30cm圆形承压板，具有较好的统一性。

2.2测试结果的修正除了上节对比分析的载荷试验承压板尺寸、形状的不同外，测试所得基床系数是否修正、如何修正的问题上也尚未统一。显而易见基床系数与基础尺寸密切相关，同等地基条件下，基床系数的大小与基础尺寸的大小成反比。因此，相同试验条件下获得的，基床系数应针对基础形状进行修正。《高层建筑岩土工程勘察规程》在Terzaghi公式的基础上，考虑了基础宽度和长度在内的基础形状的修正，更为合理。载荷试验测得的基床系数其定义清楚，能真实反映基底土层对于上部荷载的力学反应，但由于载荷试验一般适用于浅部地基土，且作业实施相对困难、周期长、费用高，在地铁勘察过程中不易实施。

3基床系数的室内试验方法

基床系数室内试验方法常采用三轴法与固结法。

3.1三轴法三轴试验是测定土的应力—应变关系和强度的一种常见的室内试验方法，试验中土样在三轴压力仪中受压，侧向可以变形，模拟轴对称三维应力状态。从理论上分析，三轴试验测定的初始模量与载荷实验测定的变形模量是完全一致的。试验方法主要是将土样经饱和处理后，在K0状态下固结，对一组土样分别做不同路径下的三轴试验（慢剪），得到Δσ1’~Δh0曲线，求得初始切线模量或某一割线模量，定义为基床系数。因此，三轴法获得的基床系数反映的是三轴试样的荷载—沉降变形曲线切线斜率或割线斜率。笔者认为虽然三轴法试验能很好的模拟原位地基土的受力特征，但由于基床系数是有关荷载尺寸效应的参数，试验中土样大小有限，相应的竖向荷载面积较小，受尺寸效应的影响，三轴法测得的基床系数与K30测定的标准基床系数值有着很大差别，地铁勘察规范也反映三轴割线法比原位载荷板试验结果大2~8倍。因此，如采用三轴法确定基床系数时，应进行适当修正，最好与原位测试进行对比试验，根据对比结果确定修正关系。选取了某粉质粘土进行三轴法测定基床系数，试验结果参见图1。实测基床系数K约为500MPa/m（取曲线初始段0.05~0.15mm割线模量），经修正换算成标准基床系数K1约为60MPa/m，比地铁规范的经验值40MPa/m还要大一些。由于固结试验中土样是在一维固结下的完成的，无侧向变形，这与载荷试验中侧向变形下的应力—应变状态明显不一致，因此，固结试验所测得的基床系数明显较载荷试验的结果偏大，同样需要进行修正。针对固结试验特点，可将试验下沉量适当加大，以模拟三维应力状态，采用了这一修正方法，得到砂砾、砂土修正系数为0.037，粘性土修正系数0.066。实际工作中也可以根据原位测试标准基床系数试验成果，综合对比确定修正系数。

3.2基床系数与压缩模量的关系讨论载荷试验中承压板以下地基土可近似按照均质各向同性半无限空间考虑，根据《岩土工程勘察规范》，浅层平板载荷试验的变形模量E0（MPa）。通过上式能建立基床系数与变形模量的理论关系。从工程实用性的角度出发，变形模量E0需要通过现场载荷试验获得，一般不易实施；因此，通过分析变形模量E0与压缩模量ES理论关系，近似推导与计算，若能建立基床系数与压缩模量的理论计算关系，具有很强的实用价值，能在地铁勘察过程中得以实施运用。土的变形模量E0是在无侧限条件下的应力与应变的比值；而土的压缩模量ES是在土体完全侧限条件下的有效应力与应变的比值，两者在受力机理上有一定的差异。在上式的基础上分别考虑地铁线性荷载、K30标准基床系数、圆形荷载板形状等三个因素，对计算值进行修正，最后得到了砂土、黏性土的基床系数K与压缩模量的关系式，详见式（11）及式（12）。通过黏性土及砂土的泊松比、压缩模量经验值可计算基床系数K，并结合地铁勘察规范经验值表进行对比，具有一定的实用意义。结合了北京地区各类压板载荷试验和地基土室内物理力学试验，通过现场测试获得的基床系数K与压缩模量Es进行对比分析，建立了基床系数与压缩模量之间的统计关系，具有很高的实用价值。上述式（13）~（15）从理论角度、表2从现场测试与试验对比的角度都提供了基床系数与压缩模量的对应关系，为地铁勘察过程中的基床系数分析研究提供了思路和解决办法。

4结语

（1）本文结语了各本规范基床系数载荷试验现场测试方法，在承压板尺寸以及形状上的不同，建议统一采用地铁勘察规范中的直径30cm圆形承压板。基床系数在使用过程中应结合基础形状和尺寸进行修正。（2）室内试验可以采用三轴法和固结法进行基床系数的测定。采用三轴法进行基床系数测定时，采用的是三轴试样的荷载—沉降变形曲线切线斜率或割线斜率，其试验结果较载荷试验偏大，同时，需要结合试样的大小进行修正。（3）固结试验利用其应力—应变关系近似表示基床系数，由于侧向变无形，其试验结果往往很大，需要根据试验结果进行修正。修正的方法可采用加大土样下沉量的方式进行。（4）室内试验的基床系数成果应结合原位载荷试验对比分析，综合确定修正系数。

作者：迟云峰 李永东 单位：北京市勘察设计研究院有限公司