三軸法測定基床系數(shù)探析

姜鋒利 （安徽省建設(shè)工程測試研究院有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230001）

1 基床系數(shù)的定義

基床系數(shù)是指地基上任一點所受的壓力強度與該點的地基沉降量之比，即單位面積土體產(chǎn)生單位位移所需要的力，量綱為kN/m3或MPa/m?；蚕禂?shù)按其力作用方向的不同可以分為“豎向基床系數(shù)”和“水平基床系數(shù)”。試驗表明，在相同壓力作用下，基床系數(shù)K值隨基礎(chǔ)寬度的增加而減小，在基底壓力和基底面積相同的情況下，矩形基礎(chǔ)下土的基床系數(shù)比方形的大，對于同一基礎(chǔ)，土的基床系數(shù)隨埋置深度的增加而增大；試驗還表明，黏性土的基床系數(shù)隨作用時間的增加而減小。

基床系數(shù)可以這樣理解：土體的剛度越大，土體越穩(wěn)定，土體抵抗變形的能力就越大，土體的基床系數(shù)越大。

基床系數(shù)目前常用的試驗方法分為兩大類：現(xiàn)場原位測試和室內(nèi)試驗，現(xiàn)場原位測試包括現(xiàn)場載荷試驗、旁壓試驗、扁鏟側(cè)脹試驗等，室內(nèi)試驗包括三軸（CD）試驗法和固結(jié)試驗法。目前室內(nèi)三軸試驗法測定基床系數(shù)的相關(guān)規(guī)范，僅在《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50123-2019）介紹了相對詳細的試驗方法、設(shè)備等。

2 基床系數(shù)用三軸儀測定的原理

基床系數(shù)室內(nèi)三軸試驗法是土樣經(jīng)飽和處理，用全自動三軸儀在K0狀態(tài)下固結(jié)后，按不同應(yīng)力路徑剪切，得到軸向應(yīng)力增量與變形增量的關(guān)系曲線，曲線上初始切線模量或某割線模量便為基床系數(shù)。

K0固結(jié)，又叫等比固結(jié)，是指土體在無側(cè)限變形的條件下有效側(cè)向壓力與有效軸向應(yīng)力之比。試驗時，圍壓與軸壓不相等，需保證側(cè)向土體不變形?！锻凉ぴ囼灧椒?biāo)準(zhǔn)》其規(guī)定試驗采用應(yīng)變控制式三軸儀，其剪切速率（軸向應(yīng)變速率）固定，圍壓可控，通過控制圍壓（分級加載）與側(cè)向不變形，來施加軸壓，過程不斷排水，最終孔隙水壓力消散（固結(jié)度達到95%），K0固結(jié)完成。同樣，剪切過程軸壓也不可控，試驗過程儀器按一定剪切速率剪切，測出軸壓增量，根據(jù)不同應(yīng)力路徑計算出所需圍壓增量，實時調(diào)整圍壓增量。最終儀器通過控制圍壓的大小，來滿足不同應(yīng)力路徑（n=?σ3/?σ1=0，0.1,0.2,0.3）的試驗條件（這個過程只能儀器自動完成，所以必須用全自動三軸儀來實現(xiàn))。

軸向應(yīng)力增量與變形增量的關(guān)系曲線第一階段的變形明顯，土樣變形量隨軸向應(yīng)力增加呈線性增加，第二階段軸向應(yīng)力增加變緩慢，曲線向下傾斜。這是因為土樣經(jīng)K0固結(jié)后，恢復(fù)了土體原始的應(yīng)力，土體剛度較大，第一階段軸向應(yīng)力呈線性迅速增加，增加到一定程度后，土體剛度減小，土體抵抗變形的能力變差，軸向應(yīng)力增加緩慢，直至土體破壞。

3 試驗步驟

①儀器準(zhǔn)備，根據(jù)試樣強度的大小，選擇不同量程的測力計；排水管路應(yīng)通暢，活塞在軸套內(nèi)應(yīng)能自由滑動，各連接處應(yīng)無漏水漏氣現(xiàn)象；橡皮膜在使用前應(yīng)仔細檢查，其方法是扎緊兩端，在膜內(nèi)充氣，然后沉入水下檢查，應(yīng)無氣泡溢出。

②試樣制備，試樣高度h與直徑D之比（h/D）應(yīng)為2.0-2.5，直徑D分別為39.1mm、61.8mm及101.0mm。對于有裂隙、軟弱面或構(gòu)造面的試樣，直徑D宜采用101.0mm，試樣制備好后裝入飽和器，進行抽氣飽和，當(dāng)抽氣真空度接近當(dāng)?shù)?個大氣壓后，應(yīng)繼續(xù)抽氣，繼續(xù)抽氣時間不同的土有不同的規(guī)定，粉土一般抽氣時間大于0.5h，黏性土一般抽氣時間大于1h，密實的黏性土一般抽氣時間大于2h；當(dāng)抽氣時間達到規(guī)定值后，徐徐注入清水，并保持真空度穩(wěn)定，待飽和器完全被水淹沒即停止抽氣，并釋放抽氣缸的真空，試樣在水下靜置時間應(yīng)大于10h。

③試樣經(jīng)飽和處理后，安裝在儀器上，分級施加周圍壓力，并按預(yù)估初始速率施加軸向壓力。所施加最終圍壓按下列公式進行

σ3=K0σ1，σ1=γh

其中，σ1-軸向壓力(kPa)，σ3-側(cè)向壓力(kPa);

K0-土的靜止側(cè)壓力系數(shù);γ-上覆土層重度(kN/m3);h-上覆土層厚度(m)

第一級圍壓應(yīng)根據(jù)土的物理性質(zhì)決定，加壓率宜為1。

④固結(jié)過程，三軸儀測出軸向變形h,及排水量?V。試樣初始橫截面面積S為已知。通過比較SXh與?V大小，來不斷變換軸向壓力σ1增加的速率，維持SXh和?V的動態(tài)平衡，使二者保持相等。

⑤當(dāng)軸向壓力增加到一定值，孔隙水壓力消散，第一級固結(jié)完成。

⑥施加下一級圍壓，直到達到所需圍壓，K0固結(jié)結(jié)束，保持軸壓與圍壓不變。

⑦按照不同應(yīng)力路徑(n=?σ3/?σ1=0，0.1，0.2，0.3)進行剪切，剪切速率0.003%/min～0.012%/min(采用CD剪切方式，過程排水)。

⑧固定剪切速率，儀器測出?σ1，根據(jù)不同應(yīng)力路徑n,算出所需?σ3,實時調(diào)整?σ3。當(dāng)出現(xiàn)明顯的第二階段曲線(?h增加變緩慢)時，即可停止剪切。

⑨剪切結(jié)束后，關(guān)閉電動機，下降升降臺，開排氣孔，排去壓力室內(nèi)的水，拆除壓力室罩，揩干試樣周圍的余水，脫去試樣外的橡皮膜，描述試驗后試樣形狀，稱試樣質(zhì)量，測定試驗后含水率。

⑩以主應(yīng)力?σ1為縱坐標(biāo)，軸向變形量?h為橫坐標(biāo)，繪制不同應(yīng)力比（0,0.1,0.2,0.3）的?σ1-?h關(guān)系曲線，取曲線初始段切線模量或取對應(yīng)應(yīng)力段的割線模量為基床系數(shù)，至于規(guī)定這幾種不同的應(yīng)力路徑的意義及最終提交參數(shù)采用何種應(yīng)力路徑下的試驗結(jié)果并未明確規(guī)定，此處之所以采用多種應(yīng)力路徑是為了更好地模擬現(xiàn)場場地的施工條件，所以應(yīng)根據(jù)實際情況合理取用。

4 數(shù)據(jù)分析

上表是在多個工程利用全自動三軸儀測定垂直基床系數(shù)得到的統(tǒng)計值。

全自動三軸儀測定垂直基床系數(shù)

從上表統(tǒng)計結(jié)果可知，通過三軸試驗法測定的垂直基床系數(shù)比經(jīng)驗值相對偏大1.6～2.9倍，造成這種結(jié)果有多種多樣的原因，主要原因有：室內(nèi)試驗尺寸效應(yīng)的影響；土的各項異性及不均勻性等非線性特征的影響；試樣在取樣、運輸、制樣等過程受到不同程度擾動的影響;土的狀況（含水率、密度）的影響；土的含水率、密度是土體本身對壓縮變形影響最大的因素,對于黏性土來說,一方面，含水率越小，在壓力作用下可以被排出的水就小,壓縮性就越小，土體抵抗變形的能力就越強，基床系數(shù)隨之提高；另一方面,含水率小，黏性土的稠度相應(yīng)增加,抵抗變形的能力也增加,基床系數(shù)也相應(yīng)增大。對砂性土來說,含水率小，密實程度高,土顆粒之間的孔隙相對較小，在壓力的作用下排出的水和空氣相對較少,所以隨砂性土的密實程度的提高,基床系數(shù)相對也就越大。但室內(nèi)三軸試驗法確定基床系數(shù)相比載荷試驗等原位測試，有其合理性、便捷性和經(jīng)濟可行性，其結(jié)果應(yīng)與當(dāng)?shù)亟?jīng)驗值進行驗證，綜合確定。

5 結(jié)語

基床系數(shù)與地基土的類別（礫狀土、粘性土）、土的狀況（含水率、密度）、風(fēng)化程度及物理力學(xué)特性、巖土體性狀與結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)形狀及作用面積受力狀況有關(guān)，這些影響因素共同決定了基床系數(shù)是一個不容易確定的指標(biāo)。雖然國內(nèi)外學(xué)者對基床系數(shù)的試驗方法進行了大量研究工作，但現(xiàn)階段直接用某種試驗方法確定土體的基床系數(shù)并不是十分成熟。三軸試驗法通過模擬天然狀態(tài)下土樣的應(yīng)力狀態(tài)，使用全自動三軸儀測定土的基床系數(shù)，雖與載荷試驗等原位測試的結(jié)果有差別，但相比原位測試其方法有其合理性、便捷性和經(jīng)濟可行性，其最終結(jié)果應(yīng)與原位測試結(jié)果或當(dāng)?shù)亟?jīng)驗值進行驗證，綜合確定。