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1、地铁勘察规范中基床系数的测定方法溯源,分析和建议篇一：地铁勘察规范中基床系数的测定方法溯源地铁勘察规范中基床系数的测定方法溯源、分析和建议高大钊（同济大学 上海四平路1239号 20XX92）提要：对我国技术标准中关于基床系数的测定方法和工程应用的现状进行了归纳和分析，发现基床系数的应用和测定方法已经出现了多元化的现象，亟需加以必要的统一与规范化；查阅了Terzaghi和Vesic的两篇重要文献，了解了流传已久的一些方法的，澄清了一些重要的概念和思路。对我国技术标准中关于基床系数的应用与测定，提出了评价与建议，认为提供弹性地基梁板计算用的竖向基床系数应采用方形承压板载荷试验；水平向基床系数建议
2、用桩的水平载荷试验的方法测定而不用平板载荷试验；用于控制填土质量标准的指标K30可以采用圆形承压板的载荷试验测定，其术语称为地基系数K30；而用室内试验测定基床系数的方法不宜在工程勘察中推广应用。关键词：基床系数 载荷试验 弹性地基梁板 填土质量控制 桩的横向抗力1问题的提出国标地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范GB 5030719991规定了基床系数K30的几种测定方法，包括压板直径为30cm的载荷试验、三轴压缩试验和固结试验。国标地铁设计规范GB 5015720XX2将基床系数应用于三个方面：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
3、) 路基土采用地基系数K30控制压实标准。自1867年Winkler提出基床系数的概念以后，首先在弹性地基上的梁板计算中得到广泛的应用，后来又应用于承受横向荷载的结构物的内力分析，基床系数作为一种计算参数，得到了工程师的重视。关于基床系数的测定，自1955年Terzaghi的文献3发表以来，采用1平方英尺面积的方形承压板载荷试验用于测定竖向基床系数，用桩的水平载荷试验测定水平向基床系数已经成为人们约定俗成的认识，但在我国的勘察规范中过去却少有规定。自世纪之交开始，由于地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范规定了在勘察阶段用圆形承压板载荷试验测定K30的方法测定竖向的和水平向的基床系数，同时还规定了
4、可以用室内三轴压缩试验和固结试验的方法测定。人们不能不注意到，这些规定在基本概念、测定标准和工程应用方面所产生的一些影响，这些影响也可以从后继的一些规范的编制和一些研究报道中反映出来。因此，有必要对这个问题加以追溯和分析，对勘察规范如何规定基床系数的测定方法提出建议。2我国有关技术标准对基床系数测定方法的一些规定我国早期的勘察规范对基床系数的测定方法很少有具体的规定，仅桩基规范规定了用桩的水平载荷试验方法测定水平基床系数。 1999年，地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范首次在我国的勘察规范中对基床系数的各种测定方法作了非常具体的规定，包括下列4个条文和有关的条文说明：条 基床系数在现场测定时宜
5、采用K30方法，采用直径30cm 的荷载板垂直或水平加载试验，可直接测定地基土的水平基床系数Kx和垂直基床系数Kv。条 在室内宜采用三轴试验或固结试验的方法测定地基土的基床系数K。条 在初步勘察阶段可根据地基土的分类、密实度，按照本规范附录选用。 条 在详细勘察阶段应通过试验方法确定。在这本规范的条文说明中给出了基床系数随基础宽度B增加而减小的计算公式：黏性土： （1）砂 土； （2）K1标准基床系数或K30值。在此以后，国标岩土工程勘察规范4 、行标高层建筑岩土工程勘察规程5和上海市工程建设规范岩土工程勘察规范6对基床系数的测定都相继作出了具体的规定。但这些规范的规定之间却出现一些矛盾和分歧
6、，主要表现在下列4个方面：1） 基床系数的测定方法分为三种：（1） 由载荷试验测定竖向和水平向的基床系数（2） 由桩的水平载荷试验测定水平向基床系数（3） 由三轴试验或固结试验测定竖向和水平向的基床系数2) 关于承压板的形状和尺寸的规定（1） 30cm（1ft）边长的方形承压板（2） 30cm（1ft）直径的圆形承压板（3） 方形和圆形承压板均可3） 由载荷试验得出的基床系数的术语与符号岩土工程勘察规范和高层建筑岩土工程勘察规程都采用相同的基准基床系数的术语和符号Kv，但承压板的形状是不同的。其他几本标准的术语都不统一，符号也不一致。4） 关于按基础尺寸换算的基床系数岩土工程勘察规范对此没有作
7、出任何规定；地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范和高层建筑岩土工程勘察规程给出了相同的换算公式，其都是引用Terzaghi的公式；而上海市工程建设规范岩土工程勘察规范还给出了将非标准尺寸的承压板试验结果换算为标准承压板条件下的“标准基床反力系数”Kv1和再换算为实际基础尺寸的“地基土的基床反力系数”，Ks的术语与符号均与其他的规范之间存在差异。5) 各本勘察规范用载荷试验测定基床系数的不同规定见表1。各本勘察规范对基床系数的规定 表1规范名称项目 地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范 岩土工程勘察规范 高层建筑岩土工程勘察规程 上海市工程建设规范岩土工程勘察规范载荷试验承压板形状和尺寸 圆形，直径
8、30cm 方形，边长30cm 圆形，直径30cm 方、圆均可由载荷试验得出的基床系数的术语与符号 K30或K1 基准基床系数Kv 基准基床系数Kv 载荷试验基床反力系数Kv换算得到的基床系数的术语与符号 K 修正后的基床系数Kv1 标准基床反力系数Kv1 地基土的基床反力系数Ks3. 我国有关技术标准关于基床系数工程应用的规定关于基床系数的工程应用，最早是在讨论弹性地基梁板的计算时提出来的，一般是采用经验系数；对于承受横向荷载的桩或支挡结构物，计算横向抗力时需要考虑结构与地基土的共同作用，提出了用桩的水平载荷试验测定水平基床系数的方法，并根据这种方法积累了经验数据。从1999年开始，铁路系统的
9、规范提出了采用基床系数评价路基填土压实质量的方法，最初出现在铁路路基设计规范TB 10001-99中。铁路路基设计规范7有三个不同年代的版本。在85版的铁路路基设计规范中还没有对地基系数K30作出任何规定。铁路路基设计规范TB 10001-99 将地基系数K30作为对基床土的压实度控制指标提出来的，在条文中规定：“对细粒土和黏砂、粉砂采用压实系数K或地基系数K30作为控制指标；对粗粒土（黏砂、粉砂除外）应采用相对密度或地基系数K30作为控制指标，对碎石类土和块石类混合料应采用地基系数K30作为控制指标。K30为30cm直径荷载板试验得出的地基系数，一般取下沉量为的荷载强度。”铁路桥涵地基与基础
10、设计规范8和公路桥涵地基与基础设计规范9对墩台基础考虑土的弹性抗力的计算中，都规定了对地基系数的比例系数m的值应采用试验实测值，无实测资料时，查用经验值。这两本规范都并没有规定测定比例系数m值的方法。综合上述几本规范的规定，基床系数的工程应用方面的比较见表2。几本全国性规范对基床系数工程应用的规定 表2竖向基床系数用于弹性地基梁、板计算水平向基床系数用于桩或墩台基础的横向受力计算 K30用于路基土压实控制建筑地基基础设计规范10 有规定建筑桩基技术规范11 有规定铁路路基设计规范7 有规定铁路桥涵地基与基础设计规范8 有规定地铁设计规范2 有规定 有规定 有规定公路路基设计规范12公路桥涵地基
11、与基础设计规范9 有规定4. 我国对基床系数研究的若干文献报道我国对基床系数测定的研究报道并不很多，下面主要引用上个世纪的1份研究报道和最近几年的2份研究报道。徐和、徐敏若、郑春生的研究（1982）13上世纪70年代后期，在唐念慈教授领导下，进行了单桩横向承载力试验研究。由四根灌注桩水平载荷试验的实测桩头位移反算的地基系数m值见表3。从实测结果可以看出，地基系数的大小不仅与土质有关，而且与桩的刚度、桩头位移等有关。地基系数随桩头位移或荷载的增大而减小，随桩的刚度增加而增大。周宏磊、张在明的研究（20XX）14在“基床系数的试验方法与取值”一文中，作者提出了一种在考虑ps曲线非线性特征条件下将不
12、同尺寸载荷板的试验结果化为标准的基床系数的方法，讨论了载荷试验下沉量取值对换算结果的影响，建立了不同土类室内压缩模量与基床系数之间的数值关系。作者考虑载荷试验压力变形的非线性特征，提出了将50cm50cm承压板的试验结果换算为标准尺寸30cm30cm条件下的基床系数的方法，还研究了不同下沉量对两者关系的影响。 按照地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范的方法，作者推导出基床系数近似为50倍Es1-2的结果。但根据北京地区实际资料统计的结果，基床系数与压缩模量的比值随压缩模量的增大而减小，压缩模量为5MPa时，比值为67，当压缩模量增大到20MPa时，比值减小到3左右。与上述推导得到的比值50相差甚
13、远。牛军贤、董忠级的研究（20XX）15作者按照地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范规定的方法，对饱和黄土进行了室内三轴试验研究。作者对试样恢复到原始应力状态后，进行三轴压缩试验，按不同应力路径控制围压增量，得到轴向应力增量与试样高度变化量之间的关系曲线，将此曲线初始线性段的斜率定义为基床系数。试验结果表明，当应力路径n时，线性关系比较好，而n为软化型曲线，n为硬化型曲线，故采用n的试验结果计算基床系数。为与室内试验结果进行对比，还在不同深度处做了K30载荷试验以测定垂直基床系数和水平基床系数。5Terzaghi和Vesic对基床系数的论述在讨论基床系数问题时，许多文献都引用Terzaghi和V
14、esic的两篇比较经典的文献。 Terzaghi的文献（1955）3这篇文献的篇幅很大，涉及面比较宽，下面仅摘引与本文主题关系比较密切的一些内容。 基床系数的两个基本假定（A）接触压力和相应的位移的比值k与压力的大小无关（线性的假定）；（B）在接触压力作用的地基表面范围内，每点的竖向基床系数都是相等的（与位置无关的假定）；而水平向的基床系数则与土的类别有关，对于硬黏性土，接触面积范围内每一点的基床系数都是相等的；对于无黏性土，基床系数随深度呈比例增大，比例系数为m，在接触面积范围内每一点的m值都相等。 历史的回顾Terzaghi回顾了自1867年Winkler将基床反应的概念引入应用力学以后的
15、推广应用情况。认为那段时间内比较多的注意力集中于将弹性地基四阶微分方程的解用于连续基础、筏板基础和桩的弯矩计算的理论方面，而假定基床系数是已知的。虽然 Hayashi ,提出了用载荷试验方法确定基床系数，但他并没有注意到荷载试验的结果取决于承压板的尺寸。 Hetdnyi关于弹性地基梁板的著作中也没有讨论影响基床系数的因素。这种情况导致了工程师们产生一种错误的倾向，认为基床系数完全取决于土的性质。也即认为对于任何给定的地基土，基床系数具有确定的数值。 误差分析对于作用面积的尺寸对基床系数的影响，在许多情况下被非常轻率地忽略了，因此基床系数理论用于解决工程问题时的误差常常是非常大的。上述这些假定与实际情况是有偏离的，集中荷载作用下刚性承压板下各点的位移是相同的，但接触压力的分布是不均匀的；在柔性承压板上作用
