三轴试验法测定基床系数的探讨

【摘要】本文通过模拟天然状态下土样的应力状态，采用室内三轴试验，得到应力应变关系曲线，计算出地基土的基床系数，同时介绍了三轴试验法的设备和方法，结合三轴试验成果与原位测试或规范经验值，对基床系数试验结果对比分析，证实三轴试验法测定基床系数的合理性、便捷性和经济可行性，并对三轴试验测定基床系数的方法进行了探讨。

【关键词】室内试验;三轴试验法;基床系数;方法探讨

基床系数也称弹性抗力系数或地基反力系数，是地基土在外力作用下，产生单位下沉时所需的压力，有水平基床系数和垂直基床系数之分。基床系数在工程设计中具有重要的实用意义，是各行业建筑地基基础及地下工程等工程中一个重要的参数，它主要用于模拟地基土与结构物的相互作用，计算结构内力、变形其取值的大小、分布形式直接影响求解作用在挡土结构物的土压力、位移和内力等，对工程造价、结构安全可靠性程度均有直接影响。

基床系数目前常用的测定方法主要有两大类，一是原位测试，包括载荷试验、旁压试验和扁铲侧胀试验等，二是室内试验，包括三轴试验法和固结试验法。目前室内试验测定基床系数还没有相关标准和规程，仅在《城市轨道交通岩土工程勘察规范》（GB 50307-2012）7.3.10条文规定了“基床系数在有经验的地区可通过原位测试、室内试验结合本规范附录H的经验值综合确定，必要时通过专题研究或现场K30载荷试验确定” ，但没有介绍详细的试验方法、设备等。

本文通过对大量的室内试验成果分析，收集对比原位测试试验资料与工程使用经验，对室内三轴试验法测定土的基准基床系数方法进行了探讨。

1、三轴试验法的设备与步骤

1.1 试验原理

三轴试验法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：

σ3 =k0γh，σ1 =γh

n=Δσ3/Δσ1=0.0，0.1，0.2，0.3

式中：k0―试验深度处土层静止侧压力系数;γ―土的重度（KN/m3），地下水位以下应取浮重度;h―上覆土层厚度（m）。

不同应力路径下的三轴试验（慢剪） ，得到应力应变曲线，求得初始切线模量或某一割线模量，定义为基床系数。

在试验过程中，应变式三轴仪在试验过程中轴向应力σ1 是一个变量，可通过控制围压σ3 不变即Δσ3 =0，以达到满足n=Δσ3/Δσ1=0的试验条件。

1.2 试验的设备和软件

试验设备采用北京华勘科技有限责任公司生产的KTG全自动三轴剪切仪，该仪器由试验机、压力室、试验及控制系统、周围控制系统、反压控制系统、主应力差量测系统、孔隙压力传感器、排水传感器、体变传感器、数据采集系统等组成。

试验软件采用北京华勘科技有限责任公司开发的全自动三轴采集软件，可进行UU、CU、CD试验，增配功能模块后还可进行K0固结、基床系数、等三轴特殊试验。该软件在设置试验参数启动试验后，能自定运行直至结束，并采用动态实时采集技术，可实时显示试样的各种试验数据和曲线。

1.3 试验步骤

1） 样品制备：选取代表性的样品，使用三轴专用的削土器切削制成直径为39.1mm或61.8mm，高度为80.0mm或125.0mm的圆柱体，同一土样一般制备不少于3块样品，并采用抽气饱和法对试件进行饱和处理。

2） 安装样品：安装样品前应先进行孔压管路排气，并检查储水筒是否有无气的蒸馏水、试样座下方台阶线与密封圈的间距是否小于2mm等，将饱和试样套上橡胶膜，并在样品放置滤纸和透水石，然后按照规范要求将试样安装到三轴仪试样座上，排除试样膜与试样间的浮水，安装好压力室，往压力室注满蒸馏水后，使压力室与轴向测力接触。

3） 设置试验参数：启动全自动三轴采集软件，进入通用参数设置，按照要求输入工程名称、工程编号、土样编号、试样直径、起始面积等基本参数，在试验类型中选择“基床系数试验”，孔压判稳间隔为10min，孔压判稳标准为1.0kPa。在进入剪切通用参数设置，复位速度为2.0mm/min，剪切速率一般为0.003～ 0.012%/min，可参考水利规范中土样性质所对应的速率要求设置，剪切停止应变为3% ～ 5%，接触控制为2.0kPa，σ3控制误差为0.3kPa，控制比值三个样品分别取0.1、0.2、0.3，排水水位上限为30.0ml。最后进入基床系数试验参数设置，推荐使用“方法1 Δσ3/Δσ1 ”。

基床系数的围压需根据公式σ3 =k0γh 计算，没有实际数据时，一般选取k0=0.5来估算基床系数的围压。

4） 开始试验：再次检查试验参数无误后，将试验参数传送到采控器，依次点击“状态初始化”、“传感器归零”、“开始试验”命令，试验正式开始，试验过程会自动进行。

一般要求每组样品需进行三次不同应力路径的试验，控制比值分别取0.1、0.2、0.3，当样品长度不够时，可考虑只做一个应力路径的试验，其控制比值宜取0.2，剪切过程中维持σ1/σ3为设定常数。

基床系数试验的固结应采用K0固结方式，剪切方式采用CD剪切方式。 在试验前会自动进行K0固结，K0固结预压值为20kPa，然后再逐级加围压增量，固结过程中试样体积ΔV（默认值无需更改）会发生变化，当ΔV小于设定排水增量时，主轴会加快上升;当ΔV大于设定排水增量时，主轴会减慢上升。维持试样体积变化和排水量的动态平衡。当达到稳定标准（三种稳定方法需根据土样性质选择，一般粉粘土采用“孔压或排水增量”方法），进入下一级压力循环进行，直至K0固结结束开始剪切。

5） 保存试验数据：试验结束后，用“保存试验数据”命令保存试验过程中采集的数据。

1.4 试验数据处理

启动“华勘特殊试验处理软件”，进入“三轴基床系数试验数据处理”模块，打开需处理的工程编号的采集数据，在处理软件会显示相应的应力应变曲线，在曲线上找到斜率k最大的数值（即起始段切线），最好画出前十个点的对应曲线，找到线性较好k值较大的点再连接成直线，把此时的斜率k作为基床系数。应力应变曲线一般第一阶段的变形明显，土样变形随应力的增加呈线性增加，并于临塑应力出现拐点，进入了塑性变形阶段，第二阶段塑性变形增大，变形量增加缓慢。

基床系数试验应将3组实验结果求平均数作为最终结果，当最终结果和n取0.2时结果相近时，也可将n取0.2时结果作为最终结果。

2、数据分析及探讨

2.1 试验数据

我公司测试中心在多个工程中利用三轴试验法测定基床系数，已进行了100多组的样品试验，得到的部分成果见表1。

表1 三轴试验法测定基床系数试验成果

三轴试验法

土类 基床系数试验值

（MPa/m）

原位测试或规范

经验值基床系数

（MPa/m）

硬塑黏土 71.8～98.8

50～70

坚硬黏土 110.5～126.6

70～90

硬塑粉质黏土 107.7～118.7

55～70

坚硬粉质黏土 131.4～148.3

75～90

硬塑砂质黏性土 58.5～67.5

45～60

坚硬砂质黏性土 87.2～96.6

60～80

根据《城市轨道交通岩土工程勘察规范》（GB 50307-2012）条文说明，三轴试验法比原位载荷试验板试验结果大2～8倍。但从表1的三轴试验值与原位测试或规范经验值对比可知，三轴试验法与原位测试或规范经验值虽然相差较大，但采用此种试验方法和仪器得出的试验值比原位测试或规范经验值大1.5～2.0倍，已接近原位试验的数据。

2.2 方法探讨

基床系数采用不同的试验方法、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。室内试验中的三轴试验法能很大程度上模拟了天然状态下土样的应力状态，与基床系数测定条件较为相似，因此，通过三轴试验来模拟测定土的基床系数有其合理性、便捷性和经济可行性。

三轴试验法试验结果与原位测试结果有差异，主要原因有：

1）原位测试下的土体为有侧限变形，三轴试验虽然也为有侧限变形，但试验所加的围压与实际土体所受到的压力不同，因此需模拟土体的实际情况控制试验围压和按照土的取样深度合理控制K0固结压力。

2）试件尺寸问题，原位测试的土体的压缩层为影响深度范围内的土层厚度，但三轴试验的压缩层厚度只是土试样高度。为了减小原位试验与室内试验条件的差别，建议尽量采用了大尺寸试样的三轴试验。

3）样品的均匀性、代表性以及样品的采取、运输和样品制备等也会影响试验结果。因此，三轴试验法测定基床系数时，应注意控制每个环节的质量、按要求设置好相关试验参数，确保试验质量。

根据大量的资料表明，原位测试特别是K30原位平板载荷试验取得的基床系数与实际情况较为相近，但由于土层埋藏深度不一，对于浅层的土层可以通过原位测试方法进行测定，但对于中深层土的测定难度较大，也容易产生偏差，而且需要的时间较长，费用较大，因此采用室内试验是一种简单易行的方法。

结 语

三轴试验法通过模拟天然状态下土样的应力状态，使用全自动三轴仪测定土的基床系数，虽与载荷试验等原位测试的结果有差别，相比原位测试其方法有其合理性、便捷性和经济可行性，但其结果应与原位测试结果或规范经验值进行验证，综合确定。

三轴试验法测定基床系数还在探讨阶段，目前还没有相应的规程规范，但通过控制试验时围压、K0固结压力和试件的尺寸、质量，同时操作过程中通过模拟现场K30原位平板载荷试验的原理，采用简单可行的室内试验方法，应是以后发展的方向。

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