（岩土工程专业论文）合肥膨胀土基床系数室内试验研究.pdf

合肥工业大学 删| j l|n舢nif i iiiu i i ir lirlli | 1 y 18 8 6 3 6 6 。 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕 士学位论文质量要求。 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 主席： 委员：坛乏秀钙参缈够戈露序彼 腆胁喈么投 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金魍王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：吉弥 签字日期：劲( 1 年争月芴日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金趱三些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金目巴王些太 堂一可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：青防 导师签名： 签字日期：劲l 年￥月护日签字日期：协1 年髟月馋日 学位论文作者毕业后去向：钨虹 工作单位： 通讯地址： 电话：彬i r 厂防6 邮编： 合肥膨胀土基床系数室内试验研究 摘要 膨胀土在我国的分布极广，云南、四川、湖北、湖南、安徽、河北、陕西、 贵州、江西等省都存在有膨胀土。膨胀土具有显著的吸水膨胀和失水收缩两种 变性特征。在建筑物地基设计时，我们应该能够清楚的区分膨胀土与非膨胀土， 然后确定建筑物的设计原则及其相应的工程措施。 在公路、机场、地下工程和建筑地基基础工程，特别是近年来在城市地铁工 程中，基床系数k 是经常使用的非常重要的一个参数，它主要用于模拟地基土 与结构物的相互作用，计算结构物内力及变形。地基土基床系数的取值大小、 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，对工程造价、 安全可靠性程度均有影响。国家标准城市地下铁道、轨道交通岩土工程勘察 规范( g b 5 0 3 0 7 1 9 9 9 ) 给出了三种基床系数的测试方法：k 3 0 载荷试验、室 内固结试验和室内三轴试验，此外，旁压试验( 在钻孔中进行) 、扁铲侧胀试 验( 和静力触探试验同时进行) 和结合经验值法也是基床系数研究的几种常见 的方法。 本文以合肥地铁一号线基床系数研究为依据，根据研究地基土层的岩土工 程条件，综合国家城市地下铁道、轨道交通岩土工程勘察规范的要求，选 择适合研究区地基土基床系数的两种测试方法( 室内固结试验法和室内三轴试 验法) 进行试验和研究，主要包括各种测试方法的理论依据、试验原理、试验 设备、试验要点和资料整理以及成果应用，同时对各试验的要求和试验操作步 骤进行了简单的描述。最后，对研究区两种测试试验的结果进行系统的比对、 分析和讨论，参考已有的基床系数经验值，本着“安全可靠、经济合理”的原则， 综合确定研究区地基土的基床系数建议值，同时对研究区基床系数测试方法的 选用提了自己的建议，为研究区基床系数经验值的积累提供了原始数据。 关键词：基床系数；固结实验；三轴实验；压缩模量 t h el a b o r a t o r ys t u d yo fs u b g r a d ec o e f f i c i e n ta b o u t e x p a n s i v es o i li nh e f e i a b s t r a c t c h i n ai sac o u n t r yf u l lo fe x p a n s i v es o i l ，s u c hp r o v i n c ea sy u n n a n 、s i c h u a n 、 h u b e i ，h u n a n ，a n h u i ，h e b e i ，s h a n x i ，g u i z h o u ，j i a n g x ia n ds oo n e x p a n s i v es o i l h a st w of e a t u r e s ：w a t e rs w e l l i n ga n dw a t e rs h r i n k a g e w h e nd e s i g n i n gb u i l d i n g f o u n d a t i o n ，w es h o u l dd i s t i n g u i s he x p a n s i v es o i lw i t hn o n e x p a n s i v es o i lf i r s t ，t h e n d e t e r m i n ed e s i g np r i n c i p l e sa n de n g i n e e r i n gm e a s u r e so ft h eb u i l d i n g s u b g r a d ec o e f f i c i e n ti sa ni m p o r t a n tp a r a m e t e r si nb a s i se n g i n e e r i n gs u c ha s r o a d 、a i r p o r t 、u n d e r g r o u n dp r o j e c t i o na n db u i l d i n gf o u n d a t i o n ，e s p e c i a l l yi nu r b a n r a i lp r o j e c t si nr e c e n t l yy e a r s i ti sm a i n l yu s e dt os i m u l a t et h em u t u a lr e a c t i o no f t h es o i la n ds t r u c t u r e ，a n dc a l c u l a t ei n t e r n a lf o r c e sa n dd e f o r m a t i o no f s t r u c t u r e b o t ht h en u m b e ro fs u b g r a d ec o e f f i c i e n ta n dt h ed i s t r i b u t i o no ff o r c e s d i r e c t l yi n f l u e n c et h er e s u l to fe a r t hp r e s s u r ei nr e t a i n i n gs t r u c t u r e s 、d i s p l a c e m e n t 、 i n t e r n a lf o r c e s 、p r i c eo fp r o j e c t i o n 、r e l i a b i l i t yo fs e c u r i t y c o l do ng e o t e c h n i c a l i n v e s t i g a t i o n s f o ru r b a nr a i lt r a n s i t h a st h r e em e t h o d st ot e s t s u b g r a d e c o e f f i c i e n t ：k 3 0l o a d i n gt e s t 、c o n s o l i d a t i o nt e s ta n dt r i a x i a lt e s ti nl a b o t a t o r y i n a d d i t i o n ，p r e s s u r e m e t e rt e s t 、f l a td i l a t o m e t e rt e s ta n dp r e v i o u se x p e r i e n c ea r ea 1 1 c o m m o nm e a n si nr e s e a r c h i n gs u b g r a d ec o e f f i c i e n t t h i sa r t i c l ei so nt h eb a s i so fr e s e a r c ho ns u b g r a d ec o e f f i c i e n ta b o u ts u b w a yi n h e f e i ，c o n s i d e r i n gt h eg e o t e c h n i c a lc o n d i t i o n sa n dt h er e q u i r e m e n t so f c o l do n g e o t e c h n i c a li n v e s t i g a t i o n sf o ru r b a nr a i lt r a n s i t ) ) ，t h e ns e l e c tt h eb e s ta p p r o p r i a t e w a yt or e s e a r c ho ns u b g r a d ec o e f f i c i e n t ：c o n s o l i d a t i o nt e s ta n dt r i a x i a lt e s t t h i s a r t i c l em a i n l yc o n t a i n st h e o r e t i c a lb a s i s ，p r i n c i p l e ，e q u i p m e n t ，m a i np o i n t sa b o u t t h et e s ta n de v e n t u a ld o c u m e n t a t i o n 、a p p l i c a t i o n , a tt h es a m et i m e ，a r t i c l es i m p l y d e s c r i b er e q u i r e m e n t sa n ds t e p t so ft e s t s f i n a l l y , a r t i c l ec o m p a r ew i t ht h er e s u l t so f t w om e t h o d ，a n a l y z ea n dd i s c u s st h er e s u l t s ，r e f e rt o p r e v i o u s o u t c o m ea b o u t s u b g r a d ec o e f f i c i e n t ，c h o o s e t h et h em o s ts u i t a b l en u m b e ro f s u b g r a d e c o e f f i e n t e v e n t u a l l y ，a r t i c l eg i v e ss o m ea d v i s eo nh o wt oc h o o s et h em o s ts u i t a b l e m e t h o da b o u tt e s t i n gs u b g r a d ec o e f f i c i e n t ，p r o v i d i n gt h er a wd a t af o ra f t e rr e s e a r c h o ns u b g r a d ec o e 伍c i e n t k e y w o r d sls u b g r a d ec o e f f i c i e n t ；c o n s o l i d a t i o nt e s t s ；c dt e s t s ；c o m p r e s s i o n m o d u l u s 致谢 时光飞逝，转眼忙碌而充实的研究生生活即将结束。回想过去，我衷心的 感谢李凡老师在两年半来对我的悉心培养和教诲。将近三年的研究生学习中， 李凡老师不仅在学习上、生活上给我很大的帮助和鼓舞，更以他渊博的知识、 平易近人的学者风范、诲人不倦的育人精神及丰富的实践经验，使我终生受益， 特别是他对我的教诲，我都铭记于心。并在我完成论文时给予了极大的帮助， 使我完成硕士阶段的学习。值此论文完成之际，谨向导师表示最诚挚的谢意! 在本人学习和论文期间还得到陈清老师和李雪峰老师的关怀和悉心指导， 在这里表示诚挚的谢意。 最后借此机会，感谢所有在学习上生活上给予我帮助的老师、同学和朋友 们，感谢我的父母和亲人在我漫长的求学生涯中给我的支持和理解，衷心祝愿 他们永远健康幸福! 作者：方陈 2 0 11 年3 月1 2 日 目录 第一章绪论1 1 1 课题的研究背景j k l 1 2 基床系数的发展状况1 1 2 1基床系数的概念1 1 2 2影响地基土基床系数k 的因素1 1 2 3基床系数的发展状况3 1 3 本文研究的内容4 1 4 本文研究的目的和意义5 第二章研究区自然地理及工程地质条件概述7 2 1 自然地理状况一7 2 2 地层岩性特征：9 2 3 水文地质条件j 1 0 2 4 膨胀土对工程的影响1 0 第三章测定基床系数的方法：1 2 3 1现场载荷试验1 2 3 2室内固结试验：1 3 2 3室内三轴试验1 3 3 4 旁压试验1 4 3 5 经验值法：1 4 3 6 弹性理论法1 5 第四章合肥膨胀土基床系数的试验1 8 4 1自由膨胀率实验1 8 4 1 1 主要仪器设备1 8 4 1 2实验步骤：1 8 4 1 3 自由膨胀率的计算1 9 4 2 界限含水率试验2 1 4 2 1 液塑限试验方法2 1 4 2 2试验主要仪器设备2 3 4 2 3试验步骤2 4 4 2 4 结果整理与计算j 2 5 4 3固结法的膨胀土固结试验：2 9 4 3 1主要仪器设备2 9 4 3 2原状土样的制备3 0 4 3 3 试验步骤3 l 4 3 4结果计算与整理3 1 4 3 5 固结试验求基床系数3 2 4 3 6 固结试验法基础上基床系数k 与压缩系数e s 之间的关系3 7 4 3 7 结论3 8 4 4三轴法的膨胀土三轴试验3 9 4 4 1 主要仪器设备3 9 4 4 2试验前的检查与准备4 1 4 4 3试验步骤4 2 4 4 4 结果计算与整理4 3 4 4 5 结论4 7 第五章实验结果的归纳总结4 8 5 1 实验结果的归纳总结4 8 5 1 1 固结试验结果归纳总结4 8 5 1 2 三轴试验结果归纳总结。4 8 5 2 建议值的给定- 一5 1 第六章结论与展望5 2 结j 沧5 2 展望5 3 参考文献5 3 插图清单 图1 1 研究方法和技术路线图6 图2 1 合肥市轨道交通一号线一期工程线路走向示意图8 图2 2 合肥市气象要素图9 图2 3 合肥市年降雨量分布图9 图3 1 应变控制式三轴仪1 3 图4 1 1 搅拌器示意图1 8 图4 1 2 量样装置1 8 图4 2 1 光电式液塑限联合测定仪示意图2 4 图4 2 2 圆锥如图深度与含水率的关系曲线2 5 图4 3 1 固结仪示意图2 9 图4 3 2 固结容器结构图一3 0 图4 3 3 土样的压缩e - p 曲线3 2 图4 3 4 自由膨胀率与基床系数关系曲线3 7 图4 3 5 不同膨胀潜势的土样基床系数与深度的关系曲线3 6 图4 4 1 应变控制式三轴仪示意图4 0 图4 4 2 击样器示意图4 0 图4 4 3 饱和器示意图4 0 图4 4 4 土样2 号、8 号、1 5 号、3 2 号、4 0 号的a o l 一h 关系曲线4 5 图4 4 5 塑性指数与基床系数的曲线关系_ 4 7 表格清单 表3 1 基床系数k 的经验值1 5 表4 1 1 膨胀潜势分类1 9 表4 1 2 土样的自由膨胀率2 0 表4 2 1 各规范要求的液、塑限锥入深度2 2 表4 2 2 粘性土的分类2 6 表4 2 3 粘性土状态的分类2 7 表4 2 4 土样的界限含水率试验结果：2 8 表4 3 1 土样的物理指标：。3 1 表4 3 2 土样的o 。、o 。的取值3 3 表4 3 3 固结试验得到的基床系数k 3 3 表4 3 4 修正后的固结试验的基床系数k 1 3 5 表4 4 1 粘土的静止侧压力系数4 2 表4 4 2 土样的自重应力o l 和固结围压0 3 4 3 表4 4 3 三轴试验法修正后基床系数结果4 6 表5 1 固结试验法得到的基床系数k 4 9 表5 2 三轴试验法得到的基床系数k 5 0 表5 3 合肥膨胀土基床系数的建议值( m p a m ) 5 1 第一章绪论 1 1课题的研究背景 随着我国社会经济的不断蓬勃发展以及城市人口压力的不断增加，城市地 铁工程已经被越来越多的大中小城市所接受并承建用以缓解城市用地压力，所 以地下铁道的勘察工作在岩土工程勘察界中发挥了越来越重要的作用。在经过 大量的地下铁道勘察后，工程工作人员发现，基床系数k 值究竟如何确定其大小 的确给许多岩土工程师带来了不小的迷惑，然而，地基土的基床系数k 取值大小 和分布形式对求解作用在挡土结构物上的土压力和位移有直接影响，对安全可 靠性程度、工程造价也有深远影响。因此，国内外研究人员进行了许多的现场 原位试验和室内试验，还提出了一些计算地基土的基床系数k 的经验公式，但是 仍然存在许多不确定元素，仍需科研技术人员作更深层次的研究。目前，基床 系数的确定方法一般有以下几种：三轴试验法、载荷试验法、固结试验法、经 验法等。其中平板载荷试验主要适用于地表浅层地基土，其适用性受到限制， 而且费时费力；三轴试验法在整个操作过程中不易控制且难度较大。所以只有 三轴试验法适用性强一些，本文结合合肥地铁一号线工程对合肥地区地基膨胀 土分别进行大量的室内三轴试验和固结试验，并将结果进行分类对比，得出一 些结论，有利于设计师们更好的理解运用基床系数。 1 2基床系数的发展状况 1 2 1基床系数的概念 基床系数是指土在外力作用下产生单位变形时所需要的应力，也称弹性抗 力系数或地基反力系数，用于模拟地基土与结构物的相互作用，计算结构物内 力和变形。一般可表示为： k = p s 式中：k 一基床系数， m p a m ； p _ 地基土所受的压力，m p a ； 沁地基的变形，! 1 1 。 基床系数k 有水平与垂直之分，它与地基土的类别、风化程度、岩土性状与结 构及其物理力学性质有关，并随基础形状、截面积、埋深以及受力状况不同而不 同。 1 2 2影响地基土基床系数k 的因素 基床系数k 值的取值除了与土质的种类、物理力学性质、建筑物基础的形 状、大小、刚度、位移等相关之外，还与基础的埋置深度、所受应力的状态情 况、地下水的深度以及时间效应等因素相关联，这些因素综合起来就说明对于 基床系数的确定是一个复杂而且难以实现的问题，这就要求我们要全面认识并 且了解影响基床系数k 值的主要因素，这样才可以帮助我们制定出切合工程实 际情况的有效试验方法，以下就基床系数k 的主要影响因素进行讨论。 1 2 2 1土性的影响 影响土体本身的压缩变形量的主要因素包括有土的类型、粘稠状态、含水 量大小、密实度。对于细粒土而言，第一，土体含水量小，从而可以从土体中 排出的水的体积就相对来说就比较小，致使土体压缩性小；第二，土体含水量 小，细粒土的粘稠度就会增大，随之土体的抗变能力就会增加，相应的k 值就 会变大。对于粗粒土而言，如果土体的含水量比较小，则相应土体的密实度就 会比较高，也就是说土的颗粒相互之间可以被压缩的空间就比较小，即可以被 排出的液体和气体相对较少，所以可以得出：基床系数k 值的大小时跟粗粒土 的密实程度成正比的，密实度大，基床系数就大，密实度小，基床系数就小。 因此，粗粒土和细粒土之间所表现的特性有显著的差异性，细粒土稠度的增加， 粗粒土密实度的提高都会使基床系数增加。 1 2 2 2时间效应 往往在工程的设计施工当中，设计者以及勘察人员在处理基床系数k 时，4 经常将它视作为一个固定不变的定值。这明显不适用于一些流变性很强的粘性 土，所以在土的本构关系中，不再仅仅表现出是应力应变之间的关系，而应 该表现的是应力、应变以及时间之间的相互关系，也就是说我们不应该再将土 体视为简单的是弹性体来分析，而是同时把它当做粘弹性体来分析研究。我们 知道地基土体具有分层性以及各向非均匀性，尤其是当开挖顺序不同、施工顺 序不同以及土体暴露时间不同时，致使想准确的确定土体的流变系数变得十分 不易。这时能够运用弹性理论方法，利用调整基床系数值的大小来模拟在不同 时刻挡土结构的实时位移，得到的关于基床系数k 和时间t 的相互联系，便表示 为基床系数k 的时间效应。 1 2 2 3地下水的影响 基床系数k 值受地下水的影响也非常显而易见，站在微观的角度来看，地 下水的存在明显的削弱了土体的强度，土体颗粒相互间的作用力在土体和水的 作用下明显的减小了，致使土体的压缩性变大，则k 值变小；站在宏观的、土 与结构物的相互作用的角度来看，结构物受到的最直接的作用来源于地下水和 土体，当我们在计算结构物所受到哪些荷载的过程中，不但要考虑受到的土压 力状况，而且还得考虑位于地下水位以下水压力的计算，这是因为水压力可以 有效的阻止结构物产生位移。所以，由此而言，地下水的出现对基床系数k 存 在着积极的作用，其作用的大小伴随着地下水的排泄、补给以及施工降水的速 度的变化而变化。 1 2 2 4基础尺寸的影响 基础底面的大小形状对k 值也存在一定的影响，基本成反比关系，即基础 尺寸越大，k 值就越小；基础尺寸越小，k 值就越大。通过研究人员大量的实验 2 分析表可知，由于土体本身各种各样不同的性质，地基土的受力压缩变形量与 基础尺寸这两者之间的关系呈非线性特征。太沙基曾经利用不同宽度的载荷板 做过大量的实验研究，最终得出了沙土和粘性土的地基变形与基础尺寸大小的 关系式如下： 关于砂土，地基变形量与基础尺寸大小大致上呈非线性关系： s 4 8 2 s l ( b + 0 3 0 5 ) 2 关于粘性土，地基变形量与基础尺寸大小大致上呈线性关系： sb 一= = 一 s 1 0 3 0 5 式中：s 地基土的变形量，m m ； s 1 对应为基础宽度为3 0 5 c m 时地基土的压缩变形量，m m ； b 基础直径或边长，m 。 1 2 3基床系数的发展状况 基床系数已广泛应用于城市轨道交通项目地基基础设计当中，它与地基土 的类别( 粘土、砂土、淤泥质土等) 、土的状况( 密实度、比重、含水量等) 、物理 力学特性、建筑物基础的形状、尺寸大小以及基础底面受力分布状况相关联。 岩土结构中，基床系数k 主要用于模拟地基土和挡土结构之间的相互作用，在 此基础上计算得出挡土结构所受到的内力以及位移变形情况，所以能够精确得 到基床系数k 值对工程设计以及施工来说相当重要。 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。1 9 9 9 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：1 0 3 1 条基 床系数在现场测定时宜采用k 3 0 方法，利用直径d - - 0 3 0 5 m 的载荷板分别在垂 直方向和水平方向进行地基土的载荷试验，通过这种方法便可以直接计算得出 地基土在垂直方向上基床系数k v 以及水平方向上的基床系数k x 。1 0 3 2 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 。1 0 3 3 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。1 0 3 4 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：粘土：k l = ( b 0 3 0 5 ) k ；砂土：k l = ( 2 b ( b + o 3 0 5 ) ) 2 k 式中：k l 一标准基床系数或k 3 0 值。 对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1 9 9 9 年开始，铁路系统的规 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t b1 0 0 0 1 9 9 中。 铁路路基设计规范有三个不同年代的版本。在8 5 版的铁路路基设计 规范中还没有对地基系数k 3 0 作出任何规定。铁路路基设计规范t b 1 0 0 0 1 9 9 将地基系数k 3 0 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k 3 0 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k 3 0 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k 3 0 作为控制指标。k 3 0 为 3 0 c m 直径荷载板试验得出的地基系数，一般取下沉量为0 1 2 5 c m 的荷载强度。 铁路桥涵地基与基础设计规范和公路桥涵地基与基础设计规范对墩台 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i 1 值的方法。 目前测试基床系数的方法主要有现场载荷实验，室内三轴实验，固结实验，旁 压和扁铲实验等。( 1 ) 现场载荷实验法，利用原位载荷板实验得出的试验结果进 行计算分析( 通过采用直径d = 0 3 0 5 m 的载荷板来确定地基土的k 值) ，我们通 过试验得到p s 曲线，利用曲线中当地基土的变形量s = 0 1 2 5 e r a 时对应的p 值与变形量0 1 2 5 e m 的比值，将它定义为地基土的基床系数k 。通过大量对基 床系数的室内外试验成果分析总结得出：运用现场载荷实验法得到关于地基土 的基床系数最近似与它的实际情况较，所以这种方法在实际工程中应用最为广 泛。于此同时，为了便于达成对地基土基床系数的统一、比较，一般将k 3 0 原 位载荷实验值定义为标准基床系数。( 2 ) n 结实验法，根据固结实验中应力和应 实验法，在对地基土土样经过饱和处理使得 土样进行不同路径下的三轴慢剪( c d ) 实验， ，对该关系曲线求得某一初始切线模量或者 数。 土基床系数直接关系到地基土与结构物的相 及变形产生一定的影响。本文结合合肥地铁 和固结实验分别研究膨胀土的基床系数，将 并将实验结果与规范数据及其它实验结果进 通过三轴实验和固结实验分别计算出的地基 ，以及地基土的基床系数k 与弹性模量e 、 。为合理的对基础设计及其配筋提供依据， 4 1 4本文研究的目的和意义 工业及民用建筑、铁路、水利、电力、地下工程、机场等土木工程建设当 中，能够合理恰当的建立出关于建筑物基础与地基之间的模型对于工程建设来 说至关重要，所以在选择地基模型时，要尽可能的将建筑物地基和基础的性质 以及建筑物的上部结构、基础、地基三者的相互作用全部反映出来。1 9 世纪6 0 年代，捷克工程师文克勒e w i n k l e r 在进行对铁路路基的研究分析过程中，提 出了将地基土看做为弹性体的假设：地基上任意一点所受到的压力强度p 与该 点沉降量s 成线性关系，即文克勒e w i n k l e r 地基模型： p = k s 文克勒地基模型和其它地基模型譬如说半空间弹性地基模型、压缩层地基 模型、地基反力直线分布模型等相比较，具有物理概念明确、表述简单的优点， 该地基模型非常有效的简化了在等截面连续弹性地基梁设计计算和沉降计算中 的一些列繁杂问题，有利于被相关工程人员所理解并接受，所以在实际工程应 用中，w i n k l e r 地基模型得到了广泛的应用。当运用该地基模型进行计算分析时， 对于该模型中的一个重要参数也即基床系数k 值如何选取，则是个相当重要的 问题。w i n k l e r 地基模型假设地基土是由无数个侧面十分光滑也就是没有任何摩 擦力的土柱( 也即独立的弹簧) 形成的，任意一个土柱都和其它土柱没有任何 关系，每一个土柱都是独立的个体，那么，把基床系数视作为独立弹簧的刚度， 则具有十分明确的物理意义。但在实际情况中，地基土并不是如前面假设所说 压力和沉降呈线性关系，而是呈非线性关系的，这是因为土体具有一定程度的 抗剪能力，它可以侧向传递以及扩散地基土的压力，地基土体彼此之间会产生 作用。故基床系数是一个具有多方位意义的参数，这就意味着在求取基床系数 过程中，对工程人员最终能够准确的确定基床系数会带来了不小的难度。 改革开放以来，我国各个地区的经济社会发展不断飞跃，各个地区的土木 建设也呈现日益扩大之趋势，最为显著的就是许多地区对于地下轨道的大力修 建，这就要求对基床系数有个全面透彻的理解。为了能够更加准确的得出基床 系数k 值，勘查技术人员根据岩土地质实际情况，采取各种各样的测试方法比 如室内三轴试验、室内固结试验、原位载荷试验、旁压试验等等，同时进行大 量的室内外试验研究，其目的在于可以确定最最符合该地区范围内地基土的实 际基床系数值，并且进一步建立起相关各个地区的地基土的基床系数k 的经验 值，以满足各个地区土木工程中的需求。 本文旨在通过两种常用的测定基床系数的室内实验方法，对合肥轨道一号 线岩土工程勘察中地基土的基床系数k 值的确定进行试验，对各种试验方法的 原理、设备、过程、结果以及室内控制进行应用以及研究，对各种试验的数据 和结果进行分析和探讨，综合的确定出合肥地铁一号线地基土的基床系数k 值。 为合肥地下轨道以及其它建设的岩土工程勘察积累工作经验，为合肥地区地基 土基床系数k 的测试方法的选择，以及经验值的建立提供最基本的应用研究和 数据。 本文的研究方法及技术路线如图1 1 所示。 第二章研究区自然地理及工程地质条件概述 2 1 自然地理状况 合肥市轨道交通一号线一期工程起点位于合肥火车站，沿胜利路向西南方 向延伸至大东门，线路下穿南淝河沿马鞍山路继续向南延伸至南二环，然后线 路转向西南，沿望湖中路至美菱大道，转向南下穿高铁后到达滨湖新区锦绣大 道，线路沿庐州大道东侧绿化带至方兴大道，即方兴大道站，出站后线路主要 下穿现况荒地至徽州大道站，线路全长约为2 4 7 8 k i n ，全部为地下铁，共设2 2 座车站、2 2 个区间、1 座车辆段、2 座停车场。 拟建合肥市轨道交通一号线一期工程共设换乘站5 座，分别为合肥站和规 划地铁三号线换乘；大东门站和规划地铁二号线换乘；太湖路站和规划地铁六 号线换乘；高铁站和规划地铁四号线换乘；紫云路站和规划地铁七号线换乘。 线路走向示意见图2 1 。 合肥地区地层发育不全，除东部变质岩出露外，合肥盆地为巨厚的陆相碎 屑沉积，侏罗系、白系至第三系“红层”厚达数千米，岩性为泥岩、砂岩。上部 大部分为上更新统、全新统粘土层覆盖，局部( 大蜀山) 有火山岩出露。 合肥地处北亚热带湿润季风气候区，四季分明，气候温和，雨量适中，阳 关充足，无霜期长，多年平均气温1 5 7 0 c ，夏季极端最高气温4 1 0 c ，冬季极端 最低气温一2 0 6 0 c ，年平均相对湿度7 6 ，年平均无霜期2 2 7 d 。 冻土：冻土期8 2 d 左右，土壤冻结深度一般在6 8 c m ，最大冻深达1 2 c m 。 降水：本地区多年平均降水量为9 8 2 6 m m ，受冷锋、低涡、台风等影响， 汛期5 9 月多暴雨，该时段降水量占全年降水量的6 0 ，多年平均降水量为 8 3 5 m m 。 风：全年盛行风向为东北偏东南，多年平均风速2 3 m s 。 合肥市主要气象要素参见图2 2 、图2 3 。 7 图2 1 合肥市轨道交通一号线一期工程线路走向示意图 图2 2 合肥市气象要素图 图2 3 合肥市年降雨量分布图 2 2 地层岩性特征+ 本次勘察揭露地层最大深度为3 0 m ，除表层人工填土外，勘察深度范围内 岩土以第四季沉淀物为主。 根据钻探资料以及室内土工试验结果，按地层沉积年代、成因类型，将本 工程勘察场地勘察范围内的土层分为人工堆积层( q m l ) 、第四季全新世冲洪积 层( q 4 1 a l + p 1 ) 、第四季晚更新世冲洪积层( q 3 a l + p 1 ) 三个大层。按地层岩性及其 物理力学性质进一步划分为4 个岩土分层，各层岩土工程特性详细如下： 人工填土层( q 叫) ： 粉质粘土填土层：灰褐色一褐色，松散一稍密，湿，以粉质粘土为主， 含灰渣、砖渣、碎石、植物根系，该层分布连续。 该大层层底标高8 7 1 5 6 8 m 。 第四季全新世冲洪积层( q 4 1 a l + p 1 ) ： 粘土层：灰褐色一黄褐色，坚硬硬塑，中压缩性，含氧化铁、少量铁 锰结核及灰白色高岭土，断面光滑、有光泽，干强度高，该层连续分布。粉质 9 粘土i 层：灰褐色一黄褐色，坚硬，中压缩性，含氧化铁、少量铁锰结核及灰 白色高岭土，断面光滑、有光泽，干强度高，该层分布不连续。 该大层层底标高7 4 1 0 1 8 m 。 第四季晚更新世冲洪积层( q 3 a l + p 1 ) 粘土层：棕黄色一褐黄色，坚硬一硬塑，中压缩性，含氧化铁、少量铁 锰结核及灰白色高岭土，局部富集钙质结核，断面光滑、有光泽，干强度高， 该层连续分布。粉质粘土l 层：棕黄色一褐黄色，硬塑，中压缩性，含氧化铁、 少量铁锰结核及灰白色高岭土，断面光滑、有光泽，干强度高，该层分布不连 续。 该大层层底标高2 6 2 0 4 8 m 。 粘土层：黄色一棕黄色，坚硬一硬塑，中压缩性，含少量铁锰结核，该 层连续分布。粉质粘土l 层：黄色一棕黄色，硬塑，中压缩性，含氧化铁、少 量铁锰结核及灰白色高岭土，断面光滑、有光泽，干强度高，该层分布不连续。 2 3 水文地质条件 合肥地区地下水类型主要有上层滞水、第四系松散岩类空隙裂隙水和基岩 裂隙水。 上层滞水主要赋存于人工填土层中，水位不连续，变化幅度大，主要接受 大气降水和地表水体的补给。 第四系松散岩类空隙裂隙水，类型分为潜水和弱承压水。潜水赋存于上更 新统粘性土中，主要接受大气降水的补给，水量较贫乏，埋深多在5 o 一1 2 o m ， 年水位变化约在3 0 5 o m ：弱承压水主要赋存于粉土与砂土中，接受侧向径流 补给，南淝河河床及河漫滩处与河水有水力联系，水量较丰富，承压水头多在 5 o m 以上，年水位变化幅度约在1 0 3 o m 。 基岩裂隙水主要赋存于粉砂岩和泥质砂岩中，具微承压性，水量较小，水 位埋深都较基岩面高1 0 2 o m 。 2 4 膨胀土对工程的影响 拟建场地内分布的特殊岩土主要为填土和膨胀土。本场地填土的厚度一般 约为o 2 2 o m ，局部稍厚达6 7 m ，主要为粉质粘土填土层，松散一稍密， 力学性能差异较大，稳定性差，会对基坑产生不利影响，同时需要重点考虑填 土的分布对支护效果的不利影响。 拟建场地分布的粘土层、粘土层、粘土层具有中膨胀潜势，膨胀土 具有膨胀和收缩两种变形特性，即吸水膨胀和失水收缩，再吸水膨胀和再失水 收缩的胀缩变形可逆性，即使在荷重作用下仍能浸水膨胀，产生膨胀压力，在 膨胀力及其反复收缩变形条件下，易造成建筑结构发生开裂，在基坑施工过程 l o 中，由于施工暴露，边坡土体含水量发生变化，造成膨胀土变形加剧，容易在 基坑边坡部位形成浅层滑坡，从而造成基坑边坡垮塌，因此基坑施工过程中应 采取有效措施，防止基底和边坡土体遭受长时间暴晒、风干、浸水等。 第三章测定基床系数的方法 地基土层承受上部建筑物的荷载，必然发生变形，从而引起建筑物产生沉 降或者倾斜。当基础为软弱土层且厚度不匀，或者上部结构荷载较重变形较大 时，基础将发生较大的不均匀沉降。为了便于评价地基土的不均匀性和估算拟 建建筑物的沉降和倾斜，便引入基床系数k 这一概念。目前，常见的测试基床 系数k 值的方法主要有：现场载荷试验、室内固结试验、室内三轴试验、旁压 试验、经验值法等，下面文章将对这些试验方法进行简单介绍。 3 1 现场载荷试验法 现场载荷试验是测定基床系数最直接的方法，也可以认为是基床系数定义 的渊源。一般情况下，载荷试验也被认为是最可靠的原位测试方法。该方法的 主要步骤是首先在拟建场地上，将场地开挖到建筑物基础的设计埋置深度，将 一定规格的方形载荷板或者圆形载荷板放置在已经经过平整过的坑底上，然后 往载荷板上逐级有序的添加荷载，并且及时记录各级荷载作用稳定后相应于该 级荷载的地基土的沉降量，最后通过分析p 8 曲线得出地基土的沉降量以及变 形特征，得到基床系数等参数。值得注意的是，现场载荷试验反映的是载荷板 下两倍载荷板直径或宽度范围内地基土强度和变形的综合性状。 由w i n k l c r 的基床系数的定义： 足：丝二里!( 3 1 ) s 2 一s l 式中：p l 、p 2 现场载荷试验的试验荷载 s l 、f 1 2 相应于试验荷载的沉降量， 公式3 1 中( p 2 p 1 ) ( s 2 8 1 ) 通过现场载荷试验得到的p s 曲线的初始近 似直线部分的荷载比上该荷载相对应的地基沉降量便可直接求得，得到的结果 便是地基土的基床系数。 在工程的实际操作当中，试