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关于基床系数的讨论

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cjd502 发表于 2012-9-1 16:06:55 | 显示全部楼层 |阅读模式
有关基床系数的讨论:
(1)        基床反力系数K值的物理意义: 单位面积地表面上引起单位下沉所需施加的力——体现力与变形的关系;
(2)        影响因素众多——土的类型、基础埋深、基础底面积的形状、基础的刚度及荷载作用的时间等因素;
(3)        空间概念——在相同压力作用下,基床反力系数K随基础宽度的增加而减小;矩形基础下土的K值比方形的大;对于同一基础,土的K值随埋置深度的增加而增大。
(4)        时间效应——粘性土的K值随作用时间的增长而减小。
在工程上,K值取值非常歧义!你有过这方面的经验吗?欢迎讨论!

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 楼主| cjd502 发表于 2012-9-1 16:09:14 | 显示全部楼层
2基床系数的研究现状(方法、优点及适用情况)
基床系数的确定方法分为两类:一类是原位测试法,另一类是室内土工试验法。
2.1原位测试
2.1.1  载荷试验
载荷试验(PLT)是在拟建场地上,挖至设计的基础埋深,在平整坑底后放置一定规格的方形或圆形承压板,在其上逐级施加荷载,测定在相应荷载作用下地基土的稳定沉降量,分析地基土的强度和变形特性,求得地基土的有关岩土工程参数。载荷试验反映的是承压板下1.5~2.0倍承压板直径或宽度范围内地基土强度和变形的综合性状。一般情况下,载荷试验测定基床系数被认为是最有效的原位测试方法。但实际应用中,载荷试验结果受试验设备和稳定标准的影响较大,特别是不同尺寸和形状的承压板。承压板对地基土的影响范围和深度不相同,试验结果也就不尽一致。研究表明:当基底压力相同和承压板宽度很小时,宽度的大小与沉降量的增加成反比;当承压板的宽度超过一定值时,宽度的增加与沉降量的增加成正比;当宽度继续增加时,沉降量即趋于某定值,不再随宽度的增加而增加[4]。
    鉴于此,Terzaghi建议采用一个标准的 方形板进行现场载荷试验,根据其试验结果测得的p-s曲线计算基床系数K,称为载荷试验法测定基床系数的标准试验,得到的基床系数称之为基准基床系数或标准基床系数。为了便于统一和比较,相关规范[5]要求采用直径 承压板垂直或水平加载进行载荷试验,测定地基土的水平基床系数 和垂直基床系数 ,统称为 载荷试验,得到的垂直基床系数亦称为基准基床系数。
    《工程地质手册》(第四版)还给出了当平板载荷试验的承压板尺寸不是标准的 时,由载荷试验测得的地基土基床系数换算基准基床系数的公式.
     载荷试验的测试方法:
   (1)在试验点预钻孔鉴别地层,提前确定测试的地层及位置;
   (2)根据地下水降深确定降水井数量及深度,包括观测孔深度,并应保证试验后能满足降水试验要求;
   (3)基床系数测试试验要点及资料整理按相关规程中平板载荷试验的要求进行;
   (4)测试基床系数前,对试验仪器进行校验;
(5)根据预钻孔结果,确定需要测试的地层和位置。
载荷试验得到的基床系数能真实地反映地基土的特性,在有条件的情况下应尽可能采用此方法确定地基土的基床系数。 载荷试验主要适用于地表浅层地基土。它的适用性受到一定的限制,且费时费力[3]。
2.1.2旁压试验
    旁压试验也称为横压试验,它是利用圆柱形旁压器弹性膜在土中的扩张对钻孔壁施加均匀横向压力,使得孔壁土体发生横向变形直至破坏,同时通过量测系统测得压力与横向变形的关系,从而估算地基土的强度、变形量等岩土工程参数。
    旁压试验按旁压器在土中设置的方式分为预钻式旁压试验、自钻式旁压试验和压入式旁压试验。预钻式旁压试验是在土中先钻一个竖向钻孔,再将旁压器放入孔内试验标高处进行旁压试验;自钻式旁压试验是在旁压器下端组装旋钻切削钻头和环形刃具,用静压方式将其压入土中,同时用钻头将进入刃具的土破碎,并用泥浆将碎土冲带到地面,钻到预定试验位置后进行旁压试验;压入式旁压试验是根据下端连接形式不同分为圆锥压入式和圆筒压入式两种,它们均是采用静压方式压入土中,到试验深度进行旁压试验。国内目前以预钻式为主。
    不论是哪种旁压试验,都是在钻孔中央用横压仪向孔壁岩土体施以平面轴对称压力,导致岩土体的横向变形。换句话说,旁压试验的物理模型可认为是轴对称的圆柱形孔的扩张问题,可理想化为轴对称平面应变问题,是典型的横向压力与横向应变问题。
旁压试验能真实地反映土的原始物理状态和原位应力状态,且具有较广泛的应用,测试方便,不受地下水的限制,操作简单、经济,易于掌握和使用。与室内试验相比,具有试验范围大、代表性强、扰动小等优点。但旁压试验仅可测定水平基床系数,且对成孔质量要求高,要保持孔壁垂直、光滑、呈圆形,尽可能减少对孔壁的扰动。因此,成孔质量往往对试验结果影响较大,成孔质量差,特别是发生缩孔、坍塌现象,会使旁压试验曲线失真,数据偏小[6]。
2.1.3螺旋板载荷试验
螺旋板载荷试验是将螺旋板旋入地下预定深度, 通过传力杆向螺旋板施加竖向荷载, 同时量测螺旋板沉降, 这种方法主要用来计算地基土的垂直基床系数 。进行螺旋板载荷试验时, 如旋入螺旋板深度与螺距不相协调, 土层也可能发生较大扰动; 当螺距过大, 竖向荷载作用大, 可能发生螺旋板本身的旋进, 影响沉降的量测; 加载方式的不同,试验结果也会产生较大差别[3]。
2.2室内土工试验
2.2.1三轴试验
从原位取得的土样所受的原始应力状态已经改变,在进行室内三轴试验之前,需要恢复其原始应力状态。在轴向变形增加的同时,产生一定的侧向变形,根据实际的受力状况,围压不是一个定值。为了模拟现场受力条件,按不同应力路径控制围压增量。在这一过程中得到轴向应力增量 与试样高度变形量 之间的关系曲线,该曲线的初始线性段的斜率定义为基床系数[7]。
其测试方法:用削土器削出直径为39.1mm,高度为80mm试样,装入饱和器,放入真空缸抽气饱和,待完全饱和后取出试样,按照固结排水试验的方法装样。试样在 (试验深度处土层静止侧压力系数)条件下固结,固结最终围压按 ( 为上覆土层重度;H为上覆土层厚度)确定。 固结完成后的试样近似处于原始应力状态,将试样所受的应力状态归零,以固结排水剪切试验的速率开始三轴试验,并控制主应力增量与围压增量比值n,分别按n=0.1, 0.2, 0.3等不同应力路径进行基床系数试验,选取线性相关性较好的一条曲线求取初始切线模量或将其线性拟合得到直线斜率作为基床系数[8]。三轴试验法不易控制且难度较大。
2.2.2固结试验
根据基床系数的定义及上述分析的测定方法,考虑试验批量化可行性及经济性因素,采用室内固结试验方法进行测定并作分析研究。据土力学原理,地基土的受压变形主要分为三个阶段:弹性变形阶段、塑性变形阶段和破坏变形阶段。而基床系数作为一项常数项的指标,为位于临塑荷载前弹性变形阶段的压力-变形关系常数,该阶段土体的变形与所受的荷载呈线性增长的关系。固结试验方法就是根据固结试验中测得的应力与变形关系来确定基床系数 :         
式中:  为应力增量( ) ;  为相应的孔隙比减量; ;  为土样的试验高度( ) 。
通过用上式计算的基床系数与相应资料经验数据进行对比发现用该式计算的基床系数在数值上比相应资料经验数据大5~ 10 倍以上,为此用室内固结试验方法确定的地基土基床系数不宜直接提供给设计使用,应进行修正[3]。
由于室内土工试验的边界条件与原位测试( 载荷试验)的边界条件差异很大,这两种方法测定的结果也相差较大。鉴于此,许多相关研究工作者对室内基床系数测试方法开展了大量的研究工作,并已取得了诸多成果。如周宏磊, 张在明[9]提出了一种在考虑p-s曲线非线性特征条件下将不同尺寸载荷板的试验结果化为标准的基床系数的方法,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; 朱智勇,曹玉苹[10]通过对室内固结试验相关参数的设定,模拟地基土承载变形试验,根据固结试验的压力-变形关系,计算地基土的基床系数,并通过相应的换算求取土的基准基床系数;陈定安,茅加峰[11]通过设计制作与原位 载荷试验具有相同的应力路径与排水边界条件的试验装置,提出了采用直径为5cm压板,模拟试样在原位受到的应力状态,进行分级加载测定地基土基床系数。

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ljmtidilgw 发表于 2012-9-1 21:17:19 | 显示全部楼层
英文叫 coefficient sub-grade reaction或spring constant (kh), 单位是MN/m^3或MPa/m,一般是考虑水平受力作用和变形时用到。如水平受力桩的设计和位移分析,要用基床系数。
由于我们岩土参数,一般是提交模量,如压缩模量、变形模量、弹性或杨氏模量(E),单位是MPa。
两者经验关系:
粘性土:Kh=1.67*E50/d
砂类: Kh=E50/d
d=桩直径
E50=割线模量scant modulus

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ljmtidilgw 发表于 2012-9-1 21:19:15 | 显示全部楼层
从以上可以看出,除非有试验,岩土工程师不愿意给结构设计人员提交这个基床系数,因为和基础尺寸有关!后来就给设计人员弹性或杨氏模量(E),让他们自己算!!!

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ljmtidilgw 发表于 2012-9-1 21:29:04 | 显示全部楼层
我这里给大家一个更有价值的来源:
Vesic (1961) 通过解析有限长粱的弹性地基,反算出基床系数或弹簧系数,关系如下:估计楼上的就是这个共识的特殊解:
Kh=[0.65/d]*[(Es*d^4/Ep/Ip)^(1/12)]*[Es/(1-vs^2)]
Es=土杨氏模量
vs =土泊松比
Ep*Ip=桩的劲度 stiffness of pile

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ljmtidilgw 发表于 2012-9-1 21:35:54 | 显示全部楼层
2基床系数的研究现状(方法、优点及适用情况)
基床系数的确定方法分为两类:一类是原位测试法,另一类是室 ...[/quote]
试验的话,公式如下:
Kh=P/(A*δ)=σ/δ
δ单位是长度单位:米
而弹性模量公式:
E=σ/γ
γ是无纲量
区别就出来了

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ljmtidilgw 发表于 2012-9-3 16:30:09 | 显示全部楼层
杨氏模量和基床系数,犹如一个是长度,另一个是面积!尽管比喻有点过分,是给想直接转换或采用经验值的一个很好的警告!

点评

非常好的比喻!  详情 回复 发表于 2012-9-9 06:59
鲜花(278) 鸡蛋(4)
ljmtidilgw 发表于 2012-9-3 16:31:38 | 显示全部楼层
相关讨论帖子
请教:垂直基床系数与水平基床系数的关系

鲜花(46) 鸡蛋(0)
allor 发表于 2012-9-4 17:23:25 | 显示全部楼层
基床系数并非土或地基的特征值。而是针对土的特性、基础尺寸及影响范围综合提取的参数。经验值只对尺寸大致相同的工程适用。 直径1m的埋置管道与5m管道的所采用的基床系数肯定有所差异。

点评

在PRINCIPLE OF FOUNDATION ENGINEERING,5E第274-281页中,感觉不同地层的公式较明确的解释了不同尺寸基础的计算值差异,敬请专家帮助讲解下。  详情 回复 发表于 2012-9-9 08:19

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SHANDONGLAOFENG 发表于 2012-9-9 06:59:27 | 显示全部楼层
杨氏模量和基床系数,犹如一个是长度,另一个是面积!尽管比喻有点过分,是给想直接转换或采用经验值的一个 ...[/quote]
非常好的比喻!

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SHANDONGLAOFENG 发表于 2012-9-9 07:41:21 | 显示全部楼层
几年前我做过一个项目,完全是按照设计的要求,懵懵懂懂的做了,心里却不甚了了,现在简单写出来就个中道理向各位专家求教:
1、在基底标高处做K30载荷试验(0.3m×0.3m方形或直径0.3m圆形载荷板),按照TB10123-2004及SY/T0329—2004规范给出的不同沉降的直线段的斜率就被当成基底处的竖向基床系数,见图K30。

K30.pdf

42.84 KB, 下载次数: 18, 下载积分: 金币 -2 金币

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SHANDONGLAOFENG 发表于 2012-9-9 08:07:52 | 显示全部楼层
上文的东东现在看来实在是太过粗糙,当时就那水平,敬请各位同仁见谅!
2、在PRINCIPLE OF FOUNDATION ENGINEERING,5E第274-281页中(论坛里有该书,包括7E),作者论述了利用K30计算竖向基床系数的不同公式及经验值(范围太广)。记得老师讲过还可以利用扬克尔公式在沉降量为定值时---如25mm,计算允许承载力,希望专家能给些指导。
3、用胡克弹簧系数来理解,好像最为直观。
鲜花(20) 鸡蛋(0)
SHANDONGLAOFENG 发表于 2012-9-9 08:19:07 | 显示全部楼层
allor 发表于 2012-9-4 17:23
基床系数并非土或地基的特征值。而是针对土的特性、基础尺寸及影响范围综合提取的参数。经验值只对尺寸大致 ...

在PRINCIPLE OF FOUNDATION ENGINEERING,5E第274-281页中,感觉不同地层的公式较明确的解释了不同尺寸基础的计算值差异,敬请专家帮助讲解下。

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cjd502  在2012-9-12 21:38  送朵鲜花  并说:欢迎参加讨论,送朵鲜花鼓励一下
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 楼主| cjd502 发表于 2012-9-12 21:31:47 | 显示全部楼层
基床系数是一个存在却难以精准确定的土性参数。因为涉及变形,所以基床系数在以控制变形的工程里非常重要。说难以确定,是因为基床系数的影响因素太多、关系太复杂,它不只决定于土的性质,还受基础尺寸、下部地层组合、建筑基础材料变形性质与地层变形差异大小等因素影响。一段时间以来的研究中,发现基床系数首先是空间函数,即与试验载荷尺寸有关。测试中,载荷面积不大,首先忽略了荷载分布问题(架越作用会在加载初期表现出来),因此人们以为所得的系数值似乎比较可靠。但小范围的基床系数难以统计性代表的大尺寸实体基础下土层参数,这是设计人员非常伤脑筋的地方。如何用试验结果值去推定实际范围值是首先要解决的问题。在这其中,最重要的是明确地层组合关系、基础材料特性。这一观点也在一些工程上得到印证。

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东南西北人  在2017-3-1 14:49  送朵鲜花  并说:我非常同意你的观点,送朵鲜花鼓励一下
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 楼主| cjd502 发表于 2012-9-12 21:36:16 | 显示全部楼层
尽管各参数可以罗列、影响因素的权重也能粗略感知,但还不能用一个统一的函数关系来表示。当只有一层土时,情形要好得多,不过巨厚土层在工程上并不常见。
鲜花(46) 鸡蛋(0)
allor 发表于 2012-9-14 13:06:07 | 显示全部楼层

  1. 在PRINCIPLE OF FOUNDATION ENGINEERING,5E第274-281页中,感觉不同地层的公式较明确的解释了不同尺寸基础的计算值差异,敬请专家帮助讲解下。
复制代码
针对砂土和粘性土分别给出了不同的计算公式,以K30为基准,去计算各种基础尺寸的基床系数。但要清楚,基础的尺寸不能喝承压板的尺寸相差太大。 相差太大就失去了公式的意义。至于到底相差多少合理,没有搞过这方面的研究,不敢妄言。

不过基床系数可以根据基础荷载计算地基沉降,然后反推基床系数,这是国外常用的方法。能够有效解决基础尺寸、不同地层等组合问题
鲜花(278) 鸡蛋(4)
ljmtidilgw 发表于 2012-9-14 18:38:16 | 显示全部楼层
这里给个经验计算公式:
1.png
鲜花(278) 鸡蛋(4)
ljmtidilgw 发表于 2012-9-14 18:39:40 | 显示全部楼层
鲜花(278) 鸡蛋(4)
ljmtidilgw 发表于 2012-9-14 18:40:45 | 显示全部楼层
以上公式来源:

Guidelines for Design of Wind Turbines 风力发电设计指南
http://www.eswnman.net/thread-226469-1-1.html
鲜花(8) 鸡蛋(0)
www2002 发表于 2013-12-2 13:46:11 | 显示全部楼层
非常详细呀!学习学习!!
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