基本介紹
- 中文名：地基係數
- 概述：地基係數K30是表示土體表
- 名詞解釋：對於溫克勒假設計算土抗
- 現狀：二十世紀三十年代開始美
名詞解釋,發展現狀,平板載荷試驗,條件和要求,載荷板大小,有效深度範圍,影響因素,時間,測試界面,天氣因素,儀器設備,校驗要求,操作步驟,計算及製圖,試驗記錄格式,隨機誤差校正,校驗方法,舉例,圖例說明,
名詞解釋
地基係數K30：
對於溫克勒假設計算土抗力是這樣表示：某深度處單位面積地基土產生單位位移所需施加的力。單位KN/m³。
發展現狀
二十世紀三十年代開始美國提出的壓實度指標，即壓實係數K、相對密度Dr或孔隙率n至今仍然作為世界各國路基設計及施工控制的土的壓實質量標準。雖然壓實度為參數的路基壓實質量標準具有擊實試驗指導現場施工、現場檢測簡便等優點，但是，對於高速鐵路或其他對強度指標要求嚴格的情況，僅靠壓實度參數來反映填土的壓實質量就有其局限性。
為了保證路基填土的強度指標，七、八十年代，許多國家開始用強度及變形指標作為路基填土質量控制參數，即所謂的“抗力檢測法”。其中包括美國的CBR（加州承載比值）標準，德國、法國、奧地利和瑞士等國家的靜態變形模量Ev2標準，日本的地基係數K30標準等。可見，採用強度及變形參數作為控制指標是路基質量標準的一大進步。
我國鐵路系統自1985年大秦線施工引入K30平板載荷試驗以來，在鐵路建設中已經逐步推廣套用。從二十多年K30在我國鐵路系統套用的情況來看，無論是儀器設備、試驗方法,還是設計標準均已比較成熟。地基係數K30已成為新線鐵路控制基床和路堤填料壓實質量的主要指標之一，並已正式列入《鐵路路基工程質量檢驗評定標準》(TB10414-98)和《鐵路路基設計規範》(TB10001-99)。K30平板載荷試驗作為一種強度及變形指標，能夠直觀地表征路基剛度和承載能力。我國參照日本JISA1215-1995年修訂版《公路的平板載荷試驗方法》和德國的DIN18134《平板載荷試驗》-1993年修訂版，並吸收近年來的科研成果和施工經驗，同時針對實際套用中存在的問題，制訂了“K30平板載荷試驗”方法，該方法首次正式納入2004年4月1日起開始實施的《鐵路工程土工試驗規程》（TB10102—2004）。
平板載荷試驗
條件和要求
載荷板大小
K30平板載荷試驗適用於粒徑不大於載荷板直徑1/4的各類土和土石混合填料。
有效深度範圍
K30平板載荷試驗的測試有效深度範圍為400～500mm。
由於K30平板載荷試驗成果所反映的是壓板下大約1．5倍壓板直徑深度範圍內地基土的性狀，因此要想真實全面地反映更深土層的情況，尚需結合其他的檢測手段進行綜合評定。
影響因素
對於水分揮發快的均粒砂，表面結硬殼、軟化、或因其他原因表層擾動的土，平板載荷試驗應置於擾動帶以下進行。
影響K30測試結果的因素很多，但含水量變化是造成K30測試結果偶然誤差的主要因素，也就是說K30測試結果具有時效性。一般來說，控制在最佳含水量附近施工，路基壓實係數較高，路基質量好，基床表面剛度較大，K30測試結果較高。但是由於受季節及天氣氣溫變化的影響，其水分的蒸發程度不同，含水量差別較大，因而含水量為一變數。實踐證明，碾壓完畢後，路基含水量大時，K30試結果就小；含水量小時，K30測試結果就高。由於擊實土處於不飽和狀態，含水量對其力學性質的影響很大。這就造成K30測試結果因含水量變化而離散性大、重複性差。為此，現場測試應消除土體含水量變化的影響。
時間
對於粗、細粒均質土，宜在壓實後2～4h內進行。
在進行K30測試時，發現不同時間的K30測試結果差別較大，尤其對級配碎石來講更為明顯。這是由於不同的檢測時間，其路基的含水量及板結強度不同。若在碾壓完畢後2～3d再進行K30測試，這樣雖然K30測試結果提高了，滿足了K30的設計要求。但這樣做會造成K30測試結果無可比性、不可信。因此，為了檢測路基填築質量而進行的K30試驗，只有在碾壓完畢時一定時限內進行測試才有意義。
測試界面
測試面必須是平整無坑洞的地面。對於粗粒土或混合料造成的表面凸凹不平，應鋪設一層約2～3mm的乾燥中砂或石膏膩子。此外，測試面必須遠離震源，以保持測試精度。
細粒土（粉砂、黏土）只有在壓實的條件下方可進行檢測。在不確定的情況下，要對地面不同深度進行檢測，地面以下最深至d(d=承載板直徑)。
天氣因素
雨天或風力大於6級的天氣，不得進行試驗。
儀器設備
荷載板：荷載板為圓形鋼板, 其直徑為30cm、板厚為25mm。荷載板上應帶有水準泡。
載入裝置：
2）液壓油軟管長度至少為2m，兩端應裝有自動開閉閥門的快速接頭，以防止液壓油漏出。
4）測壓表量程應達到最大試驗荷載的1.25倍, 精度不低於0.6級。
5）當使用測力計直接測量加荷荷載時，測力計精度應達到1%。
反力裝置的承載能力應大於最大試驗荷載10kN。
校驗要求
測試地基係數時，應對儀器進行測試校驗。
新儀器進行試驗的三個月內，應每月標定一次，以作出相應誤差修正。當三次標定誤差小於±5%時，儀器進入穩定期。
儀器每次投入新工點或每年必須予以校驗一次。
操作步驟
場地測試面應進行平整，並使用毛刷掃去鬆土。當處於斜坡上時，應將荷載板支撐面做成水平面。
安置平板載荷儀：
1)將荷載板放置於測試地面上，應使荷載板與地面良好接觸，必要時可鋪設一薄層乾燥砂（2～3mm）或石膏膩子。當用石膏膩子做墊層時，應在荷載板底面上抹一層油膜，然後將荷載板安放在石膏層上，左右轉動荷載板並輕輕擊打頂面，使其與地面完全接觸，與此同時可藉助荷載板上水準泡或水準儀調整水平。
2)將反力裝置承載部分安置於荷載板上方，並加以制動。反力裝置的支撐點必須距荷載板外側邊緣1m以外。
3)將千斤頂放置於反力裝置下面的荷載板上，可利用加長桿和通過調節絲桿，使千斤頂頂端球鉸座緊貼在反力裝置承載部位上，組裝時應保持千斤頂垂直不出現傾斜。
4)安置測橋，測橋支撐座應設定在距離荷載板外側邊緣及反力裝置支承點1m以外。測表的安放必須相互對稱，並且應與荷載板中心保持等距離。
載入試驗：
1)為穩固荷載板, 預先加0.01MPa荷載，約30秒鐘，待穩定後卸除荷載，將百分表讀數調至零或讀取百分表讀數作為下沉量的起始讀數。
2)以0.04MPa的增量,逐級載入。每增加一級荷載，應在下沉量穩定後，讀取荷載強和下沉量讀數。
3)當總下沉量超過規定的基準值（1.25mm），或者荷載強度超過估計的現場實際最大接觸壓力，或者達到地基的屈服點，試驗即可終止。
當試驗過程出現異常時(如荷載板嚴重傾斜, 荷載板過度下沉),應將試驗點下挖相當於荷載板直徑的深度，重新進行試驗。對出現的異常應在試驗記錄表中註明。
計算及製圖
根據試驗結果繪出荷載強度與下沉量關係曲線，見圖1。
圖1.荷載強度σ—下沉量S關係曲線
從荷載強度與下沉量關係曲線得出下沉量基準值時的荷載強度，並按下式計算出地基係數：
K30=σs/ss（1）
式中：
K30— 由直徑30cm的荷載板測得的地基係數（MPa/m），計算取整數。
---σ-S曲線中ss =1.25′10m相對應的荷載強度(MPa)。
ss— 下沉量基準值（=1.25′10m）。
試驗記錄格式
表1K30平板載荷試驗記錄
工程名稱 填料類型 試驗編號 工程地點 填層厚度 試驗日期 施工單位 檢測里程 試驗人員 荷載板直徑 檢測標高 試驗負責人 | |||||||
載入 順序 | 荷載 強度 σ(Mpa) | 油壓表 讀數 P壓(Mpa) | 下沉量s(mm) （百分表讀數） | 荷載板中心下沉量（mm） | |||
表1 | 表2 | 表3 | 平均 | ||||
預壓 | 0.01 | ||||||
復位 | 0.00 | ||||||
1 | 0.04 | ||||||
2 | 0.08 | ||||||
3 | 0.12 | ||||||
4 | 0.16 | ||||||
5 | 0.20 | ||||||
6 | 0.24 | ||||||
覆核 年 月 日 試驗 年 月 日
隨機誤差校正
作圖法校正見圖2所示。
圖2. 隨機誤差的校正示意 |
1)當試驗結果如圖中曲線②時，曲線經坐標原點，可不校正。
2)當試驗誤差結果如圖中曲線①時，應在曲線出現明顯拐點的位置沿正常曲線延伸,使交S軸於O1點,此時零點下移△S″,標準下沉量應為S1=Ss+△S″，並由此對應的荷載強度計算出Ks值。
3)當試驗結果如圖中曲線③時，應在曲線出現明顯拐點的位置沿正常曲線曲率延伸,使交S軸於O3點，此時零點上移△S′，標準下沉量應為S3=SS-△S′，並由此對應的荷載強度計算出KS值。
校驗方法
K30平板載荷試驗儀在使用中應定期進行校驗,以消除由於儀器自身系統液壓阻力變化所引起的測量誤差。通過校驗測定出實際載入值或實際荷載板正應力值與系統壓力表讀數值之間的相關關係，建立其回歸方程，並經整理繪製成圖表，以作為K30平板載荷試驗的計算基礎。
K30平板載荷試驗儀校驗的技術條件
2 試驗儀液壓系統應不滲漏油。
3 用於校驗的壓力支架或壓力機的承載能力應大於50 kN。
4 用於校驗的壓力機的計量誤差應小於10 N，壓力感測器計量誤差應小於5N。
K30平板載荷試驗儀的校驗有以下二種方法：
1 測定實際載入值F與壓力表讀數值P壓之間的相關關係
1）校驗時，如圖3所示，將K30試驗儀安放於壓力支架或壓力機上，其上端安置業已送檢過的測力儀。通過手動油泵對試驗儀進行逐級增量加壓直至加到預計的最大測量載荷為止，按表2記錄每次增量加壓後的測力儀和壓力表的讀數，反覆進行三次，以求出每次增量平均值。
圖3校驗方法1示意
1-支架；2-測力儀；3-千斤頂；4-Ф30荷載板；5-壓力表；6-手動油泵
表2 校驗方法1記錄表
加 載 級 數 | 測力儀示值(kN) | 實際載入 值F(kN) | 壓力表讀數值P壓(MPa) | ||||||
1 | 2 | 3 | 平均 | 1 | 2 | 3 | 平均 | ||
1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 |
2 | |||||||||
3 | |||||||||
4 | |||||||||
5 | |||||||||
6 | |||||||||
7 | |||||||||
8 | |||||||||
校驗員 核驗員 校驗日期 年 月 日
2）整理校驗數據後得出其回歸方程為：
(2)
式中： F—實際載入值，（kN）；
—壓力表讀數，（MPa）；
B—斜率；
A—截距。
3）在進行測試時，可根據公式(1)由P壓得出相對應的F值並按
公式(2)計算出荷載板正應力σ值。
（3）
式中： σ—荷載板正應力，（MPa）；
W—試驗儀的基本重量，（kN）；
A—φ30cm荷載板面積，706.86cm。
註：試驗儀的基本重量W包括千斤頂、荷載板及組裝在板上的儀表支架等重量，至於測試過程中在千斤頂上端增加的接桿重量，由於已被相應增加的系統阻力所抵消，故不予以考慮。
2 測定荷載板正應力σ與壓力表讀數值P壓之間的相關關係
1）校驗時，如圖4所示，將K30試驗儀安放於壓力支架或壓力機上，其下端安置業已送檢過的壓力感測器。通過手動油泵對試驗儀進行逐級增量加壓直至加到預計的最大測量載荷為止，按表3記錄每次增量加壓後的壓力感測器和壓力表的讀數，反覆進行三次，以求出每次增量平均值。
圖4校驗方法2示意
1-支架；2-測力儀；3-千斤頂；4-Ф30荷載板；5-壓力表；6-手動油泵7-壓力感測器；8-感測器示值表
表3 校驗方法2記錄表
加 載 級 數 | 壓力感測器示值(kN) | 實際荷載板正應力值（MPa） | 壓力表讀數值P壓(MPa) | ||||||
1 | 2 | 3 | 平均 | 1 | 2 | 3 | 平均 | ||
1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 |
2 | 0.04 | ||||||||
3 | 0.08 | ||||||||
4 | 0.12 | ||||||||
5 | 0.16 | ||||||||
6 | 0.20 | ||||||||
7 | 0.24 | ||||||||
8 | 0.28 | ||||||||
校驗員 核驗員 校驗日期 年 月 日
2）整理校驗數據後得出其回歸方程為：
（4）
3）在進行測試時，可根據公式(3)由P壓得出相對應的σ值。
1.10.4 K30平板載荷試驗儀校驗周期：在新儀器使用的前三個月內，應每月校驗標定一次，以作出相應的誤差修正，當三次標定的誤差小於±5，即認為儀器已進入穩定期。但儀器每次投入新工點使用前或每年必須予以校驗一次。
舉例
（德國工業標準DIN18134，2001年9月版）
德國工業標準DIN18134（2001年9月版）中對EV2和Ks平板載荷試驗所採用的儀器設備和試驗方法做了具體的規定。德國鐵路標準中採用EV2而不採用K30，而對於公路和機場等鋪蓋式建築結構的測試，要獲取地基係數ks原則上採用直徑762mm的承載板，亦稱為DIN18134 —762檢測。
平板載荷試驗所採用的位移測試設備的安裝見圖5。
EV2和Ks的測試在國際上普遍採用的是具有代表性的德國HMP馬格德堡測量儀器製造有限責任公司開發PDG系列EV2和Ks測試儀（見圖6）。
圖例說明
a）按照秤桿原理設計的可旋轉的測量臂；位移測試時要考慮槓桿的比例hP:hM。
b）單軸可伸縮移動的測量臂;位移測試比例為1:1。
1、測量表，即位移感測器 5、荷載
2、支架 6、垂直支架
3、旋轉點 7、支座
4、測量臂 8、觸點
sM、s位移測量表，即位移感測器
圖5 帶觸點的位移測試裝置圖例
其中，預壓荷載為0.005MN/m2，並保持垂直狀態，直到承載板的位移變化值小於0.02mm/min，然後按照標準應力分別為0.04MN/m2, 0.008MN/m2, 0.14MN/ m 2和0.2MN/m2分四個等級逐級遞增載入檢測。在每級檢測的等侯時間均以位移變化量不超過0.02mm/min為止。在卸載時，只需要中間分一級標準應力為0.08MN/m2即可。
地基係數ks由公式（5）計算：
ks= σ0 / s= σ0 / 0.00125 （5）
式中：ks——地基係數，單位：MN/m3；
σ0 ——平均標準應力，單位：MN/m2；
s——承載板位移，單位：m。
例如：地基係數ks可通過表4中的測試值計算得出。
表4 測試值
載入階段 序號 | 荷載 F kN | 平均應力 σ0 MN/m2 | 承載板位移 s mm |
0 | 4.56 | 0.010 | 0 |
1 | 18.24 | 0.040 | 0.31 |
2 | 36.48 | 0.080 | 0.56 |
3 | 63.85 | 0.140 | 0.97 |
4 | 91.21 | 0.200 | 1.53 |
5 | 36.48 | 0.080 | 1.16 |
6 | 0.00 | 0.000 | 0.57 |
應力—位移曲線（見圖6）中有時可能會出現一個變曲點（反彎點），需要做一條切線進行零點修正，並要將位移s*從修正的零點0*算起。
用修正過的零點0*和修正過的位移s*計算出的結果：
ks= σ0 / s*=0.186 MN/m2/ 0.00125m= 148.8 MN/m3
圖6 確定地基係數的應力—位移曲線
