原捷克斯洛伐克工程師溫克勒(Winkler)在1876年提出了“基床反力系數(shù)”的概念。溫克勒假設(shè):地基上任一點所受的壓力強度P與該點的地基沉降量S成正比,P=KS,這個比例系數(shù)K稱為基床反力系數(shù),簡稱基床系數(shù)。
在物理學意義上,基床反力系數(shù)指單位面積地表面上引起單位下沉所需施加的力。而K值并不是一個常量,要確定k值,還要進行多方面的考量。
土的類型、基礎(chǔ)埋深、基礎(chǔ)底面積的形狀、基礎(chǔ)的剛度及荷載作用的時間等,都會成為影響K值的因素。
試驗表明,在相同壓力作用下,基床反力系數(shù)K隨基礎(chǔ)寬度的增加而減??;在基底壓力和基底面積相同的情況下,矩形基礎(chǔ)下土的K值比方形的大;對于同一基礎(chǔ),土的K值隨埋置深度的增加而增大;粘性土的K值隨作用時間的增長而減小。
由此可見,K值的確定是一個很復(fù)雜的問題。
一般來說,基床反力系數(shù)K值的取值有三種方式:
(a)靜載試驗法
靜載試驗法是現(xiàn)場的一種原位試驗,通過此種方法可以得到荷載-沉降曲線(即P-S曲線),根據(jù)所得到的P-S曲線,則K值的計算公式如下:
K=P2-P1/S2-S1
其中,P2、P1分別為基底的接觸壓力和土自重壓力;S2、S1分別為相應(yīng)于P2、P1的穩(wěn)定沉降量。
靜載試驗法計算出來的K值是不能直接用于基礎(chǔ)設(shè)計的,必須經(jīng)太沙基修正之后才能使用。這主要是因為此種方法確定K值時所用的荷載板底面積遠小于實際結(jié)構(gòu)的接觸底面積,因此需要對K值進行折減。
(b)按基礎(chǔ)平均沉降Sm反算
用分層總和法按土的壓縮性指標計算若干點沉降后取平均值Sm,得到:
K=p/Sm
式中p為基底平均附加壓力,這個方法對把沉降計算結(jié)果控制在合理范圍內(nèi)是非常重要的。
用這種方法計算的K值不需要修正,PKPM及YJK軟件中的基礎(chǔ)模塊在“樁筏筏板有限元計算”中使用的就是這種方法。
(c)經(jīng)驗值法
直接采用PKPM及YJK軟件說明書中建議的K值。
要最終確定K值,還需要分不同的情況來看。
(a)已知沉降算K值
在PKPM及YJK軟件的“樁筏筏板有限元計算”中,K值的計算公式為:
板底土反力基床系數(shù)建議(kN/m3)
=
總面荷載值(準永久值)/平均沉降S1(m)
(b)未知沉降算K值
如果設(shè)計人員無法準確預(yù)估沉降量,就按經(jīng)驗值法輸入K值,或者采用程序提供的建議值。
這兩種方法產(chǎn)生的K值在很多情況下會有很大的差別,有時甚至相差一個數(shù)量級。
這主要是因為采用經(jīng)驗值法選取出的K值不僅受人為因素的影響很大,其考慮的因素也比較少。
而采用程序通過按基礎(chǔ)平均沉降Sm反算后提供的建議值時,只要輸入的地質(zhì)資料準確無誤,則程序計算出的結(jié)構(gòu)平均基床反力系數(shù)K一般是可以滿足設(shè)計需要的。
基床反力系數(shù)K是基礎(chǔ)設(shè)計中非常重要的一個參數(shù),因為它的大小直接影響到地基反力的大小和基礎(chǔ)內(nèi)力。因此,合理地確定此參數(shù)的大小就顯得至關(guān)重要。
然而,現(xiàn)實中要獲得準確的K值取值,還是會面臨許多問題。
由于在日常設(shè)計中,地質(zhì)勘察單位提供的地勘資料中土體壓縮模量、變形模量等數(shù)據(jù)相對偏保守,另外部分設(shè)計師在高層建筑的基礎(chǔ)設(shè)計中沒有考慮上部結(jié)構(gòu)的剛度凝聚影響,使得軟件的最終沉降量計算值偏大,引起基床反力系數(shù)偏小。
這會直接導(dǎo)致部分持力層在堅硬土層上的筏板有筏板沖切不夠的錯誤設(shè)計結(jié)果產(chǎn)生。
各類土的基床反力系數(shù)建議值
由以上設(shè)計軟件說明書內(nèi)提供的數(shù)據(jù)可以看出,相對偏硬土層(比如巖石層或圓礫層)的基床反力系數(shù)上、下限間的差值要比相對偏軟土層(如黏土層)大得多,更說明了持力層在堅硬土層上合理選取K值對設(shè)計結(jié)果的影響之大。
那么我們在做設(shè)計時,要如何合理選取K值?
當程序通過按基礎(chǔ)平均沉降反算后提供的建議值計算筏板,卻出現(xiàn)不符合常理的沖切破壞時,建議在軟件說明書的建議值范圍內(nèi)進行局部K值調(diào)整,選取比程序提供建議值更大的基床反力系數(shù)。
最終目的是在滿足現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范的條件下,筏板受力更符合實際情況,筏板盡量做薄,筏板鋼筋趨于構(gòu)造或者僅有少量附加鋼筋,提高基礎(chǔ)設(shè)計經(jīng)濟性。