左永振，程展林，丁紅順，廖建輝

（長(zhǎng)江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430015）

1 引 言

在西部水電站開發(fā)中，河床覆蓋層一般深達(dá)幾十米至上百米，最深的近300 m，不同地質(zhì)年代沖積或堆積而成的河床砂礫石覆蓋層，物質(zhì)組成復(fù)雜，空間變化大。深厚覆蓋層的力學(xué)性質(zhì)的確定是深厚覆蓋層上建壩的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題之一，合理準(zhǔn)確地確定覆蓋層物理力學(xué)參數(shù)直接關(guān)系到工程造價(jià)和大壩安全。

由于河床覆蓋層砂礫石為無(wú)黏性散體，深層取樣困難，往往依據(jù)動(dòng)探等原位測(cè)試技術(shù)勘探深厚覆蓋層的工程特性，動(dòng)探試驗(yàn)是根據(jù)打入的難易程度（表示為貫入度，指標(biāo)定義為每貫入一定深度所需的錘擊數(shù)）來(lái)判斷土的工程性質(zhì)。

在深厚覆蓋層中進(jìn)行動(dòng)力觸探試驗(yàn)，隨著勘探深度的增加，所得錘擊數(shù)N實(shí)際上受到了動(dòng)力觸探桿的長(zhǎng)度影響，動(dòng)力觸探桿長(zhǎng)度不同，錘擊的效果不同，因此，必須進(jìn)行錘擊數(shù)的桿長(zhǎng)修正。

對(duì)于動(dòng)力觸探桿長(zhǎng)修正，長(zhǎng)期以來(lái)，因無(wú)試驗(yàn)方法直接測(cè)定，存在兩種理論，即牛頓彈性碰撞理論和彈性桿波動(dòng)理論。

第1種桿長(zhǎng)修正系數(shù)以牛頓碰撞理論為基礎(chǔ)計(jì)算得到，并非實(shí)測(cè)。代表性的修正系數(shù)有《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GBJ7－89）[1]和《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（JTJ064－98）[2]提到的上海顧季威有效能修正公式。

第 2種桿長(zhǎng)修正系數(shù)以彈性桿波動(dòng)理論為基礎(chǔ)。代表性的修正系數(shù)有第一屆貫入試驗(yàn)國(guó)際會(huì)議（ISOPT－1，1988）推薦的 SPT試驗(yàn)規(guī)程、美國(guó)ASTM《動(dòng)力觸探試驗(yàn)應(yīng)力波能量量測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》（D4633－1986）[3]。

動(dòng)力觸探桿長(zhǎng)各種修正系數(shù)的匯總見(jiàn)表 1。繪制的桿長(zhǎng)修正系數(shù)與桿長(zhǎng)的關(guān)系曲線見(jiàn)圖 1。對(duì)比圖1和表1，牛頓彈性碰撞理論和彈性桿波動(dòng)理論得到的修正系數(shù)截然不同。牛頓彈性碰撞理論的桿長(zhǎng)修正系數(shù)隨桿長(zhǎng)的增大而減小，而彈性桿波動(dòng)理論的桿長(zhǎng)修正系數(shù)卻隨桿長(zhǎng)的增長(zhǎng)而增大。因此，對(duì)桿長(zhǎng)修正進(jìn)行試驗(yàn)研究是有理論意義和實(shí)用價(jià)值的。

表1 各種桿長(zhǎng)修正系數(shù)對(duì)比表Table 1 Modified coefficients for different rod lengths

圖1 各種桿長(zhǎng)修正系數(shù)與桿長(zhǎng)的關(guān)系曲線Fig.1 Relation curves between rod length modification coefficient and rod length

上述的動(dòng)力觸探桿長(zhǎng)修正系數(shù)，均與動(dòng)力觸探桿長(zhǎng)是單一對(duì)應(yīng)關(guān)系，《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021－2001）[4]和《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007－2011）[5]給出了20 m范圍內(nèi)的重型動(dòng)力觸探錘擊數(shù)修正系數(shù)，見(jiàn)表2。表中修正系數(shù)不僅與桿長(zhǎng)相關(guān)，還與錘擊數(shù)相關(guān)。

表2 錘擊數(shù)修正系數(shù)Table 2 Modified coefficients for hammering counts

2 室內(nèi)動(dòng)力觸探模型試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)系統(tǒng)分為模型系統(tǒng)和原位測(cè)試系統(tǒng)兩大部分。

模型系統(tǒng)由模型箱、加壓系統(tǒng)組成，如圖2、3所示。模型箱采用60 mm厚鋼板焊接而成，內(nèi)部尺寸為0.82 m×0.84 m×1.20 m（長(zhǎng)×寬×高）。在模型箱內(nèi)分層填筑試樣，形成均質(zhì)地基。加壓系統(tǒng)為模型箱蓋板與加壓板之間置4個(gè)75 t千斤頂，采用自平衡對(duì)模型表面加壓以模擬地基上覆自重應(yīng)力。在蓋板及加載板留同軸試驗(yàn)孔，以便進(jìn)行動(dòng)力觸探試驗(yàn)。

圖2 模型箱平面示意圖（單位：mm）Fig.2 Plan of model box(unit: mm)

圖3 模型箱剖面圖（單位：mm）Fig.3 Section of model box(unit: mm)

原位測(cè)試系統(tǒng)依托11層的樓房樓梯間設(shè)置，如圖4所示。在樓梯間底部放置模型系統(tǒng)，動(dòng)力觸探桿沿樓梯布置，動(dòng)力觸探錘擊點(diǎn)安置在不同高度的樓層間，桿長(zhǎng)分別為2.0、8.9、16.4、23.4、30.0、36.0 m。

針對(duì)一種地基土，根據(jù)同一種級(jí)配及干密度分層壓實(shí)制成均質(zhì)地基模型，在地基表面施加相同上覆壓力（本次試驗(yàn)均為240 kPa，固結(jié)12 h），不同模型進(jìn)行不同桿長(zhǎng)下的動(dòng)力觸探試驗(yàn)，獲得力學(xué)性質(zhì)相同的地基模型的動(dòng)探桿長(zhǎng)與動(dòng)探擊數(shù)關(guān)系，進(jìn)而得到不同桿長(zhǎng)下的桿長(zhǎng)修正系數(shù)。本方法是首次采用物理模型試驗(yàn)方法，直接測(cè)定桿長(zhǎng)修正系數(shù)，成果可信，可驗(yàn)證理論的正確性。

圖4 動(dòng)探錘擊點(diǎn)布置圖Fig.4 Distribution of hammering points of dynamic penetration

2.2 試驗(yàn)用料

本次共進(jìn)行了兩組試驗(yàn)，試驗(yàn)土樣分別選取均質(zhì)中粗砂和砂礫石料。

均質(zhì)砂為粒徑0.5～1.0 mm的中粗砂，最大干密度為1.63 g/cm3，最小干密度為1.31 g/cm3。試驗(yàn)干密度為1.45 g/cm3，對(duì)應(yīng)相對(duì)密度為0.50，中密狀態(tài)。

砂礫石料選取最大粒徑為60 mm級(jí)配連續(xù)的砂礫石料，試驗(yàn)級(jí)配見(jiàn)圖5。室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)得到該級(jí)配下的最大干密度為2.31 g/cm3。試驗(yàn)密度為2.12 g/cm3，壓實(shí)度為92%。

圖5 砂礫石料試驗(yàn)級(jí)配Fig.5 Gradation of gravels during experiments

2.3 動(dòng)力觸探模型試驗(yàn)及數(shù)據(jù)整理

模型制作完成后，施加上覆壓力并固結(jié)，進(jìn)行動(dòng)力觸探試驗(yàn)。動(dòng)力觸探選用重型觸探，總貫入深度不小于40 cm，記錄每次錘擊的貫入量，繪制錘擊數(shù)與貫入深度的關(guān)系曲線，并對(duì)關(guān)系曲線穩(wěn)定段進(jìn)行曲線擬合，計(jì)算貫入100 mm時(shí)的錘擊數(shù)，即為動(dòng)力觸探的錘擊數(shù)N63.5。動(dòng)力觸探試驗(yàn)的代表性曲線見(jiàn)圖6。

圖6 動(dòng)力觸探試驗(yàn)代表性試驗(yàn)曲線Fig.6 A typical test curve of dynamic penetration

重型動(dòng)力觸探的試驗(yàn)步驟如下：

（1）試驗(yàn)前將觸探架安裝平穩(wěn)，垂直度的最大偏差不超過(guò)2%，觸探桿保持垂直連接牢固。

（2）貫入時(shí)使穿心錘自由下落，落距為0.76±0.02 m。

（3）錘擊速率為每分鐘15～30擊，打入過(guò)程盡可能連續(xù)，所有超過(guò)5 min的間斷都在記錄中予以注明。

（4）及時(shí)記錄每貫入0.10 m所需的錘擊數(shù)，其方法是記錄每一陣擊的貫入度，再換算為每貫入0.10 m所需的錘擊數(shù)。

（5）每貫入0.10 m所需錘擊數(shù)連續(xù)3次超過(guò)50擊時(shí)，即停止試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)成果及分析

本次共進(jìn)行了兩組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)的地基土試驗(yàn)級(jí)配、試驗(yàn)密度及上覆壓力等試驗(yàn)條件均相同。其中地基土為均質(zhì)砂的重型動(dòng)探試驗(yàn)桿長(zhǎng)分別為2.0、8.9、16.4、23.4、30.0 m，每個(gè)桿長(zhǎng)進(jìn)行了平行試驗(yàn)，有效點(diǎn)數(shù)為10點(diǎn)，得到的試驗(yàn)成果見(jiàn)表3；地基土為砂礫石的重型動(dòng)探試驗(yàn)有效點(diǎn)數(shù)為11點(diǎn)，桿長(zhǎng)分別為2.0、8.9、16.4、23.4、30.0、36.0 m，得到的試驗(yàn)成果見(jiàn)表4。

表3 均質(zhì)砂動(dòng)力觸探試驗(yàn)成果Table 3 Dynamic penetration results in homogeneous sands

表4 砂礫石動(dòng)力觸探試驗(yàn)成果Table 4 Dynamic penetration results in gravels

由表3、4可見(jiàn)，每貫入100 mm的錘擊數(shù)，隨著動(dòng)力觸探桿長(zhǎng)的增加，錘擊數(shù)越來(lái)越大，例如砂礫石試驗(yàn)中桿長(zhǎng)為2.0 m時(shí)的錘擊數(shù)N63.5=15.0，桿長(zhǎng)增加到36.0 m時(shí)的錘擊數(shù)N63.5=27.3，增加了82%，這說(shuō)明動(dòng)力觸探桿長(zhǎng)對(duì)錘擊數(shù)N63.5的影響是顯著的。

在現(xiàn)行的動(dòng)力觸探試驗(yàn)桿長(zhǎng)修正中，一般均是以桿長(zhǎng)2～3 m為修正起點(diǎn)，本次試驗(yàn)成果分析中，假定桿長(zhǎng)2.0 m時(shí)的錘擊數(shù)N63.5是標(biāo)準(zhǔn)值，為修正起點(diǎn)，即將桿長(zhǎng)2.0 m時(shí)的錘擊數(shù)與桿長(zhǎng)為i的錘擊數(shù)的比值，作為不同桿長(zhǎng)條件下的桿長(zhǎng)修正系數(shù)。

均質(zhì)砂和砂礫石的不同桿長(zhǎng)下的桿長(zhǎng)修正系數(shù)，如表5所示。

表5 均質(zhì)砂和砂礫石動(dòng)力觸探桿長(zhǎng)修正系數(shù)Table 5 Dynamic penetration rod length modification coefficients in homogeneous sands and gravels

將修正系數(shù)與桿長(zhǎng)關(guān)系繪制在圖7、8中，圖中同時(shí)給出了牛頓彈性碰撞理論和彈性桿波動(dòng)理論的修正系數(shù)?？梢?jiàn)修正系數(shù)規(guī)律整體上符合牛頓彈性碰撞理論，與彈性桿波動(dòng)理論的修正系數(shù)規(guī)律相反。修正系數(shù)基本符合《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GBJ7－89）和《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（JTJ064－98）提到的上海顧季威有效能修正公式，且不同地基土的桿長(zhǎng)修正系數(shù)基本一致。

圖7 均質(zhì)砂桿長(zhǎng)修正系數(shù)與桿長(zhǎng)關(guān)系Fig.7 Relationships between rod lengths modification coefficients for homogeneous sands and rod length

圖8 砂礫石桿長(zhǎng)修正系數(shù)與桿長(zhǎng)關(guān)系Fig.8 Relationships between rod lengths modification coefficients for gravels and rod length

當(dāng)在密實(shí)土層進(jìn)行動(dòng)力觸探貫入試驗(yàn)時(shí)，常出現(xiàn)反彈，用手握緊動(dòng)探桿，手會(huì)被震得麻木，說(shuō)明能量損失很多[6]。動(dòng)力觸探的觸探桿是接頭連接，動(dòng)力觸探試驗(yàn)深度越深，觸探桿的接頭越多，動(dòng)探桿產(chǎn)生的彎曲變形越大，在錘擊中消耗的能量越多，達(dá)到相同的貫入深度需要的錘擊數(shù)越多，相應(yīng)的修正系數(shù)越小。

根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021－2001）的重型動(dòng)力觸探錘擊數(shù)修正系數(shù)表（見(jiàn)表2），將本次試驗(yàn)成果進(jìn)行桿長(zhǎng)修正，并進(jìn)行比較，見(jiàn)圖9。

圖9 砂礫石與均質(zhì)砂桿長(zhǎng)修正系數(shù)對(duì)比Fig.9 Comparison of rod length modification coefficients between gravels and homogeneous sands

由圖可見(jiàn)，本次試驗(yàn)得到的桿長(zhǎng)修正系數(shù)與《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021－2001）的修正系數(shù)差異性較大，本次得到的桿長(zhǎng)修正系數(shù)明顯大于規(guī)范推薦的修正系數(shù)，規(guī)范中修正系數(shù)實(shí)際上是對(duì)桿長(zhǎng)、上覆自重壓力、側(cè)摩阻力的綜合修正，而本次試驗(yàn)成果只考慮了桿長(zhǎng)修正，因此，存在一定的差異性。而砂礫石和均質(zhì)砂的動(dòng)力觸探桿長(zhǎng)修正系數(shù)，差異性較小，說(shuō)明不同材料下的桿長(zhǎng)修正系數(shù)近似符合相同的規(guī)律。

4 結(jié) 論

（1）重型動(dòng)力觸探修正系數(shù)的整體趨勢(shì)規(guī)律符合牛頓彈性碰撞理論，都隨著桿長(zhǎng)的增加，修正系數(shù)逐漸減小。

（2）修正系數(shù)基本符合《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GBJ7－89）和《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（JTJ064－98）提到的上海顧季威有效能修正公式。

（3）本次試驗(yàn)的重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)的最大桿長(zhǎng)為36.0 m，超過(guò)桿長(zhǎng)21.0 m的限制，但其N63.5值仍能有效地反映土的力學(xué)性質(zhì)。

（4）砂礫石和均質(zhì)砂的動(dòng)力觸探桿長(zhǎng)修正系數(shù)差異性較小，表明不同地基土的桿長(zhǎng)修正系數(shù)具有一致性。

[1]中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GBJ7－89建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1989.

[2]中華人民共和國(guó)交通部.JTJ064－98公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].北京: 人民交通出版社,1999.

[3]ASTM D4633－86.Standard test method for stress wave energy measurement for dynamic penetrometer testing systems.Annual Book of Standards[S].Pbiladelphia:American Society for Testing and Materials,1986.

[4]中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GB50021－2001巖土工程勘察規(guī)范[S].北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2009.

[5]中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GB50007－2011建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2011.

[6]張平,田紅花.有關(guān)動(dòng)力觸探影響因素修正問(wèn)題的探討[J].沈陽(yáng)大學(xué)學(xué)報(bào),1999,(2): 80－83.ZHANG Ping,TIAN Hong-hua.The study on amendment of dynamic sounding impact factors[J].Journal of Shenyang University,1999,(2): 80－83.