吳曉東

(中土集團(tuán)福州勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，福建福州 350013)

1 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)簡介

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)(Standard penetration test，SPT):使用落錘將鉆桿底部的對開管式貫入器打入鉆孔底部的土中，取得土樣，貫入300 mm所需的錘擊數(shù)稱為N值，與土體強(qiáng)度有關(guān)。

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)已成為國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的一種原位測試。最初其應(yīng)用對象偏重于松散介質(zhì)，但目前其應(yīng)用范圍已擴(kuò)展到黏性土和風(fēng)化巖。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)在于設(shè)備簡單、操作方便、土層的適應(yīng)性廣，而且貫入器能帶上擾動(dòng)土樣，可直接對土進(jìn)行鑒別描述。SPT指標(biāo)N值應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，可用于確定砂土的密實(shí)度、黏性土的狀態(tài)、地基土承載力、砂土液化判別、樁基承載力等。

歐美現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為:

(1)歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN ISO 22476—3:2005《巖土工程勘察與測試-原位測試-第3部分:標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)》;

(2)美國ASTM標(biāo)準(zhǔn) D1586—11《標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)方法》。

2 設(shè)備規(guī)格及適用范圍對比

各主要標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的設(shè)備規(guī)格見表1，適用范圍見表2，可以看出歐美標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的設(shè)備規(guī)格及適用范圍與我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)基本類似。ASTM標(biāo)準(zhǔn)下刃口厚度及管靴長度與其他標(biāo)準(zhǔn)有所差異且未明確鉆桿相對彎曲的限值;而歐洲標(biāo)準(zhǔn)對鉆桿重量進(jìn)行了限制，且規(guī)定在礫砂中可使用60°實(shí)心圓錐頭來代替管靴，此時(shí)試驗(yàn)應(yīng)標(biāo)示為SPT(C)。

表1 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)設(shè)備規(guī)格對比

3 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)技術(shù)要求對比

表3列出了各標(biāo)準(zhǔn)對標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的技術(shù)要求，各標(biāo)準(zhǔn)間差異并不大。在鉆孔制備上均要求清孔、避免孔底擾動(dòng)、保持孔內(nèi)水位高于地下水位等;在操作步驟上，在預(yù)打15 cm之后，中國標(biāo)準(zhǔn)要求按每打入10 cm記錄錘擊數(shù)，而歐美標(biāo)準(zhǔn)均要求按每打入15 cm記錄錘擊數(shù)，如果貫入器置于孔底后在靜重作用下發(fā)生了下沉，歐美標(biāo)準(zhǔn)則還要求記錄相應(yīng)下沉量;在試驗(yàn)提前終止規(guī)定上，ASTM標(biāo)準(zhǔn)相對要求較高。

表2 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)適用范圍

表3 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)技術(shù)要求對比

4 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)N值修正對比

4.1 影響標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)N值的主要因素

影響標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)N值的因素很多，試驗(yàn)步驟、操作者技能、貫入器規(guī)格、落錘系統(tǒng)(包括落錘、錘墊、落錘釋放裝置)、鉆桿類型、鉆桿長度、鉆桿垂直度、貫入器有無內(nèi)襯、鉆進(jìn)方法、鉆孔直徑、錘擊速率等均可能對N值產(chǎn)生影響。

對試驗(yàn)步驟、貫入器規(guī)格、鉆桿類型、鉆進(jìn)方法、錘擊速率等可通過技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)來統(tǒng)一，但仍然還存在許多因素可能造成N值的不確定性，目前歐美學(xué)者普遍認(rèn)為由于落錘系統(tǒng)類型不同導(dǎo)致傳輸給鉆桿的錘擊能量上的變異性是導(dǎo)致N值變動(dòng)的最主要因素。

4.2 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)N值修正的發(fā)展及現(xiàn)狀

(1)地下水位修正

Terzaghi＆Peck(1953)提出有效粒徑d10在0.1～0.05 mm范圍內(nèi)的飽和粉、細(xì)紗，當(dāng)其密度大于某一臨界密度時(shí)，貫入阻力將會(huì)偏大，相應(yīng)于此臨界密度的標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)為15，故在此類砂土中貫入擊數(shù)N大于15時(shí)，應(yīng)按下式進(jìn)行修正。

目前在工程實(shí)踐中已基本不再進(jìn)行該類修正。

(2)桿長修正

傳統(tǒng)上我國工程界只考慮對N值進(jìn)行桿長修正，原地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范(GBJ 7-89)規(guī)定最大桿長校正長度21m，對應(yīng)于該長度的系數(shù)為0.7(見表4)，事實(shí)上該系數(shù)表沿用的是更早的74規(guī)范，αL的值系以牛頓碰撞理論為基礎(chǔ)算得。修正限制為21m，是由于桿長超過21m后，探桿系統(tǒng)質(zhì)量已超過落錘質(zhì)量的2倍，按碰撞理論其能量損失已很大，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)已不適用。但實(shí)際使用深度已遠(yuǎn)超過21m，最大深度已達(dá)100m以上。

表4 GBJ7—89桿長修正系數(shù)

日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JIS A 1219—1961)中規(guī)定，當(dāng)桿長大于20m時(shí)，桿長修正系數(shù)αL=1.06-0.003L。

Schmertmann(1978)在Horida大學(xué)進(jìn)行了SPT的應(yīng)力波實(shí)測。實(shí)測成果表明當(dāng)桿長超過6m后，在錘第一次跳開前，已有90%以上能量輸入探桿。當(dāng)桿長小于6m，輸入能量有顯著減小。

日本的Fuyuki(1981)采用在120m探桿上貼應(yīng)變片測試的方法，發(fā)現(xiàn)在探桿末端沖擊引起的波動(dòng)量衰減很小。

第一屆國際觸探試驗(yàn)會(huì)議(ISOPT-1，1988)推薦的SPT試驗(yàn)規(guī)程以彈性桿件彈性波動(dòng)理論為基礎(chǔ)，得到桿長修正系數(shù)αL值見表5。

表5 ISOPT建議的桿長修正系數(shù)

近期國際上主流看法均認(rèn)為彈性波動(dòng)理論更好地符合現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，按彈性桿件彈性波的波動(dòng)理論，當(dāng)桿長小于10m時(shí)，隨著桿長的增加，有效能量逐漸增大，超過10m后趨于定值。Skempton等研究者提出的桿長修正系數(shù)建議值如表6。

表6 Skempton等建議的桿長修正系數(shù)

(3)上覆壓力修正

Gibbs＆Holtz于1957年最先提出砂土N值受有效上覆壓力影響，應(yīng)對N值進(jìn)行相應(yīng)修正

式中 N1——修正為有效上覆壓力σ'

v=100 kPa時(shí)的錘擊數(shù);

N——實(shí)測SPT錘擊數(shù);

CN——上覆壓力修正系數(shù);

Gibbs＆Holtz建議的CN值被發(fā)現(xiàn)在用于均勻土層的底部時(shí)存在不足，此時(shí)貫入器因受下伏較硬地層影響而表現(xiàn)出偏高的錘擊數(shù)，為此Liao和Whitman于1986年提出了目前被廣泛接受的CN計(jì)算式。

不同研究者提出的CN值計(jì)算式見表7。

表7 上覆壓力修正系數(shù)C N計(jì)算式

(4)錘擊能量修正及落錘能量測定方法

ASTM D1586-11指出不同SPT設(shè)備及操作人員在毗鄰鉆孔的同一土層中所得的N值變動(dòng)幅度可達(dá)到或超過100%，但是如果使用相同設(shè)備和人員則N值變異系數(shù)僅10%，因此測定不同落錘系統(tǒng)能量效率并將其標(biāo)準(zhǔn)化到某個(gè)基準(zhǔn)能量效率比下是非常重要的。

落錘的能量效率比Er被定義為落錘實(shí)際傳遞給鉆桿的能量與理論傳遞能量之比

式中Emea為落錘實(shí)際能量;Etho為落錘理論能力(Etho=474.5 J)。

最初Mohr采用的落錘能量效率比約為60%，而現(xiàn)行美國安全落錘能量效率比也與該值較接近，因此Seed等(1984)、Skempton(1986)等均建議將60%作為比較各種落錘系統(tǒng)能量效率的基準(zhǔn)，錘擊能量修正后的N值為

式中 N60——錘擊能量修正后的錘擊數(shù);

Er——落錘能量效率比;

N——實(shí)測SPT錘擊數(shù);

常見落錘類型見圖1。

圖1 不同類型的落錘

EN ISO 22476—3附錄B提供了落錘能量測定的建議方法，其與ASTM D4633《動(dòng)力觸探能量測量方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的落錘能量測定方法基本相同，均是在錘墊和鉆桿間加裝附測量裝置(應(yīng)變計(jì)和加速度計(jì))并連接至SPT分析儀，通過實(shí)測豎向加速度和變形并換算為相應(yīng)的力和速度，最終得出傳遞到鉆桿的能量。

(5)現(xiàn)行國際主流N值修正方法

Skempton(1986)建議對N值按下式進(jìn)行修正

式中 N60——考慮不同設(shè)備和現(xiàn)場步驟而修正后的N值;

Er——落錘能量效率比;

CB——鉆孔直徑修正系數(shù);

CS——取樣器修正系數(shù);

CR——桿長修正系數(shù);

N——實(shí)測SPT錘擊數(shù);

相應(yīng)修正系數(shù)見表8。

表8 Skempton建議的C B、C S、C R修正系數(shù)值______

Robertson＆Wride(1997)建議在式(5)的基礎(chǔ)上加入上覆壓力修正系數(shù)項(xiàng)CN，采用Liao＆Whitman(1986)的CN建議值，并定義最終得到的標(biāo)準(zhǔn)化 N值為

該方法在歐美被廣泛接受并成為最主流的N值修正方法，近年新發(fā)表的N值與其他設(shè)計(jì)參數(shù)間的關(guān)系式通?；?N1)60。

4.3 中國標(biāo)準(zhǔn)對SPT成果修正的規(guī)定

現(xiàn)行巖土工程勘察規(guī)范(GB50021—2001，2009版)規(guī)定:“應(yīng)用N值時(shí)是否修正和如何修正，應(yīng)根據(jù)建立統(tǒng)計(jì)關(guān)系時(shí)的具體規(guī)定而定”。該規(guī)范條文說明指出:“通過實(shí)測桿件的錘擊應(yīng)力波，發(fā)現(xiàn)錘擊傳輸給桿件的能量變化遠(yuǎn)大于桿長變化時(shí)能量的衰減，故建議不作桿長修正的N值是基本的數(shù)值，考慮到過去建立的N值與土性參數(shù)、承載力的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系所用N值均經(jīng)桿長修正，故對既往已有的經(jīng)驗(yàn)公式或相關(guān)表格，應(yīng)按其推出時(shí)的規(guī)定決定是否修正?？辈靾?bào)告應(yīng)提供不作桿長修正的N值，應(yīng)用時(shí)再根據(jù)情況考慮修正或不修正，用何種方法修正”。

一般來說，當(dāng)應(yīng)用于國內(nèi)既往已有的經(jīng)驗(yàn)公式或表格時(shí)，應(yīng)對N值需進(jìn)行桿長修正，用于判別砂土液化、劃分砂土密實(shí)度及劃分花崗巖類殘積土、全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化界限時(shí)不對N值進(jìn)行修正。

4.4 歐洲標(biāo)準(zhǔn)對SPT成果修正的規(guī)定

歐洲巖土勘察規(guī)范(EN 1997—2:2007)規(guī)定應(yīng)測定SPT設(shè)備能量效率比Er并應(yīng)對N值采用適當(dāng)?shù)男拚禂?shù)，對于砂土應(yīng)考慮有效上覆壓力影響及鉆桿長度導(dǎo)致的能力損失，還要求考慮對開管是否使用內(nèi)襯的影響。

歐洲標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)(EN ISO 22476—3)規(guī)定:如果N值將被用于基礎(chǔ)的定量評價(jià)或用于成果對比，則所使用設(shè)備的能量效率比Er必須是已知的，應(yīng)具有錘墊下方鉆桿Er值的校正證明文件。該標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定:“N值可能隨著試驗(yàn)儀器、操作模式及巖土工程條件而變，因此應(yīng)考慮對其進(jìn)行修正?！?/p>

EN ISO 22476—3附錄A建議采用的N值修正方法基本沿用Skempton、Robertson＆Wride的建議(6)，但未納入鉆孔直徑修正。

4.5 ASTM對SPT成果修正的規(guī)定

ASTM D1586《標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)方法》規(guī)定:當(dāng)SPT被用于判定砂土液化時(shí)，應(yīng)基于估計(jì)的或按ASTM D 4633規(guī)定實(shí)測的落錘能量，將N值修正為標(biāo)準(zhǔn)上覆壓力水平下的值，ASTM D6066《確定用于液化潛勢評估的砂土標(biāo)準(zhǔn)化貫入阻力試驗(yàn)規(guī)程》中規(guī)定N值修正步驟如下。

(1)桿長修正

當(dāng)試驗(yàn)深度小于3m時(shí)，應(yīng)將N值乘以0.75的修正系數(shù)。

(2)傳輸能量修正

式中:N是實(shí)測錘擊數(shù);Er是特定試驗(yàn)設(shè)備的能量效率比。

(3)上覆壓力修正

式中，(N1)60是最終的標(biāo)準(zhǔn)化N值;CN一般采用Liao＆Whitman建議式，也可采用Skempton建議值。

ASTM D1586未對N值用于其他目的時(shí)的修正方法做出具體規(guī)定，目前北美工程實(shí)踐中通常采用前述Skempton、Robertson ＆ Wride的建議(式6)。

5 結(jié)論

(1)現(xiàn)行歐美標(biāo)準(zhǔn)中SPT設(shè)備規(guī)格及試驗(yàn)技術(shù)要求與中國標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定基本相同，但在記錄要求上存在較大差異。

(2)現(xiàn)行歐美標(biāo)準(zhǔn)均強(qiáng)調(diào)設(shè)備能量比Er的測定，并要求將實(shí)測的N值通過應(yīng)用修正系數(shù)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)化N值，主要采用 Skempton、Robertson＆ Wride建議的修正方法或其變種。而中國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對此未作具體規(guī)定或建議，傳統(tǒng)上中國對N值只考慮進(jìn)行桿長修正。

(3)需要注意到的是，歐美大部分N值與土壤特性(相對密度、摩擦角)間的關(guān)系式是基于重錘系統(tǒng)傳遞60%能量的假定，在將N值應(yīng)用于經(jīng)驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎選用N值的修正類型。一些關(guān)系式要求N值還需要為上覆壓力而修正，即(N1)60，然而其他關(guān)系式可能只要求60%能量效率下的值即N60。

(4)為促進(jìn)國內(nèi)勘察定量化水平的提高，未來中國標(biāo)準(zhǔn)修訂時(shí)可以考慮借鑒國外標(biāo)準(zhǔn)成熟經(jīng)驗(yàn)，以期最大程度地降低N值的不可靠性。

［1］EN ISO 22476—3：2005，Geotechnical investigation and testing-Field testing-Part 3:Standard penetration test［S］

［2］ASTM D1586-11，Standard Test Method for Standard Penetration Test(SPT)and Split-Barrel Sampling of Soils［S］

［3］GB50021—2001 巖土工程勘察規(guī)范［S］.2009

［4］ASTM D6066—11，Practice for Determining the Normalized Penetration Resistance Testing of Sands for Evaluation of Liquefaction Potential［S］

［5］A.W.Skempton，Standard Penetration Test Procedures and the Effects in Sands of Overburden Pressure，Relative Density，Particle Size，Aging and Overconsolidation:Geotechnique［J］.1986，36(3):25447

［6］鮑曉東.深圳地區(qū)花崗巖殘積土工程特性的研究［J］.鐵道勘察，2004，30(2):7274

［7］李海波，等.紅黏土地基壓縮模量與標(biāo)準(zhǔn)貫入經(jīng)驗(yàn)擊數(shù)關(guān)系研究［J］.鐵道勘察，2011，37(2):5557