宋國(guó)文，李大華

（安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

標(biāo)貫試驗(yàn)是使用一定質(zhì)量的穿心錘從規(guī)定的高度自由落體運(yùn)動(dòng)，將一定規(guī)格的貫入儀打入土層中，計(jì)下貫入儀打入一定深度所需要的錘擊數(shù)來確定土體的部分物理力學(xué)指標(biāo)，是巖土工程勘察中最常用的一種原位測(cè)試方法。我國(guó)在巖土勘察活動(dòng)中應(yīng)用較廣泛，例如利用標(biāo)貫擊數(shù)可判斷土體的密實(shí)程度、土體的液化、地基承載力等一些土的物理力學(xué)性質(zhì)。

在相關(guān)規(guī)范中已經(jīng)制定了一些地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)N 與土的壓縮模Es 量、粘聚力c 及內(nèi)摩擦角

φ

等土的物理力學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系式，這些關(guān)系式僅僅只適合用于局部地區(qū)，不能被普遍使用。由于土是巖石在悠久的地質(zhì)年代里，經(jīng)受各種復(fù)雜的物理和化學(xué)等作用所形成的松軟物質(zhì)。因此，土的種類及其物理、力學(xué)屬性都是千差萬別的。但在相同地質(zhì)時(shí)期的年代與相似沉積的條件下，又具備了性狀相似的特征。又由于我國(guó)的國(guó)土面積廣袤，地理環(huán)境復(fù)雜，氣候種類多樣化，形成土的資源種類繁多性質(zhì)也十分復(fù)雜。即使同一種土質(zhì)，不同區(qū)域土的各種物理力學(xué)特征也會(huì)存在著很大的差異。因此，國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)不同地區(qū)土層的標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N 與土的物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了大量的探索和研究，分析出了它們之間的相關(guān)性，建立了不同地區(qū)之間的線性表達(dá)式。例如湖北省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院、武漢城市規(guī)劃設(shè)計(jì)院及西南綜合勘察院分別建立了局部地區(qū)標(biāo)貫擊數(shù)與壓縮模量Es 和變形模量E的線性關(guān)系式。國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)在巖土勘察活動(dòng)中也得到廣泛的研究和應(yīng)用。一些國(guó)外學(xué)者利用標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)對(duì)土的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行客觀評(píng)估。通過數(shù)據(jù)整理和分析，利用標(biāo)準(zhǔn)擊數(shù)推算出土的物理力學(xué)參數(shù)，估算砂性土的內(nèi)摩擦角、黏性土的內(nèi)聚力、軟巖的平均強(qiáng)度、土的變形模量、地基承載力及估算樁基承載力等等。

依據(jù)對(duì)豫中平原地區(qū)某道路工程詳勘階段鉆探成果進(jìn)行綜合研究，對(duì)該地區(qū)粉質(zhì)黏土層進(jìn)行工程特性分析，建立了該地區(qū)粉質(zhì)黏土部分物理力學(xué)參數(shù)與標(biāo)貫擊數(shù)的關(guān)系式。為當(dāng)?shù)氐膸r土勘察活動(dòng)積累了經(jīng)驗(yàn)，提高了野外勘察活動(dòng)效率，給當(dāng)?shù)毓こ探ㄔO(shè)降低成本，也可以定量預(yù)測(cè)當(dāng)?shù)胤圪|(zhì)黏土性質(zhì)。

1 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)

1.1 設(shè)備組成及設(shè)備規(guī)格

該試驗(yàn)設(shè)備由一定規(guī)格的貫入器、鉆桿及落錘等部分組成。具體試驗(yàn)的設(shè)備和參數(shù)要求，如表1所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)貫入器設(shè)備規(guī)格

1.2 試驗(yàn)要點(diǎn)

（1）用鉆機(jī)鉆至試土層下面15 cm 處的試驗(yàn)土層，清除周邊浮土和殘土，注意保護(hù)試驗(yàn)土層受到外界環(huán)境干擾。清孔后換用標(biāo)準(zhǔn)貫入器，并測(cè)量孔深。

（2）將落錘自由落體，落體高度76 cm±2 進(jìn)行擊打，在導(dǎo)桿上涂一些潤(rùn)滑劑減少導(dǎo)向桿與落錘間的摩擦力，還要防止擊打的時(shí)候桿與錘的偏心和搖擺，保持設(shè)備連接之間的垂直度不能有較大傾斜。

（3）易于每分鐘15-30 的擊打數(shù)速度將試驗(yàn)設(shè)備打入試驗(yàn)土層中，預(yù)先在試驗(yàn)土層中先將設(shè)備打入15 cm，不計(jì)試驗(yàn)擊數(shù)。之后將試驗(yàn)設(shè)備打入試驗(yàn)土層中30 cm，記錄落錘次數(shù)N。如果遇見密實(shí)度較大的試驗(yàn)土層，設(shè)備打入試驗(yàn)土層未到試驗(yàn)所要求的深度而落錘次數(shù)超過50 次時(shí)，應(yīng)立即停下試驗(yàn)，記錄實(shí)際設(shè)備貫入土層的深度?s 和落錘的次數(shù)N。

換下式（1）換算成貫入30 cm 擊數(shù)N：

（4）取出試驗(yàn)段中所采取的土層，進(jìn)行野外鑒別描述。之后將所采取的土樣進(jìn)行保存以備做試驗(yàn)用。

1.3 N 值的修正

根據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)定，當(dāng)桿長(zhǎng)為3 m 至21 m 時(shí)，落錘擊數(shù)N 值應(yīng)按公式（2）進(jìn)行修正：

N

：桿長(zhǎng)修正值的錘落擊數(shù)；

N'

：實(shí)際落錘擊數(shù)；

α

：桿長(zhǎng)修正參數(shù)，見表2。

表2 桿長(zhǎng)修正參數(shù)α

2 豫中平原地區(qū)粉質(zhì)黏土物理力學(xué)性質(zhì)分析

通過對(duì)河南省許昌市某道路工程詳勘階段鉆探成果進(jìn)行綜合研究分析。此工程地處于華北平原河南省中部區(qū)域，總體地勢(shì)東南邊低，西北邊高。地表較平坦，被第四系全新統(tǒng)地層覆蓋，厚度大約在200 m，地層含地下水，基巖含有裂隙水。

該地區(qū)地基土以下0～20 m 分為3 個(gè)主要層次：雜填土、粉土和粉質(zhì)黏土。（1）雜填土：主要由建筑垃圾組成，土質(zhì)不均；（2）粉土：黃褐色，稍密，稍濕，含零星鐵錳質(zhì)斑或含少量鈣質(zhì)結(jié)核，震搖反應(yīng)中等，干強(qiáng)度低，韌性低；（3）粉質(zhì)黏土：黃褐色或灰褐色，可塑或硬塑，含少量鈣質(zhì)結(jié)核或零星鐵錳質(zhì)斑，刀切面稍光澤，干強(qiáng)度中等，韌性中等，無震搖反應(yīng)。局部土層地下7.6～9.5 m 處夾零星貝殼碎屑。

本工程進(jìn)行的試驗(yàn)包括室外標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)和室內(nèi)土工試驗(yàn)，確定了豫中地區(qū)的地基土層大致為第四系全新統(tǒng)人工雜填土、沖積和洪積形成的粉土和粉質(zhì)黏土。表3 總結(jié)了豫中地區(qū)地基土層的情況。

表3 豫中平原地區(qū)地基土層情況

2.1 該地區(qū)粉質(zhì)黏土部分物理力學(xué)參數(shù)范圍值

通過室內(nèi)土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理得到該地區(qū)粉質(zhì)黏土物理力學(xué)參數(shù)，見表4 和表5。該地區(qū)粉質(zhì)黏土含水率在17.9%～28%，含水率比較高。飽和度在74%～92%，表明該地區(qū)粉質(zhì)黏土濕度比較大。液性指數(shù)在0.15%～0.46%，表明該地區(qū)粉質(zhì)黏土為大部分呈可塑和硬塑狀態(tài)。壓縮系數(shù)在0.18 MPa～0.30 MPa，表明該地區(qū)粉質(zhì)黏土屬于中等壓縮性土且有較高的粘聚力等。

表4 豫中平原地區(qū)粉質(zhì)黏土的物理力學(xué)性質(zhì)

表5 豫中平原地區(qū)市粉質(zhì)黏土的物理力學(xué)性質(zhì)

鉆孔取樣鑒別可得，該地區(qū)粉質(zhì)黏土總體上呈黃褐色，含少量鈣質(zhì)結(jié)核或含零星鐵錳質(zhì)斑點(diǎn)，大部分呈現(xiàn)可塑狀態(tài)，刀切面稍有光澤，無搖震反應(yīng)，干強(qiáng)度中等，韌性中等，均勻分布等特點(diǎn)。

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)和室內(nèi)土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理分析，標(biāo)貫擊數(shù)按照上述公式進(jìn)行桿長(zhǎng)修正，分層統(tǒng)計(jì)出每一土層所對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值。同樣，土的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)相應(yīng)分層統(tǒng)計(jì)。在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，對(duì)于粉質(zhì)黏土物理力學(xué)參數(shù)的異常數(shù)據(jù)可以采用Grubbs 準(zhǔn)則進(jìn)行判別。通過對(duì)數(shù)據(jù)的整理，將所計(jì)算得到的粉質(zhì)黏土標(biāo)貫擊數(shù)和相應(yīng)粉質(zhì)黏土的物理力學(xué)參數(shù)歸集到表6 中。

3 標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)與粉質(zhì)黏土部分物理力學(xué)參數(shù)相關(guān)性分析

通過表6 標(biāo)貫修正擊數(shù)與粉質(zhì)黏土部分物理力學(xué)參數(shù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，建立了該地區(qū)的經(jīng)驗(yàn)公式。

3.1 壓縮模量Es 與標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N 相關(guān)性分析

土的壓縮模量是土體一定側(cè)限條件下的豎向附加壓應(yīng)力與豎向應(yīng)變的比值（MPa），也是測(cè)定判斷土的壓縮特性和計(jì)算地基壓縮變化量的重要指標(biāo)之一。從表6 數(shù)據(jù)分析可知，隨著標(biāo)貫擊數(shù)的增加，土的壓縮模量越大（壓縮系數(shù)越?。?，兩者具有良好的線性關(guān)系，見圖1。

圖1 N-Es 關(guān)系曲線圖

表6 貫入實(shí)擊數(shù)與粉質(zhì)黏土物理力學(xué)參數(shù)

擬合的線性表達(dá)式為：

Es=0.450 9N+3.629 9

擬合優(yōu)度

R

=0.924 4，相關(guān)系數(shù)

R

=0.961 5 以及對(duì)方程整體顯著性F 檢驗(yàn)通過，表明壓縮模量與標(biāo)貫擊數(shù)具有良好的正向線性相關(guān)。

3.2 粘聚力c 和內(nèi)摩擦角φ 與標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N 相關(guān)性分析

土的粘聚力和內(nèi)摩擦角是土的抗剪強(qiáng)度的兩個(gè)重要指標(biāo)。從表5 數(shù)據(jù)分析可知，隨著標(biāo)貫擊數(shù)的增加，土的粘聚力和內(nèi)摩擦角越大，兩者都與標(biāo)貫擊數(shù)有著正向線性關(guān)系，見圖2 和圖3。

圖2 N-c 關(guān)系曲線圖

圖3 N-φ 關(guān)系曲線圖

擬合的線性表達(dá)式為：

c

=0.773 4 N+22.807 9擬合優(yōu)度

R

=0.817 1，相關(guān)系數(shù)

R

=0.903 9 以及對(duì)方程整體顯著性F 檢驗(yàn)通過，表明粘聚力與標(biāo)貫擊數(shù)具有良好的正向線性相關(guān)。

擬合的線性表達(dá)式為：

Φ=0.573 2 N+11.521 7

擬合優(yōu)度

R

=0.873 9，相關(guān)系數(shù)

R

=0.934 8 以及對(duì)方程整體顯著性F 檢驗(yàn)通過，表明內(nèi)摩擦角與標(biāo)貫擊數(shù)具由良好的正向線性相關(guān)。

3.3 孔隙比e 與標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N 相關(guān)性分析

土的孔隙比是土中孔隙體積與土粒體積之比，它是一個(gè)重要的物理性指標(biāo)，可以用來評(píng)價(jià)天然土層的密實(shí)程度。一般孔隙比小于土0.6 是密實(shí)的低壓縮性土，孔隙比大于1 的土是疏松的高壓縮性土。從表6 數(shù)據(jù)分析得知，標(biāo)貫擊數(shù)與土的孔隙比存在一定反比關(guān)系，見圖4。

圖4 N-e 關(guān)系曲線圖

擬合的線性表達(dá)式為：

e=-0.007 43 N+0.878 26

擬合優(yōu)度

R

=0.779 3，相關(guān)系數(shù)

R

=-0.882 8 以及對(duì)方程整體顯著性F 檢驗(yàn)通過，表明孔隙比與標(biāo)貫擊數(shù)具有良好的負(fù)向線性相關(guān)。

3.4 土的塑性指數(shù)IP 與標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N 相關(guān)性分析

土的塑性指數(shù)是液限與塑限的差值，即土處在可塑狀態(tài)的含水量變化范圍值。塑性指數(shù)越大，土處于可塑狀態(tài)的含水量范圍越大。一定程度上塑性指數(shù)綜合反應(yīng)了黏性土及其三相組成的基本特性，工程中常按照塑性指數(shù)對(duì)黏性土進(jìn)行分類。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，塑性指標(biāo)與標(biāo)貫擊數(shù)有著良好的正向性線關(guān)系，見圖5。

圖5 N-Ip 關(guān)系曲線圖

擬合的線性表達(dá)式為：

I

=0.258 5 N+10.744 6擬合優(yōu)度

R

=0.903 8，相關(guān)系數(shù)

R

=0.956 8 以及對(duì)方程整體顯著性F 檢驗(yàn)通過，表明塑性指數(shù)與標(biāo)貫擊數(shù)具有良好的正向線性相關(guān)。

3.5 土的液性指數(shù)IL 與標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N 相關(guān)性分析

土的液性指數(shù)是指黏性土的天然含水量和塑限的差值與塑性指數(shù)之比。當(dāng)土的天然含水量小于塑限時(shí)，液性指數(shù)小于零，天然土處于堅(jiān)硬狀態(tài)。當(dāng)土的天然含水量大于塑限時(shí)，液性指數(shù)大于1，天然土處于流動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)天然含水量在液限和塑限之間時(shí)，液性指數(shù)在0 到1 之間，則天然土處于可塑狀態(tài)。因此，可以利用液性指數(shù)作為黏性土狀態(tài)的劃分指標(biāo)。通過表5 數(shù)據(jù)分析可得，液性指數(shù)與標(biāo)貫擊數(shù)存在著明顯負(fù)向線性關(guān)系，隨著標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)的增加，液性指數(shù)越小，見圖6。

圖6 N-IL 關(guān)系曲線圖

擬合的線性表達(dá)式為：

I=-0.019 56 N+0.342 98

擬合優(yōu)度

R

=0.836 7，相關(guān)系數(shù)

R

=0.914 7 以及對(duì)方程整體顯著性F 檢驗(yàn)通過，表明液性指數(shù)與標(biāo)貫擊數(shù)具有良好的負(fù)向線性相關(guān)。

4 預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析

分別選取該地區(qū)粉質(zhì)黏土層二組數(shù)據(jù)，利用所擬合的一元線性回歸方程進(jìn)行預(yù)測(cè)，之后與實(shí)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比及誤差分析，結(jié)果見表6。

通過預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比結(jié)果可知，利用線性回歸方程推算該地區(qū)粉質(zhì)黏土部分物理力學(xué)參數(shù)可獲得較高的精確度，預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值較為接近。誤差在10%以內(nèi)，預(yù)測(cè)結(jié)果可信。經(jīng)實(shí)踐表明：當(dāng)工程地質(zhì)條件與該地區(qū)差異較大時(shí)，利用上述表6線性方程進(jìn)行預(yù)測(cè)，實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值有較大的誤差（誤差可達(dá)到200%，甚至更高），說明線性回歸方程適用性受到地質(zhì)條件影響。

表6 預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值對(duì)比結(jié)果

5 結(jié)論

通過對(duì)豫中平原地區(qū)粉質(zhì)黏土物理力學(xué)指標(biāo)與標(biāo)貫擊數(shù)之間的分析得出以下結(jié)論：

（1）通過室外標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)和室內(nèi)土工試驗(yàn)對(duì)豫中平原地區(qū)粉質(zhì)黏土的部分物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行分析，運(yùn)用一元線性回歸方程建立了該地區(qū)粉質(zhì)黏土部分物理力學(xué)指標(biāo)與標(biāo)貫擊數(shù)之間的表達(dá)式，線性顯著。

（2）該地區(qū)粉質(zhì)黏土的壓縮模量Es、孔隙比e和液性指數(shù)IL、粘聚力c、內(nèi)摩擦角φ 以及塑性指標(biāo)IP 都可以用標(biāo)貫擊數(shù)進(jìn)行定量的預(yù)測(cè)，為該地區(qū)巖土工程勘察活動(dòng)與工程建設(shè)提供價(jià)值參考。

（3）通過預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比結(jié)果可知，利用該地區(qū)線性回歸方程推算粉質(zhì)黏土部分物理力學(xué)參數(shù)可獲得較高的精確度，預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值較為接近。誤差在10%以內(nèi)，能夠滿足工程的需要。