李永亮，陸 亮

（甘肅省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730030）

1 概述

作為一種成熟的巖土工程原位測(cè)試手段，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)（SPT）因其操作簡(jiǎn)便、成本低廉、適用于多種土類(lèi)、錘擊數(shù)N 值具有明確的實(shí)用價(jià)值等特點(diǎn)在工程勘察領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。一方面，我國(guó)幅員遼闊，行業(yè)眾多，不同地區(qū)土的地質(zhì)成因和形成環(huán)境有所差異，各類(lèi)工程行業(yè)規(guī)范對(duì)N 值在具體應(yīng)用時(shí)是否進(jìn)行修正以及如何修正難以形成統(tǒng)一認(rèn)識(shí)；另一方面，多種主客觀因素，如作業(yè)環(huán)境、操作水平、桿件系統(tǒng)能量損耗、鉆桿撓曲等都對(duì)N 值有不同程度的影響，且隨著高層建筑林立，勘探深度不斷加深，致使標(biāo)貫錘擊數(shù)難以準(zhǔn)確反映土層的性質(zhì)，存在“失真”現(xiàn)象。在收集已有研究成果的基礎(chǔ)上，從N 值的影響因素及其修正問(wèn)題兩方面進(jìn)行探討，以期為勘察工作提供一定的指導(dǎo)和參考。

2 標(biāo)貫試驗(yàn)的影響因素

根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)有成果，可以將標(biāo)貫試驗(yàn)的影響因素分為四大類(lèi)：土本身的因素、標(biāo)貫設(shè)備的因素、人為因素和其他因素，進(jìn)而可對(duì)其包含內(nèi)容詳細(xì)劃分。

2.1 土本身的因素

（1）土的成因和均勻性。土是巖石經(jīng)風(fēng)化、剝蝕、搬運(yùn)、沉積等作用后覆蓋于地球表面的堆積物，土的成因及性質(zhì)與母巖的礦物成分、搬運(yùn)沉積方式、顆粒級(jí)配、磨圓度等密切相關(guān)。殘積土、坡積土往往粗細(xì)不均，性質(zhì)差異較大；洪積土隨搬運(yùn)距離由近及遠(yuǎn)呈粗粒至細(xì)粒逐漸變化，沖積土則磨圓度和分選性相對(duì)較好，這兩種成因的土常具層理，夾有多層透鏡體；靜水沉積土顆粒細(xì)小，通常含有機(jī)物；風(fēng)積土不具層理但顆粒均勻[1]。N 值的偏差與土的成因和類(lèi)型密不可分。

（2）土的應(yīng)力條件。土是一種應(yīng)力-應(yīng)變、應(yīng)力歷史和應(yīng)力路徑的“3S”材料。根據(jù)先期固結(jié)壓力和當(dāng)前固結(jié)應(yīng)力的大小關(guān)系分為超固結(jié)土、正常固結(jié)土和欠固結(jié)土。標(biāo)貫錘擊數(shù)N 值自然會(huì)受到土的應(yīng)力歷史、應(yīng)力條件、固結(jié)環(huán)境等影響。通常土的有效上覆壓力和側(cè)壓力都隨觸探深度的增加而增加，使得貫入阻力和錘擊數(shù)增大。

（3）地下水位。一般來(lái)說(shuō)，土顆粒越細(xì)、密度越小，地下水作用對(duì)標(biāo)貫擊數(shù)影響越大，而對(duì)密實(shí)砂土則不明顯。Terzaghi 和Peck（1953）指出，d10 介于0.05～0.1mm 的飽和粉細(xì)砂，當(dāng)其密度超過(guò)某一臨界值時(shí)，貫入阻力呈偏大趨勢(shì)[2]。

2.2 標(biāo)貫設(shè)備的因素

（1）錘擊設(shè)備。一方面，在使用過(guò)程中，隨著環(huán)狀刀口的逐漸磨損、卷刃變鈍等，刀口切削進(jìn)入土層的能力逐漸變?nèi)酰自斐蒒 值變大。另一方面，環(huán)狀刀口與對(duì)開(kāi)式空心管管徑不能?chē)?yán)格匹配時(shí)，嚴(yán)重影響錘擊能量的有效傳遞[3，4]。

（2）鉆桿桿長(zhǎng)?！督ㄖ鼗鶛z測(cè)技術(shù)規(guī)范》[5]桿長(zhǎng)修正系數(shù)最深對(duì)應(yīng)30.0m，對(duì)第四紀(jì)大厚度堆積層的測(cè)試數(shù)據(jù)已無(wú)法直接應(yīng)用。另外，根據(jù)牛頓碰撞理論，當(dāng)桿件系統(tǒng)質(zhì)量超過(guò)落錘系統(tǒng)質(zhì)量的兩倍后，能量損失過(guò)大以致該原位測(cè)試方法已不適用[5-7]。

（3）鉆桿桿徑?！稁r土工程勘察規(guī)范》（GB 50021-2001）（2009 年版）[8]要求標(biāo)貫試驗(yàn)使用42mm 的鉆桿，但近年來(lái)50mm 的鉆桿普遍使用，在相同錘擊能量作用下，規(guī)格、質(zhì)量、慣性矩等有差異的兩種鉆桿能量傳遞效率不同，同時(shí)N 值受到地層、深度和桿長(zhǎng)等多種因素的影響[9-11]。

（4）鉆桿彎曲變形。馮銘璋等[12]將鉆桿彎曲分為四種“凸肚”情形，提出了桿長(zhǎng)彎曲系數(shù)λ。柴建峰等[13]在此基礎(chǔ)上指出，鉆桿撓曲、彎曲回彈與振動(dòng)是影響50m 以上海域鉆探N 值的主因。

（5）鉆桿與孔壁的摩擦。鉆桿與孔壁摩擦損耗錘擊能量主要發(fā)生于鉆桿頂部至貫入器這一階段的能量傳遞過(guò)程中[14]。土層對(duì)觸探桿的側(cè)壁摩擦作用隨土的密度和試驗(yàn)深度的增大而增大，使得錘擊能量減小而N 值偏大。

2.3 人為操作因素

人為操作因素主要表現(xiàn)在操作熟練程度、錘擊速率、成孔工藝和鉆桿傾斜四個(gè)方面。在實(shí)際操作中，容易發(fā)生非自由落錘、偏心錘擊、鉆桿側(cè)向晃動(dòng)、錘擊速率過(guò)快、非回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、遇地下水或易塌孔地層時(shí)不下套管或不采用泥漿護(hù)壁、預(yù)打深度和貫入深度測(cè)量不準(zhǔn)確等情況。此類(lèi)因操作人員的粗心大意和經(jīng)驗(yàn)不足導(dǎo)致N 值偏差的現(xiàn)象應(yīng)該嚴(yán)格避免。

2.4 其他因素

（1）作業(yè)環(huán)境。陸域鉆探環(huán)境相較平穩(wěn)，但水域環(huán)境標(biāo)貫試驗(yàn)受作業(yè)平臺(tái)波動(dòng)、水位升降、水流流速、鉆桿振動(dòng)和晃動(dòng)、天氣變化等影響顯著。

（2）行業(yè)差異。不同行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范對(duì)標(biāo)貫測(cè)試的試驗(yàn)設(shè)備、成孔工藝、鉆桿桿徑、貫入深度、修正因素、N 值的具體應(yīng)用等方面規(guī)定不盡相同，限于篇幅在此不進(jìn)行詳述。

3 部分規(guī)范對(duì)N 值應(yīng)用和修正方面的規(guī)定

對(duì)國(guó)內(nèi)部分規(guī)范中關(guān)于N 值應(yīng)用和修正方面的規(guī)定進(jìn)行了匯總。由表1 可知，N 值主要用于評(píng)價(jià)土的密實(shí)程度和狀態(tài)、確定地基承載力以及液化判別等方面，而不同行業(yè)對(duì)于此類(lèi)應(yīng)用及對(duì)應(yīng)的修正要求不盡統(tǒng)一，即使是同一行業(yè)也存在規(guī)范相異情況，如公路行業(yè)。

表1 部分規(guī)范中N 值應(yīng)用和修正的匯總

4 對(duì)N 值修正的探討

影響N 值最根本的因素是巖土體的形成條件和物質(zhì)組成，但系統(tǒng)設(shè)備、桿長(zhǎng)桿徑和操作因素等方面的影響也不可忽略。故而對(duì)于N 值的應(yīng)用及修正問(wèn)題，在最大限度避免人為因素的前提下，應(yīng)抓住主要影響因素從原理上進(jìn)行分析，并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)積累決定N 值是否修正及如何修正。此外，可通過(guò)現(xiàn)代技術(shù)手段進(jìn)行相關(guān)的改進(jìn)與推廣。

1）桿長(zhǎng)因素的影響，歸根結(jié)底是錘擊能量的傳遞與耗散問(wèn)題。研究表明，桿長(zhǎng)影響的臨界深度普遍為20～21m[15，16]，即該深度內(nèi)，錘擊能量的損耗不明顯，超過(guò)該深度時(shí)，需要對(duì)N 值進(jìn)行折減處理。標(biāo)貫試驗(yàn)設(shè)備系統(tǒng)的能量傳遞符合彈性波一維傳播理論[17]，可通過(guò)能量測(cè)量法開(kāi)展有效監(jiān)測(cè)[18]，并對(duì)大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析以期解決桿長(zhǎng)影響問(wèn)題。但是，當(dāng)前主要是對(duì)力和加速度信號(hào)進(jìn)行處理，間接得到是監(jiān)測(cè)能量并不等于錘擊能，這也是需要進(jìn)一步處理的問(wèn)題。

2）對(duì)桿徑因素的考慮，主要采用質(zhì)量等效換算、實(shí)測(cè)對(duì)比分析等方法予以處理。應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，此類(lèi)處理方式受地域和土類(lèi)及其狀態(tài)、應(yīng)力條件等因素限制很大，其結(jié)論難免具有地域局限性。

3）上述所列規(guī)范，僅JGJ 340-2015 對(duì)N 值的數(shù)據(jù)分析方法有所提及，其他規(guī)范鮮有明確表述[19]，這容易引起使用中的混亂。筆者建議按照“抗剪強(qiáng)度指標(biāo)采用標(biāo)準(zhǔn)值，壓縮性指標(biāo)采取平均值、承載力取特征值（或容許值）”的原則對(duì)N 值進(jìn)行相應(yīng)處理。

4）對(duì)N 值處理的建議。

（1）分地區(qū)考慮多種主要影響因素，排除人為操作因素的影響下，經(jīng)過(guò)大量的實(shí)際測(cè)試進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，建立有效實(shí)用的數(shù)學(xué)模型[20]，具體應(yīng)用時(shí)根據(jù)行業(yè)規(guī)定進(jìn)行修正。

（2）引入鉆桿導(dǎo)正措施，有效控制鉆桿撓曲變形與孔壁摩擦的能量耗散，以自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置測(cè)定能量的傳遞與損耗，結(jié)合理論分析與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)處理N值。

（3）采用壓桿穩(wěn)定理論分析桿長(zhǎng)、桿徑等因素，結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗(yàn)得出臨界深度和N 值的折減系數(shù)。

（4）不論何種情況，勘察報(bào)告需始終如實(shí)提供N值的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，應(yīng)用時(shí)是否修正及如何修正，應(yīng)根據(jù)建立統(tǒng)計(jì)關(guān)系時(shí)的具體情況確定[21]。

5 結(jié)語(yǔ)

1）對(duì)標(biāo)貫試驗(yàn)的影響因素進(jìn)行了匯總，劃分為土本身的因素、標(biāo)貫設(shè)備的因素、人為操作因素和其他因素四大類(lèi)，并進(jìn)行了詳細(xì)分類(lèi)。

2）列舉了部分規(guī)范中N 值的應(yīng)用及相關(guān)修正的要求，在具體應(yīng)用時(shí)既要遵守行業(yè)規(guī)定，又要結(jié)合不同地域的經(jīng)驗(yàn)積累，做到實(shí)事求是。

3）從能量傳遞、控制變形和能量損耗、建立數(shù)學(xué)模型以及壓桿穩(wěn)定等角度提出了關(guān)于N 值的處理意見(jiàn)。

4）限于筆者水平有限，工程經(jīng)驗(yàn)欠缺，本文難免有錯(cuò)誤疏漏之處，望各位參閱同行指正。