标准灌入试验

标准贯入试验法及其在具体工程中的应用王贤朋（中国地质大学（武汉）工程学院，武汉430074）摘要:标准贯入试验是最常用的原位测试手段之一。在岩土工程勘察中，判定砂土的密实度、确定其地基承载力、判定饱和砂土的液化时均需采用标准贯入试验。本文通过介绍标准贯入试验法，探讨了此试验的成果在实际工程中的应用。关键词:标准贯入试验；锤击数；密实度；变形参数；地基承载力DiscussionsonStandardPenetrationTestAnditsApplicationintheEngineeringProjectAbstract:TheStandardPenetrationTestisthemostcommonlyusedmeansofinsitutests.Ingeotechnicalengineeringinvestigation,thedeterminationofthedensityofsand,theirbearingcapacity,andtheliquefactionofsaturatedsandarenecessaryusingstandardpenetrationtest.Basedontheintroductionofthestandardpenetrationtest,thispaperdiscussestheapplicationofthetestresultsinspecificproject.Keywords:standardpenetrationtest;blowcount;degreeofcompaction;deformationparameter;bearingcapacityoffoundation1.概述标准贯入试验(英文首字母缩写：SPT)始于1921年，由美国雷蒙优混凝土桩公司加以发展，并由太沙基(K.Terzanghi)，佩克(R.B.Peck)于1948年公布于世，它在世界各国得到广泛的应用，其范围胜过其他野外原位测试方法。如美国1954年～1975年间，49个核电站的勘察中有40个使用标准贯入试验；日本初勘中90%的钻孔作了标准贯入试验；据日本(土与基础)杂志对23个国家的调查，75%以上的国家常用SPT法，特别是在美洲和亚洲。我国从20世纪70年代开始大规模使用SPT，至今已有30多年的历史。目前在国内SPT已成为岩土工程勘察不可缺少的原位测试手段，其试验规格与试验方法同国际上的标准基本一致，在多年的理论研究和实践基础上，根据我国的工程地质条件特点，建立了SPT应用经验公式。标准贯入试验是动力触探的一种，通常结合钻孔进行。通过经验公式，它可以用来确定岩土的力学性质、基础设计参数以及判别砂土液化等。标贯试验是以一质量为63.5kg的锤，沿导杆自由下落760mm，将一标准规格的对开式贯入器自钻孔底部高程预先击入150mm，继续击入300mm，并记下相应的击数N值(标贯击数)，根据此贯入阻力来判断土层变化及其工程性质，并同时获得一个扰动土样，可直接对土样进行鉴别描述及土工试验。1902年，美国入CharlesR.Gow第一次在钻孔过程中运用25.4mm直径的贯入器进行试验，这种干式取样技术使得土样得到有效保护，而在此之前，钻孔通常采用水洗式技术。Charles采用一个49.9kg的锤连续敲击一个25.4mm外径的空心开口管，使得该管在土层不被冲洗的情况下贯入土体，当管内空腔充满土样时停止锤击并取出土样。接着，人们不断地改进这个试验过程。在20世纪20年代末到30年代初，HarryMohr将这一过程标准化，包括以下几个方面：①对开式贯入器外径50.8mm，所取土样直径为34.9mm；②锤重63.5kg，锤落距762mm；③试验结果为贯入器打入土中457mm所需的锤击数；随后，试验结果改为后305mm的锤击数。JamesD.Parsons于1954年提出将试验的锤击数记录分为3个150mm贯入度的组合，至此，该试验的操作过程和贯入器尺寸已与现今所用相差无几。Terzaghi与Peek于1948年在著名的《工程实践中的土力学》中给出了经过一系列试验后得出的标贯击数与土的一些工程性质之间的关系。从此，标准贯入试验逐渐被人们接受并广泛应用于工程实践当中。2.标贯试验的设备及操作过程2.1试验设备标准贯入试验(SPT)是岩土工程中常用的一种原位测试技术。其设备主要由标准贯入器、触探杆和穿心锤三部分组成(图1)。触探杆直径国内统一采用42mm，国外也有使用直径50mm或60mm的。穿心锤重63.5kg。标准贯入试验是动力触探的一种，结合钻孔进行。它是利用一定量的锤击动能将一定规格的贯入器打入钻孔孔底的土中，根据打入土中的贯入阻抗，判断土层的变化和土的工程性质。图1标准贯入试验设备贯入阻抗是用贯入器贯入土中30cm的锤击数(N)表示(N称为标贯击数)。此试验设备简单，操作方便，土层的适用范围广。除砂土外，一般的硬粘土、软质岩石也适用。而且贯入器能带上挠动土样，可直接对土样进行鉴别描述。2.2试验过程标准贯入试验是在钻孔底部进行的一种原位测试，它是在钻探中与钻孔过程交互进行的，整个试验过程包括3个步骤：(1)放杆过程：当钻孔至试验标高以上150mm处，停止钻进并清除孔内残土至试验标高。然后将标准贯入器及一段钻杆放入孔中，若未到孔底则接入另一段钻杆后再向下放，如此反复直至贯入器到达孔底。(2)锤击过程：贯入器达到孔底(试验标高)后，安装好锤具，然后采用自动脱钩的自由落锤法进行锤击，锤击速率应小于30击/min。先将贯入器打入土中150mm，再继续贯入并记录每打入100mm的锤击数，累计打入30mm的锤击数即为标贯击数。当土层较硬时，若累计已达50击而贯入度未达30mm时应终止试验，记录实际贯入度以及累计锤击数。(3)拔杆过程：停止锤击后，拔出所有钻杆及贯入器，取出贯入器中的土样进行鉴别描述或土工试验。为了尽可能减少对孔底土的扰动，应采用回转钻进的方法成孔。在地下水位以下的土层中试验时，应使孔内水位保持高于地下水位，以免出现涌砂和坍孔，必要时应下套管，同时注意套管不能低于试验标高。3.标准贯入试验(SPT)特点随着SPT的广泛使用，人们从不同角度对SPT的优缺点有着不同的评述，但对以下几方面的SPT特点有着一致的认同:(1)设备简单，易操作，不需要进行专门的学习培训；(2)试验不受地下水位的影响；(3)人为因素对试验的影响较大；(4)应用范围广泛，几乎所有的土层、砂层和软岩都适用；(5)试验指标N值在国内外通用。经过多年的应用实践，已总结出大量的经验公式和地区经验。另外，SPT在试验的同时，可以采取到样品，对贯入器内取出的样本，除观察描述其性状外，亦可进行含水量、塑、液限或颗(筛)分试验，为综合划分底层提供依据。有关试验设备的规格：采用的是英制单位，锤重140ps相当于63.5kg，落距30in则对应于76cm。4.影响SPT的因素分析试验N值的大小是土的结构、密度和状态等诸因素的综合反映，它应该是客观的，对同一土体指标应是唯一的，所谓唯一性，是指无论谁进行试验，其结果都应该相同或近似，这体现了标准贯入试验中“标准”的含义，否则N值就失去了它的意义。但是，在实际试验中我们看到，在同一场地某一特定土层，不同勘察单位甚至同一单位，试验结果N值都有差别，有的相差还比较大；分析其产生差别的原因，既有试验时边界条件的影响，也包括着多种人为因素。为了减少误差，提高试验精度，笔者认为以下十个方面的影响因素应引起足够的重视:(1)钻进方法：在试验的前一钻，冲击或是回转钻进，其N值是不同的，这种差别在砂层中反映尤为明显；有资料显示，误差可达20%左右。所以，在土层中试验前应回转钻进，砂层中推荐泥浆护壁。(2)试验设备的安装：各部件丝扣之间连接应紧密，接头部位不可松动，否则将影响打击能量，进而减小N值。(3)贯入器：长时间使用后，或者在含卵砾石地层中打击，会出现贯入器靴刃口部位残缺或变形，在此情况下如继续使用将影响贯入度，人为增加击数。(4)贯入速度：受设备性能和操作熟练程度的控制。这种影响主要体现在饱和状态的粉土和粉细砂地层中。保持贯入速度控制在5s/击～10s/击，此速度对试验结果影响不大。(5)试验孔径：在常规钻探89mm～146mm孔径内进行试验时，该影响可忽略不计，但特殊情况下，如在基坑底表面试验，由于缺少上部超载，击数会偏小。(6)贯入深度：按标准要求，一次贯入的深度为15cm预打和30cm贯入，共计45cm。但当试验孔出现坍塌或缩孔，贯入深度就要加大，造成试验器械的摩擦力和阻力加大，使击数增高。所以，保持孔底干净不扰动是保证试验精度的一个重要方面。(7)钻杆垂直度：当钻杆倾斜与孔壁产生摩擦时，会减小传至贯入器的打击能量，出现N值偏大的倾向。欧洲标准(1997年)规定，钻杆间隔一定长度设置导正装置，而我国现有规程无此规定，所以，在试验时需要入工导正，避免出现钻杆倾斜。(8)钻杆的直径：日本的Koreede(1981年)对比了41mm和50mm两种直径钻杆的试验结果，美国的Brown(1997年)也对外径40mm和60mm的钻杆在不同的地层中进行了对比试验；两入研究的结果表明，使用该直径范围内的钻杆，对试验结果影响不大，可以忽略不计。我国目前对钻杆直径要求不一，原GB50021294岩土工程勘察规范规定42mm，BKB03293兵器工业系统规程认为42mm或50mm均可。综合以上研究结果和规定，为方便起见，试验时可直接使用42mm/50mm钻杆；但当试验深度较大(超过20m)时，42mm钻杆会发生挠曲，故推荐使用50mm钻杆。(9)地下水：Terzaghi和Peck认为，对于有效粒径d10在0.1mm～0.05mm范围内的饱和粉、细砂存在临界密度，对应的击数为15击。所以，在饱和粉细砂层进行SPT，当实测击数大于15击时，应将实测击数N′校正为N，N=15+(N′-15)/2。(10)土的自重压力：上覆自重压力的影响反映在土体的结构、密度等基本性质中，在N值中已经有所体现。Peck(1974年)曾指出砂土自重压力对N值有影响，校正公式为：N=CN·N′，式中的CN为自重压力影响校正系数，是试验深度处砂土有效自重压力的函数。5.工程实例深圳某实验学校工程位于宝安西乡中华商贸城，由小学部、艺术楼、综合楼等3个单项工程组成，地基土从上到下分别为:①素填土：由粘土、块碎石混合堆填而成，疏松～稍密，平均厚度5.0m；②砂质粘土或含砂粉质粘土；厚2.0m到10几米不等；③强风化混合花岗岩。采用强夯法进行处理地基，处理后地基承载力设计值为200kPa。上述3栋建筑进行平板载荷试验和标准贯入试验的测点数分别为：小学部7个和6个；艺术楼3个和4个；综合楼3个和14个，标准贯入试验的每点深度为7.0m。该强夯地基土压板面积为2.0m×2.0m，最大加荷量1200kN，经对各测点检测结果进行统计，其结果为：小学部264kPa，艺术楼258kPa，综合楼241kPa，三者平均值为254kPa。此处特征值为按相对变形确定，由于未试验至土层破坏，特征值未满足不大于最大荷载50%的有关规定。根据现场记录，经深度修正后的标贯击数N按分层统计，其结果如下:在0～4m内，上述3个工程的N=11.9，参照天然地基经验数据，可计算或查表得地基承载力特征值，分别为:①按照SJG1-88(深圳市标准)《建筑地基基础设计试行规程》，砾质粘土和砂质粘土的fak=315.265kPa；②按照DBJ15-31-2003(广东省标准)《广东省建筑地基基础设计规范》，一般粘性土和花岗岩残积土fak=442kPa。相同类土质的天然地基计算承载力比强夯地基实测值的254kPa偏大，这是由于检测试验未加载至土层破坏，使承载力特征值偏小。结合本工程的地质条件，根据载荷试验和标贯试验数据，对含碎石粘性土强夯地基承载力与标贯击数关系近似为：fak=15.3N根据载荷试验反映的浅层地基承载力与标贯击数的关系，在深层4～7m内，上述3个单项工程标贯击数N=12.0，按关系式