标准贯入试验在碳质页岩中的应用

标准贯入试验在碳质页岩中的应用张登旺（四川省水利水电勘测设计研究院，成都611731）摘要：把标准贯入试验引入到碳质页岩的研究中，经过工程实践，取得了显著成效，从而证明把标准贯入试验应用于碳质页岩的研究是可行的。关键词：标准贯入试验碳质页岩数理统计持力层中图分类号：TU473;P642文献标识：B文章编号：1001-2184（2003）02-0037-021.前言标准贯入试验是一种设备简单、易操作、能取样、精度较高、适用性强且积累了较多丰富经验的原位测试技术，是岩土工程勘察中不可缺少的一项野外现场测试方法。但在国内，该技术多用于砂土和粘性土范围，很少用于碳质页岩（软岩）的研究。在深圳市宝荷高速公路跨龙岗河桥工程，曾尝试把标准贯入试验引如到碳质页岩的研究中，并取得了较好的成效。2.标准贯入试验引入碳质页岩的由来龙岗桥的地质环境为早石炭世晚期海退时形成滨海沼泽而发育形成的一套海陆交互相煤系地层，为湘中测水组的砂、页岩互层地层。砂岩、碳质页岩互层在遭受长期风化营力作用下，形成了夹层风化和由上而下风化程度不同的风化岩和残积土。在野外，地质人员往往依据肉眼鉴定碳质页岩风化岩及其残积土，由于其风化岩和残积土在外观形态上很像近。鉴于此，地质人员出于安全考虑，往往把碳质页岩风化岩定得很厚，从而与实际情况有一定出入。原因之二，由于砂岩埋深较深，设计院提出能否把桩基置于碳质页岩中。出于上述两方面的原因，为了准确的划分碳质页岩风化岩及其残积土，故而把标准贯入试验引入到碳质页岩的研究中。3.具体试验原则及操作为了能真实、准确研究碳质页岩的性质，制定了以下试验原则：（1）.为减少实验数据的离散性和增大实验样本容量，明确要求遇到碳质页岩及其残积土就进行标准贯入试验。（2）.为减少岩土参数随深度的变异性和与土工试验结果对比，要求试验时应先取样然后在进行标准贯入试验（以下简称一对一取样）。（3）.结合岩芯钻探，由野外地质人员对标准贯入试验取样进行野外现场鉴定。严格按照标准贯入试验规范和上述试验原则要求，在龙岗桥工程施工勘察中，对碳质页岩及其残积土共计进行了132次标贯，土工试验取样99组，其中一对一取样80组。下面就对这80组具有关联的土样的土工试验结果与标准贯入试验数据进行分析。4.测试资料的整理、分析岩石随风化程度的加剧，其孔隙比势必增大，强度和弹性模量将明显降低。风化岩体强度的降低，其标准贯入试验的标贯击数将较小。故标贯击数N与孔隙比e之间存在一定的关系。在此原则下进行资料的整理工作。（1）.对所有实测标贯击数N’按公式N=αN’进行修正。本文后面提到的标贯击数皆为经杆长修正后的标贯击数。杆长修正系数按表1进行取值，区间值按内插法进行取值。表1标准贯入试验杆长修正系数表杆长（L）≤36912151821＞21修正系数（α）1.00.920.860.810.770.730.700.7-0.03L（2）.作出标贯击数N与孔隙比e的散点图，见图1。从散点图中可看出，散点较集中的区域有三个。A区：N30,e0.8;B区:30≤N≤50,0.5e0.8;C区：N50,e0.55。图1N~e散点图0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.11020304050N0贯击数标A区B区C区异常值（3）.对三个散点密集区进行标贯击数与土工试验成果进行数理统计。由于是按一对一取样的方法取样，因而试样的岩土参数的变异特征应为均一型，即δ＜0.3。在统计过程中剔除了部分异常值，同时结合野外现场对标贯取样的地质鉴定进行综合对比分析。统计分析成果见表2。从表2中空隙比e和野外鉴定，可以确定A区所对应的应是碳质页岩风化形成的残积土，B区所对应的应是强风化岩。也就可以把N=30作为划分碳质页岩风化形成的残积土和强风化碳质页岩的定性指标。在龙岗桥工程勘察中。就按N30为碳质页岩风化形成的残积土；30≤N≤50为强风化碳质页岩。按此标准对整个工区进行划分后，工区内强风化碳质页岩的顶板都有不同程度的提高，平均每桩2~5m。在以N=30作为划分碳质页岩风化形成的残积土和强风化碳质页岩的标准后就直接利用表2的标贯击数估算桩基的桩端极限端阻力和桩周极限侧摩阻力。利用施默特曼（J.H.Schmertmann）提出的予估桩基的桩端极限端阻力和桩周极限侧摩阻力的经验表（见表3）进行估算和利用表2中的液性指数IL查《建筑桩基础规范》（JGJ94-94）予估桩基的桩端极限端阻力和桩周极限侧摩阻力。表3利用标贯击数N估算桩基的桩端极限端阻力（qp）和桩周极限侧摩阻力（qs）类别参变量qp(kPa)qskPa)粘性土169.6N4.2N软石灰岩等386.1N1.1N注：N为标贯击数利用上述两种方法进行予估后的估算值见表4，发现利用施默特曼的予估表估算的极限侧摩阻力值（qs）比查规范的估算值小,且予估表估算的桩端极限端阻力（qp）比查规范的估算值大。但考虑把强风化碳质页岩类比为液性指数0.25IL0.5的粘土具有较多的安全储备，就采用了查规范所得的予估值。由于桩长皆大于15m，且全部为端承摩檫桩，桩端承力应多作安全储备，故桩端极限端阻力取小值。于是向设计院提供查规范所得的岩土参数。并说明桩端可置于强风化碳质页岩中，同时提高了强风化碳质页岩的顶板界限。表4利用两种方法确定的桩端极限端阻力（qp）和桩周极限侧摩阻力（qs）对比表岩土体名称查表利用的参数桩端极限侧摩阻力（qp）（kPa）桩周极限端阻力（qs）（kPa）备注查建筑桩基础规范（JGJ94-94）碳质页岩残积土液性指数（IL）401500把强风化碳质页岩类比为液性指数0.25IL0.5的粘土强风化碳质页岩603500施默特曼予估表碳质页岩残积土标贯击数（N）452400强风化碳质页岩37.5140505.设计与桩基施工设计院利用提供的岩土参数进行设计验算，验算结果完全满足设计提出的承载力要求。在业主、监理、设计、勘察、施工共同参加的验桩会议确定了有21根桩的桩端持力层置于强风化碳质页岩中，而没有把桩端置于埋深较深的砂岩上。缩短了原设计桩长，为工程节省了资金。6.工程回访龙岗桥于2001年9月建成，经过一年多的运行，桩基沉降已基本达到稳定，运行状况良好。沉降观测资料表明：桥基的沉降值没有超出设计范围，桥基是安全的、可靠的。龙岗桥的正常运行说明勘察成果满足设计要求，把标准贯入试验引入到碳质页岩中的研究是可行的、成功的。7.结语（1）.龙岗桥的正常运行，证明利用标准贯入试验来划分碳质页岩风化带可行的。对于确定地基持力层，充分利用风化岩具有现实意义。（2）.标准贯入试验方法本身的粗糙性，使其不能准确的确定桩端极限端阻力和桩周极限侧摩阻力，且少有这方面的经验。望各位同仁，在软岩的研究中多尝试使用该试验方法，以积累利用标准贯入试验确定软岩的桩端极限端阻力和桩周极限侧摩阻力的经验。作者简介：张登旺（1975~），男，四川中江人，工程学士，四川省水利水电勘测设计研究院助理工程师，从事水利水电工程及岩土工程勘察。项目方法表2土工试验、标贯试验及野外鉴定综合分析表分区统计项目天然含水量天然重度比重孔隙比液限塑性指数液性指数压缩系数直剪试验标贯击数野外鉴定描述ωγGseωpIpILα0.1~0.2φCN(%)kN/m3(%)MPa-1(°)kPaA区N30统计组数2327272320182018151522黑色粘性土，可塑状。范围值10.9~35.115.4~22.32.29~2.950.817~1.03520~515.3~19.50.328~0.7340.2~0.5610.4~30.523~4112~29算术平均值19.819.92.610.97530.111.60.500.3219.43123标准差5.401.270.090.1855.552.90.140.0094.9696.85变异系数0.2700.060.0340.190.1850.250.2750.2780.2550.2970.298B区30≤N≤50统计组数41424235202035101136强风化碳质页岩，裂隙发育，岩体结构疏松，岩芯呈土柱状，手捏易碎。范围值6.7~31.217.6~23.02.67~3.010.504~0.7602~14.80.22~0.570.15~0.4511.4~3420~5731~49算术平均值17.620.52.800.5819.837.30.22337.337.5标准差5.231.00.10.0992.010.70.15.310.75.9变异系数0.2970.0490.0360.1720.2010.2860.2740.230.2860.158C区N50统计组数811118标贯试验中，标贯锤反弹，岩芯呈土柱及碎块状，裂面有铁、锰浸染。岩芯鉴定为强风化碳质页岩。范围值6.7~19.518.1~23.42.52~2.950.336~0.447算术平均值11.721.52.830.361标准差2.9840.0250.140.027变异系数0.2550.0490.050.075