标准贯入试验

第5章标准贯入试验第一节概述第二节试验的设备与原理第三节试验的技术要求第四节试验资料整理第五节试验的工程应用第一节概述一、标准贯入试验的定义二、标准贯入试验的优点及适用性三、标准贯入试验的发展四、标准贯入试验的目的一、标准贯入试验的定义（StandardPenetrationTest，SPT）标准贯入试验是一种在现场用63.5kg的穿心锤，以76cm的落距自由落下，将一定规格的带有小型取土筒的标准贯入器打入土中，记录打入30cm的锤击数（即标准贯入击数N），并以此评价土的工程性质的原位试验。第一节概述SPT原位测试技术仍属于动力触探范畴，所不同的是，其贯入器不是圆锥探头，而是标准规格的圆筒形探头（由两个半圆筒合成的取土器）。与圆锥动力触探试验相似，标准灌入试验并不能直接测定地基土的物理力学性质，而是通过与其他原位测试手段或室内试验成果进行对比，建立关系式，积累地区经验，才能评定地基土的物理力学性质。二、标准贯入试验的优点及适用性适用土层：砂性土、粘性土，不适用于碎石类土及岩层。优点：操作简单、使用方便，地层适用性较广。缺点：试验数据离散性较大，精度较低，对于饱和软粘土，远不及十字板剪切试验及静力触探等方法精度高。三、标准贯入试验的发展这种试验技术是20世纪40年代末期发展起来的。由于使用方便，得到了广泛的应用，在美国及日本应用最为广泛。在我国，50年代初期由南京水利实验处研制并在治淮工程中得到广泛的推广，积累了大量的使用经验。60年代在国内得以普及。四、标准贯入试验的应用（目的）1．评价地基土的物理状态（如地层剖面及软弱夹层）；2．评价地基土的力学性能参数（如变形模量、物理力学性质指标）；3．计算天然地基的承载力；4．计算单桩的极限承载力及选择桩尖持力层；5．评价场地砂土和粉土的液化可能性及等级。应该指出的是，除判别液化外，其余的应用方法都是基于与其他测试方法的对比中建立起计算公式的。如桩的承载力的预估是与载荷试验相对比，土的物理力学性质指标是与室内试验成果建立相关关系。因此，对缺乏使用经验的地区，在应用标准贯入试验时应与其他测试方法配合作用。第二节标准贯入试验的设备与原理二、基本原理一、试验设备标准贯入试验设备主要由贯入器、触探杆和穿心锤三部分组成。如图5-1所示。第二节试验的设备及原理一、标准贯入试验的试验设备1．贯入器标准规格的贯入器是由对开管和管靴两部分组成的探头。对开管是由两个半圆管合成的圆筒型取土器；管靴是一底端带刃口的圆筒体。二者通过螺纹连接，管靴起到固定对开管的作用。贯入器的外径、内径、壁厚、刃角与长度都有标准化尺寸，见表5-1。2．穿心锤重63.5kg的铸钢件，中间有一直径45mm的穿心孔，此孔为放导向杆用。国际、国内的穿心锤除重量相同外，锥形上不完全统一。落锤能量受落距控制，落锤方式有自动脱钩和非自动脱钩两种。目前国内普遍使用自动脱钩装置。3．触探杆国际上多用直径为40~50mm的无缝钢管，我国则常用直径为42mm的工程地质钻杆。在与穿心锤连接处设置一锤垫。标准贯入试验设备原先并不标准。各部件的规格各国有所差异。国际土力学与基础工程协会(ICSMFE)于1957年成立专门委员会开展研究工作，以解决SPT的标准化问题。并于1988年向第一届国际触探试验会议提出标准贯入试验国际标准建议稿，于1989年获得通过，开始执行。我国目前采用的SPT设备与国际标准一致，《岩土工程勘察规范》（GB50021—2002）要求SPT的设备应符合表5-1的规定。表5-1标准贯入试验设备尺寸锤的质量（kg）63.5落锤落距（cm）76长度（mm）500外径（mm）51对开管内径（mm）35长度（mm）50~76刃口角度18~20贯入器管靴刃口单刃厚度（mm）2.5直径（mm）42钻杆相对弯曲1/1000二、标准贯入试验的基本原理标准贯入试验是利用一定的落锤能量（锤重63.5kg，落距76cm）将标准规格的贯入器贯入土中，根据打入土中30cm的锤击数（N）来判别土的工程性质的一种现场测试方法。其试验原理与动力触探试验十分相似。因此，第四章中关于动力触探的试验原理也适用于标准贯入试验。但是，SPT与动力触探在贯入器上的差别，决定了SPT的基本原理的独特性，SPT在贯入过程中，整个贯入器对端部和周围土体将产生挤压和剪切作用，SPT的贯入器是空心的，在冲击力作用下，将有一部分土挤入贯入器，其工作状态和边界条件十分复杂。影响标准贯入试验的因素有很多，主要有以下两个方面：1．钻孔孔底土的应力状态不同的钻进工艺(回转、水冲等)、孔内外水位的差异、钻孔直径的大小等，都会改变钻孔孔底的应力状态。2．锤击能量通过实测，即使是自动自由落锤，传递给探杆系统的锤击能量也有很大的波动，变化范围达到±（45％~50％)，对于不同单位、不同机具、不同操作水平，锤击能量的变化范围更大。为了提高试验质量，国外已发展直接标定输入探杆锤击能量的新方法。在锤垫附近设置一测力计，记录探杆受锤击后的力—时间波形曲线（见图5—2）。图5-2F(t)~t波形曲线计算进入探杆的第一个压缩波的能量Ei：F(t)——在探杆中随时间变化的动压力；△t——第一个应力波持续的时间，自t＝0开始；△t＝2L’／c(L’为测力点到贯入器底的长度，c为应力波在探杆中的传播速度)；A——探杆截面积；E——探杆的杨氏弹性模量；k1——测力点在打头以下△L位置时的修正系数；k2——探杆系统长度L小于等代杆长Le时的理论修正系数；kc——理论弹性波速c修正为实际弹性波速ca的修正系数；Le——等代杆长，锤质量与探杆单位长度质量之比。式中，rm为探杆系统(总长L)的质量m与锤质量M的比值；d＝△L/L计算得到的Ei与理论的锤击动能E*(＝MgH，H为落距)的比即为实测应力波能量比ERi（%）。ERi=Ei/E*×100%按标准的贯入器，用标准的锤(63.5kg)和落距(76cm)。考虑到锤击效率，标准的应力波能量比为60％。则可用实测ERi修正标贯击数Ni：N60=（ERi/60）NiNi——相应于能量比为ERi的实测锤击数；N60——修正为标准应力波能量比的标贯击数。第三节标准贯入试验的技术要求1．标准贯入试验必须与钻探配合，以钻机设备为基础。钻进方法：为保证钻孔质量，要求采用回转钻进，并保持孔内水位略高于地下水水位，当钻进至试验标高以上15cm时，停止钻进。还应注意：（1）仔细清除孔底残土到试验标高，换用标准贯入器，并量得深度尺寸；（2）在地下水位以下钻进时，或遇承压含水砂层时，孔内水位应始终高于地下水位，以减少对土的振动扰动；（3）当下套管时，要防止套管下过头，否则在管内做试验会使N值偏大。第三节试验技术要求2．为保证锤击时钻杆不发生侧向晃动，钻杆应定期检查，使钻杆弯曲度小于0.1%，接头应牢固。3．采用自动脱钩的自由锤击法进行标贯试验，并减少导向杆与锤之间的摩擦阻力。避免锤击时偏心和晃动，保持贯入器、探杆、导向杆连接后的垂直度，以保持锤击能量恒定。4．将贯入器垂直打入试验土层中，锤击速率应小于30击/min。先打入15cm，不计锤击数，继续贯入，记录每打入10cm的锤击数，累计30cm的锤击数即为标准贯入锤击数N。若遇比较密实的砂土，贯入不足30cm的捶击数已超过50击时，应终止试验，并记录实际贯入深度△S（cm）和累计击数n。按下式换算成贯入30cm的锤击数N：N=30n/△S5．提出贯入器，将其中土样取出进行鉴别描述、记录，然后换以钻具继续钻进，至下一需要进行试验的深度，再重复上述操作。一般每隔1.0~2.0m进行一次试验。6．在不能保持孔壁稳定的钻孔中进行试验时．应下套管以保护孔壁，但试验深度必须在套管75cm以下；或采用泥浆护壁。7．最后绘出击数N和贯入深度标高（H）的关系曲线。见图5-3。第四节标准贯入试验的成果整理二、标贯试验的成果整理一、标贯试验的修正一、标贯试验的修正试验的影响因素是很复杂的，其中有些因素可通过标准化的办法使其统一以减少对试验成果的影响，如设备、落锤方法、试验方法等影响因素属于这一类。但另一些因素如杆长、地下水位、上覆压力等，则是无法人为控制的，因此要进行修正。1．杆长修正与圆锥动力触探相似，关于试验成果进行杆长修正问题，国内外的意见并不一致。第四节试验成果整理在建立标准贯入击数N与其他原位测试或室内试验指标的经验关系式时，对实测值是否修正和如何修正也不统—，因此，在SPT成果应用时，需要特别注意。应根据建立统计关系式时的具体情形来决定是否对实测锤击数进行修正。另外，在勘察报告中，对于所提供的标准贯入锤击数应注明是否已进行了杆长修正。表5-2N63.5的杆长修正系数（1）根据牛顿弹性碰撞理论修正《建筑地基基础规范》(GBJ7—89)规定，标准贯入试验的贯入深度不宜超过21m。同时规定，当试验深度大于3m时，实测锤击数N’需按下式进行钻杆长度修正：N=αN’式中，α为修正系数，按表5-2取值。触探杆长度（m）=36912151821α1.00.920.860.810.770.730.70表5-2中的α值是根据牛顿弹性碰撞理论计算而得，并非实测值，与实际并不符合。关于限制在21m以内也是由于历史原因造成的。目前，实际工程中标准贯入试验的杆长最长已超过100m，试验成果(N值)仍能较好地反映土层的力学性质的变化。（2）日本东海大学宇都-马等实测了水平搁置的120m钻杆系统在受锤击时杆顶端与底端的锤击动应力的衰减情况和位移，建议的修正关系如下：当杆长l≤20m时，N＝N’；当l＞20m时，N＝(1.06一0.003L)N’（3）按弹性杆件波动理论修正当杆长l≥14m时，N＝N’(α=1.0)；当l14m时，由于输入钻杆的锤击能量随着杆长变短而变小，使锤击值偏大，α偏小，故不作杆长修正。（4）不作杆长修正《地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范》（GB50307-1999）及《岩土工程勘察规范》（GB50021-2002）规定不进行杆长修正。虽然目前有些规范还要进行修正，但国内外研究的总趋势是不再进行杆长修正。2.上覆压力的影响即考虑试验深度处土的围压对试验成果的影响，认为随着土层中上覆压力的增大，标准贯入试验锤击数相应增大。国内对此未予重视（国内不进行校正），国外则作了较多研究，认为应采用下式进行修正：N1=cNNN——实测锤击数；Nl——修正为上覆压力σ’v0＝100kPa的锤击数；cN——上覆压力修正系数(见表5-3)。表5-3上覆压力修正系数cN3．地下水位影响的修正Terzaghi和Peck(1953)提出对于d10=0.1~0.005mm的饱和粉细砂，当实测标贯击数N’15时，应按下式进行修正：N=15+0.5(N’-15)交通部港口工程地质勘察技术规范规定，当用N值确定Dr及φ值时对地下水位以下的中、粗砂层的N值宜按下式校正：N=5+N’二、标准贯入试验的成果整理1．标准贯入试验成果整理时，试验资料应当齐全，包括：钻孔孔径、钻进方式、护孔方式、落锤方式、地下水位及孔内水位(或泥浆高程)、初始贯入度、预打击数、试验标贯击数及深度记录、贯入器所取扰动土样的鉴别描述。如做过锤击能量标定试验的，应有F(t)~t曲线。2．绘制标贯击数N与深度的关系曲线，或在地质剖面图上，进行SPT的钻孔旁，于试验点深度标出N值。作为勘察资料提供时，对N值不必进行杆长修正、上覆压力修正及地下水位修正。如进行锤击能量标定试验的、可按锤击能量标定试验资料计算N60。3．结合钻探及其他原位试验，依据N值在深度上的变化，对地基土进行分层，对各土层的N值进行统计。统计时，要剔除个别异常值。第五节标贯试验的成果应用一、评定砂土的密实状态二、评定粘性土的稠度状态三、评定地基土的承载力四、评定土的变形参数五、预估单桩承载力六、砂土液化判别七、估算地基基床反力系数八、估算土层的平均弹性剪切波速vp(m／s)九、地基处理效果检测一、评定砂土的相对密度Dr和密实状态第五节试验成果应用1．直接按N值判定砂土的紧密程度，见表5-4。表5-4砂土的密实度2．原建设部综合勘察研究院绘制的