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岩土工程与勘察第14卷第1期(总第23期)2003年6月标准贯入试验方法的回顾与讨论贾文华①【摘要】标准贯入试验是一种国际通用的原位测试方法,随着入世后与国外交流合作逐渐增加,该方法的应用将会越来越多。本文回顾这种试验的发展过程,就其中的一些问题进行了探讨,并对新的应用成果进行了介绍。【关键词】标准贯入试验;影响因素;修正;指标应用0概述标准贯入试验英文名称是Standardpenetrationtest,国际上通称SPT;于上世纪二十年代起源于欧洲;到四十年代末,Terzaghi和Peck对二十多年的应用进行总结,提出了一系列与岩土参数相关的经验公式,并制定出相应的设备标准。从那以后,这种试验方法迅速发展普及,先是在欧洲和美国大规模地使用;有文献记载,美国1954年至1975年之间建设的49个核电站的勘察中,有40个使用了SPT方法。日本于1953年开始引进SPT后,这种方法在岩土勘察中占有相当大的比重;笔者在日本所接触的工程中,有80%左右的工程勘察钻孔都进行SPT,试验点间距1米,试验成果反映在柱状图中,以深度~N值曲线形式标注,比较直观实用。我国从上世纪七十年代初开始大规模普遍使用SPT,至今也有三十余年的历史;目前在国内几乎所有的工程勘察系统,SPT都已成为一种不可缺少的原位测试手段,其设备规格与试验方法与国际上通用的标准基本一致,在多年的理论研究和实践基础上,根据我国地质条件特点,建立了不少SPT应用经验公式;可以说,在这方面,我们与世界发达国家是处在同一水平上。1SPT特点数十年来,尽管人们从不同角度对SPT的优缺点有着不同的评述,但对以下几方面的特点都持有一致的态度。(1)设备价格低廉,坚固耐用;(2)操作方法简单,不需要进行专门的学习培训;(3)应用范围广泛,几乎所有的土层、砂层和软岩都适用;(4)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;(5)试验不受地下水位的影响;(6)试验指标N值在国内外通用;(7)人为因素对试验的影响较大。在试验的同时,可以采取到样品,这是SPT的独到之处,是其他测试方法所不具备的功能。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,为综合划分地层提供依据。2试验设备及原理SPT是利用一定重量的锤自由下落,将标准尺寸形状的贯入器打入试验地层一定深度,根据打入的难易程度来判定土的形状的一种原位测试方法。如果将贯入器换成圆锥探头,则可转化为重型动力触探(DPT)。岩土工程与勘察第14卷第1期(总第23期)2003年6月1.中国兵器工业北方勘察设计研究院有关试验设备的规格,业内人员均已熟知,在此不再过多叙述;需要说明的是,由于该试验起源于欧洲,采用的是英制单位,锤重140磅相当63.5kg,落距76cm则对应于30英寸。随着我国加入WTO,和国际惯例接轨已是大势所趋,为便于开展与国外同行的交流与合作,下表1例出国内外常用的SPT设备规格。表1国家落锤贯入器试验钻杆试验深度记录方式质量(kg)落距(cm)长度(mm)外径(mm)内径(mm)刃角(°)(mm)(m)美国ASTMD463363.576686513518°30"41.2﹤50先打入15㎝不计,然后贯入30㎝。最多100击日本JISM140963.5±0.576±0.2810513542无限制贯入30㎝的击数为N值欧洲标准197763.576685513543.754﹤15﹥15贯入30㎝的击数为N值英国BS1377-197563.576680503517°30"41.3无限制贯入30㎝的击数为N值中国GB50021-9463.5±0.576±0.270051±135±118~204221先打入15㎝不计,然后贯入30㎝击数为N值。比较世界主要发达国家试验设备的规格和记录方式,与我国现行标准基本一致,其试验结果N值应具有通用性。3影响SPT的因素分析试验结果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值就失去了它的基本意义。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,即有试验时边界条件的影响,也包含着多种人为因素。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:岩土工程与勘察第14卷第1期(总第23期)2003年6月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,人为增大击数。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5~10秒/击,此速率对试验结果影响不大。5﹚试验孔径:在常规钻探89~146mm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(1977)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,在试验时需要人工导正,避免出现钻杆倾斜。8﹚钻杆的直径:日本的Koreede(1981)对比了41mm和50mm两种直径钻杆的试验结果,美国的Brown(1977)也对外径40mm和60mm的钻杆在不同的地层中进行了对比试验;两人研究的结果表明,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,原岩土工程勘察规范(GB50021-94)规定42mm,兵器工业系统规程(BKB03-93)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42/50mm钻杆;但当试验深度较大(超过20米)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,地下水位以下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)上覆自重压力的影响:这方面的研究不多,一般认为,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(1947)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。4杆长修正讨论钻杆长度校正问题,国内外工程界一直存有争议,美国的Schmertmann(1979)和日本的岩土工程与勘察第14卷第1期(总第23期)2003年6月Fuyuki(1981)分别采用波动方程模拟方式和在120米探杆上贴应变片测试的方法,对该问题进行理论分析和模拟试验。前者的结论是:当探杆长度小于70英尺(21米)时,波动能量传递的影响微不足道;后者认为:在探杆末端冲击引起的波动量衰减很小;二人的结论均倾向于不进行杆长修正。但也有有一些相反意见,如美国材料试验协会SPT专题研究组认为,传递给周围摩擦介质的能量一般与杆长成正比,就能量传递而言,长度是一个重要因素。我国工程界主张进行杆长修正的主要是原地基基础设计规范(GBJ7-89),最大校正长度21米,对应于该长度的系数为0.7,折减比较大。事实上,该系数表沿用的是更早的74规范,原始出处已难以考证,一般认为是基于牛顿弹性碰撞理论,之所以上限定在21米,是因为该理论假设前提条件是总杆长质量不能大于落锤质量的二倍。另外,日本工业标准(JISA1219-1961)中规定,当杆长大于20米时,按1.06-0.003L进行修正(L:杆长,单位:m),该式折减系数很小,几乎近于不修正。另一方面,国外的一些学者基于弹性波波动理论得出相反的结论,他们认为:杆长与校正系数成正比,当杆长L从3m到15m,校正系数从0.77趋向于常数1.0。而以Peck和Gibbs为代表的按上覆自重压力修正的方法则将12m定为临界深度,在该深度以内,校正系数大于1.0,超过临界深度后校正系数才小于1.0。不主张进行杆长修正的有:建筑抗震设计规范(GB50011-2001);岩土工程勘察规范(GB50021-2001);上海市岩土工程勘察规范(DBJ08-37-94);北京地区建筑地基基础勘察设计规范(DBJ01-501-92);欧洲动力触探标准以及Terzaghi等。从上述建议和规定可以看出,杆长修正与否以及如何修正存在各种不同的意见和主张,都有其各自的理由和道理。在现行的国标中,取消了与N值有关的承载力表以及相应的杆长校正系数表;是否修正以成为本行业面临的现实问题。目前,工程勘察界多数的倾向意见是,在所提交的勘察报告中,必须提供实测击数。对既往已有的经验公式或相关表格,按其推出时所规定是否修正为准,如果限定是修正后击数,则按相应的校正系数修正后使用,否则应采用实测击数。在与国外合作项目中,按国际惯例提供实测击数,并绘制附有H~N关系曲线的钻孔柱状图。5.试验指标的应用SPT指标N值应用领域十分广泛,国外和国内不同行业及地区都有与之相关的经验公式。但在使用时要有针对性并考虑其适用条件;一般说来,应用对象偏重于松散介质,在有成熟经验的地区,亦可用于粘性土。5.1地基土液化评价用SPT方法判别饱和粉土及砂土液化是近年发展的趋势,特别在定量评价方面,更是一种不可或缺的手段,具有权威性和很多研究成果。现行《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)以及铁路、公路系统等行业标准都引用了这种方法,虽然在边界条件方面有所不同,但都以岩土工程与勘察第14卷第1期(总第23期)2003年6月N值(不进行杆长校正的实测击数)为基本判别参数,详细的判别方法及公式参见相关规范。5.2划分风化岩与残积土的界限这方面的资料目前仅限于花岗岩地区,用N值(实测击数)划分残积土、全风化岩、强风化岩的界限,见下表2;对其他类型的软岩和残积土可作为参考。表2岩体风化程度无侧限抗压强度(MPa)标准贯入试验击数(击)剪切波速(m/s)残积土60030250全风化岩600≤qu80030≤N50250≤Vs350强风化岩≥800≥50≥3505.3估算土层的剪切波速国内外不少学者根据大量的数据对比统计,提出N值与剪切波速Vs存在相关关系,其中具代表性的有以下二式:Vs=89.8•N0.341(日本今井)Vs=91.4•N0.347(冶金部沈阳勘察院)5.4判别砂土层的密度与相对密度,见下表3表3密实度标准贯入试验击数N(击)国际标准中国标准中国标准(GB50007-2002)国际标准极松散松散≤100~4松散4~10稍密稍密10<N≤1510~15中密中密15<N≤3015~30密实密实>3030~50极密实>50另外,Meyerhof提出可用N值按下式推算砂土的相对密度Dr(%)Dr=210•√N/(σ+70)式中:σ-有效上覆自重压力(kpa)5.5确定砂土的内摩擦角表4岩土工程与勘察第14卷第1期(总第23期)2003年6月砂土作为一种松散介质,难以取得原状试样,不能直接测定内摩擦角,这一直是本行业的一个难题;虽然在国外如日本采用冻结法可采取到原状砂样,进行室内剪切试验,但成本太高,程序也很复杂,只能应用于一些重点的
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