關于標準貫入試驗方法的探討

曹慶霞

0 引言

標準貫入試驗(SPT)始于1921年,由美國雷蒙優混凝土樁公司加以發展,并由太沙基(K.Terzanghi),佩克(R.B.Peck)于 1948年公布于世,它在世界各國得到廣泛的應用,其范圍勝過其他野外原位測試方法。如美國1954年～1975年間,49個核電站的勘察中有40個使用標準貫入試驗;日本初勘中90%的鉆孔作了標準貫入試驗;據日本(土與基礎)雜志對23個國家的調查,75%以上的國家常用SPT法,特別是在美洲和亞洲。

我國是從20世紀70年代開始大規模的使用SPT,至今已有30多年的歷史。目前在國內SPT已成為巖土工程勘察不可缺少的原位測試手段,其試驗規格與試驗方法同國際上的標準基本一致,在多年的理論研究和實踐基礎上,根據我國的工程地質條件特點,建立了SPT應用經驗公式。

1 標準貫入試驗(SPT)特點

隨著SPT的廣泛使用,人們從不同角度對SPT的優缺點有著不同的評述,但對以下幾方面的SPT特點有著一致的認同:

1)設備簡單,易操作,不需要進行專門的學習培訓;2)試驗不受地下水位的影響;3)人為因素對試驗的影響較大;4)應用范圍廣泛,幾乎所有的土層、砂層和軟巖都適用;5)試驗指標 N值在國內外通用。

經過多年的應用實踐,已總結出大量的經驗公式和地區經驗。

另外,SPT在試驗的同時,可以采取到樣品,對貫入器內取出的樣本,除觀察描述其性狀外,亦可進行含水量、塑、液限或顆(篩)分試驗,為綜合劃分底層提供依據。有關試驗設備的規格:采用的是英制單位,錘重140 ps相當于63.5 kg,落距30 in則對應于76 cm。

2 影響SPT的因素分析

試驗N值的大小是土的結構、密度和狀態等諸因素的綜合反映,它應該是客觀的,對同一土體指標應是唯一的,所謂唯一性,是指無論誰進行試驗,其結果都應該相同或近似,這體現了標準貫入試驗中“標準”的含義,否則 N值就失去了它的意義。

但是,在實際試驗中我們看到,在同一場地某一特定土層,不同勘察單位甚至同一單位,試驗結果N值都有差別,有的相差還比較大;分析其產生差別的原因,既有試驗時邊界條件的影響,也包括著多種人為因素。為了減少誤差,提高試驗精度,筆者認為以下十個方面的影響因素應引起足夠的重視:

1)鉆進方法:在試驗的前一鉆,沖擊或是回轉鉆進,其 N值是不同的,這種差別在砂層中反映尤為明顯;有資料顯示,誤差可達20%左右。所以,在土層中試驗前應回轉鉆進,砂層中推薦泥漿護壁。

2)試驗設備的安裝:各部件絲扣之間連接應緊密,接頭部位不可松動,否則將影響打擊能量,進而減小N值。

3)貫入器:長時間使用后,或者在含卵礫石地層中打擊,會出現貫入器靴刃口部位殘缺或變形,在此情況下如繼續使用將影響貫入度,人為增加擊數。

4)貫入速度:受設備性能和操作熟練程度的控制。這種影響主要體現在飽和狀態的粉土和粉細砂地層中。保持貫入速度控制在5 s/擊～10 s/擊,此速度對試驗結果影響不大。

5)試驗孔徑:在常規鉆探89 mm～146 mm孔徑內進行試驗時,該影響可忽略不計,但特殊情況下,如在基坑底表面試驗,由于缺少上部超載,擊數會偏小。

6)貫入深度:按標準要求,一次貫入的深度為15 cm預打和30 cm貫入,共計45 cm。但當試驗孔出現坍塌或縮孔,貫入深度就要加大,造成試驗器械的摩擦力和阻力加大,使擊數增高。所以,保持孔底干凈不擾動是保證試驗精度的一個重要方面。

7)鉆桿垂直度:當鉆桿傾斜與孔壁產生摩擦時,會減小傳至貫入器的打擊能量,出現 N值偏大的傾向。歐洲標準(1997年)規定,鉆桿間隔一定長度設置導正裝置,而我國現有規程無此規定,所以,在試驗時需要人工導正,避免出現鉆桿傾斜。

8)鉆桿的直徑:日本的Koreede(1981年)對比了41 mm和50 mm兩種直徑鉆桿的試驗結果,美國的Brown(1997年)也對外徑40 mm和60 mm的鉆桿在不同的地層中進行了對比試驗;兩人研究的結果表明,使用該直徑范圍內的鉆桿,對試驗結果影響不大,可以忽略不計。我國目前對鉆桿直徑要求不一,原GB 50021-94巖土工程勘察規范規定42 mm,BKB03-93兵器工業系統規程認為42 mm或50 mm均可。綜合以上研究結果和規定,為方便起見,試驗時可直接使用42 mm/50 mm鉆桿;但當試驗深度較大(超過20 m)時,42 mm鉆桿會發生撓曲,故推薦使用50 mm鉆桿。

9)地下水:Terzaghi和Peck認為,對于有效粒徑d10在0.1mm～0.05 mm范圍內的飽和粉、細砂存在臨界密度,對應的擊數為15擊。所以,在飽和粉細砂層進行SPT,當實測擊數大于15擊時,應將實測擊數 N′校正為N,N=15+(N′-15)/2。

10)土的自重壓力:上覆自重壓力的影響反映在土體的結構、密度等基本性質中,在N值中已經有所體現。Peck(1974年)曾指出砂土自重壓力對 N值有影響,校正公式為:N=CN?N′,式中的CN為自重壓力影響校正系數,是試驗深度處砂土有效自重壓力的函數。

3 桿長修正討論

鉆桿長度校正問題,國內外工程界一直存有爭議,美國的Schmertmann(1979年)和日本的Fuyuki(1981年)分別采用波動方程模擬方式和在120 m探桿上貼應變片測試的方法,對該問題進行理論分析和模擬試驗。前者的結論是:當探桿長度小于70 ft(21 m)時,波動能量傳遞的影響微不足道;后者認為:在探桿末端沖擊引起的波動能量衰減很小;兩人的結論均傾向于不進行桿長修正。但也有一些相反意見,如美國材料試驗協會SPT專題研究組認為,傳遞給周圍摩擦介質的能量一般與桿長成正比,就能量傳遞而言,長度是一個重要因素。

我國工程界主張進行桿長修正的主要是原GBJ 7-89地基基礎設計規范(以后簡稱地基89規范),最大校正長度21 m,對應于該長度的系數為0.7,折減比較大。事實上,該系數表沿用的是更早的74規范,一般認為是基于牛頓彈性碰撞理論,之所以上限定在21 m,是因為該理論假設前提條件是總桿長質量不能大于落錘質量的 2倍。另外,日本工業標準(JIS A1219-1961)中規定,當桿長大于 20 m時,按1.06L～0.003L進行修正(L為桿長,m),該折減系數很小,幾乎近于不修正。

另一方面,國外的一些學者基于彈性波波動理論得出相反的結論,他們認為:桿長與校正系數成正比,當桿長 L從3 m～15 m,校正系數從0.77趨向于常數1.0。而以Peck和Gibbs為代表的按上覆自重壓力修正的方法將12 m定為臨界深度,在該深度以內,校正系數大于1.0,超過臨界深度后校正系數才小于1.0。

不主張進行桿長修正的有:GB 50011-2001建筑抗震設計規范;GB 50021-2001巖土工程勘察規范;DBJ 08-37-94上海市巖土工程勘察規范;DBJ 01-501-92北京地區建筑地基基礎勘察設計規范;歐洲動力觸探標準以及Terzaghi等。

從上述建議和規定可以看出,桿長修正與否以及如何修正存在各種不同的意見和主張,都有其各自的道理。在現行的國標中,取消了與N值有關的承載力表,是否修正已成為本行業面臨的現實問題。目前,工程勘察界多數的傾向意見是,在所提交的勘察報告中,必須提供實測擊數。對已有的經驗公式或相關表格,按其推出時所規定是否修正為準,如果是修正后擊數,則按相應的校正系數修正后使用,否則應采用實測擊數。在與國外合作項目中,按國際慣例提供實測擊數,并繪制附有 H—N關系曲線的鉆孔柱狀圖。

4 結語

到目前為止SPT已成為了一種成熟、實用的原位測試手段,本文通過國內外有關SPT的使用及經驗做一歸納介紹,并對其中的一些問題進行初步探討,不足之處敬請指正。

[1]GB 50007-2002,建筑地基基礎設計規范[S].

[2]孫連軍,馮 勇.地基處理方法綜述[J].山西建筑,2007,33(4):141-142.