標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)應(yīng)用及其桿徑換算研究

龍燕明

（建材廣州地質(zhì)工程勘察院，廣東 廣州 510403）

1 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的定義

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)也被稱為SPT試驗(yàn)，作為一種原位測(cè)試技術(shù)，它一般結(jié)合鉆孔進(jìn)行，在國內(nèi)外工程地質(zhì)勘察中有著廣泛應(yīng)用。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的設(shè)備主要由標(biāo)準(zhǔn)貫入器、觸探桿和穿心錘三部分組成，其中，穿心錘質(zhì)量63.5kg，觸探桿直徑規(guī)范中規(guī)定為42mm，標(biāo)準(zhǔn)貫入器一般采用對(duì)開式貫入器。試驗(yàn)過程中，穿心錘沿導(dǎo)桿自由下落76cm，將貫入器自鉆孔底部高程，預(yù)先擊入土中15cm，然后繼續(xù)擊入30cm，并記錄打入30cm的錘擊數(shù)(N)。N為標(biāo)貫擊數(shù)，根據(jù)N值即可對(duì)土層變化及其工程性質(zhì)進(jìn)行判斷。此外，貫入器可以將擾動(dòng)土樣帶出，以便現(xiàn)場(chǎng)對(duì)土樣進(jìn)行鑒別描述及并進(jìn)行相關(guān)的室內(nèi)土工試驗(yàn)。因此，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)對(duì)鉆探不易取樣的砂質(zhì)粉土和砂土進(jìn)行物理、力學(xué)性質(zhì)的評(píng)定具有獨(dú)特的意義[1]。

2 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的操作過程

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)一般包括3個(gè)步驟：

①放桿。當(dāng)鉆孔至試驗(yàn)標(biāo)高以上15cm處，停止鉆進(jìn)并清除孔內(nèi)殘土至試驗(yàn)標(biāo)高。然后將標(biāo)準(zhǔn)貫入器及一段鉆桿放人孔中，若未到孔底則接入另一段鉆桿后再向下放，如此反復(fù)直至貫入器到達(dá)孔底。

②錘擊。貫入器達(dá)到孔底（試驗(yàn)標(biāo)高）后，安裝好錘具，然后以小于30擊/min的錘擊速率采用自動(dòng)脫鉤的自由落錘法進(jìn)行錘擊。將貫入器打入土中15cm后，再繼續(xù)貫入并記錄每打入10cm的錘擊數(shù)，累計(jì)打入30cm的錘擊數(shù)N。在土層較硬時(shí)，若累計(jì)已達(dá)50擊而貫入度未達(dá)30cm時(shí)應(yīng)終止試驗(yàn)，記錄實(shí)際貫入度以及累計(jì)錘擊數(shù)。

③拔桿。停止錘擊后，拔出所有鉆桿及貫入器，取出貫入器中的土樣進(jìn)行鑒別描述或土工試驗(yàn)。

應(yīng)采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的方法成孔來盡可能地減少對(duì)孔底土的擾動(dòng)。為避免出現(xiàn)涌砂和坍孔，在地下水位以下的土層中試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)使孔內(nèi)水位保持高于地下水位，必要時(shí)應(yīng)下套管，同時(shí)注意套管不能低于試驗(yàn)標(biāo)高。

3 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的影響因素

對(duì)同一土體，標(biāo)貫擊數(shù)N應(yīng)該是客觀唯一的。因?yàn)镹值的大小是土的結(jié)構(gòu)、密度和狀態(tài)等諸多因素的綜合反映，無論誰進(jìn)行試驗(yàn)，其結(jié)果都應(yīng)該相同或近似。這體現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)中“標(biāo)準(zhǔn)”的含義，否則N值就失去了意義。但在實(shí)際試驗(yàn)中，常常發(fā)現(xiàn)在同一場(chǎng)地某一特定土層，不同勘察單位甚至同一單位標(biāo)貫試驗(yàn)所得出的N值具有或大或小的差別。這主要是由于以下幾方面因素造成的[2]：

①鉆進(jìn)方法。采用沖擊或是回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)所得到的N值是不同的，在砂層中這種差別尤為明顯，實(shí)踐證明誤差可達(dá)20%左右。因此，應(yīng)采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，在砂層中推薦泥漿護(hù)壁。

②貫入速度。在飽和狀態(tài)的粉土和粉細(xì)砂地層中，設(shè)備性能以及操作熟練程度的不同將對(duì)貫入速度造成影響，若將貫入速度控制在5s/擊～10s/擊，則不會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成較大影響。

③試驗(yàn)孔徑。在常規(guī)鉆探89mm～146mm孔徑內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，可以忽略影響。但是在基坑底表面進(jìn)行試驗(yàn)的特殊情況下，由于缺少上部超載，擊數(shù)N會(huì)偏小。

④貫入深度。標(biāo)準(zhǔn)中要求一次貫入的深度為15cm預(yù)打和30cm的貫入，共計(jì)45cm。如果試驗(yàn)孔出現(xiàn)坍塌或縮孔，則貫入深度就要加大，使得試驗(yàn)器械的阻力和摩擦力隨之加大，導(dǎo)致N增大。因此，要保持孔底干凈不擾動(dòng)，這是確保試驗(yàn)精度的一個(gè)重要方面。

⑤鉆桿垂直度。在鉆桿傾斜與孔壁產(chǎn)生摩擦過程中，貫入器的打擊能量會(huì)隨之減小，導(dǎo)致N值偏大。因此，試驗(yàn)過程中要對(duì)鉆桿垂直度進(jìn)行人工導(dǎo)正，避免出現(xiàn)鉆桿傾斜。

4 不同直徑鉆桿試驗(yàn)結(jié)果的換算

隨著鉆探技術(shù)的提高和高速機(jī)的廣泛使用，近來年國內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)開始使用比規(guī)范規(guī)定的直徑42mm更大的鉆桿，即直徑50mm的“50桿”。對(duì)于50mm鉆桿試驗(yàn)條件下的N值是否需額外修正，尚無相應(yīng)的規(guī)范或研究結(jié)論，但在實(shí)際地質(zhì)勘察過程中迫切需要相關(guān)的指導(dǎo)。因此，以廣東省某一大型立交工程的勘察實(shí)例來對(duì)兩種桿徑得到的標(biāo)貫試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行換算研究。

4.1 數(shù)據(jù)分析

由于標(biāo)貫的貫入能量較大，軟弱土層的標(biāo)貫擊數(shù)一般很小，淤泥或淤泥質(zhì)土往往僅1～2擊，甚至自落。在鉆探外業(yè)中，對(duì)于粘性土的稠度狀態(tài)、砂質(zhì)土的密實(shí)性、風(fēng)化巖土的風(fēng)化程度，一般依據(jù)編錄人員的感覺及標(biāo)貫擊數(shù)綜合確定。此外，按土類和土質(zhì)細(xì)分后，每一狀態(tài)下的土的數(shù)據(jù)量也將比較小，統(tǒng)計(jì)規(guī)律也會(huì)比較差。基于上述考慮，在數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)過程中，僅劃分出三類不容易混淆的土類進(jìn)行統(tǒng)計(jì)：一般粘性土、砂土及花崗巖風(fēng)化巖土。其中，風(fēng)化巖土包括殘積土、全風(fēng)化巖和土狀的強(qiáng)風(fēng)化巖。此外，所統(tǒng)計(jì)的標(biāo)貫擊數(shù)都是實(shí)際擊數(shù)，沒有對(duì)桿長(zhǎng)進(jìn)行修正。

表1 各類土的標(biāo)貫次數(shù)

表2 砂土和風(fēng)化巖土的N值統(tǒng)計(jì)表

4.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

該立交工程場(chǎng)區(qū)一般粘性土、砂土、風(fēng)化巖土標(biāo)貫1957個(gè)，上述三類土的42mm鉆桿和50mm鉆桿的標(biāo)貫次數(shù)見表1。

由于一般粘性土的標(biāo)貫數(shù)據(jù)數(shù)量較少，數(shù)據(jù)比較離散，因此僅對(duì)砂土和風(fēng)化巖土進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。為反映出不同深度情況下標(biāo)貫擊數(shù)與桿徑之間的關(guān)系，分別統(tǒng)計(jì)砂土和風(fēng)化巖土在兩種不同桿徑情況下標(biāo)貫擊數(shù)與桿長(zhǎng)之間的關(guān)系。砂土和風(fēng)化巖土在42mm鉆桿和50mm鉆桿情況下的N值進(jìn)行詳細(xì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。通過統(tǒng)計(jì)分析可以得知，砂土和風(fēng)化巖土50mm鉆桿的N值幾乎都比42mm鉆桿的N值要更大。鑒于所統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)都源于同一場(chǎng)地、同一勘察隊(duì)伍、同一次勘察，且兩種桿徑的標(biāo)貫次數(shù)比較接近，數(shù)據(jù)量也足夠大，其數(shù)據(jù)的可信度是很高的。因此，由上述結(jié)果可得出如下結(jié)論，即：桿徑的變化對(duì)標(biāo)貫擊數(shù)是有影響的，不能予以忽略。對(duì)于砂土和風(fēng)化巖土，42mm鉆桿和50mm鉆桿N值的比值約為0.796和0.75。當(dāng)然，上述研究結(jié)果僅是根據(jù)這一個(gè)場(chǎng)地統(tǒng)計(jì)而得出，能否推廣到其它地區(qū)和其它場(chǎng)地，尚需作進(jìn)一步的探討，為此在條件許可的情況下，需對(duì)更多的工程場(chǎng)地進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，從而對(duì)上述結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證或修正[3]。

結(jié)語

①鉆桿桿徑對(duì)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)N值有影響，50mm鉆桿試驗(yàn)條件下的N值需要轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)42mm鉆桿條件下的試驗(yàn)值。

②對(duì)于砂土和花崗巖風(fēng)化土，42mm鉆桿和50mm鉆桿的N值比值在0.75～0.80之間，即：50mm鉆桿試驗(yàn)條件下的N值宜乘以0.75～0.80的修正系數(shù)來換算成規(guī)范中定義的標(biāo)準(zhǔn)擊數(shù)值。

[1]賀瑞霞，任德生，曹洪亮.工程地質(zhì)勘察中的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)[J].鐵道建筑，2010，3:60-62.

[2]曹慶霞.關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)方法的探討[J].山西建筑，2010，2:129-130.

[3]裴文，彭功勛，李承海.廣州某工程標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)與鉆桿桿徑關(guān)系的研究[J].廣東土木與建筑，2008，11:26-27.