標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗應(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)貫入試驗的定義

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗也被稱為SPT試驗，作為一種原位測試技術(shù)，它一般結(jié)合鉆孔進行，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)貫入器一般采用對開式貫入器。試驗過程中，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值即可對土層變化及其工程性質(zhì)進行判斷。此外，貫入器可以將擾動土樣帶出，以便現(xiàn)場對土樣進行鑒別描述及并進行相關(guān)的室內(nèi)土工試驗。因此，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗對鉆探不易取樣的砂質(zhì)粉土和砂土進行物理、力學(xué)性質(zhì)的評定具有獨特的意義[1]。

2 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗的操作過程

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗一般包括3個步驟：

①放桿。當(dāng)鉆孔至試驗標(biāo)高以上15cm處，停止鉆進并清除孔內(nèi)殘土至試驗標(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)直至貫入器到達孔底。

②錘擊。貫入器達到孔底（試驗標(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脫鉤的自由落錘法進行錘擊。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)，累計打入30cm的錘擊數(shù)N。在土層較硬時，若累計已達50擊而貫入度未達30cm時應(yīng)終止試驗，記錄實際貫入度以及累計錘擊數(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行鑒別描述或土工試驗。

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

3 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗的影響因素

對同一土體，標(biāo)貫擊數(shù)N應(yīng)該是客觀唯一的。因為N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，無論誰進行試驗，其結(jié)果都應(yīng)該相同或近似。這體現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗中“標(biāo)準(zhǔn)”的含義，否則N值就失去了意義。但在實際試驗中，常常發(fā)現(xiàn)在同一場地某一特定土層，不同勘察單位甚至同一單位標(biāo)貫試驗所得出的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鉆進方法。采用沖擊或是回轉(zhuǎn)鉆進所得到的N值是不同的，在砂層中這種差別尤為明顯，實踐證明誤差可達20%左右。因此，應(yīng)采用回轉(zhuǎn)鉆進，在砂層中推薦泥漿護壁。

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

③試驗孔徑。在常規(guī)鉆探89mm～146mm孔徑內(nèi)進行試驗時，可以忽略影響。但是在基坑底表面進行試驗的特殊情況下，由于缺少上部超載，擊數(shù)N會偏小。

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45cm。如果試驗孔出現(xiàn)坍塌或縮孔，則貫入深度就要加大，使得試驗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，這是確保試驗精度的一個重要方面。

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隨之減小，導(dǎo)致N值偏大。因此，試驗過程中要對鉆桿垂直度進行人工導(dǎo)正，避免出現(xiàn)鉆桿傾斜。

4 不同直徑鉆桿試驗結(jié)果的換算

隨著鉆探技術(shù)的提高和高速機的廣泛使用，近來年國內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗開始使用比規(guī)范規(guī)定的直徑42mm更大的鉆桿，即直徑50mm的“50桿”。對于50mm鉆桿試驗條件下的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例來對兩種桿徑得到的標(biāo)貫試驗數(shù)據(jù)進行換算研究。

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，對于粘性土的稠度狀態(tài)、砂質(zhì)土的密實性、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)細分后，每一狀態(tài)下的土的數(shù)據(jù)量也將比較小，統(tǒng)計規(guī)律也會比較差。基于上述考慮，在數(shù)據(jù)統(tǒng)計過程中，僅劃分出三類不容易混淆的土類進行統(tǒng)計：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)化巖和土狀的強風(fēng)化巖。此外，所統(tǒng)計的標(biāo)貫擊數(shù)都是實際擊數(shù)，沒有對桿長進行修正。

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)計表

4.2 試驗數(shù)據(jù)及分析

該立交工程場區(qū)一般粘性土、砂土、風(fēng)化巖土標(biāo)貫1957個，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，因此僅對砂土和風(fēng)化巖土進行統(tǒng)計分析。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值進行詳細統(tǒng)計結(jié)果見表2。通過統(tǒng)計分析可以得知，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)計的數(shù)據(jù)都源于同一場地、同一勘察隊伍、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：桿徑的變化對標(biāo)貫擊數(shù)是有影響的，不能予以忽略。對于砂土和風(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)這一個場地統(tǒng)計而得出，能否推廣到其它地區(qū)和其它場地，尚需作進一步的探討，為此在條件許可的情況下，需對更多的工程場地進行統(tǒng)計分析，從而對上述結(jié)論進行驗證或修正[3]。

結(jié)語

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

②對于砂土和花崗巖風(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[J].鐵道建筑，2010，3:60-62.

[2]曹慶霞.關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗方法的探討[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.