國內外標準貫入測試影響因素研究

盧坤玉 李兆焱 袁曉銘 張思宇

摘要：隨著“一帶一路”戰略的快速推進，越來越多的中國企業走出去參與國外基礎工程建設。目前中國企業在國外基礎工程建設中遇到的最大工程問題是國內外使用的技術標準不統一。以標準貫入測試（以下簡稱SPT）為研究對象，綜合已有研究成果，對國內外SPT的適用范圍、修正方法、測試設備以及標貫擊數相關性進行了分析對比。結果表明：SPT用途廣泛，可用來估算土的相關參數以及評估砂土液化等，但國內外確定土性參數的經驗關系多有差異;對標貫擊數的修正有地下水位修正、桿長修正、上覆土壓力修正、能量修正，不同國家標貫擊數修正方法不同;標貫測試設備方面，中美差異主要體現在落錘類型和釋放方式不同，中英差異主要體現在錘墊質量不同;當標貫擊數較小時，各國標貫擊數之間相差不大，在實際工程中可不考慮其差異性。

關鍵詞：標準貫入測試;修正方法;能量傳遞;歐美標準;剪切波速

0 引言

標準貫入測試（以下簡稱SPT）始于1902年美國Raymond混凝土樁公司，Gow在水洗式鉆孔的底部，采用50 kg的重錘打擊25 mm鋼管，首次成功采取了不被水沖洗的土樣。Terzaghi等（1948）經過一系列試驗后給出了標貫擊數N值（以下簡稱N）與土的一些工程性質的關系，并制定出相應的設備標準。之后，通過不斷地改進和標準化，它的價值和實用性得到了世界各國的認同。

作為一種現場原位測試方法，SPT操作簡單、適用勘察場地范圍廣、技術成熟，而且貫入器可以帶上擾動土樣，便于現場鑒別描述和后期室內試驗測試，在國內外工程勘察、科學研究中被廣泛使用（李兆焱，2012;Esfehanizadeh et al，2015）。但是SPT標準在不同國家存在差異，目前全球使用較多的標準是美國標準和英國標準，各國工程技術標準的差異成為我國在國外工程中遭遇的最大技術瓶頸（劉衛民等，2018）。以中交第一公路勘察設計研究院有限公司的一個海外工程為例，中方研討30多次才與外方達成一處巖土滑坡參數的一致意見。技術標準不統一使我國海外工程面臨技術分歧、合作破裂等風險，會嚴重影響建設工期和合作共贏。隨著我國“一帶一路”倡議的不斷推進，中國海陸內外互利共贏、構建人類命運共同體的新未來逐漸開啟，大量中國企業將走出國門承擔國外基礎設施建設，因此研究國內外SPT的適用性、解決工程技術標準不統一等問題就成了當務之急。

本文在已有研究成果基礎上，對國內外SPT適用范圍、修正方法、測試設備進行了分析對比，并在分析對比的基礎上運用能量轉換關系建立了中美、中英SPT的相關性。

1 國內外SPT適用范圍

1.1 確定砂土密實度

砂土的密實度與其工程性質有著密切聯系。如處于密實狀態，則其強度高，是良好的天然地基;處于松散狀態的砂土則是一種軟弱地基，尤其是飽和的粉、細砂，穩定性很差，在振動荷載作用下，可能發生液化。相比于采用相對密實度或天然孔隙比劃分砂土密實度Dr，在現場進行原位SPT，根據N間接標定Dr，能夠有效避免采取原狀砂樣的困難。N與Dr關系最早由Gibbs和Holtz（1957）提出：

1.2 確定砂土內摩擦角

內摩擦角作為砂土特性的2個基本參數之一，既是土的抗剪強度指標，也是工程設計的重要參數。砂土作為一種松散介質，難以取得原狀試樣，不能直接測定內摩擦角φ。雖然在國外如日本采用凍結法可采取到原狀砂樣，進行室內剪切試驗，但成本太高，程序也很復雜，只能應用于一些重點研究項目。

一般認為，影響砂土φ的主要因素有密度、粒徑級配、顆粒形狀、礦物成分等。土越密實，磨圓度越小，咬合作用越強，則φ就越大。因此可以從砂土密實度的角度考慮建立N與φ之間的關系，國內外許多學者對此做了大量的研究（Dunham，1954;Meyerhof，1956;Peck et al，1974;朱小林，1995;杜學玲等，2005;陶常飛，2008;蔣建平等，2010;郭淋等，2012;李志平等，2013;常士驃，張蘇民，2007），見表2。從表2可以看出，不同地區N與砂土φ的關系式存在一定差異，比如上海地區φ隨著N的增大而增大，而南京地區φ隨著N的增大而減小。這種顯著的差異性可能與土層結構、顆粒組成、埋藏環境、形成年代有關，尚需深入研究。

1.3 確定土的無側限抗壓強度

試驗時，試樣在無側向限制（即周圍壓力為零）情況下逐漸施加軸向壓力，破裂時常在試樣側面可見清晰的破裂面痕跡，這時的壓力即為無側限抗壓強度。道路施工中需預制與現場澆筑養護條件一致的圓柱體水泥試塊，按期、分批進行無側限抗壓強度試驗，以此作為道路基層驗收的重要數據之一。但是無側限抗壓試驗要求高、試驗時間長、測試結果常常與現場不符，考慮到無側限抗壓強度與土層性質有關，所以實際工程中常采用SPT確定土的無側限抗壓強度qu。國外主要采用表3確定N與土的qu的關系，我國《港口工程地質勘察規范》（JTJ 240—1997）關于N與土的qu的關系的規定與其相同。同時，該規范還規定了在有豐富的室內對比資料下，可按相關性建立N和qu的經驗公式。劉松玉等（2002），和禮紅等（2010）根據豐富的室內外試驗數據分別建立了不同種類水泥樁的N與qu的經驗公式，見表4。

1.4 確定土的壓縮模量

壓縮模量是反映土體性質的重要參數，可采用雙層雙動取樣器取原狀土樣，進行相關室內試驗得到。但是先取樣再進行室內試驗，成本高、工作量大、周期長，而SPT是判別土層類型、獲取土層強度和變形參數的較可靠方法。工程地質手冊（第四版）（常士驃，張蘇民，2007）給出了我國一些勘察設計院以及歐美廣泛使用的N與壓縮模量ES之間的關系。目前，我國也有學者通過室內試驗和SPT數據建立了N與ES的相關性經驗公式（李小和，2008），見表5。

1.5 估算地基承載力

地基承載力是指地基承擔荷載的能力，是針對地基基礎設計、為方便評價地基強度而提出的值（汪瑩鶴等，2013），主要由原位測試并結合工程實踐經驗等綜合確定。采用SPT確定地基承載力有著明顯的優勢，它適用的土層范圍廣，如各種砂土、粉土、以及黏性土等。SPT測量土層可達100 m深，試驗成本低、效果良好。《建筑地基基礎設計規范》（GB 50007—2011）中給出的N值與砂土、黏性土地基承載力標準值fk的經驗關系見表6，7。

1.6 估算剪切波速

N和剪切波速VS都是地震工程中表征土層力學特性的重要參數。《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010）規定了基于N對砂土地震液化判別的方法。在工程中VS也可以判定砂土液化（孫銳，袁曉銘，2019）。密實的土層的N一般相對較高，同時VS也很大，二者存在一定的相關關系（邱志剛等，2012），國內學者通過對現場實測數據進行回歸分析建立了N～VS經驗公式（王夢龍，2016），見表8。

從表8中可以看出，各地區N和VS關系符合VS=aNb這一冪函數形式，且不同地區、不同土類a，b不同。大多數學者給出的是砂土的N～VS關系，將各地區砂土N～VS關系進行對比（圖1）。從圖1中可以看出，N～VS曲線具有顯著的地區差異性，差異性原因可能與地質年代、土的搬運和沉積方式有關。因此采用經驗公式估算某一地區的VS時，只能采用本地區的經驗公式。

1.7 評價砂土液化

20世紀70年代初期，國內外的研究工作者先后提出用N作為砂土液化判別的標準，經過40多年發展，SPT作為液化判別的一種原位測試方法日漸成熟（趙倩玉，2013）。

式中：Ncr為標貫擊數臨界值;N0為標貫擊數基準值;ds為飽和土標準貫入點深度，單位為m;dw為地下水位，單位為m;ρc為黏粒含量百分率，當小于3或為砂土時，應采用3。

1964年日本新瀉地震后，Seed和Idriss等（1971）首次提出了被稱為簡化方法的土體抗液化強度估計方法。隨著土液化研究的不斷深入，Seed簡化方法也在不斷發展（王克，2018）。Youd和Idriss（2001）受美國國家地震工程研究中心和國家科學基金委的資助，提出了改進的簡化方法，該方法是21世紀初國際上最具有代表性、影響最廣泛的液化判別方法。該方法是將砂土中由振動作用產生的剪應力CSR與產生液化所需的剪應力CRR進行比較，當計算出的CSR>CRR時，判斷為液化場地;反之當CSR? ? ?Rauch（1998）給出了純凈砂SPT的抗液化應力比公式：

式中：（N1）60為上覆壓力是100 kPa同時錘擊能是60%的標貫擊數修正值。該公式適用于（N1）60<30的情況;如果（N1）60>30，純凈砂將非常密實，不會發生液化現象。

1.8 評價SPT的應用

從上文的介紹可以看出SPT應用廣泛，操作簡單，但在實際工程應用中還存在以下2個主要問題：

（1）操作時N受到場地的自然地質條件、操作機械及方式、勘探深度等多種因素的影響，測試結果存在一定的誤差。

（2）采用N確定土性參數，估算VS，評價砂土液化，大多采用的是經驗公式，因此存在區域性差別。例如在采用N估算VS時，N取20擊，得到煙臺地區砂土VS=275.3 m/s，日本地區砂土VS=215.0 m/s，巴楚地區砂土VS=193.7 m/s，即煙臺地區與日本地區VS相差60.3 m/s，與巴楚地區相差81.6 m/s，差別較大。因此國內外的SPT經驗公式不是通用的，因為各地區土的沉積年代，搬運方式不同，本地區SPT經驗公式都是根據本地區砂土室內外試驗測試數據建立的，具有針對性，同時也存在局限性，即如果采用其他地區SPT經驗公式計算本地區土性參數等可能會產生較大誤差，結果不可靠。

針對第一個問題，國內外規范提出了相應的修正方法，下文會進行詳細說明。針對第二個問題，本文建議實際工程中采用N確定土性參數等時，應采用本地區對應的經驗公式，這樣可以避免區域性差異的影響。

2 國內外N修正方法

2.1 地下水位修正

對于有效粒徑在0.1～0.05 mm內的飽和粉、細砂，當其密度大于某一臨界密度時，貫入阻力將會偏大。相應于此臨界密度的N為15，故在此類砂土貫入擊數N>15時，其有效擊數為：

2.2 桿長修正

《建筑地基基礎設計規范》（GBJ 7—89）和第一屆國際觸探試驗會議（ISOPT-1，1988）推薦的SPT試驗規程以及Skempton（1986）均提出按式（8）進行鉆桿長度修正，但是給出的桿長修正系數不同，見表9。目前國際上使用的最廣泛的是Skempton（1986）提出的修正方法：

《建筑地基基礎設計規范》（GBJ 7—89）規定當L為3～21 m時，進行鉆桿長度修正，桿長修正系數αL值是基于牛頓碰撞理論計算得出，αL隨L的增大而減小。L的修正限制為21 m，是由于L>21 m時，探桿系統質量已超過落錘質量的2倍，按碰撞理論，能量損失已很大，SPT已不適用。第一屆國際觸探試驗會議（ISOPT-1，1988）推薦的SPT試驗規程和Skempton（1986）都是基于彈性波動理論得到αL，αL隨L的增大而增大。運用這2種修正方法，當L>10 m時，不需要進行桿長修正，是因為按照彈性波動理論，當L<10 m時，隨著L的增加，有效能量逐漸增大，L>10 m后趨于定值。

由于不同修正方法得出αL的與L的變化關系不同，同濟大學于1987年專門進行了SPT桿件傳輸能量的試驗實測，試驗孔深60 m，試驗結果表明波動理論是符合實際的，即αL隨L的增大而增大。

日本學者宇都一馬等根據壓縮波的傳遞原理，實測了水平擱置的120 m長鉆桿頂端與低端的打擊動應力的衰減情況和位移，提出了N的桿長修正公式（馮銘璋，1986）：

式（9）已被日本工業標準（JIS A1219—2001）所采用，作為日本指導性法規。該方法是將20 m作為桿長修正的界限點，即L>20 m時才進行修正，L<20 m時不修正，因為當L<20 m時，按照壓縮波傳遞原理在探桿末端沖擊引起的波動量衰減很小，可以忽略。目前國內在實際工程中進行深度較大的SPT時，進行桿長修正也會采用宇都一馬公式。

2.3 上覆土壓力修正

Gibbs和Holtz（1957）在三軸砂箱中進行SPT，三軸砂箱的豎向和側向施加的應力可以模擬現場不同深度處的應力條件，根據該室內試驗結果，首次得出砂土自重壓力（上覆壓力）對SPT結果有很大的影響這一結論，但建議的上覆壓力修正值在應用于均勻土層的底部時存在不足（吳曉東，2014）。為此，后來國外許多學者提出了目前更為廣泛接受的上覆土壓力修正公式（Peck et al，1974;Seed et al，1985;Skempton，1986;Liao，Whitman，1986），見表10。目前國際上使用較多的是Seed等（1985）以及Liao和Whitman（1986）提出的公式。

2.4 能量修正

美國標準（ASTM D1586-11）指出不同SPT設備及操作人員在毗鄰鉆孔的同一土層中所得的N變動幅度可達到100%，但是如果使用相同設備和人員則N變異系數僅為10%，因此測定不同落錘系統能量效率，并將其標準化到某個基準能量效率比下是很重要的。落錘的能量效率比Er定義為：

由于美國安全錘的能量效率比接近60%，所以Seed（1983），Skempton（1986）均建議將60%作為比較各種落錘系統能量效率的基準，錘擊能量修正后的標貫擊數為N′：

2.5 不同修正的適用性

《巖土工程勘察規范》（GB 50021—2001）規定了用于判別砂土液化、劃分砂土密實度及劃分花崗巖類殘積土、全風化、強風化的界限，計算剪切波速時不對N進行修正，因為建立N與這些工程性質的關系時并未對N進行修正。如我國在建立砂土液化判別公式時，其中的標貫基準值是由1971年以前我國大陸地區的6次大地震的實測標貫數據繪圖后確定的，并未進行修正，所以在對新的地區進行液化判別時無需對N進行修正。在運用N確定土的無側限抗壓強度、壓縮模量、地基承載力時，應根據在建立經驗公式時有無修正以及進行了何種修正來考慮。如李小和（2008）根據武廣客運專線沿線的紅黏土數據建立N與壓縮模量的經驗公式時進行了桿長修正，那么在運用該公式時需要進行相同的桿長修正?？傮w來說我國規范要求對標貫一般不進行修正或者僅進行桿長修正，這是根據建立經驗公式時是否進行修正考慮的，是合理的，在應用規范時不會對結果產生很大的誤差。

目前歐美規范中僅對采用N進行砂土液化判定的情況進行了規定，這是因為歐美采用改進后的Seed簡化方法進行液化判別，也就是將砂土中由振動作用產生的剪應力CSR與產生液化所需的剪應力CRR進行比較，CSR與地震的地面水平峰值加速度及埋藏深度有關，與N無關，沒有能量損失，而CRR是由N得到的，考慮到SPT中的各種影響因素導致的能量損失，需要將對N進行修正后得到的CRR與CSR進行比較。

式中：CN為上覆土壓力修正系數，一般采用Liao和Whitman（1986）建議的公式;CE為錘擊能量比修正系數;CB為鉆孔直徑修正系數;CR為桿長修正系數;CS為有無襯墊情況下的修正系數。

我國學者對N也會采用國外修正公式進行修正（王士杰等，2005），但是目前還沒有相關研究表明這樣修正是否合理，與采用我國修正公式進行修正差別多大，這些問題尚待研究。

3 國內外SPT相關性比較

3.1 中國與美國N相關性

《巖土工程勘察規范》（GB 50021—2001）和美國標準（ASTM D1586-11）規定的設備見表12。從表中可以看出美國標準的設備規格與我國現行標準基本類似，主要區別是落錘的類型和釋放方式不同。Seed等（1985）給出了中國、美國不同落錘不同釋放方式下的能量傳遞率，機械下落的Pilcon錘和人工下落的安全錘的能量傳遞率相同，都為60%，人工下落的Pilcon錘和穿心錘的能量傳遞率分別為50%和45%。以不同種類的錘傳遞給鉆桿的能量差異為基礎，得到了中美N的相關性，見表13。

3.2 中國與英國N相關性

《巖土工程勘察規范》（GB 50021—2001）和英國標準（BS 1377-9：1990）規定的設備見表14。從表中可以看出英國標準規定的設備規格與我國現行標準基本類似，但錘墊的質量差別較大。在鉆桿直徑、錘的類型、落錘方式、落距、貫入器、鉆桿長度等均相同的條件下，錘墊質量越大，在錘擊過程中錘墊與錘之間摩擦消耗的能量就越大，實際錘擊傳遞的能量相對于錘墊質量小的標貫設備要低。

廖先斌等（2013）采用標貫能量分析儀，通過測量不同直徑鉆桿的中國和英國標貫設備實際錘擊能量，計算實際與理論錘擊能量的能量比，建立了中國和英國標準貫入擊數轉換公式。

由上述公式可見，在N較小時，各國標貫之間相差不大，在實際工程中可不考慮它們的差異性。但當N很大時，比如在運用N計算地基承載力時，標貫可達到50擊以上，這時就應考慮各國標貫的差異。

4 結論

本文以SPT為研究對象，整理分析了國內外SPT的適用范圍、修正方法和相關性比較，得到結論如下：

（1）SPT是一種國內外常用的勘察測試手段，常用標貫擊數N值確定砂土的密實度、砂土的內摩擦角、一般粘性土的無側限抗壓強度、土的壓縮模量、單樁極限承載力、剪切波速等常規參數以及判別砂土液化。

（2）國內外SPT確定常規參數的經驗值多有差異，如：密實度劃分范圍不同，不同地區N和內摩擦角經驗公式不同，不同地區標貫與剪切波速關系對比差異顯著。這是由于不同地區土的平均粒徑、不均勻系數、孔隙比、相對密實度、土的形成年代、埋藏條件等存在著差異，即不同地區土體存在地區差異。

（3）SPT在實際操作中會有能量損失，對標貫擊數N的修正主要有地下水位、桿長、上覆土壓力及能量修正。國內外對N的修正有不同的規定，甚至修正系數定性相反，對于深層勘查和深海工程建議采用標貫能量測試。

（4）美國和英國使用的標貫設備是目前世界上最常使用的2種原位測試設備，對比研究了中美、中英設備的參數和轉換公式，給出了中美、中英標準貫入擊數的經驗關系式，可在實際工程中參考使用。

（5）隨著“一帶一路”的推進，我國參與的跨國工程將大量增多，困擾我國工程師的技術標準不統一的問題也將會日益凸顯。國內外工程勘察測試指標如何達成一致，是急需解決的問題。這需要我們進行實際工程對比驗證、理論分析、室內試驗等方面的深入研究。

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