標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)在蘇丹水利大壩勘察中的應(yīng)用

張小強(qiáng)，楊志杰，杜曉飛

（華北有色工程勘察院，河北石家莊 050021）

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)在蘇丹水利大壩勘察中的應(yīng)用

張小強(qiáng)，楊志杰，杜曉飛

（華北有色工程勘察院，河北石家莊 050021）

近兩年，我單位在蘇丹國先后完成Kajbar、Shrerik、Sabloka、Dal、Dagash、Mograt等水利水電大壩的勘察工作。本文通過6個(gè)大壩詳細(xì)勘察中標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的操作工藝應(yīng)用，以Dagash大壩為例對標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)進(jìn) 行闡述，并就與國內(nèi)該試驗(yàn)實(shí)際操作存在的差異性進(jìn)行比較。

蘇丹；大壩勘察；標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)

0 前言

蘇丹國水利水電大壩壩基勘察中，野外試驗(yàn)涉及壓水、注水、靜力觸探及標(biāo)準(zhǔn)貫入等。其中標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)（SPT）的野外數(shù)據(jù)資料給大壩設(shè)計(jì)提供非常重要的依據(jù)。所有試驗(yàn)按照國際認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，其中包括美國材料試驗(yàn)協(xié)會(ASTM, USBR)標(biāo)準(zhǔn)、英國( BS5930-1999) 標(biāo)準(zhǔn)、德國(DIN, DGEG)標(biāo)準(zhǔn)、ICOLD （國際大型大壩建造委員會）和ISRM（國際巖石力學(xué)協(xié)會）標(biāo)準(zhǔn)。本文就Dagash水利水電大壩壩基勘察中標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)具體操作工藝進(jìn)行闡述，并對國外施工標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)與國內(nèi)施工操作存在的差異性進(jìn)行比較。

1 工程概況

蘇丹國Dagash水電站工程勘察項(xiàng)目包括大壩和廠房、泄洪道等建筑物,大壩總長約1200m,高約30m。

壩址位于尼羅河下游，距離Atbara市約225km，Abu Hammed村莊位于施工點(diǎn)東約12km。該段尼羅河面寬500~600m。河床高程約315m。尼羅河平均流量1740～2970m3/s；每年7、8、9、10月為洪水期，流量最大值為6470~11300m3/s；每年的3、4、5月為枯水期，流量最小值為413~952m3/s。施工范圍處于出露巖石分布帶，氣候干燥少雨，最高溫度48°。

Dagash水電站工程勘察項(xiàng)目是蘇丹政府在尼羅河進(jìn)行的十個(gè)大壩勘察中的一個(gè)，完成這些大壩項(xiàng)目將對整個(gè)蘇丹國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和環(huán)境改善起到巨大的作用。

2 巖土分布概況

粉土：灰褐色，干，松散，含少量的細(xì)砂和礫石，主要分布在尼羅河兩岸的一級階地和二級階地上，厚度0.5~3m；

粉質(zhì)粘土：褐灰色，潮濕，土質(zhì)較軟，低塑性，局部含礫石，主要分布在尼羅河兩岸的一級階地和二級階地上，厚度3~5m；

砂（細(xì)—粗）：褐灰色，干（河里飽和），松散—密實(shí)，主要成分石英、長石。該層在勘察場地普遍存在，薄厚不等；

礫石（角、圓）：灰褐色，潮濕—飽和，中到粗粒結(jié)構(gòu)，最大粒徑58mm，包含少量云母或者粘土；

片巖：輕微灰色，強(qiáng)度較高，風(fēng)化程度不等，部分地段破碎，裂隙發(fā)育，含石英巖脈。

3 試驗(yàn)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)要求

試驗(yàn)設(shè)備的要求和達(dá)到的精度，國內(nèi)設(shè)備是與國際相符的。

（1）標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)設(shè)備，見表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)設(shè)備

（2）試驗(yàn)設(shè)備應(yīng)符合下列要求[1]

① 鉆桿應(yīng)平直,當(dāng)出現(xiàn)彎曲超過1‰時(shí)應(yīng)予調(diào)直后再使用。

② 開式貫入器的對縫應(yīng)平直,嚴(yán)密。出現(xiàn)扭曲,錯(cuò)縫變形時(shí)應(yīng)停止使用。

③ 貫入器靴的刃口應(yīng)保持完整,當(dāng)出現(xiàn)缺口或卷刃等損壞,其單個(gè)長度大于5mm或總長度大于12mm時(shí),應(yīng)停止使用。

④當(dāng)落錘質(zhì)量和導(dǎo)向桿的落距誤差超過允許范圍時(shí),應(yīng)停止使用。

⑤自動落錘裝置應(yīng)靈活,正常,不得對導(dǎo)向桿產(chǎn)生提拔作用。

4 操作工藝

因試驗(yàn)具體操作的國外標(biāo)準(zhǔn)與國內(nèi)有差異性，應(yīng)進(jìn)行比較，找出不同點(diǎn)，以避免因操作帶來不同的數(shù)據(jù)記錄。

4.1 Dagash工程中SPT操作的具體施工工藝

（1）試驗(yàn)須注意事項(xiàng)

①水上施工時(shí)，由于施工現(xiàn)場水位差異5~40m，當(dāng)進(jìn)入砂層進(jìn)行標(biāo)貫試驗(yàn)的時(shí)候會遇到很多的問題。河面浪大導(dǎo)致平臺不穩(wěn)或者由于砂層太厚導(dǎo)致塌孔而影響鉆探速度和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。為解決這些問題，首先固定好平臺，在施工中緊跟套管，減少外來因素的影響。

②夜間施工，容易出現(xiàn)疲勞，光線不足等情況，要求機(jī)臺人員注意安全，把握好試驗(yàn)步驟和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的準(zhǔn)確性。

③試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)注意地層變化，避免因地層突變導(dǎo)致設(shè)備損壞。

（2）鉆孔鉆至試驗(yàn)深度后，按以下步驟進(jìn)行試驗(yàn)[2]

①將標(biāo)貫器與鉆桿連接放入孔內(nèi)，不能自由落入。

②將標(biāo)貫錘在孔口與鉆桿連接。

③如果孔底有殘留巖芯，則拔出鉆桿并取出殘留巖芯后再進(jìn)行試驗(yàn)。

④在孔口鉆桿上做3個(gè)連續(xù)的長15cm的標(biāo)記，方便試驗(yàn)時(shí)觀察。

⑤用63.5kg錘進(jìn)行錘擊，記錄每貫入15cm的錘擊數(shù)，直到滿足下列情況之一。

a.在任何一個(gè)15cm長度內(nèi)擊數(shù)達(dá)到50擊；

b.總擊數(shù)達(dá)到100擊；

c.連續(xù)10擊鉆桿沒有明顯的下沉；

d.45cm已完全進(jìn)入。

⑥記錄每貫入15cm的錘擊數(shù)。如果標(biāo)貫器象a、b、c所規(guī)定的貫入度小于45cm，對于貫入度達(dá)到15cm的段次，記錄相應(yīng)的錘擊數(shù)；對于貫入度沒有達(dá)到15cm的段次，記錄錘擊數(shù)與相應(yīng)的貫入度。如果標(biāo)貫器在鉆桿或鉆桿與標(biāo)貫錘的自重下下沉，要記錄。

⑦將標(biāo)貫器取出，記錄巖芯的長度，描述土樣的顏色、成分等，然后將有代表性的樣品放進(jìn)塑料袋內(nèi)。如果在標(biāo)貫器內(nèi)的土層有變化，則記錄下其位置。

⑧當(dāng)進(jìn)入風(fēng)化層或軟巖無法進(jìn)行標(biāo)貫試驗(yàn)時(shí)，改用其他方法試驗(yàn)，試驗(yàn)至無法擊入為準(zhǔn)，記錄進(jìn)入深度。

4.2 國內(nèi)規(guī)范規(guī)定野外的具體操作工藝

(1)試驗(yàn)準(zhǔn)備

①鉆孔采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn),鉆孔垂直度應(yīng)符合鉆探規(guī)程的規(guī)定,孔徑76~150mm。

②鉆進(jìn)到試驗(yàn)深度以上15cm時(shí),停止鉆進(jìn),清除孔內(nèi)殘土,殘土厚度不能超過5cm,清孔時(shí)避免孔底以下土層被擾動。

③在地下水以下的土層中試驗(yàn)時(shí),應(yīng)保持孔內(nèi)水住高于地下水位,當(dāng)孔壁不穩(wěn)定時(shí),應(yīng)采用泥漿護(hù)壁或套管護(hù)壁,采用套管護(hù)壁時(shí),套管不應(yīng)下入試驗(yàn)段內(nèi)。

④貫入器,鉆桿,錘墊,導(dǎo)向桿各部件的連接必須牢固,并保持連接后的垂直度。貫入器要平穩(wěn)的下入孔底,嚴(yán)禁沖擊或壓入孔底。

(2)試驗(yàn)步驟[3]

①試驗(yàn)必須采用自動落錘裝置,保持鉆桿垂直,避免搖晃,歪斜。

②試驗(yàn)時(shí)先預(yù)打15cm(包括貫入器在其自重下的初始貫入量),然后開始試驗(yàn)錘擊。

③將錘提升至規(guī)定高度,使錘自動脫鉤,自由下落,反復(fù)擊打,錘擊速率不應(yīng)超過30擊/min.記錄每貫入10cm的錘擊數(shù),累計(jì)記錄貫入30cm的錘擊數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)(簡稱標(biāo)貫擊數(shù))N。

④當(dāng)錘擊數(shù)超過50擊,而貫入深度尚未達(dá)到30cm時(shí),可終止試驗(yàn),記錄實(shí)際貫入深度,換算成相應(yīng)于貫入30cm的標(biāo)貫擊數(shù)N。

⑤當(dāng)在一次30cm貫入深度內(nèi)有不同地層時(shí),可根據(jù)各層擊數(shù)和貫入量按式分別計(jì)算其N值。

N=30n/△s

式中：△s——實(shí)際的貫入深度（cm）

n——貫入△s深度的錘擊數(shù)（擊）⑥試驗(yàn)結(jié)束，提出貫入器后，應(yīng)打開對開管，對土樣進(jìn)行鑒別和描述，并采取擾動土式樣。

⑦試驗(yàn)記錄內(nèi)容應(yīng)包括鉆桿長度,貫入起止深度,每貫入10cm的擊數(shù)和30cm的累計(jì)擊數(shù),土樣描述和樣品編號等。

5 密實(shí)度判定

（1）按標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)判定密實(shí)度（國際標(biāo)準(zhǔn)）

確定標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)值“N”與細(xì)粒土強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)相關(guān)關(guān)系應(yīng)利用室內(nèi)試驗(yàn)成果，樣品受擾動會導(dǎo)致室內(nèi)試驗(yàn)成果明顯比野外強(qiáng)度偏低。所得出強(qiáng)度之間的差異應(yīng)予以說明，應(yīng)注意不同的試驗(yàn)會涉及不同的試驗(yàn)尺寸、破壞模式和應(yīng)變速率問題。有裂隙試樣所得出的室內(nèi)試驗(yàn)成果一般要比野外所測得完整試樣的強(qiáng)度要低一些。

砂卵礫石的相對密度只能根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)來確定，描述術(shù)語與N值之間的關(guān)系如下[2],見表2：

表2

柱狀圖上的數(shù)值是不能校正的，在采用上述描述之前，對野外所測的N值至少應(yīng)進(jìn)行探桿能量和蓋層壓力修正。如在估定等同的描述術(shù)語之前對SPT的N值作了修正，這在鉆孔柱狀圖中應(yīng)予以說明。用這些術(shù)語描述粗粒礫卵石時(shí)要求特別注意，這些術(shù)語不能用于極粗粒土類。相對密度除了根據(jù)標(biāo)貫試驗(yàn)成果確定外，一般來說無其它方法。

（2）砂類土密實(shí)程度的劃分（國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)）， 見表3

表3

6 小結(jié)

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)設(shè)備簡單，堅(jiān)固耐用，操作及測試方法容易掌握；適應(yīng)性廣，砂土、粉土、礫石土、軟巖、強(qiáng)風(fēng)化巖石及粘性土均可選用；快速，經(jīng)濟(jì)，能連續(xù)測試土層；可同時(shí)取樣，便于直接觀察描述土層情況；應(yīng)用歷史悠久，在國內(nèi)外勘察施工中應(yīng)用極為廣泛，是一種重要的土工原位測試方法。

[1] 吳興序，巖土工程原位測試技術(shù)，西南交通大學(xué)巖土工程系．2005.

[2] 英國場地勘察實(shí)施規(guī)范， BS5930-1999.

[3] 中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)規(guī)程（YS5213-2000）.

[4] 美國材料試驗(yàn)協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)2001，ASTM標(biāo)準(zhǔn).

Application of Standard Penetration Test (SPT) in Hydropower Projects in Sudan

ZHANG Xiaoqiang, YANG Zhijie, DU Xiaofei
(North China Engineering Investigation Institute, Shijiazhuang 050021)

For the past two years, our institute has accomplished the geotechnical investigation on Kajbar, Shereik, Sabaloka, Dal, Dagash, Mograt Hydropower Projects etc. in the Republic of Sudan. Based on the experiences in Dagash Hydropower Project, this paper expatiates on Standard Penetration Test by describing in detail the operation and application of SPT in these mentioned 6 projects and points out the differences from domestic operation of the test, by which, we hope to contribute to share and communicate with readers.

Sudan; Dam project investigation; Standard Penetration Test(SPT)

TU43

A

張小強(qiáng)，（1979- ），男，漢族，甘肅人，學(xué)士學(xué)位，主任工程師，主要致力于巖土工程勘察。E-mail：284436976@qq.com。