關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)方法的探討

曹慶霞

0 引言

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)(SPT)始于1921年,由美國雷蒙優(yōu)混凝土樁公司加以發(fā)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(yīng)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(gè)核電站的勘察中有40個(gè)使用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn);日本初勘中90%的鉆孔作了標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn);據(jù)日本(土與基礎(chǔ))雜志對23個(gè)國家的調(diào)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(jì)70年代開始大規(guī)模的使用SPT,至今已有30多年的歷史。目前在國內(nèi)SPT已成為巖土工程勘察不可缺少的原位測試手段,其試驗(yàn)規(guī)格與試驗(yàn)方法同國際上的標(biāo)準(zhǔn)基本一致,在多年的理論研究和實(shí)踐基礎(chǔ)上,根據(jù)我國的工程地質(zhì)條件特點(diǎn),建立了SPT應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)公式。

1 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)(SPT)特點(diǎn)

隨著SPT的廣泛使用,人們從不同角度對SPT的優(yōu)缺點(diǎn)有著不同的評述,但對以下幾方面的SPT特點(diǎn)有著一致的認(rèn)同:

1)設(shè)備簡單,易操作,不需要進(jìn)行專門的學(xué)習(xí)培訓(xùn);2)試驗(yàn)不受地下水位的影響;3)人為因素對試驗(yàn)的影響較大;4)應(yīng)用范圍廣泛,幾乎所有的土層、砂層和軟巖都適用;5)試驗(yàn)指標(biāo) N值在國內(nèi)外通用。

經(jīng)過多年的應(yīng)用實(shí)踐,已總結(jié)出大量的經(jīng)驗(yàn)公式和地區(qū)經(jīng)驗(yàn)。

另外,SPT在試驗(yàn)的同時(shí),可以采取到樣品,對貫入器內(nèi)取出的樣本,除觀察描述其性狀外,亦可進(jìn)行含水量、塑、液限或顆(篩)分試驗(yàn),為綜合劃分底層提供依據(jù)。有關(guān)試驗(yàn)設(shè)備的規(guī)格:采用的是英制單位,錘重140 ps相當(dāng)于63.5 kg,落距30 in則對應(yīng)于76 cm。

2 影響SPT的因素分析

試驗(yàn)N值的大小是土的結(jié)構(gòu)、密度和狀態(tài)等諸因素的綜合反映,它應(yīng)該是客觀的,對同一土體指標(biāo)應(yīng)是唯一的,所謂唯一性,是指無論誰進(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值就失去了它的意義。

但是,在實(shí)際試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果N值都有差別,有的相差還比較大;分析其產(chǎn)生差別的原因,既有試驗(yàn)時(shí)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(yàn)精度,筆者認(rèn)為以下十個(gè)方面的影響因素應(yīng)引起足夠的重視:

1)鉆進(jìn)方法:在試驗(yàn)的前一鉆,沖擊或是回轉(zhuǎn)鉆進(jìn),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(dá)20%左右。所以,在土層中試驗(yàn)前應(yīng)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn),砂層中推薦泥漿護(hù)壁。

2)試驗(yàn)設(shè)備的安裝:各部件絲扣之間連接應(yīng)緊密,接頭部位不可松動,否則將影響打擊能量,進(jìn)而減小N值。

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

4)貫入速度:受設(shè)備性能和操作熟練程度的控制。這種影響主要體現(xiàn)在飽和狀態(tài)的粉土和粉細(xì)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(yàn)結(jié)果影響不大。

5)試驗(yàn)孔徑:在常規(guī)鉆探89 mm～146 mm孔徑內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí),該影響可忽略不計(jì),但特殊情況下,如在基坑底表面試驗(yàn),由于缺少上部超載,擊數(shù)會偏小。

6)貫入深度:按標(biāo)準(zhǔn)要求,一次貫入的深度為15 cm預(yù)打和30 cm貫入,共計(jì)45 cm。但當(dāng)試驗(yàn)孔出現(xiàn)坍塌或縮孔,貫入深度就要加大,造成試驗(yàn)器械的摩擦力和阻力加大,使擊數(shù)增高。所以,保持孔底干凈不擾動是保證試驗(yàn)精度的一個(gè)重要方面。

7)鉆桿垂直度:當(dāng)鉆桿傾斜與孔壁產(chǎn)生摩擦?xí)r,會減小傳至貫入器的打擊能量,出現(xiàn) N值偏大的傾向。歐洲標(biāo)準(zhǔn)(1997年)規(guī)定,鉆桿間隔一定長度設(shè)置導(dǎo)正裝置,而我國現(xiàn)有規(guī)程無此規(guī)定,所以,在試驗(yàn)時(shí)需要人工導(dǎo)正,避免出現(xiàn)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(yàn)結(jié)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(jìn)行了對比試驗(yàn);兩人研究的結(jié)果表明,使用該直徑范圍內(nèi)的鉆桿,對試驗(yàn)結(jié)果影響不大,可以忽略不計(jì)。我國目前對鉆桿直徑要求不一,原GB 50021-94巖土工程勘察規(guī)范規(guī)定42 mm,BKB03-93兵器工業(yè)系統(tǒng)規(guī)程認(rèn)為42 mm或50 mm均可。綜合以上研究結(jié)果和規(guī)定,為方便起見,試驗(yàn)時(shí)可直接使用42 mm/50 mm鉆桿;但當(dāng)試驗(yàn)深度較大(超過20 m)時(shí),42 mm鉆桿會發(fā)生撓曲,故推薦使用50 mm鉆桿。

9)地下水:Terzaghi和Peck認(rèn)為,對于有效粒徑d10在0.1mm～0.05 mm范圍內(nèi)的飽和粉、細(xì)砂存在臨界密度,對應(yīng)的擊數(shù)為15擊。所以,在飽和粉細(xì)砂層進(jìn)行SPT,當(dāng)實(shí)測擊數(shù)大于15擊時(shí),應(yīng)將實(shí)測擊數(shù) 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(jié)構(gòu)、密度等基本性質(zhì)中,在N值中已經(jīng)有所體現(xiàn)。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(shù),是試驗(yàn)深度處砂土有效自重壓力的函數(shù)。

3 桿長修正討論

鉆桿長度校正問題,國內(nèi)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(yīng)變片測試的方法,對該問題進(jìn)行理論分析和模擬試驗(yàn)。前者的結(jié)論是:當(dāng)探桿長度小于70 ft(21 m)時(shí),波動能量傳遞的影響微不足道;后者認(rèn)為:在探桿末端沖擊引起的波動能量衰減很小;兩人的結(jié)論均傾向于不進(jìn)行桿長修正。但也有一些相反意見,如美國材料試驗(yàn)協(xié)會SPT專題研究組認(rèn)為,傳遞給周圍摩擦介質(zhì)的能量一般與桿長成正比,就能量傳遞而言,長度是一個(gè)重要因素。

我國工程界主張進(jìn)行桿長修正的主要是原GBJ 7-89地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范(以后簡稱地基89規(guī)范),最大校正長度21 m,對應(yīng)于該長度的系數(shù)為0.7,折減比較大。事實(shí)上,該系數(shù)表沿用的是更早的74規(guī)范,一般認(rèn)為是基于牛頓彈性碰撞理論,之所以上限定在21 m,是因?yàn)樵摾碚摷僭O(shè)前提條件是總桿長質(zhì)量不能大于落錘質(zhì)量的 2倍。另外,日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JIS A1219-1961)中規(guī)定,當(dāng)桿長大于 20 m時(shí),按1.06L～0.003L進(jìn)行修正(L為桿長,m),該折減系數(shù)很小,幾乎近于不修正。

另一方面,國外的一些學(xué)者基于彈性波波動理論得出相反的結(jié)論,他們認(rèn)為:桿長與校正系數(shù)成正比,當(dāng)桿長 L從3 m～15 m,校正系數(shù)從0.77趨向于常數(shù)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(nèi),校正系數(shù)大于1.0,超過臨界深度后校正系數(shù)才小于1.0。

不主張進(jìn)行桿長修正的有:GB 50011-2001建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范;GB 50021-2001巖土工程勘察規(guī)范;DBJ 08-37-94上海市巖土工程勘察規(guī)范;DBJ 01-501-92北京地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)勘察設(shè)計(jì)規(guī)范;歐洲動力觸探標(biāo)準(zhǔn)以及Terzaghi等。

從上述建議和規(guī)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(xiàn)行的國標(biāo)中,取消了與N值有關(guān)的承載力表,是否修正已成為本行業(yè)面臨的現(xiàn)實(shí)問題。目前,工程勘察界多數(shù)的傾向意見是,在所提交的勘察報(bào)告中,必須提供實(shí)測擊數(shù)。對已有的經(jīng)驗(yàn)公式或相關(guān)表格,按其推出時(shí)所規(guī)定是否修正為準(zhǔn),如果是修正后擊數(shù),則按相應(yīng)的校正系數(shù)修正后使用,否則應(yīng)采用實(shí)測擊數(shù)。在與國外合作項(xiàng)目中,按國際慣例提供實(shí)測擊數(shù),并繪制附有 H—N關(guān)系曲線的鉆孔柱狀圖。

4 結(jié)語

到目前為止SPT已成為了一種成熟、實(shí)用的原位測試手段,本文通過國內(nèi)外有關(guān)SPT的使用及經(jīng)驗(yàn)做一歸納介紹,并對其中的一些問題進(jìn)行初步探討,不足之處敬請指正。

[1]GB 50007-2002,建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)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.