標準貫入試驗在中泰鐵路中的應(yīng)用與研究

李國圣

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津　300251)

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標準貫入試驗在中泰鐵路中的應(yīng)用與研究

李國圣

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津300251)

中泰鐵路作為國外重點項目，具有地質(zhì)勘察時間緊、任務(wù)重、成本高的特點。標準貫入試驗(SPT)作為一種操作簡單，指標可靠易用的方法可有效解決上述問題。如何將國外操作工藝所獲得的指標合理地運用到我國設(shè)計理念中，顯得極為重要。從SPT的原理入手，通過對有國內(nèi)成熟經(jīng)驗地區(qū)的SPT數(shù)據(jù)與地層主要物理力學指標的對比分析，而后結(jié)合該項目國內(nèi)外的SPT對比試驗數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)擬合，得出SPT與常用物理力學指標之間的經(jīng)驗公式并將其應(yīng)用于設(shè)計中。同時發(fā)現(xiàn)隨著深度的增加，N泰相對N中來說數(shù)據(jù)偏大的現(xiàn)象愈加明顯，并從鉆探方法及SPT方法兩個方面進行綜合分析，最終得出SPT方法的優(yōu)越性及日后應(yīng)用中的注意事項和進一步的研究方向。

標準貫入試驗；數(shù)據(jù)擬合；試驗方法對比；經(jīng)驗公式

1　概述

標準貫入試驗(SPT)是用質(zhì)量為63.5 kg的重錘按照規(guī)定的落距(76 cm)自由下落，將標準規(guī)格的貫入器打入地層，根據(jù)貫入器在貫入一定深度得到的錘擊數(shù)來判定土層的性質(zhì)[1-3]。SPT本質(zhì)上是屬于動力觸探的原位測試技術(shù)，該試驗并不能直接測定地基基礎(chǔ)設(shè)計所需的諸如壓縮模量、孔隙比、地基承載力等物理力學指標，而更多的是通過與其他原位測試方法(如原位荷載試驗)及室內(nèi)土工試驗的成果數(shù)據(jù)進行對比分析，建立起經(jīng)驗關(guān)系式。當積累了該地區(qū)成熟的經(jīng)驗之后，才可以通過SPT的試驗結(jié)果推測土的物理力學指標，進而體現(xiàn)出其獨特的優(yōu)越性[4-6]。

2　中泰標準貫入試驗方法對比

中泰鐵路工程是我國政府在積極倡導(dǎo)國家“一帶一路”戰(zhàn)略的背景下所采取的重大舉措，該條鐵路將來會成為兩國間人員往來、物資運輸?shù)闹匾ǖ?，將為兩國間的經(jīng)濟文化交流發(fā)展注入新的活力。

鑒于國外項目的特殊性，尤其是地質(zhì)外業(yè)勘察時間緊、任務(wù)重、成本高，往往在鐵路勘察設(shè)計成本中占有較大的比重。為了最大限度地節(jié)省勘察成本并提供較高精度的地質(zhì)勘察資料，國外既有資料的利用成為了至關(guān)重要的問題。

泰國的勘察資料大多是執(zhí)行ASTM(美國試驗和材料協(xié)會)標準，注重SPT原位測試技術(shù)的應(yīng)用，測試間距也多在1.0～1.5 m，對原狀土樣的采取相對較少。標準貫入試驗除了設(shè)備簡單、操作方便外，更大的優(yōu)點在于它的指標簡單、好用[6]。而國內(nèi)的鐵路工程地質(zhì)勘察方法多重視原狀土的室內(nèi)土工試驗數(shù)據(jù)，標準貫入試驗只是作為輔助數(shù)據(jù)。所以國外勘察資料尤其是SPT試驗的綜合利用顯得尤其重要。在數(shù)據(jù)分析之前，現(xiàn)將兩國的SPT試驗方法做一簡要的對比分析。

(1)鉆進方法對比

國內(nèi)基本上采取回轉(zhuǎn)鉆進及取樣器取樣技術(shù)，最大限度地保證了進行SPT試驗部位土的原狀性。

泰國則多采用回轉(zhuǎn)沖擊鉆進方法。通過扁鏟型鉆頭進行地層破碎，并通過出水口以泥漿正循環(huán)的方式將地層破碎所造泥漿攜帶出孔進入沉淀池進行循環(huán)鉆進。沖擊頻率及回轉(zhuǎn)動力全由人工進行手動控制，此種方法對土的擾動性非常大。如圖1、圖2所示。

圖1　泰國所用鉆進鉆頭

圖2　泰國所采用鉆進方法

(2)標準貫入試驗方法對比[7，8]

國際上現(xiàn)行基本落錘質(zhì)量及落距均相同，均采用質(zhì)量為63.5 kg、落距為76 cm。但在形狀大小方面沒有給出具體規(guī)定[9]。國內(nèi)現(xiàn)行多采用自動脫鉤的錘擊法進行試驗，并在貫入過程中盡量減少導(dǎo)向桿與錘之間的摩阻力。錘擊速率應(yīng)小于30擊/min。預(yù)打入15 cm，不計錘擊數(shù)，之后記錄每打入10 cm的錘擊數(shù)，最終累計30 cm的錘擊數(shù)即為標準貫入錘擊數(shù)N[9-10]。

泰國則采用手動落錘錘擊法進行SPT試驗，錘擊深度同為45 cm，分成3段，以15 cm為一段分別進行計數(shù)，預(yù)打15 cm，同時記錄錘擊數(shù)，其下依次各打入15、15 cm共計30 cm的標貫擊數(shù)之和為實際貫入擊數(shù)N值。圖3、圖4為泰國標貫試驗過程及鉆探日志記錄格式。

圖3　泰國標準貫入試驗方法

圖4　泰國標準貫入試驗記錄格式

由圖3可見，泰國落錘的錘形與國內(nèi)所采用的不統(tǒng)一。經(jīng)觀察沿線其他泰國SPT試驗發(fā)現(xiàn)，泰國本國的錘形也不盡統(tǒng)一。標貫器則基本上與中方相同，均采用國際上通用的標準[4]。

3　中泰標準貫入試驗數(shù)據(jù)對比分析[11-13]

表1　N手與Es、C、φ的關(guān)系

(1)

(2)

(3)

N與Es、C、φ關(guān)系的擬合曲線見圖5～圖7。

圖5　N與Es關(guān)系的擬合曲線

圖6　N與C關(guān)系的擬合曲線

圖7　N與φ關(guān)系的擬合曲線

為了更好地查清泰國標準貫入試驗與中國標準貫入試驗擊數(shù)之間的關(guān)系，本次勘察部分段落采用中泰兩國鉆機及操作人員對比穿插鉆探及進行SPT測試。剔除因地層起伏變化較大導(dǎo)致無法進行有效對比分析的測試孔數(shù)據(jù)，現(xiàn)將黏性土及砂類土地層中地層層序起伏變化最小的中泰雙方相鄰鉆孔之間標貫深度及擊數(shù)列于表2。

經(jīng)過表2數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，泰方標準貫入試驗擊數(shù)N泰較中方N中在淺層相差較小，基本在40 m深度以上數(shù)據(jù)無明顯有規(guī)律的差異。隨著深度的增加，在本對比地層，40 m深度以下N泰相對N中來說數(shù)據(jù)偏大，N泰個別數(shù)據(jù)能達到N中的2.0倍以上。在中國經(jīng)驗公式(1)～公式(3)的利用方面，泰方手動落錘擊數(shù)N泰較中國經(jīng)驗公式N手=0.74+1.12×N機來說折減系數(shù)更小?，F(xiàn)根據(jù)本孔數(shù)據(jù)，對比物理力學指標，通過數(shù)據(jù)擬合得出了標準貫入擊數(shù)N泰與地層重要指標之間的關(guān)系式，見公式(4)～公式(6)供設(shè)計參考使用。

(4)

(5)

(6)

出現(xiàn)上述現(xiàn)象，原因主要有以下兩點[14，15]。

表2　中泰雙方標準貫入試驗數(shù)據(jù)對比

(1)泰方SPT試驗為手動落錘，受人為影響較大，繩索與鉆具間的摩擦同樣會消耗錘擊能量。同時錘形也與中方有較大的差別，造成了能量傳遞的差別，各種因素綜合導(dǎo)致了中泰標準貫入擊數(shù)的差別。

(2)泰方所使用鉆進方法工藝造成了成孔質(zhì)量差，鉆孔孔徑較中國小、孔斜的控制及孔壁的質(zhì)量均較中國有一定差距，造成了進行SPT試驗時側(cè)壁摩阻力太大，進而造成了錘擊能量無法更有效地傳遞給標貫器。

因此，在維持泰國本國鉆探及標準貫入試驗工藝不變的情況下，利用本次研究所擬合出來的經(jīng)驗公式(4)～公式(6)進行設(shè)計參考是比較合理有效的。

4　結(jié)論

(1)通過對標準貫入試驗的原理進行分析，得出

了標準貫入試驗在工程地質(zhì)勘察中的優(yōu)越性。同時通過對中泰鐵路項目背景的闡述，進而得出了本項目重視標準貫入試驗方法的原因及利用泰方標準貫入試驗數(shù)據(jù)的重要性。

(2)對中泰鐵路地勘中的標準貫入試驗的方法進行了具體分析，得出了在鉆進成孔方法、標準貫入試驗設(shè)備及方法等方面的主要區(qū)別。

(3)通過對有國內(nèi)成熟經(jīng)驗的地區(qū)的標準貫入試驗數(shù)據(jù)與地層主要物理力學指標的對比分析。在分析的基礎(chǔ)上進行數(shù)據(jù)擬合，得出了便于利用的經(jīng)驗公式，并將公式應(yīng)用于設(shè)計中，節(jié)約了勘察成本并提高了工作效率。同時通過地勘過程中中泰雙方對比鉆孔中標準貫入試驗數(shù)據(jù)的對比分析，發(fā)現(xiàn)了隨著深度的增加，N泰相對N中來說數(shù)據(jù)偏大，并從鉆探方法及標準貫入試驗方法兩個方面進行綜合分析。同時也對泰方N泰進行適當?shù)恼蹨p，參考經(jīng)驗公式，并將其應(yīng)用于設(shè)計中。

(4)鑒于本階段中泰鐵路勘察工期緊、任務(wù)重，很多更詳細的對比試驗尚未深入進行。在進一步的詳細施工圖設(shè)計階段，考慮進行多途徑的原位測試(包括原位載荷試驗)，進行數(shù)據(jù)的收集、分析，建立一套適合泰國本土地層的經(jīng)驗公式。同時結(jié)合國內(nèi)設(shè)計經(jīng)驗，將兩國不同標準之間數(shù)據(jù)進行詳細分析對比，進一步建立一套適應(yīng)國外標準的鐵路勘察設(shè)計流程及方法，以更好地服務(wù)于國家“一帶一路”戰(zhàn)略。

[1]工程地質(zhì)手冊編委會.工程地質(zhì)手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

[2]中華人民共和國鐵道部.TB10018—2003鐵路工程地質(zhì)原位測試規(guī)程[S].北京：中國鐵道出版社，2003.

[3]鐵道部第一勘測設(shè)計院.鐵路工程地質(zhì)手冊[M].北京：中國鐵道出版社，1999.

[4]中華人民共和國鐵道部.TB10012—2007鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2007.

[5]中華人民共和國建設(shè)部.GB 50021—2001巖土工程勘察規(guī)范[S].2009版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

[6]徐光大，徐光黎，李俊杰.日本標準貫入試驗方法及其N值在巖土工程中的應(yīng)用[J].安全與環(huán)境工程，2011(7)：33-38.

[7]冷藝.國內(nèi)外規(guī)范在港口巖土工程勘察中的異同研究[J].水運工程，2011(9)：27-30.

[8]李剛，劉方，羅俊.美標標準貫入試驗及標貫值修正與應(yīng)用[J].水運工程，2013(7)：43-47.

[9]楊文衛(wèi)，岳中琦.世界各地標準貫入試驗比較和共同問題[J].工程勘察，2008(1)：5-15.

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

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[12]劉輝.地基土標準貫入錘擊數(shù)與物理力學參數(shù)關(guān)系探討[J].路基工程，2011(5)：62-65.

[13]王毅紅，高磊，白濤等.標準貫入與砂土地基承載力關(guān)系的試驗研究[J].四川建筑科學研究，2010(3)：120-133.

[14]戴洪軍，蔡升華.關(guān)于標準貫入試驗問題的分析[J].電力勘測，1999(12)：4-9.

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Application and Research of Standard Penetration Test in China-Thailand Railway

LI Guo-sheng

(The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation，Tianjin 300251，China)

China-Thailand railway is a key project abroad.It is characterized by tight schedule，heavy task and high cost in geological survey.The standard penetration test (SPT) can effectively solve the problem due to its simple operation and credible indicators.Thus，how to introduce the indexes of the operation process obtained abroad in the domestic design becomes particularly important.Based on the principle of SPT，the data of SPT and the main physical mechanic indexes of strata obtained in areas with mature experiences of China are compared and analyzed，and the relevant parameters are fitted with the contrast test date from home and abroad to draw up the empirical formula between the SPT and the general physical mechanic indexes，which are to be applied to the design.Meanwhile，it is found that the phenomenon of the N-THA larger than the N-CHA is more obvious with the increase in depth.The advantages of SPT method and the precautions in application are identified based on the analysis of both drilling method and SPT method，and future studies are addressed.

Standard penetration test(SPT); Data fitting; Comparison of test methods; Empirical formula

2015-12-22；

2016-03-23

李國圣(1985—)，男，工程師，2011年畢業(yè)于吉林大學地質(zhì)工程專業(yè)，工學碩士，E-mail:ligs_1985@163.com。

1004-2954(2016)10-0045-03

U416

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.10.011