緬甸某油庫利用標(biāo)貫錘擊數(shù)確定樁基參數(shù)的方法探討

任海賓

中國石油管道局工程有限公司設(shè)計(jì)分公司

擬建油庫的工程場區(qū)位于仰光市南部迪洛瓦（Thilawa）經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)。工程分為兩期建設(shè)，其中一期工程包括3座1.2×104m3汽油罐和2座5 000 m3柴油罐，二期包括8座1.5×104m3儲(chǔ)罐、4座6 000 m3儲(chǔ)罐、消防罐及站場配套建（構(gòu)）筑物。油庫場區(qū)巖土類型除表層吹填砂土層外，下部以飽和黏性土、淤泥質(zhì)土和粉細(xì)砂為主。此次巖土工程勘察工作以工程鉆探、原位測(cè)試和土工試驗(yàn)作為主要方法，受限于業(yè)主投資和現(xiàn)場勘察資源配置，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)（SPT）為唯一選用的原位測(cè)試方法。

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)是國內(nèi)外巖土工程中最常用的一種設(shè)備簡單、操作方便、經(jīng)濟(jì)適用的原位測(cè)試方法，標(biāo)貫錘擊數(shù)即SPT-N值，可用于判定土的物理力學(xué)特性[1]。SPT-N值的應(yīng)用十分廣泛，可用于確定砂土密實(shí)度、黏性土狀態(tài)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、地基土承載力、土抗剪強(qiáng)度、樁基承載力和砂土液化判別等[2]。雖然標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)應(yīng)用廣泛，但其成果受人為操作和設(shè)備影響因素較大，如清孔、沒有將貫入器貫入到不擾動(dòng)土體位置、孔內(nèi)未保持有效靜力水頭等[3]。因此，對(duì)于實(shí)測(cè)SPT-N值的是否修正和如何修正，應(yīng)根據(jù)所在地區(qū)特點(diǎn)、建立統(tǒng)計(jì)關(guān)系時(shí)的具體情況決定。國內(nèi)一些學(xué)者[4-5]對(duì)不同直徑鉆桿配置下標(biāo)貫錘擊能量比特征進(jìn)行分析，計(jì)算出實(shí)際錘擊能量與理論錘擊能量的能量比，指出不同直徑的鉆桿、錘擊能量比的差異總體上不大。符濱等[6]結(jié)合工程實(shí)例，基于標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)對(duì)國內(nèi)外砂土液化判別法進(jìn)行對(duì)比分析，指出我國現(xiàn)有規(guī)范是基于工程的經(jīng)驗(yàn)方法，未考慮標(biāo)貫?zāi)芰繐p失和上覆土壓力對(duì)標(biāo)貫擊數(shù)的影響，存在著不足之處。此外，我國缺乏利用SPT-N值獲取樁基參數(shù)統(tǒng)一的計(jì)算方法。

一些經(jīng)濟(jì)相對(duì)落后的國家或地區(qū)，勘察方法也比較落后，同時(shí)缺乏適應(yīng)所在國的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，業(yè)主方只能選用如BS EN或ASTM一些國際通用規(guī)范，但屬地資源配置又往往達(dá)不到以上標(biāo)準(zhǔn)的要求，對(duì)于項(xiàng)目所在地緬甸，便是如此。業(yè)主方明確要求，巖土工程勘察工作應(yīng)執(zhí)行ASTM D1586—2008用于指導(dǎo)現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)參數(shù)應(yīng)按照國外巖土工程手冊(cè)進(jìn)行計(jì)算，不可直接選取。因此，有必要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)進(jìn)行分析研究，并選擇合理的修正公式和計(jì)算方法。中外標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的原理、方法、過程、數(shù)據(jù)和能源效率存在一定的差異[7]，提出現(xiàn)行的歐美標(biāo)準(zhǔn)中要求將實(shí)測(cè)SPT-N值通過修正轉(zhuǎn)化為歸一化SPT-N值，采用Skempton等建議的修正方法或其變種公式，而我國現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)只考慮桿長修正，造成SPT-N值的不可靠性[8]。通常經(jīng)驗(yàn)校正方法是假定裝置系統(tǒng)僅傳遞60%的能量，再考慮覆蓋層自重壓力和能量損失的影響，校正后的擊數(shù)為N60。

1 場地巖土工程地質(zhì)條件

根據(jù)鉆探揭露、土工實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場調(diào)查，勘察深度內(nèi)地層主要由吹填土（）及第四系沖積層（）組成。依據(jù)地層形成的地質(zhì)時(shí)代、成因、地層巖性、物理力學(xué)性質(zhì)的不同，在勘探深度內(nèi)將場地地層巖性自上而下共劃分為6個(gè)工程地質(zhì)層，遵循 ASTM D2487—2011[9]和 ASTM D2488—2009[10]。各土層主要工程特征見表1。勘察期間，在孔內(nèi)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，記錄各土層SPT-N值，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表2；在各土層中采取擾動(dòng)土樣，進(jìn)行常規(guī)的室內(nèi)試驗(yàn)，結(jié)果見表3。

表1 各土層主要工程特征Tab.1 Main engineering features of each soil layer

根據(jù)以上勘察資料，建筑場地地表下主要為黏性土、粉土和砂土，厚度較大。從建筑場地地基土的埋藏特征、工程特性及上部荷載強(qiáng)度等方面綜合分析，罐區(qū)及附屬重要設(shè)備基礎(chǔ)宜使用樁基礎(chǔ)，因此，需要估算各土層樁的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值和極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值。

表2 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics of SPT-Nvalue results

表3 土工試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test results of soil engineering

2 樁基參數(shù)計(jì)算

目前，按照我國現(xiàn)行JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》，樁基參數(shù)宜通過樁基靜載試驗(yàn)確定；勘察期間，可按靜力觸探法和經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法確定。由于現(xiàn)場缺乏靜力觸探試驗(yàn)設(shè)備資源，參考JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[12]，樁基參數(shù)根據(jù)土的物理指標(biāo)與承載力參數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系確定（表 4）。

由表4可知，土的定名、室內(nèi)試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)均執(zhí)行ASTM標(biāo)準(zhǔn)，土的定名和分類與我國普通采用的工程分類有所區(qū)別。此外，JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》［9］是依據(jù)我國工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)而成，不能代表國外工程場地。因此，有必要利用國外相關(guān)巖土工程勘察標(biāo)準(zhǔn)或手冊(cè)，選用被業(yè)主方認(rèn)可的計(jì)算公式確定樁基參數(shù)，并應(yīng)通過試樁校驗(yàn)參數(shù)。

表4 樁基參數(shù)建議值Tab.4 Recommended parameters of pile foundation

2.1 計(jì)算原則

樁基參數(shù)計(jì)算包括樁的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值qsik和樁的極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值qpk。根據(jù)土性分為黏性土和非黏性土，以下為選用的基本計(jì)算原則。

2.1.1 樁的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值qsik

黏性土。按靜力計(jì)算，選擇α法[13]。該方法由Tomlinson(1957)[14]提出，他指出黏性土樁側(cè)阻力與土的不排水抗剪強(qiáng)度有直接關(guān)系，其表達(dá)式為

式中：α為黏聚系數(shù)（圖1），該曲線針對(duì)預(yù)制樁提供；Cu為不排水剪切強(qiáng)度，kPa。

Terzaghi和Peck（1967）提出標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)實(shí)測(cè)值SPT-N與不排水剪切強(qiáng)度的關(guān)系[15]。Sowers（1979）根據(jù)土的狀態(tài)建立起實(shí)測(cè)值SPT-N與不排水剪切強(qiáng)度的關(guān)系[16]（圖2），推薦：對(duì)于高塑性黏土，Cu≈4N；對(duì)于低塑性黏土，Cu≈15N。

圖1 黏性土黏聚系數(shù)關(guān)系曲線（Tomlinson，1957）Fig.1 Relation curve of cohesion coefficient of clay soil（Tomlinson，1957）

非黏性土。對(duì)于非黏性土，樁的極限側(cè)阻力與土層側(cè)壓力系數(shù)、上覆有效壓力和內(nèi)摩擦角存在必然聯(lián)系，可按式（2）計(jì)算側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值[17]

式中：K為側(cè)向土壓力系數(shù)；σvo為上覆土層自重壓力，kPa； δ為樁土間內(nèi)摩擦角，（°）。

圖2 SPT-N值與不排水剪切強(qiáng)度關(guān)系Fig 2.Relationship between SPT-Nvalue and un-drained shear strength

其中， K隨深度不同而變化。Broms（1965）按樁形提出的K與修正的SPT-N值和 δ之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系[18]見表5。

表5 側(cè)向土壓力系數(shù)建議（Broms，1965）Tab.5 Recommended values of lateral soil pressure cofficient（Broms，1965）

對(duì)于中密的非黏性土（10≤SPT-N≤30），可取差值計(jì)算?？紤]到樁身軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，各個(gè)方向側(cè)壓力均相等，因此，為便于計(jì)算，K取靜止土壓力系數(shù)計(jì)算，按式（3）取值

式中：K0為靜止土壓力系數(shù)；φ為有效內(nèi)摩擦角，通過修正的SPT-N值確定（圖3）。

如前所述，我國對(duì)于SPT-N值的修正只考慮了桿長的修正，修正是以牛頓碰撞理論為基礎(chǔ)的。當(dāng)桿長超過21 m后，其質(zhì)量遠(yuǎn)超落錘質(zhì)量，按碰撞理論計(jì)算誤差很大[19]。國際上通常使用能量校正、桿長修正和上覆壓力修正后的標(biāo)貫值，該修正方法最初由Skempton提出，Robertson&Wride（1997）進(jìn)行完善，以此為據(jù)，最終英國（BS）、歐洲（EN）及國際（ISO）均將其納入標(biāo)準(zhǔn)化［20］，修正公式如下

式中：Er為落錘能量效率比，按Donut錘-自由落體，修正值取1.0；λ為桿長修正系數(shù)，參數(shù)取值見表6；Cn為上覆壓力修正，其中對(duì)于正常固結(jié)砂N為實(shí)測(cè)標(biāo)貫擊數(shù)，即實(shí)測(cè)SPTN值。

圖3 無黏性土有效內(nèi)摩擦角和修正的SPT-N值的關(guān)系(Peck,Hanson and Thornburn)Fig.3 Relation between correctedN-value and the effective angle of internal friction for cohesionless soils（Peck,Hanson and Thornburn）

表6 修正系數(shù)建議值（BS EN ISO 22476-3）Tab.6 Recommended values of correction factor（BS EN ISO 22476-3）

2.1.2 樁的極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值qpk

黏性土。對(duì)于飽和黏性土，內(nèi)摩擦角趨于0。Skempton（1951）[21]提出，地基土承載力與基礎(chǔ)尺寸、黏性土不排水抗剪強(qiáng)度和上覆壓力具有如下關(guān)系，即

式中： Nc為承載力系數(shù)，由Skempton（1951）提出，其與基礎(chǔ)尺寸間的關(guān)系見圖4。

非黏性土。對(duì)于非黏性土，Tomlison（1986）參考Berezansev（1961）提出的承載力系數(shù)，針對(duì)密實(shí)砂土，樁的極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值可由下式求得

其中：Nq為承載力系數(shù)，由Berezansev（1961）提出，與內(nèi)摩擦角和長徑比有關(guān)，其中內(nèi)摩擦角通過修正的SPT-N值估算（圖5）。

圖4 黏性土不排水剪切強(qiáng)度分析中承載力系數(shù)Nc（L、B、H分別為基礎(chǔ)長度、寬度、埋深）(Skempton,1951)Fig.4 Bearing capacity factor,Ncfor un-drained shear strength analysis in cohesive soil（Skempton,1951）

圖5 Berezansev承載力系數(shù)（L、d分別為樁長、樁徑）(Tomlison,1986)Fig.5 Berezantsev's Bearing Capacity Factor（Tomlison,1986）

2.2 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)以上計(jì)算過程，得出場地各土層樁基參數(shù)如表7、表8、表9、表10所示。

表7 黏性土層樁的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算結(jié)果Tab.7 Standard value calculation results of limit shaft resistance in friction in cohesive soil layer pile

表8 非黏性土層樁的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算結(jié)果Tab.8 Standard value calculation results of limit shaft resistance in friction in cohesionless soil layer pile

通過以上計(jì)算分析，相比表4中我國的經(jīng)驗(yàn)取值，上述樁基參數(shù)的計(jì)算過程中考慮了地層巖性、標(biāo)貫擊數(shù)、上覆壓力等因素，計(jì)算原則在國外得到普遍認(rèn)可和接受。以此參數(shù)為據(jù)進(jìn)行樁基設(shè)計(jì)后，經(jīng)過樁基靜載荷試驗(yàn)驗(yàn)證，該參數(shù)能夠較為準(zhǔn)確地反映場地土力學(xué)性質(zhì)，比較符合實(shí)際情況，應(yīng)用到實(shí)際工程中是可行的。

表9 黏性土層樁的極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算結(jié)果Tab.9 Standard value calculation results of limit end bearing in cohesive soil layer pile

表10 非黏性土層樁的極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算結(jié)果Tab.10 Standard value calculation results of limit end bearing in cohesionless soil layer pile

3 結(jié)論

（1） 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)作為一種重要的原位測(cè)試方法，雖然成果受外界影響較大，但在國內(nèi)外巖土工程勘察行業(yè)中應(yīng)用十分普遍，尤其是經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)國家。我國規(guī)范中按牛頓碰撞原理僅進(jìn)行了桿長修正，某些參數(shù)直接通過SPT-N實(shí)測(cè)值查表選用，雖然在國內(nèi)被接受，但確實(shí)具有顯著局限性，相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)表格難以被國際項(xiàng)目業(yè)主認(rèn)可。

（2）國外標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)多是基于能量傳遞原則，對(duì)標(biāo)貫設(shè)備進(jìn)行能量標(biāo)定，再進(jìn)行諸如桿長和上覆壓力等修正，計(jì)算公式已經(jīng)納入到EN、ISO等國際標(biāo)準(zhǔn)范疇，在非黏性土的參數(shù)選擇方面已被廣泛使用。

（3）樁基參數(shù)的選擇根本上是利用SPT-N值轉(zhuǎn)換為樁基參數(shù)的輸入值，包括黏性土的不排水剪切強(qiáng)度、非黏性土的內(nèi)摩擦角，實(shí)則仍屬于經(jīng)驗(yàn)的范疇。因此，在條件允許的情況下，應(yīng)選擇其他的原位測(cè)試方法和土工試驗(yàn)方法，進(jìn)行充分的對(duì)比和分析，以選擇最貼近實(shí)際的設(shè)計(jì)參數(shù)值。

（4）以上計(jì)算過程仍存在一些問題：首先，標(biāo)貫試驗(yàn)前，標(biāo)貫設(shè)備應(yīng)先進(jìn)行落錘能力效率化標(biāo)定，落錘能力效率化一般使用儀表應(yīng)變計(jì)和加速表進(jìn)行測(cè)定，同時(shí)應(yīng)具備錘墊下方鉆桿Er值的校正證明文件；其次，我國在樁基設(shè)計(jì)中，習(xí)慣按土層提供樁基參數(shù)建議值，這樣并不符合實(shí)際，即使相同土層，不同深度處的參數(shù)實(shí)則不同。對(duì)此，國外通常按不同樁形和尺寸分鉆孔、分厚度計(jì)算樁基承載力，供設(shè)計(jì)參考。

（5）鑒于目前中外工程合作趨于緊密，應(yīng)從標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、程序等多方面繼續(xù)深入研究國內(nèi)外工程異同，取長補(bǔ)短，以便更好地與世界接軌。