分析巖土工程勘察中標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)（SPT）的N 值運(yùn)用及校正

張宗聯(lián)

（泉州水務(wù)工程建設(shè)集團(tuán)有限公司，福建 泉州 362000）

1 引言

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)（SPT）是一種原位勘察手段，它用質(zhì)量為63.5kg 的重錘按照規(guī)定的落距（76cm）自由下落，將貫入器打入地層，根據(jù)貫入器在土層貫入深度（一般為30cm）得到的錘擊數(shù)來(lái)判定土層力學(xué)性質(zhì)【1】。這種測(cè)試方法應(yīng)用普遍，適用于砂土、粉土和一般黏性土【2】。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)簡(jiǎn)稱為標(biāo)貫，其探頭是一個(gè)空心貫入器，試驗(yàn)過(guò)程中還可以取土。標(biāo)貫試驗(yàn)在國(guó)內(nèi)外運(yùn)用廣泛，是一種重要的土工原位測(cè)試技術(shù)。具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）設(shè)備堅(jiān)固、簡(jiǎn)單、耐用；（2）易掌握操作及測(cè)試方法；（3）適應(yīng)廣泛，適用于砂土、粉土及一般黏性土；（4）標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)可同時(shí)取樣，方便直接觀察和描述土層情況；（5）運(yùn)用歷史悠久，在此基礎(chǔ)上積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，是巖土工程勘察中不可缺少的一項(xiàng)野外現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法。

2 標(biāo)貫擊數(shù)影響因素及成果運(yùn)用

2.1 試驗(yàn)影響因素

1）鉆進(jìn)方法：試驗(yàn)前，選擇回轉(zhuǎn)還是沖擊鉆進(jìn)，N 值將不同，在砂層中這種差別明顯；有文獻(xiàn)資料顯示，這種誤差可達(dá)20%左右。故建議在土層中試驗(yàn)前選擇回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，砂層中選擇泥漿護(hù)壁。

2）試驗(yàn)設(shè)備的連接：部件之間如絲扣或接頭部位松動(dòng)，將增大N 值。

3）貫入器的完整性：貫入器靴刃口部位殘缺或變形，將增大N 值。

4）貫入深度：當(dāng)鉆孔出現(xiàn)縮孔甚至坍塌，貫入深度會(huì)加大，將造成貫入試驗(yàn)器械的阻力加大，使N 值增大。為保證試驗(yàn)精度須保持孔底干凈不擾動(dòng)。

5）鉆桿垂直度：鉆桿傾斜時(shí)，會(huì)與孔壁產(chǎn)生摩擦，貫入器的打擊能量減小，將出現(xiàn)N 值偏大的傾向。歐洲標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，鉆桿間隔一定長(zhǎng)度應(yīng)考慮此類因素影響，要設(shè)置導(dǎo)正裝置。我國(guó)現(xiàn)有規(guī)范無(wú)此規(guī)定，為避免出現(xiàn)鉆桿傾斜，建議在試驗(yàn)時(shí)人工導(dǎo)正。

6）桿長(zhǎng)因素：隨著桿長(zhǎng)的加大，錘擊能量在傳遞到貫入器的過(guò)程中出現(xiàn)衰減。

7）上覆土壓力：隨著土層中上覆壓力的增大，試驗(yàn)深度處土的圍壓對(duì)試驗(yàn)成果的影響，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)相應(yīng)增大

8）地下水：地下水位以下，土顆粒受到浮力影響，有效應(yīng)力小于總應(yīng)力。判斷液化時(shí)，對(duì)于水利水運(yùn)工程，應(yīng)以工程運(yùn)行后的地下水位來(lái)考慮標(biāo)貫值的修正。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果的運(yùn)用

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)有著廣泛的運(yùn)用，例如，確定地基承載力、確定土的抗剪強(qiáng)度、砂土的密實(shí)度、確定土的變形參數(shù)、確定黏性土的狀態(tài)和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、估算單樁承載力、計(jì)算剪切波速及評(píng)價(jià)砂土液化等。國(guó)標(biāo)GB 50021—2001《巖土工程勘察規(guī)范》（2009 年版）【3】3.3.9 條用未經(jīng)過(guò)校正的 N 值確定砂土的密實(shí)度。福建省標(biāo)地DBJ13-07—2006《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》【4】附錄C，用未經(jīng)過(guò)校正的N 值經(jīng)驗(yàn)關(guān)系確認(rèn)地基承載力。國(guó)標(biāo) GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（2016 年版）【5】4.3.4 條，用經(jīng)過(guò)地下水修正后的N 值，判定地基土液化。

除了規(guī)范推薦的N 值運(yùn)用外，國(guó)內(nèi)學(xué)者關(guān)于標(biāo)貫結(jié)果N值的運(yùn)用有諸多成果。

田麗麗【6】等通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)與靜力觸探指標(biāo)的對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)標(biāo)貫試驗(yàn)N 值與土層的錐尖阻力存在明顯的相關(guān)關(guān)系。對(duì)大量的數(shù)據(jù)采用SPSS 軟件進(jìn)行回歸分析后，發(fā)現(xiàn)理論值與實(shí)際值平均誤差為3.36%，絕對(duì)誤差為15.74%，驗(yàn)證結(jié)果總體理想。

劉俊龍【7】利用多個(gè)工程地基土的標(biāo)貫試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，提出了適合福州地區(qū)打入（靜壓）預(yù)制單樁極限承載力估算的經(jīng)驗(yàn)公式。經(jīng)過(guò)工程驗(yàn)證，表明利用標(biāo)貫擊數(shù)估算單樁極限承載力可獲得較高的精確度。

胡增輝【8】等通過(guò)對(duì)馬來(lái)西亞檳州第二跨海大橋的試驗(yàn)結(jié)果研究分析，利用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的N 值與黏性土的不排水抗剪強(qiáng)度值的相關(guān)性，提出了利用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的N 值確定黏性土的不排水抗剪強(qiáng)度，在實(shí)際運(yùn)用中獲得了良好的效果。

劉輝【9】分析研究了徐州市區(qū)從2006—2010 年的18 項(xiàng)工程的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)與土工試驗(yàn)資料，其中，土工試驗(yàn)共計(jì)1 731 組，標(biāo)貫試驗(yàn)1 277 次，發(fā)現(xiàn)標(biāo)貫與液性指數(shù)、壓縮模量、黏聚力及內(nèi)摩擦角均有較強(qiáng)的相關(guān)性，通過(guò)線性擬合，可建立基于標(biāo)貫擊數(shù)的各物理指標(biāo)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，相對(duì)偏差算術(shù)平均值均在10%以內(nèi)。

李兵【10】通過(guò)對(duì)某地區(qū)黏土的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，建立平均剪切波速度與標(biāo)貫擊數(shù)的關(guān)系，此關(guān)系能較好地指導(dǎo)當(dāng)?shù)乜辈臁?/p>

王崇艮【11】以珠江三角洲地區(qū)大量工點(diǎn)資料為基礎(chǔ)，采用線性回歸方法得到了標(biāo)貫擊數(shù)與黏性土液性指數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，結(jié)果表明有較高的可靠性。

3 標(biāo)貫擊數(shù)成果的校正

3.1 桿長(zhǎng)因素校正

福建省地標(biāo)DBJ13-84—2006《巖土工程勘察規(guī)范》【12】11.4.6 條文說(shuō)明規(guī)定，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的貫入深度不宜超過(guò)21m。同時(shí)規(guī)定，當(dāng)試驗(yàn)深度大于3m 時(shí)，實(shí)測(cè)錘擊數(shù)N′需按式（1）進(jìn)行鉆桿長(zhǎng)度修正：

式中，α 為修正系數(shù)，按表1 取值。

表1 桿長(zhǎng)與修正系數(shù)

桿長(zhǎng)與修正系數(shù)見(jiàn)表1，α 值并非實(shí)測(cè)值，而是根據(jù)牛頓彈性碰撞理論計(jì)算而得。由于桿長(zhǎng)超過(guò)21m 后，探桿系統(tǒng)質(zhì)量已超過(guò)落錘質(zhì)量的2 倍，根據(jù)碰撞理論，此時(shí)能量損失很大，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)已不適用，故規(guī)范規(guī)定桿長(zhǎng)修正限制為21m。但是，目前實(shí)際工程中標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的桿長(zhǎng)最長(zhǎng)已超過(guò)100m，試驗(yàn)成果N 值仍能較好地反映土層的力學(xué)性質(zhì)的變化【13】。現(xiàn)代高層建筑工程項(xiàng)目勘察中，標(biāo)貫桿長(zhǎng)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)21m。GB 50021—2001《巖土工程勘察規(guī)范》（2009 年版）10.5.5 條 1 款條文說(shuō)明，錘擊傳輸給桿件的能量變化遠(yuǎn)大于桿長(zhǎng)變化能量的衰減，故建議不作桿長(zhǎng)修正的N 值是基本數(shù)值，運(yùn)用時(shí)再根據(jù)情況考慮是否修正，用何種方法修正。GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》【14】4.1.8 條條文說(shuō)明，勘察報(bào)告應(yīng)該提供未經(jīng)修正的實(shí)測(cè)值，這是基本數(shù)據(jù)，然后根據(jù)當(dāng)時(shí)積累資料統(tǒng)計(jì)分析時(shí)的具體情況，確定是否需要修正。

福建省地標(biāo)DBJ13-84—2006《巖土工程勘察規(guī)范》的11.4.6 條文說(shuō)明中表明，式（1）來(lái)自GBJ 7—1989《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》，本規(guī)范已被GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》取代，而新規(guī)范未對(duì)桿長(zhǎng)修正作任何規(guī)定。新修訂的規(guī)范不對(duì)桿長(zhǎng)修正作任何規(guī)定，這并不意味著對(duì)桿長(zhǎng)修訂的肯定與否定，而是把桿長(zhǎng)問(wèn)題留給學(xué)術(shù)界、工程界繼續(xù)研究，以得到更完善的修正公式。

由于撞擊碰撞理論不能很好地解釋桿長(zhǎng)修正帶來(lái)的標(biāo)貫擊數(shù)變化，西方國(guó)家普遍采用能量撞擊傳輸衰變理論解釋桿長(zhǎng)帶來(lái)標(biāo)貫擊數(shù)變化的影響。采用修正后的能量因子為60%時(shí)對(duì)應(yīng)標(biāo)貫修正值N60及能量因子為60%時(shí)換算成上覆應(yīng)力為100kPa 時(shí)的標(biāo)貫修正值（N1）60換算成黏性土或砂土指標(biāo)【15】。

式中，Ni為相應(yīng)于能量比為ERi的實(shí)測(cè)錘擊數(shù)，擊；ERi為實(shí)測(cè)應(yīng)力波能量比，%；N60為修正為標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力波能量比的標(biāo)貫擊數(shù)，擊。

3.2 土的自重影響校正

國(guó)內(nèi)規(guī)范較少對(duì)此項(xiàng)進(jìn)行校正。歐美國(guó)家有較多研究，隨著貫入深度增大，試驗(yàn)深度處土的圍壓及土層中上覆壓力將增大，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)相應(yīng)增大，標(biāo)貫擊數(shù)應(yīng)采用式（3）進(jìn)行修正：

式中，N1為修正為上覆壓力σv0=100kPa 的錘擊數(shù)，擊；N 為實(shí)測(cè)錘擊數(shù)，擊；cN為上覆土壓力修正系數(shù)。

3.3 地下水位的影響校正

水利水運(yùn)項(xiàng)因工程運(yùn)行時(shí)，地下水位會(huì)發(fā)生變化。在評(píng)價(jià)時(shí)候應(yīng)按工程運(yùn)行后的地下水位來(lái)考慮。GB 50487—2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》【16】附錄P0.4 條規(guī)定，在液化判定中，標(biāo)貫擊數(shù)應(yīng)修正。

式中，N′為實(shí)測(cè)標(biāo)貫錘擊數(shù)；ds為工程運(yùn)用時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)貫入點(diǎn)在當(dāng)時(shí)地面以下的深度，m；dw為工程運(yùn)用時(shí)，地下水位在當(dāng)時(shí)地面以下的深度，m，當(dāng)?shù)孛嫜蜎](méi)于水面以下時(shí)，dw取0為標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)貫入點(diǎn)在當(dāng)時(shí)地面以下的深度，m′為標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)時(shí)，地下水位在當(dāng)時(shí)地面以下的深度，當(dāng)?shù)孛嫜蜎](méi)于水面以下時(shí)，取0。

校正后標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)和實(shí)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)均不進(jìn)行樁桿長(zhǎng)度校正。

水利港口航運(yùn)工程中，發(fā)現(xiàn)對(duì)于地下水位下的中粗砂實(shí)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)增加5 擊計(jì)算，比較符合工程的實(shí)際，也有砂粒在地下水位下的浮力和動(dòng)力作用的理論依據(jù)。JST 147-1—2010《港口工程地基規(guī)范》【17】4.2.7 條及水運(yùn)行標(biāo) JTS 133—2013《水運(yùn)工程巖土勘察規(guī)范》【18】4.2.11 條規(guī)定，當(dāng)用 N 值確定密實(shí)度Dr及內(nèi)摩擦角φ 值時(shí)，對(duì)地下水位以下的中、粗砂層的N 值宜按式（5）校正：

式中，N 為修正后的錘擊數(shù)，擊；N′為實(shí)測(cè)錘擊數(shù)，擊。

4 工程實(shí)例

本文收集泉州地區(qū)幾個(gè)實(shí)際項(xiàng)目中黏土實(shí)測(cè)標(biāo)貫擊數(shù)N（統(tǒng)計(jì)后的標(biāo)準(zhǔn)值）與室內(nèi)土工試驗(yàn)的壓縮模量Es進(jìn)行比對(duì)。標(biāo)貫擊數(shù)與壓縮模量見(jiàn)表2。

表2 標(biāo)貫擊數(shù)與壓縮模量

圖1 中可以得到標(biāo)貫擊數(shù)與土體壓縮模量有著明顯的相關(guān)關(guān)系。隨著標(biāo)貫擊數(shù)的增加，壓縮模量也增加。在樣本足夠多的情況下，可建立區(qū)域性的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，為區(qū)域工程建設(shè)提供相對(duì)可靠的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，定性了解土的物理性質(zhì)，縮短勘察周期，創(chuàng)造效益。

圖1 標(biāo)貫擊數(shù)與壓縮模量的關(guān)系

5 結(jié)語(yǔ)

標(biāo)貫作為一項(xiàng)簡(jiǎn)單實(shí)用的原位測(cè)試技術(shù)，在地質(zhì)勘察中得到廣泛的運(yùn)用，是勘察中不可取代的一項(xiàng)測(cè)試技術(shù)。除規(guī)范規(guī)定的標(biāo)貫成果運(yùn)用外，我國(guó)廣大的工程技術(shù)人員和科研工作者在長(zhǎng)期的工程實(shí)踐中，運(yùn)用標(biāo)貫成果估算單樁承載力、抗剪強(qiáng)度指標(biāo)等，在區(qū)域的工程實(shí)踐中取得比較好的效果。

運(yùn)用標(biāo)貫成果時(shí)，擊數(shù)如何進(jìn)行修正或是否需要修正，應(yīng)該首先考慮用標(biāo)貫擊數(shù)解決什么問(wèn)題，依據(jù)什么經(jīng)驗(yàn)作為背景，以及建立這些經(jīng)驗(yàn)式的基礎(chǔ)依據(jù)。例如，地基土液化中，用修正后的標(biāo)貫值得到了比較好的運(yùn)用。過(guò)去很多經(jīng)驗(yàn)公式關(guān)系式是基于標(biāo)貫桿長(zhǎng)修正后的擊數(shù)。新修訂的規(guī)范，對(duì)桿長(zhǎng)的修訂未做任何規(guī)定，并不否認(rèn)桿長(zhǎng)修正的必要性，而是彈性碰撞理論不能解釋與實(shí)際工程結(jié)果的偏差，標(biāo)貫擊數(shù)如何修正以及怎么修正需要地質(zhì)勘察技術(shù)人員在實(shí)踐中不斷積累經(jīng)驗(yàn)，得到更寶貴的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。