常規(guī)動(dòng)力貫入試驗(yàn)錘擊能量測(cè)試及錘擊數(shù)相關(guān)性研究

劉偉珉 周福強(qiáng)

（山東巖土勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，山東 煙臺(tái) 264000）

0 引言

在密實(shí)的無(wú)黏性土中，獲取其物理力學(xué)參數(shù)十分困難，受到無(wú)黏性土的顆粒無(wú)黏結(jié)以及結(jié)構(gòu)易擾動(dòng)性影響，采取試樣的室內(nèi)試驗(yàn)方法基本無(wú)法獲得反映真實(shí)物理力學(xué)性質(zhì)的參數(shù)，只能對(duì)其進(jìn)行顆粒組成分析[1]。原位測(cè)試方法由于保存了無(wú)黏性土在天然狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)性、天然含水量和天然土壓力，因此測(cè)試數(shù)據(jù)更具有適用性[2]。重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)在很多的原為測(cè)試方法中具有便捷性、低成本性和理論成熟度高等優(yōu)點(diǎn)，因此在砂土、圓礫土和卵石土的原位測(cè)試中具有明顯優(yōu)勢(shì)[3]。目前大多數(shù)的重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)研究主要集中在工程應(yīng)用方面，對(duì)多方法的原位測(cè)試指標(biāo)參數(shù)關(guān)系研究較少，因此建立多源數(shù)據(jù)間的相互關(guān)系尤為重要。

1 工程概況

山東省煙臺(tái)市某建筑工程場(chǎng)地位于煙臺(tái)開(kāi)發(fā)區(qū)內(nèi)，項(xiàng)目地理位置優(yōu)越，場(chǎng)地南側(cè)為海濱路，北側(cè)北京中路。擬建建筑基本情況見(jiàn)表1，勘察包括1棟24層、1棟26層、2棟27層、1棟31層及3棟34層的住宅樓，3層商業(yè)綜合體和整體地下車庫(kù)，總建筑面積為206997.54m2。

表1 擬建建筑物基本情況

2 場(chǎng)區(qū)地層巖性及其工程特性

經(jīng)揭露，場(chǎng)區(qū)范圍內(nèi)地層巖土體大致有12層，依次為①素填土（Q4ml）、①-1雜填土（Q4ml）、②-1粉質(zhì)黏土（Q4al+mc）、②-2淤泥質(zhì)黏土（Q4mc）、②粉質(zhì)黏土（Q4al+mc）、③含礫中粗砂（Q4al+pl）、③-1粉質(zhì)黏土（Q4al+pl）、④粗礫砂（Q4al+pl）、④-1層粉質(zhì)黏土（Q4al+pl）、⑤強(qiáng)風(fēng)化云母片巖（上）（Pt1fg）、⑥強(qiáng)風(fēng)化云母片巖（下）（Pt1fg）、⑦中風(fēng)化云母片巖（Pt1fg）。其中，在③含礫中粗砂（Q4al+pl）、④粗礫砂（Q4al+pl）中進(jìn)行了重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)結(jié)果

③含礫中粗砂（Q4al+pl）在場(chǎng)區(qū)內(nèi)普遍分布，共計(jì)149個(gè)鉆孔揭露該層，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)孔共計(jì)55個(gè)，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)點(diǎn)為68個(gè)，重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)孔共計(jì)51個(gè)，重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)貫入深度為30.90m，于54個(gè)鉆孔中采取擾動(dòng)試樣59組。該層土厚度為0.50m～11.70m，平均6.07m，層底標(biāo)高為-13.44m～-0.54m，平均-7.81m，層底埋深為7.30m～22.00m，平均14.32m。④粗礫砂（Q4al+pl）在場(chǎng)區(qū)內(nèi)共計(jì)148個(gè)鉆孔揭露該層，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)孔共計(jì)50個(gè)，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)點(diǎn)為55個(gè)，重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)孔共計(jì)63個(gè)，重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)貫入深度為47.50m，于51個(gè)鉆孔中采取原狀試樣58組。該層土體厚度為1.20m～14.50m，平均6.90m，層底標(biāo)高為-20.77m～-10.65m，平均-15.23m，層底埋深為17.20m～29.60m，平均21.74m。

3 場(chǎng)區(qū)動(dòng)力觸探試驗(yàn)?zāi)芰繙y(cè)試及錘擊數(shù)相關(guān)性研究

3.1 場(chǎng)區(qū)動(dòng)力觸探試驗(yàn)?zāi)芰繙y(cè)試

在中密和密實(shí)的砂層中進(jìn)行重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)，主要試驗(yàn)方法是將動(dòng)力觸探探頭放入鉆孔中，并連接鉆桿至孔口，采用重錘對(duì)動(dòng)力觸探探頭進(jìn)行貫入，動(dòng)力觸探探頭的質(zhì)量為63.5kg，下落距離為76cm[4]。重型動(dòng)力觸探探頭的貫入深度、不同土層的錘擊數(shù)與動(dòng)力觸探重錘能量的傳遞率有關(guān)，當(dāng)在淺孔中試驗(yàn)時(shí)，由于鉆桿的長(zhǎng)度較短，能量傳遞較快，因此在單位錘擊下，重型動(dòng)力觸探探頭可以取得較大的貫入深度。當(dāng)在深孔中試驗(yàn)時(shí)，由于鉆桿的長(zhǎng)度較長(zhǎng)，能量大部分消耗在鉆桿與孔壁的摩擦上，能量傳遞較慢，因此在單位錘擊下，重型動(dòng)力觸探探頭的貫入深度較小[5]。為了衡量這種能量的傳遞效果，試驗(yàn)中在重錘下部增加了能量測(cè)試儀器，測(cè)試重錘下落沖擊過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)變和加速度，并通過(guò)換算得到重錘產(chǎn)生的能量傳遞率。進(jìn)行重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)時(shí)，能量測(cè)試傳感器的安裝方法如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)?zāi)芰繙y(cè)試

③含礫中粗砂與④粗礫砂的重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)的重錘能量傳遞率分布規(guī)律如圖2所示。從圖2可以看出，2層土的重錘能量傳遞率呈現(xiàn)明顯的不同，③含礫中粗砂的重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)的重錘能量傳遞率整體比④粗礫砂的大。在③含礫中粗砂中，最大能量傳遞率為89.95%，最小能量傳遞率為80.54%；而在④粗礫砂中，最大能量傳遞率為79.95%，最小能量傳遞率為70.23%。由此可見(jiàn)，在深度較大且粗顆粒含量較多的④粗礫砂中，重錘的能量傳遞較小。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)?zāi)芰繙y(cè)試

3.2 場(chǎng)區(qū)動(dòng)力觸探試驗(yàn)錘擊數(shù)相關(guān)性研究

結(jié)合場(chǎng)區(qū)巖土工程條件和現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，研究重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)錘擊數(shù)N63.5與標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)N之間的變化關(guān)系，結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，③含礫中粗砂與④粗礫砂的重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)錘擊數(shù)存在顯著差異，表現(xiàn)為相互分離。以135°的斜對(duì)角線為界限，③含礫中粗砂的重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)錘擊數(shù)散點(diǎn)主要分布在對(duì)角線下方，而④粗礫砂的重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)錘擊數(shù)散點(diǎn)主要分布在對(duì)角線上方。其中，③含礫中粗砂的重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)錘擊數(shù)的變化為6錘～20錘，而④粗礫砂的重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)錘擊數(shù)的變化為11錘～32錘。同樣地，③含礫中粗砂的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)范圍主要集中在16錘～44錘，而④粗礫砂的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)范圍主要集中在32錘～60錘，表明③含礫中粗砂與④粗礫砂之間具有明顯不同的物理力學(xué)性質(zhì)，盡管③含礫中粗砂和④粗礫砂均表現(xiàn)為中密～密實(shí)，級(jí)別良好，前者含有少量砂粒，后者則混有圓礫以及粒徑3cm～5cm的少量卵石，但是重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)仍可以較好地區(qū)分兩者之間的物性差異。從圖3還可以看出，盡管對(duì)重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)錘擊數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)單個(gè)參數(shù)而言，③含礫中粗砂和④粗礫砂這兩種不同土層具有明顯的分化，但兩個(gè)參數(shù)的比值具有較好的相關(guān)性。對(duì)各個(gè)樣本的重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)錘擊數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)比值進(jìn)行考察，結(jié)果如圖4所示。

圖3 重型定理觸探試驗(yàn)錘擊數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)的分布

從圖4可以看出，隨著樣本點(diǎn)的變化，③含礫中粗砂的重型動(dòng)力觸探錘擊數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)的比例值表現(xiàn)出不同程度的起伏變化，比值在0.87～6.27，平均值為2.58。相同地，④粗礫砂的重型動(dòng)力觸探錘擊數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)的比例值也表現(xiàn)出不同程度的起伏變化，比值在1.08～5.07，平均值為2.37。由此可見(jiàn)，不同土層的重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)錘擊數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)比值具有相近的比例值，進(jìn)一步表明兩種測(cè)試方法對(duì)土層力學(xué)性質(zhì)表征的準(zhǔn)確性。

圖4 重型定理觸探試驗(yàn)錘擊數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)的比值

對(duì)場(chǎng)區(qū)9個(gè)地震剪切波測(cè)孔數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并結(jié)合測(cè)孔內(nèi)各土層現(xiàn)場(chǎng)重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)錘擊數(shù)結(jié)果，研究重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)與地震剪切波速度的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，③含礫中粗砂的地震剪切波速度分布較為分散，④粗礫砂的地震剪切波速度分布較為集中，各土層的地質(zhì)剪切波速度呈現(xiàn)出一定的分層現(xiàn)象，④粗礫砂的地震剪切波速度比③層含礫中粗砂的地震剪切波速度大，也側(cè)面表明地震剪切波速度在一定程度上反映了巖土層的力學(xué)性質(zhì)。建立重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)錘擊數(shù)和地震剪切波速度的相互關(guān)系將有利于研究粗顆粒無(wú)黏性土的動(dòng)力學(xué)特征，為其地震評(píng)估和動(dòng)力計(jì)算提供依據(jù)。整體而言，隨著各巖土層重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)錘擊數(shù)的增加，巖土層的地震剪切波速度呈現(xiàn)對(duì)數(shù)增加的趨勢(shì)，兩者的相互關(guān)系如公式（1）所示。

圖5 重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)錘擊數(shù)與地震剪切波速度的擬合關(guān)系

式中：Vs為超聲波縱波速度，m/s；N63.5為實(shí)測(cè)重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)錘擊數(shù)，錘；R為擬合系數(shù)。

通過(guò)以上分析可知，在實(shí)際巖土工程勘察中，當(dāng)粗顆粒的砂層、砂礫層等難于取樣或者測(cè)試條件有限時(shí)，可以采取測(cè)試重型重力觸探試驗(yàn)錘擊數(shù)的方法預(yù)估土體的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)參數(shù)和地震剪切波速度，利用換算的標(biāo)貫參數(shù)可以劃分土體、求解土體的地基承載力，通過(guò)換算的地震剪切波速度可以評(píng)價(jià)砂土液化和場(chǎng)地類別劃分等。

4 結(jié)論

該文以山東省煙臺(tái)市某建筑工程巖土勘察項(xiàng)目為例，進(jìn)行了重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)以及地震剪切波試驗(yàn)測(cè)試，并研究參數(shù)相關(guān)性，得出的結(jié)論如下：1）③含礫中粗砂與④粗礫砂的重錘能量傳遞率呈現(xiàn)明顯不同。在③含礫中粗砂中，最大能量傳遞率為89.95%，最小能量傳遞率為80.54%；而在④粗礫砂中，最大能量傳遞率為79.95%，最小能量傳遞率為70.23%。2）③含礫中粗砂與④粗礫砂的重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)錘擊數(shù)呈現(xiàn)出明顯的分離現(xiàn)象，重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)錘擊數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)比值具有等比例的相互關(guān)系，利用此關(guān)系可以預(yù)估標(biāo)貫試驗(yàn)錘擊數(shù)。3）③含礫中粗砂的地震剪切波速度分布較為分散，④粗礫砂的地震剪切波速度分布較為集中。隨著各巖土層重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)錘擊數(shù)的增加，巖土層的地震剪切波速度呈現(xiàn)對(duì)數(shù)增加的趨勢(shì)，利用此關(guān)系可以預(yù)估土體的剪切波速度。