飽和砂土中不同鉆探工藝下SPT 擊數(shù)的關(guān)系研究

夏志遠(yuǎn)，聶莉琴，孟維一

（中航勘察設(shè)計研究院有限公司，北京 100098）

0 引言

影響標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)（SPT）擊數(shù)的因素很多，主要包括：試驗(yàn)設(shè)備，如標(biāo)貫頭刃口尺寸、鉆桿直徑、導(dǎo)向桿和自動脫鉤裝置等；鉆探成孔因素，如鉆探工藝、鉆孔直徑、鉆進(jìn)過程的時間效應(yīng)、泥漿濃度等；作業(yè)環(huán)境及操作工人的技術(shù)水平等［1］。前人對SPT 擊數(shù)的影響因素做過詳細(xì)研究分析，得出一系列有意義的結(jié)論［2-3］。在所有影響因素中，鉆探工藝的選擇對于SPT擊數(shù)的影響很大。張永生［4］認(rèn)為，“不同的鉆探工藝和成孔方法對孔內(nèi)巖土體擾動程度不同，導(dǎo)致了標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)測試結(jié)果也不相同”。本文通過對比在飽和砂層中兩種鉆探工藝在不同砂層中的SPT 擊數(shù)差異，建立了兩種鉆探工藝不同深度段各砂土的SPT 擊數(shù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式；同時通過靜力觸探試驗(yàn)（CPT）與SPT 對比，定量分析了兩種鉆探工藝對砂層的擾動程度。

1 工程概況

南昌贛江（南支）與撫河（故道）入湖尾閭河道之間的湖積沖積平原，地形平坦開闊。該區(qū)域地表一般為人工填土層、耕植土層、淤泥和淤泥質(zhì)土層，其下一般由第四紀(jì)沖積的黏性土、砂土和碎石土構(gòu)成，下伏基巖為第三紀(jì)泥質(zhì)粉砂巖。第四系上部黏性土層厚度一般6～10 m，其下為砂土，局部夾黏性土薄層。由于毗鄰贛江，周邊又有瑤湖等水系分布，因此地下水十分豐富，淺部砂土常年處于飽和狀態(tài)，豐水期承壓水頭高達(dá)4～6 m。

該區(qū)域鉆探最常用的鉆機(jī)為SH-30 型鉆機(jī)，鉆進(jìn)過程中采用套管護(hù)壁防止砂層坍塌。在飽和承壓砂土中采用SH-30 型鉆機(jī)進(jìn)行SPT 時，受壓力水頭及施工工藝（沖擊鉆進(jìn)）局限影響，套管底部砂層容易發(fā)生涌砂現(xiàn)象，需要不斷向套管內(nèi)注水，依靠水壓力阻止砂土上涌。但在實(shí)際施工過程中，單純靠水壓力很難完全抑制砂土上涌，因此在鉆進(jìn)過程中，飽和砂層受到擾動較大，導(dǎo)致做SPT 時，擊數(shù)不能客觀真實(shí)地反映地層實(shí)際密實(shí)度和力學(xué)性質(zhì)。采用XY-100 型鉆機(jī)，回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)過程中使用泥漿護(hù)壁，通過試驗(yàn)配比合適濃度的泥漿，利用泥漿重量平衡泥水壓力，可有效防止砂層上涌，在清底可靠的情況下進(jìn)行SPT，可以最大限度地減輕鉆進(jìn)過程中對砂層的擾動。但在實(shí)際鉆探施工過程中，考慮到時效性和施工成本等問題，該區(qū)域極少采用XY-100型鉆機(jī)，而大量采用SH-30型鉆機(jī)，導(dǎo)致SPT擊數(shù)與實(shí)際情況相比偏低。

因此，對飽和承壓砂土中兩種工藝的SPT 擊數(shù)進(jìn)行對比研究，并將沖擊鉆進(jìn)得到的SPT 擊數(shù)進(jìn)行修正，以得到更加客觀真實(shí)的SPT 擊數(shù)，用于判斷砂層的力學(xué)性質(zhì)，具有實(shí)際工程意義。

2 研究思路

對比兩種鉆探工藝的SPT 擊數(shù)，并采用靜力觸探試驗(yàn)（CPT）與SPT 做對比試驗(yàn)，用以判斷兩種鉆探工藝對砂層的擾動程度。

本次搜集研究區(qū)采用沖擊鉆進(jìn)進(jìn)行SPT 的項(xiàng)目11 項(xiàng)（包括試驗(yàn)區(qū)10 個鉆孔的試驗(yàn)數(shù)據(jù)），采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)進(jìn)行SPT 的項(xiàng)目12 項(xiàng)（包括試驗(yàn)區(qū)10 個鉆孔的試驗(yàn)數(shù)據(jù)），通過對比兩種鉆探工藝在同一深度范圍同一類砂土的SPT 擊數(shù)，得出兩種鉆探工藝的SPT 擊數(shù)差異。同時，在研究區(qū)選擇試驗(yàn)區(qū)做CPT，作為SPT 的對比試驗(yàn)，進(jìn)一步判斷兩種鉆探工藝對砂層的擾動程度。本次對砂土的研究深度控制在地表以下20 m深度范圍內(nèi)。

搜集的兩種鉆探工藝完成的項(xiàng)目均在同一區(qū)域內(nèi)，據(jù)對比兩種鉆探工藝所完成項(xiàng)目的地層分布情況可知，地層分布基本一致，鉆孔XK1、XK2缺失⑤、⑥、⑨層，見表1。區(qū)域典型工程地質(zhì)剖面如圖1所示。

表1 兩種鉆探工藝完成項(xiàng)目的地層分布對比Table 1.Comparison of layers with items completed by two drilling techniques

圖1 區(qū)域典型工程地質(zhì)剖面Figure 1.Typical section of regional engineering geology

為便于對比分析，按5～10 m、10～15 m 和15～20 m 三個埋深范圍分別對砂土SPT 擊數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計。兩種鉆探工藝在不同深度各類砂土的SPT 擊數(shù)統(tǒng)計結(jié)果見圖2、表2。

表2 兩種鉆探工藝SPT擊數(shù)統(tǒng)計Table 2.Statistics of SPT blow counts of two drilling techniques

圖2 SPT擊數(shù)和試驗(yàn)深度分布圖Figure 2.Distribution of SPT blow counts and depths

由表2 統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，兩種鉆探工藝的SPT 擊數(shù)具有較大差異，并體現(xiàn)出以下幾點(diǎn)規(guī)律：

（1）在同一深度、同類砂層中，沖擊鉆進(jìn)SPT 比回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的SPT 擊數(shù)普遍相對較低，體現(xiàn)出沖擊鉆進(jìn)對砂層的擾動程度高于回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。秦國華［5］認(rèn)為，“沖擊鉆進(jìn)利用鉆具自身重量沖擊破碎孔底實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)，對孔底土體施加的力是單向（軸向）的，對土體作用的過程是瞬間完成的，故對孔底土體的擾動作用十分顯著；而回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)則更多引起四周土體一定程度的應(yīng)力改變和塑性形變，而深度范圍內(nèi)軸向力的影響小得多。因此對于SPT 試驗(yàn)，回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)比沖擊鉆進(jìn)對孔底土體的擾動相對輕微，對SPT 擊數(shù)的影響也小得多”。因此，《巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50021—2001，2009年版）第10.5.3 條指出，“標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)孔采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)”，即是為了盡可能減少對孔底土的擾動［6］。

（2）沖擊鉆進(jìn)對粗顆粒砂土的擾動程度高于細(xì)顆粒砂土。粗顆粒砂土的工程性質(zhì)很大程度上取決于土的粒徑級配，而細(xì)顆粒土的工程性質(zhì)除了受粒徑級配影響，還與土粒的比表面積和礦物成分有密切關(guān)系。研究區(qū)細(xì)顆粒砂土中夾有大量黏性土，黏土顆粒的帶電性質(zhì)可以將細(xì)顆粒砂土吸附在一起，而粗顆粒砂土表面不具有帶電性質(zhì)，基本處于分散狀態(tài)，因此細(xì)顆粒砂土要比粗顆粒砂土更抗擾動。如埋深5～10 m范圍內(nèi)，兩種鉆探工藝在細(xì)砂層中的SPT 擊數(shù)平均值差值僅為1.7 擊，在粗砂層中的SPT 平均值差值達(dá)4.3擊。

（3）沖擊鉆進(jìn)對淺部砂土的SPT 擊數(shù)影響較大，隨著埋深增大，沖擊造成的影響越來越小，反映了上覆土層有效自重壓力隨著深度增加而增大，導(dǎo)致砂土自身密實(shí)度增大，沖擊鉆進(jìn)對砂土的擾動程度逐漸減小。如埋深5～10 m 范圍內(nèi)，兩種鉆探工藝在中砂層中的SPT 擊數(shù)平均值差值達(dá)3.2 擊，埋深15～20 m 范圍內(nèi)時，兩種鉆探工藝在中砂層中的SPT 數(shù)值僅0.9擊。

3 CPT與SPT對比分析

靜力觸探試驗(yàn)（CPT）與標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)（SPT）兩種原位測試方法的測試數(shù)據(jù)存在明顯的相關(guān)關(guān)系［7］。為進(jìn)一步分析兩種鉆探工藝對砂層的擾動程度，在研究區(qū)選取了10 個試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行靜力觸探試驗(yàn)（CPT）與標(biāo)準(zhǔn)貫入（SPT）試驗(yàn)，對比試驗(yàn)數(shù)據(jù)來判斷SPT 對砂層的擾動程度。

每個試驗(yàn)區(qū)分別采用SH-30型鉆機(jī)、XY-100型鉆機(jī)和靜力觸探設(shè)備進(jìn)行1 組試驗(yàn)，3 組試驗(yàn)位置呈等邊三角形布置，間距2 m，如圖3 所示。CPT 過程對地層的擾動很小，試驗(yàn)數(shù)據(jù)更能真實(shí)反映地層的密實(shí)度和物理力學(xué)性質(zhì)，因此可以將CPT 作為對比試驗(yàn)，利用CPT 和兩類鉆機(jī)的SPT 擊數(shù)按相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式計算單樁豎向極限承載力（Quk），并以CPT 數(shù)據(jù)計算的Quk作為參考基準(zhǔn)，通過對比SPT 和CPT 計算的Quk差值來分析判斷兩類鉆機(jī)鉆探工藝對砂層的擾動程度。

圖3 原位測試鉆孔布置示意圖Figure 3.Layout of in-situ test drilling

對試驗(yàn)區(qū)兩種鉆探工藝各自完成的10 個鉆孔的CPT 數(shù)據(jù)，分別采用Meyerhof 計算法和Schmertmann計算法［8-9］計算單樁極限承載力值；對試驗(yàn)區(qū)靜力觸探數(shù)據(jù)，采用《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94—2008）中的方法計算單樁極限承載力值［10］。

（1）Meyerhof計算法。根據(jù)Meyerhof（1976）計算公式：

式中：Quk為樁的極限承載力，kN；Ap為樁的斷面積，m2；As為樁身表面積，m2；N為樁尖附近的N平均值；為樁貫入深度內(nèi)的N的平均值單位，m。

研究區(qū)樁基施工采用錘擊式預(yù)制管樁，沉樁過程中排土量多，因此選擇公式（1）進(jìn)行計算。

（2）Schmertmann計算法。Schmertmann（1967）利用SPT 擊數(shù)分別確定樁周極限側(cè)阻力（qsik）和樁端極限端阻力（qpk）（表3），以確定樁的單樁極限承載力（Quk）。

表3 用N預(yù)估樁尖阻力和樁身阻力Table 3.Estimation of pile tip resistance and pile shaft resistance using blow counts N

（3）依據(jù)雙橋靜力觸探計算單樁極限承載力（《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》JGJ 94—2008）。

式中：Quk為樁的極限承載力，kN；u為樁身周長單位，m；li為樁周第i層土的厚度，m；fsi為第i層土的探頭平均側(cè)阻力，kPa；qc為樁端平面上、下探頭阻力，取樁端平面以上4d（d為樁的直徑或邊長）范圍內(nèi)按土層厚度的探頭阻力加權(quán)平均值，kPa，然后再和樁端平面以下1d范圍內(nèi)的探頭阻力進(jìn)行平均；α為樁端阻力修正系數(shù)，對于黏性土、粉土取2/3，飽和砂土取1/2；βi為第i層土樁側(cè)阻力綜合修正系數(shù)，黏性土、粉土的βi=10.04（fsi）?0.55，砂土的βi=5.05（fsi）?0.45。

依據(jù)以上計算方法得到的單樁極限承載力計算結(jié)果見表4。

表4 依據(jù)SPT擊數(shù)與CPT數(shù)據(jù)計算單樁極限承載力與數(shù)值比較Table 4.Calculation and numerical comparison of ultimate bearing capacity of single pile based on SPT hits and CPT data

從以上計算結(jié)果和數(shù)值比較可以得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識：

（1）同等條件下，回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)所得SPT 擊數(shù)計算的單樁極限承載力數(shù)值比沖擊鉆進(jìn)所得SPT 擊數(shù)計算的單樁極限承載力數(shù)值大8%～38%（10 個試驗(yàn)區(qū)，只有“試驗(yàn)區(qū)2”中沖擊鉆進(jìn)所得數(shù)值大于回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)所得數(shù)值）。

（2）利用CPT數(shù)據(jù)計算的單樁極限承載力數(shù)值比利用沖擊鉆進(jìn)所得SPT 擊數(shù)計算的單樁極限承載力數(shù)值大28%～68%，比利用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)所得SPT 擊數(shù)計算的單樁極限承載力數(shù)值為11%～45%，證明采用SPT 在飽和砂層進(jìn)行原位測試確實(shí)會對砂層造成一定程度的擾動，導(dǎo)致SPT 擊數(shù)偏低，進(jìn)而影響到單樁極限承載力數(shù)值計算的結(jié)果。

4 結(jié)束語

（1）在飽和砂層中采用沖擊鉆進(jìn)做SPT，對砂層的擾動很大，建議采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)進(jìn)行SPT，可明顯減少對砂層的擾動。

（2）沖擊鉆進(jìn)對粗顆粒砂土的擾動程度大于細(xì)顆粒砂土。

（3）沖擊鉆進(jìn)對淺部砂土的擾動影響較大，隨著埋深增大，沖擊造成的擾動影響越來越小。建議15 m深度以內(nèi)砂土，采用沖擊鉆進(jìn)進(jìn)行SPT 時所得擊數(shù)需修正后使用；埋深超過15 m時，可直接使用原始擊數(shù)。

（4）根據(jù)以上分析，給出該區(qū)域5～15 m 深度范圍內(nèi)不同類別砂土采用沖擊鉆進(jìn)進(jìn)行SPT 所得擊數(shù)修正建議見表5。修正擊數(shù)更接近回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時SPT所得擊數(shù)。

表5 各砂土中SH-30型鉆機(jī)SPT擊數(shù)修正建議Table 5.Correction suggestions for SPT blow counts in different sandy soils by using SH-30 drilling rig

（5）通過CPT 數(shù)據(jù)和SPT 數(shù)據(jù)對比可知，沖擊鉆進(jìn)和回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)均會對飽和砂層產(chǎn)生擾動，進(jìn)而影響SPT 擊數(shù)。鑒于本次研究CPT 試驗(yàn)數(shù)量較少，暫未建立CPT數(shù)據(jù)與兩類鉆探工藝下SPT 數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性，可在今后工作中進(jìn)一步研究。