关于标准贯入试验方法的探讨

2010-08-15曹庆霞

山西建筑 2010年4期

曹庆霞

0 引言

标准贯入试验(SPT)始于1921年,由美国雷蒙优混凝土桩公司加以发展,并由太沙基(K.Terzanghi),佩克(R.B.Peck)于 1948年公布于世,它在世界各国得到广泛的应用,其范围胜过其他野外原位测试方法。如美国1954年～1975年间,49个核电站的勘察中有40个使用标准贯入试验;日本初勘中90%的钻孔作了标准贯入试验;据日本(土与基础)杂志对23个国家的调查,75%以上的国家常用SPT法,特别是在美洲和亚洲。

我国是从20世纪70年代开始大规模的使用SPT,至今已有30多年的历史。目前在国内SPT已成为岩土工程勘察不可缺少的原位测试手段,其试验规格与试验方法同国际上的标准基本一致,在多年的理论研究和实践基础上,根据我国的工程地质条件特点,建立了SPT应用经验公式。

1 标准贯入试验(SPT)特点

随着SPT的广泛使用,人们从不同角度对SPT的优缺点有着不同的评述,但对以下几方面的SPT特点有着一致的认同:

1)设备简单,易操作,不需要进行专门的学习培训;2)试验不受地下水位的影响;3)人为因素对试验的影响较大;4)应用范围广泛,几乎所有的土层、砂层和软岩都适用;5)试验指标 N值在国内外通用。

经过多年的应用实践,已总结出大量的经验公式和地区经验。

另外,SPT在试验的同时,可以采取到样品,对贯入器内取出的样本,除观察描述其性状外,亦可进行含水量、塑、液限或颗(筛)分试验,为综合划分底层提供依据。有关试验设备的规格:采用的是英制单位,锤重140 ps相当于63.5 kg,落距30 in则对应于76 cm。

2 影响SPT的因素分析

试验N值的大小是土的结构、密度和状态等诸因素的综合反映,它应该是客观的,对同一土体指标应是唯一的,所谓唯一性,是指无论谁进行试验,其结果都应该相同或近似,这体现了标准贯入试验中“标准”的含义,否则 N值就失去了它的意义。

但是,在实际试验中我们看到,在同一场地某一特定土层,不同勘察单位甚至同一单位,试验结果N值都有差别,有的相差还比较大;分析其产生差别的原因,既有试验时边界条件的影响,也包括着多种人为因素。为了减少误差,提高试验精度,笔者认为以下十个方面的影响因素应引起足够的重视:

1)钻进方法:在试验的前一钻,冲击或是回转钻进,其 N值是不同的,这种差别在砂层中反映尤为明显;有资料显示,误差可达20%左右。所以,在土层中试验前应回转钻进,砂层中推荐泥浆护壁。

2)试验设备的安装:各部件丝扣之间连接应紧密,接头部位不可松动,否则将影响打击能量,进而减小N值。

3)贯入器:长时间使用后,或者在含卵砾石地层中打击,会出现贯入器靴刃口部位残缺或变形,在此情况下如继续使用将影响贯入度,人为增加击数。

4)贯入速度:受设备性能和操作熟练程度的控制。这种影响主要体现在饱和状态的粉土和粉细砂地层中。保持贯入速度控制在5 s/击～10 s/击,此速度对试验结果影响不大。

5)试验孔径:在常规钻探89 mm～146 mm孔径内进行试验时,该影响可忽略不计,但特殊情况下,如在基坑底表面试验,由于缺少上部超载,击数会偏小。

6)贯入深度:按标准要求,一次贯入的深度为15 cm预打和30 cm贯入,共计45 cm。但当试验孔出现坍塌或缩孔,贯入深度就要加大,造成试验器械的摩擦力和阻力加大,使击数增高。所以,保持孔底干净不扰动是保证试验精度的一个重要方面。

7)钻杆垂直度:当钻杆倾斜与孔壁产生摩擦时,会减小传至贯入器的打击能量,出现 N值偏大的倾向。欧洲标准(1997年)规定,钻杆间隔一定长度设置导正装置,而我国现有规程无此规定,所以,在试验时需要人工导正,避免出现钻杆倾斜。

8)钻杆的直径:日本的Koreede(1981年)对比了41 mm和50 mm两种直径钻杆的试验结果,美国的Brown(1997年)也对外径40 mm和60 mm的钻杆在不同的地层中进行了对比试验;两人研究的结果表明,使用该直径范围内的钻杆,对试验结果影响不大,可以忽略不计。我国目前对钻杆直径要求不一,原GB 50021-94岩土工程勘察规范规定42 mm,BKB03-93兵器工业系统规程认为42 mm或50 mm均可。综合以上研究结果和规定,为方便起见,试验时可直接使用42 mm/50 mm钻杆;但当试验深度较大(超过20 m)时,42 mm钻杆会发生挠曲,故推荐使用50 mm钻杆。

9)地下水:Terzaghi和Peck认为,对于有效粒径d10在0.1mm～0.05 mm范围内的饱和粉、细砂存在临界密度,对应的击数为15击。所以,在饱和粉细砂层进行SPT,当实测击数大于15击时,应将实测击数 N′校正为N,N=15+(N′-15)/2。

10)土的自重压力:上覆自重压力的影响反映在土体的结构、密度等基本性质中,在N值中已经有所体现。Peck(1974年)曾指出砂土自重压力对 N值有影响,校正公式为:N=CN◦N′,式中的CN为自重压力影响校正系数,是试验深度处砂土有效自重压力的函数。

3 杆长修正讨论

钻杆长度校正问题,国内外工程界一直存有争议,美国的Schmertmann(1979年)和日本的Fuyuki(1981年)分别采用波动方程模拟方式和在120 m探杆上贴应变片测试的方法,对该问题进行理论分析和模拟试验。前者的结论是:当探杆长度小于70 ft(21 m)时,波动能量传递的影响微不足道;后者认为:在探杆末端冲击引起的波动能量衰减很小;两人的结论均倾向于不进行杆长修正。但也有一些相反意见,如美国材料试验协会SPT专题研究组认为,传递给周围摩擦介质的能量一般与杆长成正比,就能量传递而言,长度是一个重要因素。

我国工程界主张进行杆长修正的主要是原GBJ 7-89地基基础设计规范(以后简称地基89规范),最大校正长度21 m,对应于该长度的系数为0.7,折减比较大。事实上,该系数表沿用的是更早的74规范,一般认为是基于牛顿弹性碰撞理论,之所以上限定在21 m,是因为该理论假设前提条件是总杆长质量不能大于落锤质量的 2倍。另外,日本工业标准(JIS A1219-1961)中规定,当杆长大于 20 m时,按1.06L～0.003L进行修正(L为杆长,m),该折减系数很小,几乎近于不修正。

另一方面,国外的一些学者基于弹性波波动理论得出相反的结论,他们认为:杆长与校正系数成正比,当杆长 L从3 m～15 m,校正系数从0.77趋向于常数1.0。而以Peck和Gibbs为代表的按上覆自重压力修正的方法将12 m定为临界深度,在该深度以内,校正系数大于1.0,超过临界深度后校正系数才小于1.0。

不主张进行杆长修正的有:GB 50011-2001建筑抗震设计规范;GB 50021-2001岩土工程勘察规范;DBJ 08-37-94上海市岩土工程勘察规范;DBJ 01-501-92北京地区建筑地基基础勘察设计规范;欧洲动力触探标准以及Terzaghi等。

从上述建议和规定可以看出,杆长修正与否以及如何修正存在各种不同的意见和主张,都有其各自的道理。在现行的国标中,取消了与N值有关的承载力表,是否修正已成为本行业面临的现实问题。目前,工程勘察界多数的倾向意见是,在所提交的勘察报告中,必须提供实测击数。对已有的经验公式或相关表格,按其推出时所规定是否修正为准,如果是修正后击数,则按相应的校正系数修正后使用,否则应采用实测击数。在与国外合作项目中,按国际惯例提供实测击数,并绘制附有 H—N关系曲线的钻孔柱状图。