中外标准对标准贯入试验规定之对比

吴晓东

(中土集团福州勘察设计研究院有限公司，福建福州 350013)

1 标准贯入试验简介

标准贯入试验(Standard penetration test，SPT):使用落锤将钻杆底部的对开管式贯入器打入钻孔底部的土中，取得土样，贯入300 mm所需的锤击数称为N值，与土体强度有关。

标准贯入试验已成为国内外应用最广泛的一种原位测试。最初其应用对象偏重于松散介质，但目前其应用范围已扩展到黏性土和风化岩。标准贯入试验的优点在于设备简单、操作方便、土层的适应性广，而且贯入器能带上扰动土样，可直接对土进行鉴别描述。SPT指标N值应用领域十分广泛，可用于确定砂土的密实度、黏性土的状态、地基土承载力、砂土液化判别、桩基承载力等。

欧美现行标准贯入试验标准为:

(1)欧洲标准EN ISO 22476—3:2005《岩土工程勘察与测试-原位测试-第3部分:标准贯入试验》;

(2)美国ASTM标准 D1586—11《标准贯入试验方法》。

2 设备规格及适用范围对比

各主要标准规定的设备规格见表1，适用范围见表2，可以看出欧美标准规定的设备规格及适用范围与我国现行标准基本类似。ASTM标准下刃口厚度及管靴长度与其他标准有所差异且未明确钻杆相对弯曲的限值;而欧洲标准对钻杆重量进行了限制，且规定在砾砂中可使用60°实心圆锥头来代替管靴，此时试验应标示为SPT(C)。

表1 标准贯入试验设备规格对比

3 标准贯入试验技术要求对比

表3列出了各标准对标准贯入试验的技术要求，各标准间差异并不大。在钻孔制备上均要求清孔、避免孔底扰动、保持孔内水位高于地下水位等;在操作步骤上，在预打15 cm之后，中国标准要求按每打入10 cm记录锤击数，而欧美标准均要求按每打入15 cm记录锤击数，如果贯入器置于孔底后在静重作用下发生了下沉，欧美标准则还要求记录相应下沉量;在试验提前终止规定上，ASTM标准相对要求较高。

表2 标准贯入试验适用范围

表3 标准贯入试验技术要求对比

4 标准贯入试验N值修正对比

4.1 影响标准贯入试验N值的主要因素

影响标准贯入试验N值的因素很多，试验步骤、操作者技能、贯入器规格、落锤系统(包括落锤、锤垫、落锤释放装置)、钻杆类型、钻杆长度、钻杆垂直度、贯入器有无内衬、钻进方法、钻孔直径、锤击速率等均可能对N值产生影响。

对试验步骤、贯入器规格、钻杆类型、钻进方法、锤击速率等可通过技术标准来统一，但仍然还存在许多因素可能造成N值的不确定性，目前欧美学者普遍认为由于落锤系统类型不同导致传输给钻杆的锤击能量上的变异性是导致N值变动的最主要因素。

4.2 标准贯入试验N值修正的发展及现状

(1)地下水位修正

Terzaghi＆Peck(1953)提出有效粒径d10在0.1～0.05 mm范围内的饱和粉、细纱，当其密度大于某一临界密度时，贯入阻力将会偏大，相应于此临界密度的标准贯入击数为15，故在此类砂土中贯入击数N大于15时，应按下式进行修正。

目前在工程实践中已基本不再进行该类修正。

(2)杆长修正

传统上我国工程界只考虑对N值进行杆长修正，原地基基础设计规范(GBJ 7-89)规定最大杆长校正长度21m，对应于该长度的系数为0.7(见表4)，事实上该系数表沿用的是更早的74规范，αL的值系以牛顿碰撞理论为基础算得。修正限制为21m，是由于杆长超过21m后，探杆系统质量已超过落锤质量的2倍，按碰撞理论其能量损失已很大，标准贯入试验已不适用。但实际使用深度已远超过21m，最大深度已达100m以上。

表4 GBJ7—89杆长修正系数

日本工业标准(JIS A 1219—1961)中规定，当杆长大于20m时，杆长修正系数αL=1.06-0.003L。

Schmertmann(1978)在Horida大学进行了SPT的应力波实测。实测成果表明当杆长超过6m后，在锤第一次跳开前，已有90%以上能量输入探杆。当杆长小于6m，输入能量有显著减小。

日本的Fuyuki(1981)采用在120m探杆上贴应变片测试的方法，发现在探杆末端冲击引起的波动量衰减很小。

第一届国际触探试验会议(ISOPT-1，1988)推荐的SPT试验规程以弹性杆件弹性波动理论为基础，得到杆长修正系数αL值见表5。

表5 ISOPT建议的杆长修正系数

近期国际上主流看法均认为弹性波动理论更好地符合现场实测数据，按弹性杆件弹性波的波动理论，当杆长小于10m时，随着杆长的增加，有效能量逐渐增大，超过10m后趋于定值。Skempton等研究者提出的杆长修正系数建议值如表6。

表6 Skempton等建议的杆长修正系数

(3)上覆压力修正

Gibbs＆Holtz于1957年最先提出砂土N值受有效上覆压力影响，应对N值进行相应修正

式中 N1——修正为有效上覆压力σ'

v=100 kPa时的锤击数;

N——实测SPT锤击数;

CN——上覆压力修正系数;

Gibbs＆Holtz建议的CN值被发现在用于均匀土层的底部时存在不足，此时贯入器因受下伏较硬地层影响而表现出偏高的锤击数，为此Liao和Whitman于1986年提出了目前被广泛接受的CN计算式。

不同研究者提出的CN值计算式见表7。

表7 上覆压力修正系数C N计算式

(4)锤击能量修正及落锤能量测定方法

ASTM D1586-11指出不同SPT设备及操作人员在毗邻钻孔的同一土层中所得的N值变动幅度可达到或超过100%，但是如果使用相同设备和人员则N值变异系数仅10%，因此测定不同落锤系统能量效率并将其标准化到某个基准能量效率比下是非常重要的。

落锤的能量效率比Er被定义为落锤实际传递给钻杆的能量与理论传递能量之比

式中Emea为落锤实际能量;Etho为落锤理论能力(Etho=474.5 J)。

最初Mohr采用的落锤能量效率比约为60%，而现行美国安全落锤能量效率比也与该值较接近，因此Seed等(1984)、Skempton(1986)等均建议将60%作为比较各种落锤系统能量效率的基准，锤击能量修正后的N值为

式中 N60——锤击能量修正后的锤击数;

Er——落锤能量效率比;

N——实测SPT锤击数;

常见落锤类型见图1。

图1 不同类型的落锤

EN ISO 22476—3附录B提供了落锤能量测定的建议方法，其与ASTM D4633《动力触探能量测量方法标准》规定的落锤能量测定方法基本相同，均是在锤垫和钻杆间加装附测量装置(应变计和加速度计)并连接至SPT分析仪，通过实测竖向加速度和变形并换算为相应的力和速度，最终得出传递到钻杆的能量。

(5)现行国际主流N值修正方法

Skempton(1986)建议对N值按下式进行修正

式中 N60——考虑不同设备和现场步骤而修正后的N值;

Er——落锤能量效率比;

CB——钻孔直径修正系数;

CS——取样器修正系数;

CR——杆长修正系数;

N——实测SPT锤击数;

相应修正系数见表8。

表8 Skempton建议的C B、C S、C R修正系数值______

Robertson＆Wride(1997)建议在式(5)的基础上加入上覆压力修正系数项CN，采用Liao＆Whitman(1986)的CN建议值，并定义最终得到的标准化 N值为

该方法在欧美被广泛接受并成为最主流的N值修正方法，近年新发表的N值与其他设计参数间的关系式通常基于(N1)60。

4.3 中国标准对SPT成果修正的规定

现行岩土工程勘察规范(GB50021—2001，2009版)规定:“应用N值时是否修正和如何修正，应根据建立统计关系时的具体规定而定”。该规范条文说明指出:“通过实测杆件的锤击应力波，发现锤击传输给杆件的能量变化远大于杆长变化时能量的衰减，故建议不作杆长修正的N值是基本的数值，考虑到过去建立的N值与土性参数、承载力的经验关系所用N值均经杆长修正，故对既往已有的经验公式或相关表格，应按其推出时的规定决定是否修正。勘察报告应提供不作杆长修正的N值，应用时再根据情况考虑修正或不修正，用何种方法修正”。

一般来说，当应用于国内既往已有的经验公式或表格时，应对N值需进行杆长修正，用于判别砂土液化、划分砂土密实度及划分花岗岩类残积土、全风化、强风化界限时不对N值进行修正。

4.4 欧洲标准对SPT成果修正的规定

欧洲岩土勘察规范(EN 1997—2:2007)规定应测定SPT设备能量效率比Er并应对N值采用适当的修正系数，对于砂土应考虑有效上覆压力影响及钻杆长度导致的能力损失，还要求考虑对开管是否使用内衬的影响。

欧洲标准贯入试验标准(EN ISO 22476—3)规定:如果N值将被用于基础的定量评价或用于成果对比，则所使用设备的能量效率比Er必须是已知的，应具有锤垫下方钻杆Er值的校正证明文件。该标准还规定:“N值可能随着试验仪器、操作模式及岩土工程条件而变，因此应考虑对其进行修正。”

EN ISO 22476—3附录A建议采用的N值修正方法基本沿用Skempton、Robertson＆Wride的建议(6)，但未纳入钻孔直径修正。

4.5 ASTM对SPT成果修正的规定

ASTM D1586《标准贯入试验方法》规定:当SPT被用于判定砂土液化时，应基于估计的或按ASTM D 4633规定实测的落锤能量，将N值修正为标准上覆压力水平下的值，ASTM D6066《确定用于液化潜势评估的砂土标准化贯入阻力试验规程》中规定N值修正步骤如下。

(1)杆长修正

当试验深度小于3m时，应将N值乘以0.75的修正系数。

(2)传输能量修正

式中:N是实测锤击数;Er是特定试验设备的能量效率比。

(3)上覆压力修正

式中，(N1)60是最终的标准化N值;CN一般采用Liao＆Whitman建议式，也可采用Skempton建议值。

ASTM D1586未对N值用于其他目的时的修正方法做出具体规定，目前北美工程实践中通常采用前述Skempton、Robertson ＆ Wride的建议(式6)。

5 结论

(1)现行欧美标准中SPT设备规格及试验技术要求与中国标准的规定基本相同，但在记录要求上存在较大差异。

(2)现行欧美标准均强调设备能量比Er的测定，并要求将实测的N值通过应用修正系数转化为标准化N值，主要采用 Skempton、Robertson＆ Wride建议的修正方法或其变种。而中国现行标准对此未作具体规定或建议，传统上中国对N值只考虑进行杆长修正。

(3)需要注意到的是，欧美大部分N值与土壤特性(相对密度、摩擦角)间的关系式是基于重锤系统传递60%能量的假定，在将N值应用于经验和半经验关系式时应谨慎选用N值的修正类型。一些关系式要求N值还需要为上覆压力而修正，即(N1)60，然而其他关系式可能只要求60%能量效率下的值即N60。

(4)为促进国内勘察定量化水平的提高，未来中国标准修订时可以考虑借鉴国外标准成熟经验，以期最大程度地降低N值的不可靠性。

［1］EN ISO 22476—3：2005，Geotechnical investigation and testing-Field testing-Part 3:Standard penetration test［S］

［2］ASTM D1586-11，Standard Test Method for Standard Penetration Test(SPT)and Split-Barrel Sampling of Soils［S］

［3］GB50021—2001 岩土工程勘察规范［S］.2009

［4］ASTM D6066—11，Practice for Determining the Normalized Penetration Resistance Testing of Sands for Evaluation of Liquefaction Potential［S］

［5］A.W.Skempton，Standard Penetration Test Procedures and the Effects in Sands of Overburden Pressure，Relative Density，Particle Size，Aging and Overconsolidation:Geotechnique［J］.1986，36(3):25447

［6］鲍晓东.深圳地区花岗岩残积土工程特性的研究［J］.铁道勘察，2004，30(2):7274

［7］李海波，等.红黏土地基压缩模量与标准贯入经验击数关系研究［J］.铁道勘察，2011，37(2):5557