标准贯入试验在中泰铁路中的应用与研究

李国圣

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津　300251)



标准贯入试验在中泰铁路中的应用与研究

李国圣

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300251)

中泰铁路作为国外重点项目，具有地质勘察时间紧、任务重、成本高的特点。标准贯入试验(SPT)作为一种操作简单，指标可靠易用的方法可有效解决上述问题。如何将国外操作工艺所获得的指标合理地运用到我国设计理念中，显得极为重要。从SPT的原理入手，通过对有国内成熟经验地区的SPT数据与地层主要物理力学指标的对比分析，而后结合该项目国内外的SPT对比试验数据进行数据拟合，得出SPT与常用物理力学指标之间的经验公式并将其应用于设计中。同时发现随着深度的增加，N泰相对N中来说数据偏大的现象愈加明显，并从钻探方法及SPT方法两个方面进行综合分析，最终得出SPT方法的优越性及日后应用中的注意事项和进一步的研究方向。

标准贯入试验；数据拟合；试验方法对比；经验公式

1　概述

标准贯入试验(SPT)是用质量为63.5 kg的重锤按照规定的落距(76 cm)自由下落，将标准规格的贯入器打入地层，根据贯入器在贯入一定深度得到的锤击数来判定土层的性质[1-3]。SPT本质上是属于动力触探的原位测试技术，该试验并不能直接测定地基基础设计所需的诸如压缩模量、孔隙比、地基承载力等物理力学指标，而更多的是通过与其他原位测试方法(如原位荷载试验)及室内土工试验的成果数据进行对比分析，建立起经验关系式。当积累了该地区成熟的经验之后，才可以通过SPT的试验结果推测土的物理力学指标，进而体现出其独特的优越性[4-6]。

2　中泰标准贯入试验方法对比

中泰铁路工程是我国政府在积极倡导国家“一带一路”战略的背景下所采取的重大举措，该条铁路将来会成为两国间人员往来、物资运输的重要通道，将为两国间的经济文化交流发展注入新的活力。

鉴于国外项目的特殊性，尤其是地质外业勘察时间紧、任务重、成本高，往往在铁路勘察设计成本中占有较大的比重。为了最大限度地节省勘察成本并提供较高精度的地质勘察资料，国外既有资料的利用成为了至关重要的问题。

泰国的勘察资料大多是执行ASTM(美国试验和材料协会)标准，注重SPT原位测试技术的应用，测试间距也多在1.0～1.5 m，对原状土样的采取相对较少。标准贯入试验除了设备简单、操作方便外，更大的优点在于它的指标简单、好用[6]。而国内的铁路工程地质勘察方法多重视原状土的室内土工试验数据，标准贯入试验只是作为辅助数据。所以国外勘察资料尤其是SPT试验的综合利用显得尤其重要。在数据分析之前，现将两国的SPT试验方法做一简要的对比分析。

(1)钻进方法对比

国内基本上采取回转钻进及取样器取样技术，最大限度地保证了进行SPT试验部位土的原状性。

泰国则多采用回转冲击钻进方法。通过扁铲型钻头进行地层破碎，并通过出水口以泥浆正循环的方式将地层破碎所造泥浆携带出孔进入沉淀池进行循环钻进。冲击频率及回转动力全由人工进行手动控制，此种方法对土的扰动性非常大。如图1、图2所示。

图1　泰国所用钻进钻头

图2　泰国所采用钻进方法

(2)标准贯入试验方法对比[7，8]

国际上现行基本落锤质量及落距均相同，均采用质量为63.5 kg、落距为76 cm。但在形状大小方面没有给出具体规定[9]。国内现行多采用自动脱钩的锤击法进行试验，并在贯入过程中尽量减少导向杆与锤之间的摩阻力。锤击速率应小于30击/min。预打入15 cm，不计锤击数，之后记录每打入10 cm的锤击数，最终累计30 cm的锤击数即为标准贯入锤击数N[9-10]。

泰国则采用手动落锤锤击法进行SPT试验，锤击深度同为45 cm，分成3段，以15 cm为一段分别进行计数，预打15 cm，同时记录锤击数，其下依次各打入15、15 cm共计30 cm的标贯击数之和为实际贯入击数N值。图3、图4为泰国标贯试验过程及钻探日志记录格式。

图3　泰国标准贯入试验方法

图4　泰国标准贯入试验记录格式

由图3可见，泰国落锤的锤形与国内所采用的不统一。经观察沿线其他泰国SPT试验发现，泰国本国的锤形也不尽统一。标贯器则基本上与中方相同，均采用国际上通用的标准[4]。

3　中泰标准贯入试验数据对比分析[11-13]

表1　N手与Es、C、φ的关系

(1)

(2)

(3)

N与Es、C、φ关系的拟合曲线见图5～图7。

图5　N与Es关系的拟合曲线

图6　N与C关系的拟合曲线

图7　N与φ关系的拟合曲线

为了更好地查清泰国标准贯入试验与中国标准贯入试验击数之间的关系，本次勘察部分段落采用中泰两国钻机及操作人员对比穿插钻探及进行SPT测试。剔除因地层起伏变化较大导致无法进行有效对比分析的测试孔数据，现将黏性土及砂类土地层中地层层序起伏变化最小的中泰双方相邻钻孔之间标贯深度及击数列于表2。

经过表2数据对比发现，泰方标准贯入试验击数N泰较中方N中在浅层相差较小，基本在40 m深度以上数据无明显有规律的差异。随着深度的增加，在本对比地层，40 m深度以下N泰相对N中来说数据偏大，N泰个别数据能达到N中的2.0倍以上。在中国经验公式(1)～公式(3)的利用方面，泰方手动落锤击数N泰较中国经验公式N手=0.74+1.12×N机来说折减系数更小。现根据本孔数据，对比物理力学指标，通过数据拟合得出了标准贯入击数N泰与地层重要指标之间的关系式，见公式(4)～公式(6)供设计参考使用。

(4)

(5)

(6)

出现上述现象，原因主要有以下两点[14，15]。

表2　中泰双方标准贯入试验数据对比

(1)泰方SPT试验为手动落锤，受人为影响较大，绳索与钻具间的摩擦同样会消耗锤击能量。同时锤形也与中方有较大的差别，造成了能量传递的差别，各种因素综合导致了中泰标准贯入击数的差别。

(2)泰方所使用钻进方法工艺造成了成孔质量差，钻孔孔径较中国小、孔斜的控制及孔壁的质量均较中国有一定差距，造成了进行SPT试验时侧壁摩阻力太大，进而造成了锤击能量无法更有效地传递给标贯器。

因此，在维持泰国本国钻探及标准贯入试验工艺不变的情况下，利用本次研究所拟合出来的经验公式(4)～公式(6)进行设计参考是比较合理有效的。

4　结论

(1)通过对标准贯入试验的原理进行分析，得出

了标准贯入试验在工程地质勘察中的优越性。同时通过对中泰铁路项目背景的阐述，进而得出了本项目重视标准贯入试验方法的原因及利用泰方标准贯入试验数据的重要性。

(2)对中泰铁路地勘中的标准贯入试验的方法进行了具体分析，得出了在钻进成孔方法、标准贯入试验设备及方法等方面的主要区别。

(3)通过对有国内成熟经验的地区的标准贯入试验数据与地层主要物理力学指标的对比分析。在分析的基础上进行数据拟合，得出了便于利用的经验公式，并将公式应用于设计中，节约了勘察成本并提高了工作效率。同时通过地勘过程中中泰双方对比钻孔中标准贯入试验数据的对比分析，发现了随着深度的增加，N泰相对N中来说数据偏大，并从钻探方法及标准贯入试验方法两个方面进行综合分析。同时也对泰方N泰进行适当的折减，参考经验公式，并将其应用于设计中。

(4)鉴于本阶段中泰铁路勘察工期紧、任务重，很多更详细的对比试验尚未深入进行。在进一步的详细施工图设计阶段，考虑进行多途径的原位测试(包括原位载荷试验)，进行数据的收集、分析，建立一套适合泰国本土地层的经验公式。同时结合国内设计经验，将两国不同标准之间数据进行详细分析对比，进一步建立一套适应国外标准的铁路勘察设计流程及方法，以更好地服务于国家“一带一路”战略。

[1]工程地质手册编委会.工程地质手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2007.

[2]中华人民共和国铁道部.TB10018—2003铁路工程地质原位测试规程[S].北京：中国铁道出版社，2003.

[3]铁道部第一勘测设计院.铁路工程地质手册[M].北京：中国铁道出版社，1999.

[4]中华人民共和国铁道部.TB10012—2007铁路工程地质勘察规范[S].北京：中国铁道出版社，2007.

[5]中华人民共和国建设部.GB 50021—2001岩土工程勘察规范[S].2009版.北京：中国建筑工业出版社，2009.

[6]徐光大，徐光黎，李俊杰.日本标准贯入试验方法及其N值在岩土工程中的应用[J].安全与环境工程，2011(7)：33-38.

[7]冷艺.国内外规范在港口岩土工程勘察中的异同研究[J].水运工程，2011(9)：27-30.

[8]李刚，刘方，罗俊.美标标准贯入试验及标贯值修正与应用[J].水运工程，2013(7)：43-47.

[9]杨文卫，岳中琦.世界各地标准贯入试验比较和共同问题[J].工程勘察，2008(1)：5-15.

[10]贺瑞霞，任德生，曹洪亮.工程地质勘察中的标准贯入试验[J].铁道建筑，2010(3)：60-62.

[11]王士杰，何满潮，张吉占.用归一化标准贯入N值估算砂土的相对密度[J].岩土工程学报，2005(6)：682-685.

[12]刘辉.地基土标准贯入锤击数与物理力学参数关系探讨[J].路基工程，2011(5)：62-65.

[13]王毅红，高磊，白涛等.标准贯入与砂土地基承载力关系的试验研究[J].四川建筑科学研究，2010(3)：120-133.

[14]戴洪军，蔡升华.关于标准贯入试验问题的分析[J].电力勘测，1999(12)：4-9.

[15]吴晓东.中外标准对标准贯入试验规定之对比[J].铁道勘察，2014(4)：32-36.

Application and Research of Standard Penetration Test in China-Thailand Railway

LI Guo-sheng

(The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation，Tianjin 300251，China)

China-Thailand railway is a key project abroad.It is characterized by tight schedule，heavy task and high cost in geological survey.The standard penetration test (SPT) can effectively solve the problem due to its simple operation and credible indicators.Thus，how to introduce the indexes of the operation process obtained abroad in the domestic design becomes particularly important.Based on the principle of SPT，the data of SPT and the main physical mechanic indexes of strata obtained in areas with mature experiences of China are compared and analyzed，and the relevant parameters are fitted with the contrast test date from home and abroad to draw up the empirical formula between the SPT and the general physical mechanic indexes，which are to be applied to the design.Meanwhile，it is found that the phenomenon of the N-THA larger than the N-CHA is more obvious with the increase in depth.The advantages of SPT method and the precautions in application are identified based on the analysis of both drilling method and SPT method，and future studies are addressed.

Standard penetration test(SPT); Data fitting; Comparison of test methods; Empirical formula

2015-12-22；

2016-03-23

李国圣(1985—)，男，工程师，2011年毕业于吉林大学地质工程专业，工学硕士，E-mail:ligs_1985@163.com。

1004-2954(2016)10-0045-03

U416

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.10.011