左永振，程展林，丁紅順，廖建輝

（長江科學院 水利部巖土力學與工程重點實驗室，武漢 430015）

1 引 言

在西部水電站開發(fā)中，河床覆蓋層一般深達幾十米至上百米，最深的近300 m，不同地質年代沖積或堆積而成的河床砂礫石覆蓋層，物質組成復雜，空間變化大。深厚覆蓋層的力學性質的確定是深厚覆蓋層上建壩的關鍵技術問題之一，合理準確地確定覆蓋層物理力學參數(shù)直接關系到工程造價和大壩安全。

由于河床覆蓋層砂礫石為無黏性散體，深層取樣困難，往往依據(jù)動探等原位測試技術勘探深厚覆蓋層的工程特性，動探試驗是根據(jù)打入的難易程度（表示為貫入度，指標定義為每貫入一定深度所需的錘擊數(shù)）來判斷土的工程性質。

在深厚覆蓋層中進行動力觸探試驗，隨著勘探深度的增加，所得錘擊數(shù)N實際上受到了動力觸探桿的長度影響，動力觸探桿長度不同，錘擊的效果不同，因此，必須進行錘擊數(shù)的桿長修正。

對于動力觸探桿長修正，長期以來，因無試驗方法直接測定，存在兩種理論，即牛頓彈性碰撞理論和彈性桿波動理論。

第1種桿長修正系數(shù)以牛頓碰撞理論為基礎計算得到，并非實測。代表性的修正系數(shù)有《建筑地基基礎設計規(guī)范》（GBJ7－89）[1]和《公路工程地質勘察規(guī)范》（JTJ064－98）[2]提到的上海顧季威有效能修正公式。

第 2種桿長修正系數(shù)以彈性桿波動理論為基礎。代表性的修正系數(shù)有第一屆貫入試驗國際會議（ISOPT－1，1988）推薦的 SPT試驗規(guī)程、美國ASTM《動力觸探試驗應力波能量量測的標準試驗方法》（D4633－1986）[3]。

動力觸探桿長各種修正系數(shù)的匯總見表 1。繪制的桿長修正系數(shù)與桿長的關系曲線見圖 1。對比圖1和表1，牛頓彈性碰撞理論和彈性桿波動理論得到的修正系數(shù)截然不同。牛頓彈性碰撞理論的桿長修正系數(shù)隨桿長的增大而減小，而彈性桿波動理論的桿長修正系數(shù)卻隨桿長的增長而增大。因此，對桿長修正進行試驗研究是有理論意義和實用價值的。

表1 各種桿長修正系數(shù)對比表Table 1 Modified coefficients for different rod lengths

圖1 各種桿長修正系數(shù)與桿長的關系曲線Fig.1 Relation curves between rod length modification coefficient and rod length

上述的動力觸探桿長修正系數(shù)，均與動力觸探桿長是單一對應關系，《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021－2001）[4]和《建筑地基基礎設計規(guī)范》（GB50007－2011）[5]給出了20 m范圍內(nèi)的重型動力觸探錘擊數(shù)修正系數(shù)，見表2。表中修正系數(shù)不僅與桿長相關，還與錘擊數(shù)相關。

表2 錘擊數(shù)修正系數(shù)Table 2 Modified coefficients for hammering counts

2 室內(nèi)動力觸探模型試驗方法

2.1 試驗系統(tǒng)設計

試驗系統(tǒng)分為模型系統(tǒng)和原位測試系統(tǒng)兩大部分。

模型系統(tǒng)由模型箱、加壓系統(tǒng)組成，如圖2、3所示。模型箱采用60 mm厚鋼板焊接而成，內(nèi)部尺寸為0.82 m×0.84 m×1.20 m（長×寬×高）。在模型箱內(nèi)分層填筑試樣，形成均質地基。加壓系統(tǒng)為模型箱蓋板與加壓板之間置4個75 t千斤頂，采用自平衡對模型表面加壓以模擬地基上覆自重應力。在蓋板及加載板留同軸試驗孔，以便進行動力觸探試驗。

圖2 模型箱平面示意圖（單位：mm）Fig.2 Plan of model box(unit: mm)

圖3 模型箱剖面圖（單位：mm）Fig.3 Section of model box(unit: mm)

原位測試系統(tǒng)依托11層的樓房樓梯間設置，如圖4所示。在樓梯間底部放置模型系統(tǒng)，動力觸探桿沿樓梯布置，動力觸探錘擊點安置在不同高度的樓層間，桿長分別為2.0、8.9、16.4、23.4、30.0、36.0 m。

針對一種地基土，根據(jù)同一種級配及干密度分層壓實制成均質地基模型，在地基表面施加相同上覆壓力（本次試驗均為240 kPa，固結12 h），不同模型進行不同桿長下的動力觸探試驗，獲得力學性質相同的地基模型的動探桿長與動探擊數(shù)關系，進而得到不同桿長下的桿長修正系數(shù)。本方法是首次采用物理模型試驗方法，直接測定桿長修正系數(shù)，成果可信，可驗證理論的正確性。

圖4 動探錘擊點布置圖Fig.4 Distribution of hammering points of dynamic penetration

2.2 試驗用料

本次共進行了兩組試驗，試驗土樣分別選取均質中粗砂和砂礫石料。

均質砂為粒徑0.5～1.0 mm的中粗砂，最大干密度為1.63 g/cm3，最小干密度為1.31 g/cm3。試驗干密度為1.45 g/cm3，對應相對密度為0.50，中密狀態(tài)。

砂礫石料選取最大粒徑為60 mm級配連續(xù)的砂礫石料，試驗級配見圖5。室內(nèi)擊實試驗得到該級配下的最大干密度為2.31 g/cm3。試驗密度為2.12 g/cm3，壓實度為92%。

圖5 砂礫石料試驗級配Fig.5 Gradation of gravels during experiments

2.3 動力觸探模型試驗及數(shù)據(jù)整理

模型制作完成后，施加上覆壓力并固結，進行動力觸探試驗。動力觸探選用重型觸探，總貫入深度不小于40 cm，記錄每次錘擊的貫入量，繪制錘擊數(shù)與貫入深度的關系曲線，并對關系曲線穩(wěn)定段進行曲線擬合，計算貫入100 mm時的錘擊數(shù)，即為動力觸探的錘擊數(shù)N63.5。動力觸探試驗的代表性曲線見圖6。

圖6 動力觸探試驗代表性試驗曲線Fig.6 A typical test curve of dynamic penetration

重型動力觸探的試驗步驟如下：

（1）試驗前將觸探架安裝平穩(wěn)，垂直度的最大偏差不超過2%，觸探桿保持垂直連接牢固。

（2）貫入時使穿心錘自由下落，落距為0.76±0.02 m。

（3）錘擊速率為每分鐘15～30擊，打入過程盡可能連續(xù)，所有超過5 min的間斷都在記錄中予以注明。

（4）及時記錄每貫入0.10 m所需的錘擊數(shù)，其方法是記錄每一陣擊的貫入度，再換算為每貫入0.10 m所需的錘擊數(shù)。

（5）每貫入0.10 m所需錘擊數(shù)連續(xù)3次超過50擊時，即停止試驗。

3 試驗成果及分析

本次共進行了兩組試驗，每組試驗的地基土試驗級配、試驗密度及上覆壓力等試驗條件均相同。其中地基土為均質砂的重型動探試驗桿長分別為2.0、8.9、16.4、23.4、30.0 m，每個桿長進行了平行試驗，有效點數(shù)為10點，得到的試驗成果見表3；地基土為砂礫石的重型動探試驗有效點數(shù)為11點，桿長分別為2.0、8.9、16.4、23.4、30.0、36.0 m，得到的試驗成果見表4。

表3 均質砂動力觸探試驗成果Table 3 Dynamic penetration results in homogeneous sands

表4 砂礫石動力觸探試驗成果Table 4 Dynamic penetration results in gravels

由表3、4可見，每貫入100 mm的錘擊數(shù)，隨著動力觸探桿長的增加，錘擊數(shù)越來越大，例如砂礫石試驗中桿長為2.0 m時的錘擊數(shù)N63.5=15.0，桿長增加到36.0 m時的錘擊數(shù)N63.5=27.3，增加了82%，這說明動力觸探桿長對錘擊數(shù)N63.5的影響是顯著的。

在現(xiàn)行的動力觸探試驗桿長修正中，一般均是以桿長2～3 m為修正起點，本次試驗成果分析中，假定桿長2.0 m時的錘擊數(shù)N63.5是標準值，為修正起點，即將桿長2.0 m時的錘擊數(shù)與桿長為i的錘擊數(shù)的比值，作為不同桿長條件下的桿長修正系數(shù)。

均質砂和砂礫石的不同桿長下的桿長修正系數(shù)，如表5所示。

表5 均質砂和砂礫石動力觸探桿長修正系數(shù)Table 5 Dynamic penetration rod length modification coefficients in homogeneous sands and gravels

將修正系數(shù)與桿長關系繪制在圖7、8中，圖中同時給出了牛頓彈性碰撞理論和彈性桿波動理論的修正系數(shù)?？梢娦拚禂?shù)規(guī)律整體上符合牛頓彈性碰撞理論，與彈性桿波動理論的修正系數(shù)規(guī)律相反。修正系數(shù)基本符合《建筑地基基礎設計規(guī)范》（GBJ7－89）和《公路工程地質勘察規(guī)范》（JTJ064－98）提到的上海顧季威有效能修正公式，且不同地基土的桿長修正系數(shù)基本一致。

圖7 均質砂桿長修正系數(shù)與桿長關系Fig.7 Relationships between rod lengths modification coefficients for homogeneous sands and rod length

圖8 砂礫石桿長修正系數(shù)與桿長關系Fig.8 Relationships between rod lengths modification coefficients for gravels and rod length

當在密實土層進行動力觸探貫入試驗時，常出現(xiàn)反彈，用手握緊動探桿，手會被震得麻木，說明能量損失很多[6]。動力觸探的觸探桿是接頭連接，動力觸探試驗深度越深，觸探桿的接頭越多，動探桿產(chǎn)生的彎曲變形越大，在錘擊中消耗的能量越多，達到相同的貫入深度需要的錘擊數(shù)越多，相應的修正系數(shù)越小。

根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021－2001）的重型動力觸探錘擊數(shù)修正系數(shù)表（見表2），將本次試驗成果進行桿長修正，并進行比較，見圖9。

圖9 砂礫石與均質砂桿長修正系數(shù)對比Fig.9 Comparison of rod length modification coefficients between gravels and homogeneous sands

由圖可見，本次試驗得到的桿長修正系數(shù)與《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021－2001）的修正系數(shù)差異性較大，本次得到的桿長修正系數(shù)明顯大于規(guī)范推薦的修正系數(shù)，規(guī)范中修正系數(shù)實際上是對桿長、上覆自重壓力、側摩阻力的綜合修正，而本次試驗成果只考慮了桿長修正，因此，存在一定的差異性。而砂礫石和均質砂的動力觸探桿長修正系數(shù)，差異性較小，說明不同材料下的桿長修正系數(shù)近似符合相同的規(guī)律。

4 結 論

（1）重型動力觸探修正系數(shù)的整體趨勢規(guī)律符合牛頓彈性碰撞理論，都隨著桿長的增加，修正系數(shù)逐漸減小。

（2）修正系數(shù)基本符合《建筑地基基礎設計規(guī)范》（GBJ7－89）和《公路工程地質勘察規(guī)范》（JTJ064－98）提到的上海顧季威有效能修正公式。

（3）本次試驗的重型動力觸探試驗的最大桿長為36.0 m，超過桿長21.0 m的限制，但其N63.5值仍能有效地反映土的力學性質。

（4）砂礫石和均質砂的動力觸探桿長修正系數(shù)差異性較小，表明不同地基土的桿長修正系數(shù)具有一致性。

[1]中華人民共和國建設部.GBJ7－89建筑地基基礎設計規(guī)范[S].北京: 中國建筑工業(yè)出版社,1989.

[2]中華人民共和國交通部.JTJ064－98公路工程地質勘察規(guī)范[S].北京: 人民交通出版社,1999.

[3]ASTM D4633－86.Standard test method for stress wave energy measurement for dynamic penetrometer testing systems.Annual Book of Standards[S].Pbiladelphia:American Society for Testing and Materials,1986.

[4]中華人民共和國建設部.GB50021－2001巖土工程勘察規(guī)范[S].北京: 中國建筑工業(yè)出版社,2009.

[5]中華人民共和國建設部.GB50007－2011建筑地基基礎設計規(guī)范[S].北京: 中國建筑工業(yè)出版社,2011.

[6]張平,田紅花.有關動力觸探影響因素修正問題的探討[J].沈陽大學學報,1999,(2): 80－83.ZHANG Ping,TIAN Hong-hua.The study on amendment of dynamic sounding impact factors[J].Journal of Shenyang University,1999,(2): 80－83.