吳曉東

(中土集團福州勘察設計研究院有限公司，福建福州 350013)

1 標準貫入試驗簡介

標準貫入試驗(Standard penetration test，SPT):使用落錘將鉆桿底部的對開管式貫入器打入鉆孔底部的土中，取得土樣，貫入300 mm所需的錘擊數稱為N值，與土體強度有關。

標準貫入試驗已成為國內外應用最廣泛的一種原位測試。最初其應用對象偏重于松散介質，但目前其應用范圍已擴展到黏性土和風化巖。標準貫入試驗的優(yōu)點在于設備簡單、操作方便、土層的適應性廣，而且貫入器能帶上擾動土樣，可直接對土進行鑒別描述。SPT指標N值應用領域十分廣泛，可用于確定砂土的密實度、黏性土的狀態(tài)、地基土承載力、砂土液化判別、樁基承載力等。

歐美現行標準貫入試驗標準為:

(1)歐洲標準EN ISO 22476—3:2005《巖土工程勘察與測試-原位測試-第3部分:標準貫入試驗》;

(2)美國ASTM標準 D1586—11《標準貫入試驗方法》。

2 設備規(guī)格及適用范圍對比

各主要標準規(guī)定的設備規(guī)格見表1，適用范圍見表2，可以看出歐美標準規(guī)定的設備規(guī)格及適用范圍與我國現行標準基本類似。ASTM標準下刃口厚度及管靴長度與其他標準有所差異且未明確鉆桿相對彎曲的限值;而歐洲標準對鉆桿重量進行了限制，且規(guī)定在礫砂中可使用60°實心圓錐頭來代替管靴，此時試驗應標示為SPT(C)。

表1 標準貫入試驗設備規(guī)格對比

3 標準貫入試驗技術要求對比

表3列出了各標準對標準貫入試驗的技術要求，各標準間差異并不大。在鉆孔制備上均要求清孔、避免孔底擾動、保持孔內水位高于地下水位等;在操作步驟上，在預打15 cm之后，中國標準要求按每打入10 cm記錄錘擊數，而歐美標準均要求按每打入15 cm記錄錘擊數，如果貫入器置于孔底后在靜重作用下發(fā)生了下沉，歐美標準則還要求記錄相應下沉量;在試驗提前終止規(guī)定上，ASTM標準相對要求較高。

表2 標準貫入試驗適用范圍

表3 標準貫入試驗技術要求對比

4 標準貫入試驗N值修正對比

4.1 影響標準貫入試驗N值的主要因素

影響標準貫入試驗N值的因素很多，試驗步驟、操作者技能、貫入器規(guī)格、落錘系統(包括落錘、錘墊、落錘釋放裝置)、鉆桿類型、鉆桿長度、鉆桿垂直度、貫入器有無內襯、鉆進方法、鉆孔直徑、錘擊速率等均可能對N值產生影響。

對試驗步驟、貫入器規(guī)格、鉆桿類型、鉆進方法、錘擊速率等可通過技術標準來統一，但仍然還存在許多因素可能造成N值的不確定性，目前歐美學者普遍認為由于落錘系統類型不同導致傳輸給鉆桿的錘擊能量上的變異性是導致N值變動的最主要因素。

4.2 標準貫入試驗N值修正的發(fā)展及現狀

(1)地下水位修正

Terzaghi＆Peck(1953)提出有效粒徑d10在0.1～0.05 mm范圍內的飽和粉、細紗，當其密度大于某一臨界密度時，貫入阻力將會偏大，相應于此臨界密度的標準貫入擊數為15，故在此類砂土中貫入擊數N大于15時，應按下式進行修正。

目前在工程實踐中已基本不再進行該類修正。

(2)桿長修正

傳統上我國工程界只考慮對N值進行桿長修正，原地基基礎設計規(guī)范(GBJ 7-89)規(guī)定最大桿長校正長度21m，對應于該長度的系數為0.7(見表4)，事實上該系數表沿用的是更早的74規(guī)范，αL的值系以牛頓碰撞理論為基礎算得。修正限制為21m，是由于桿長超過21m后，探桿系統質量已超過落錘質量的2倍，按碰撞理論其能量損失已很大，標準貫入試驗已不適用。但實際使用深度已遠超過21m，最大深度已達100m以上。

表4 GBJ7—89桿長修正系數

日本工業(yè)標準(JIS A 1219—1961)中規(guī)定，當桿長大于20m時，桿長修正系數αL=1.06-0.003L。

Schmertmann(1978)在Horida大學進行了SPT的應力波實測。實測成果表明當桿長超過6m后，在錘第一次跳開前，已有90%以上能量輸入探桿。當桿長小于6m，輸入能量有顯著減小。

日本的Fuyuki(1981)采用在120m探桿上貼應變片測試的方法，發(fā)現在探桿末端沖擊引起的波動量衰減很小。

第一屆國際觸探試驗會議(ISOPT-1，1988)推薦的SPT試驗規(guī)程以彈性桿件彈性波動理論為基礎，得到桿長修正系數αL值見表5。

表5 ISOPT建議的桿長修正系數

近期國際上主流看法均認為彈性波動理論更好地符合現場實測數據，按彈性桿件彈性波的波動理論，當桿長小于10m時，隨著桿長的增加，有效能量逐漸增大，超過10m后趨于定值。Skempton等研究者提出的桿長修正系數建議值如表6。

表6 Skempton等建議的桿長修正系數

(3)上覆壓力修正

Gibbs＆Holtz于1957年最先提出砂土N值受有效上覆壓力影響，應對N值進行相應修正

式中 N1——修正為有效上覆壓力σ'

v=100 kPa時的錘擊數;

N——實測SPT錘擊數;

CN——上覆壓力修正系數;

Gibbs＆Holtz建議的CN值被發(fā)現在用于均勻土層的底部時存在不足，此時貫入器因受下伏較硬地層影響而表現出偏高的錘擊數，為此Liao和Whitman于1986年提出了目前被廣泛接受的CN計算式。

不同研究者提出的CN值計算式見表7。

表7 上覆壓力修正系數C N計算式

(4)錘擊能量修正及落錘能量測定方法

ASTM D1586-11指出不同SPT設備及操作人員在毗鄰鉆孔的同一土層中所得的N值變動幅度可達到或超過100%，但是如果使用相同設備和人員則N值變異系數僅10%，因此測定不同落錘系統能量效率并將其標準化到某個基準能量效率比下是非常重要的。

落錘的能量效率比Er被定義為落錘實際傳遞給鉆桿的能量與理論傳遞能量之比

式中Emea為落錘實際能量;Etho為落錘理論能力(Etho=474.5 J)。

最初Mohr采用的落錘能量效率比約為60%，而現行美國安全落錘能量效率比也與該值較接近，因此Seed等(1984)、Skempton(1986)等均建議將60%作為比較各種落錘系統能量效率的基準，錘擊能量修正后的N值為

式中 N60——錘擊能量修正后的錘擊數;

Er——落錘能量效率比;

N——實測SPT錘擊數;

常見落錘類型見圖1。

圖1 不同類型的落錘

EN ISO 22476—3附錄B提供了落錘能量測定的建議方法，其與ASTM D4633《動力觸探能量測量方法標準》規(guī)定的落錘能量測定方法基本相同，均是在錘墊和鉆桿間加裝附測量裝置(應變計和加速度計)并連接至SPT分析儀，通過實測豎向加速度和變形并換算為相應的力和速度，最終得出傳遞到鉆桿的能量。

(5)現行國際主流N值修正方法

Skempton(1986)建議對N值按下式進行修正

式中 N60——考慮不同設備和現場步驟而修正后的N值;

Er——落錘能量效率比;

CB——鉆孔直徑修正系數;

CS——取樣器修正系數;

CR——桿長修正系數;

N——實測SPT錘擊數;

相應修正系數見表8。

表8 Skempton建議的C B、C S、C R修正系數值______

Robertson＆Wride(1997)建議在式(5)的基礎上加入上覆壓力修正系數項CN，采用Liao＆Whitman(1986)的CN建議值，并定義最終得到的標準化 N值為

該方法在歐美被廣泛接受并成為最主流的N值修正方法，近年新發(fā)表的N值與其他設計參數間的關系式通?；?N1)60。

4.3 中國標準對SPT成果修正的規(guī)定

現行巖土工程勘察規(guī)范(GB50021—2001，2009版)規(guī)定:“應用N值時是否修正和如何修正，應根據建立統計關系時的具體規(guī)定而定”。該規(guī)范條文說明指出:“通過實測桿件的錘擊應力波，發(fā)現錘擊傳輸給桿件的能量變化遠大于桿長變化時能量的衰減，故建議不作桿長修正的N值是基本的數值，考慮到過去建立的N值與土性參數、承載力的經驗關系所用N值均經桿長修正，故對既往已有的經驗公式或相關表格，應按其推出時的規(guī)定決定是否修正?？辈靾蟾鎽峁┎蛔鳁U長修正的N值，應用時再根據情況考慮修正或不修正，用何種方法修正”。

一般來說，當應用于國內既往已有的經驗公式或表格時，應對N值需進行桿長修正，用于判別砂土液化、劃分砂土密實度及劃分花崗巖類殘積土、全風化、強風化界限時不對N值進行修正。

4.4 歐洲標準對SPT成果修正的規(guī)定

歐洲巖土勘察規(guī)范(EN 1997—2:2007)規(guī)定應測定SPT設備能量效率比Er并應對N值采用適當的修正系數，對于砂土應考慮有效上覆壓力影響及鉆桿長度導致的能力損失，還要求考慮對開管是否使用內襯的影響。

歐洲標準貫入試驗標準(EN ISO 22476—3)規(guī)定:如果N值將被用于基礎的定量評價或用于成果對比，則所使用設備的能量效率比Er必須是已知的，應具有錘墊下方鉆桿Er值的校正證明文件。該標準還規(guī)定:“N值可能隨著試驗儀器、操作模式及巖土工程條件而變，因此應考慮對其進行修正。”

EN ISO 22476—3附錄A建議采用的N值修正方法基本沿用Skempton、Robertson＆Wride的建議(6)，但未納入鉆孔直徑修正。

4.5 ASTM對SPT成果修正的規(guī)定

ASTM D1586《標準貫入試驗方法》規(guī)定:當SPT被用于判定砂土液化時，應基于估計的或按ASTM D 4633規(guī)定實測的落錘能量，將N值修正為標準上覆壓力水平下的值，ASTM D6066《確定用于液化潛勢評估的砂土標準化貫入阻力試驗規(guī)程》中規(guī)定N值修正步驟如下。

(1)桿長修正

當試驗深度小于3m時，應將N值乘以0.75的修正系數。

(2)傳輸能量修正

式中:N是實測錘擊數;Er是特定試驗設備的能量效率比。

(3)上覆壓力修正

式中，(N1)60是最終的標準化N值;CN一般采用Liao＆Whitman建議式，也可采用Skempton建議值。

ASTM D1586未對N值用于其他目的時的修正方法做出具體規(guī)定，目前北美工程實踐中通常采用前述Skempton、Robertson ＆ Wride的建議(式6)。

5 結論

(1)現行歐美標準中SPT設備規(guī)格及試驗技術要求與中國標準的規(guī)定基本相同，但在記錄要求上存在較大差異。

(2)現行歐美標準均強調設備能量比Er的測定，并要求將實測的N值通過應用修正系數轉化為標準化N值，主要采用 Skempton、Robertson＆ Wride建議的修正方法或其變種。而中國現行標準對此未作具體規(guī)定或建議，傳統上中國對N值只考慮進行桿長修正。

(3)需要注意到的是，歐美大部分N值與土壤特性(相對密度、摩擦角)間的關系式是基于重錘系統傳遞60%能量的假定，在將N值應用于經驗和半經驗關系式時應謹慎選用N值的修正類型。一些關系式要求N值還需要為上覆壓力而修正，即(N1)60，然而其他關系式可能只要求60%能量效率下的值即N60。

(4)為促進國內勘察定量化水平的提高，未來中國標準修訂時可以考慮借鑒國外標準成熟經驗，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 巖土工程勘察規(guī)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］鮑曉東.深圳地區(qū)花崗巖殘積土工程特性的研究［J］.鐵道勘察，2004，30(2):7274

［7］李海波，等.紅黏土地基壓縮模量與標準貫入經驗擊數關系研究［J］.鐵道勘察，2011，37(2):5557