标准贯入试验方法的回顾与讨论

1、岩土工程与勘察 第14卷 第1期（总第23期） 2003年6月标准贯入试验方法的回顾与讨论贾文华【摘 要】 标准贯入试验是一种国际通用的原位测试方法，随着入世后与国外交流合作逐渐增加，该方法的应用将会越来越多。本文回顾这种试验的发展过程，就其中的一些问题进行了探讨，并对新的应用成果进行了介绍。【关键词】 标准贯入试验；影响因素；修正；指标应用0 概述标准贯入试验英文名称是Standard penetration test ，国际上通称SPT；于上世纪二十年代起源于欧洲；到四十年代末，Terzaghi和Peck对二十多年的应用进行总结，提出了一系列与岩土参数相关的经验公式,并制定出相应的设备标准

2、。从那以后，这种试验方法迅速发展普及，先是在欧洲和美国大规模地使用；有文献记载，美国1954年至1975年之间建设的49个核电站的勘察中,有40个使用了SPT方法。日本于1953年开始引进SPT后,这种方法在岩土勘察中占有相当大的比重;笔者在日本所接触的工程中，有80%左右的工程勘察钻孔都进行SPT,试验点间距1米, 试验成果反映在柱状图中，以深度N值曲线形式标注，比较直观实用。我国从上世纪七十年代初开始大规模普遍使用SPT,至今也有三十余年的历史；目前在国内几乎所有的工程勘察系统,SPT都已成为一种不可缺少的原位测试手段,其设备规格与试验方法与国际上通用的标准基本一致,在多年的理论研究和实践

3、基础上,根据我国地质条件特点，建立了不少SPT应用经验公式；可以说，在这方面，我们与世界发达国家是处在同一水平上。1 SPT特点数十年来，尽管人们从不同角度对SPT的优缺点有着不同的评述，但对以下几方面的特点都持有一致的态度。(1)设备价格低廉，坚固耐用；(2)操作方法简单，不需要进行专门的学习培训；(3)应用范围广泛，几乎所有的土层、砂层和软岩都适用；(4)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；(5)试验不受地下水位的影响；(6)试验指标N值在国内外通用；(7)人为因素对试验的影响较大。在试验的同时，可以采取到样品，这是SPT的独到之处，是其他测试方法所不具备的功能。对贯入器

4、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，为综合划分地层提供依据。2 试验设备及原理SPT是利用一定重量的锤自由下落，将标准尺寸形状的贯入器打入试验地层一定深度，根据打入的难易程度来判定土的形状的一种原位测试方法。如果将贯入器换成圆锥探头，则可转化为重型动力触探（DPT）。1. 中国兵器工业北方勘察设计研究院有关试验设备的规格，业内人员均已熟知，在此不再过多叙述；需要说明的是，由于该试验起源于欧洲，采用的是英制单位，锤重140磅相当63.5kg，落距76cm则对应于30英寸。随着我国加入WTO，和国际惯例接轨已是大势所趋，为便于开展与国外同行的交流与合作，下表1

5、例出国内外常用的SPT设备规格。 表1 国 家落 锤贯 入 器试验钻杆试验深度记录方式质量(kg)落距(cm)长度(mm)外径(mm)内径(mm)刃角( )(mm)(m)美国ASTM D463363.5766865135183041.250先打入15不计，然后贯入30。最多100击日本JIS M140963.50.5760.2810513542无限制贯入30的击数为N值欧洲标准197763.576685513543.7541515贯入30的击数为N值英国BS1377-197563.5766805035173041.3无限制贯入30的击数为N值中国GB50021-9463.50.5760.270

6、051135118204221先打入15不计，然后贯入30击数为N值。比较世界主要发达国家试验设备的规格和记录方式，与我国现行标准基本一致，其试验结果N值应具有通用性。3 影响SPT的因素分析试验结果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值就失去了它的基本意义。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，即有试验时边界条件的影响，也包含着多种人为

7、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，人为增大击数。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

8、10秒/击，此速率对试验结果影响不大。5试验孔径：在常规钻探89146mm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15cm预打和30cm贯入，共计45cm。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（1977）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

9、出现钻杆倾斜。8钻杆的直径：日本的Koreede（1981）对比了41 mm和50 mm两种直径钻杆的试验结果，美国的Brown（1977）也对外径40mm和60mm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，原岩土工程勘察规范（GB50021-94）规定42mm，兵器工业系统规程（BKB03-93）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 /50 mm 钻杆；但当试验深度较大（超过20米）时，42mm钻杆会发生挠曲，故推荐使用50mm钻杆。9地下水

10、：Terzaghi和Peck认为，地下水位以下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）上覆自重压力的影响：这方面的研究不多，一般认为，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（1947）曾指出砂土自重压力对N值有影响，校正公式为：N=CNN，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。4 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)和日本的Fuyuki(

11、1981)分别采用波动方程模拟方式和在120米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英尺（21米）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量衰减很小；二人的结论均倾向于不进行杆长修正。但也有有一些相反意见，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地基基础设计规范（GBJ 7-89），最大校正长度21米，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，原始出处已难以考证，一般

12、认为是基于牛顿弹性碰撞理论，之所以上限定在21米，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二倍。另外，日本工业标准（JIS A 1219-1961）中规定，当杆长大于20米时，按1.060.003L进行修正(L:杆长，单位：m)，该式折减系数很小，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3m到15m，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则将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

13、有：建筑抗震设计规范（GB500112001）；岩土工程勘察规范（GB500212001）；上海市岩土工程勘察规范（DBJ 083794）；北京地区建筑地基基础勘察设计规范（DBJ 0150192）；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，都有其各自的理由和道理。在现行的国标中，取消了与N值有关的承载力表以及相应的杆长校正系数表；是否修正以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。对既往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，如果限定是修正后击数

14、，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。 5. 试验指标的应用SPT指标N值应用领域十分广泛，国外和国内不同行业及地区都有与之相关的经验公式。但在使用时要有针对性并考虑其适用条件；一般说来，应用对象偏重于松散介质，在有成熟经验的地区，亦可用于粘性土。5.1 地基土液化评价用SPT方法判别饱和粉土及砂土液化是近年发展的趋势，特别在定量评价方面，更是一种不可或缺的手段，具有权威性和很多研究成果。现行建筑抗震设计规范（GB50011-2001）以及铁路、公路系统等行业标准都引用了这种方法，虽然在边界条件方面

15、有所不同，但都以N值（不进行杆长校正的实测击数）为基本判别参数，详细的判别方法及公式参见相关规范。5.2 划分风化岩与残积土的界限 这方面的资料目前仅限于花岗岩地区，用N值（实测击数）划分残积土、全风化岩、强风化岩的界限，见下表2；对其他类型的软岩和残积土可作为参考。 表2岩体风化程度无侧限抗压强度（MPa）标准贯入试验击数(击)剪切波速(m/s)残积土60030250全风化岩600qu 80030N 50250Vs 350强风化岩800503505.3 估算土层的剪切波速国内外不少学者根据大量的数据对比统计，提出N值与剪切波速Vs存在相关关系，其中具代表性的有以下二式：Vs = 89.8N

16、0.341 (日本今井) Vs = 91.4N 0.347 (冶金部沈阳勘察院) 5.4 判别砂土层的密度与相对密度，见下表3 表3密实度标准贯入试验击数N（击）国际标准中国标准中国标准（GB50007-2002）国际标准极松散松散1004松散410稍密稍密10N151015中密中密15N301530密实密实303050极密实50另外，Meyerhof提出可用N值按下式推算砂土的相对密度Dr （%）Dr =210N/（+70） 式中：-有效上覆自重压力（kpa）5.5 确定砂土的内摩擦角 表4研究者表达式备注大崎=（20N）+15Dunham=（12N）+20级配良好的砂Peck=0.3N +

17、27Meyerhof=0.25N+32.5粉砂减5砂土作为一种松散介质，难以取得原状试样，不能直接测定内摩擦角，这一直是本行业的一个难题；虽然在国外如日本采用冻结法可采取到原状砂样，进行室内剪切试验，但成本太高，程序也很复杂，只能应用于一些重点的研究项目。从实用角度考虑，在目前工程勘察界,确定土的内摩擦角，大都采用N值来推算，其主要研究成果如下表4。 5.6 确定地基土承载力用N值推算地基土承载力，一直为业界所关 砂土承载力特征值fak（kpa） 表5 N土类10153035中砂、粗砂190250400450粉砂、细砂135180320365注，也是工程中最常遇到的问题之一；相比较室内试验而言

18、，这种方法具有实用快捷等特点。需要注意的是，用于确定地基土承载力的N值，应进行杆长修正并按下式统计后使用：N=- 1.645/n 式中：-平均值;-标准差;n统计个数注:表5引自河北省建筑地基承载力确定技术规程（送审稿）。 砂土承载力特征值fak（kpa） 表6N土类10153050中砂、粗砂180250340500粉砂、细砂140180250340注：表6引自原建筑地基基础设计规范（GBJ 7-89）。 粉土承载力特征值 表7 N（击）46810121618fak（kpa）100140170200235320350注：表7引自河北省建筑地基承载力确定技术规程（送审稿）。 粘性土承载力特征值

19、表8 N（击）35791113151719fak（kpa）105145190235280320350380420注：表8引自河北省建筑地基承载力确定技术规程（送审稿）。粘性土承载力特征值 表9 N（击）357911131517192123fak（kPa）105145190220295325370430515600680注：表9引自原建筑地基基础设计规范（GBJ 7-89）。 粘性土、粉土承载力特征值经验公式 表10研究者经验公式适用土层备注江苏水利工程总队fak=23.3N粘性土、粉土不做杆长修正铁三院fak=72+9.4N1.2粉土冶金部武汉勘察院fak= 4.9+35.8N粘性土、粉土湖北水电勘察设计院fak=80+20.2N粘性土、粉土N=385.7 估算砂土的压缩（变形）模量一般来讲，粘性土容易采取原状试样，宜以室内试验确定其压缩模量，或用载荷试验测求土的变形模量；故本文不推荐用SPT方法推算土层的变形参数。上海市岩土工程勘察规范（DBJ 083794）规定，粉、细砂压缩模量Es可按下式估算：当H15m Es=4.8N0。45当H15m Es=2.5N0。75H0。25东南沿海地带花岗岩残积土的变形模量Eo可按下式估算：Eo=2.2N （适用于5N 30）北京地区建筑地基基础勘察设计规范（DBJ0150192）给出了用标贯击数估算塑性指数小于5的粉土和粉细砂的模