標準貫入試驗方法的回顧與討論
巖土工程與勘察 第14卷 第1期（總第23期） 2003年6月標準貫入試驗方法的回顧與討論賈文華①【摘 要】 標準貫入試驗是一種國際通用的原位測試方法，隨著入世后與國外交流合作逐漸增加，該方法的應用將會越來越多本文回顧這種試驗的發(fā)展過程，就其中的一些問題進行了探討，并對新的應用成果進行了介紹關鍵詞】 標準貫入試驗；影響因素；修正；指標應用0 概述標準貫入試驗英文名稱是Standard penetration test ，國際上通稱SPT；于上世紀二十年代起源于歐洲；到四十年代末，Terzaghi和Peck對二十多年的應用進行總結，提出了一系列與巖土參數(shù)相關的經驗公式,并制定出相應的設備標準從那以后，這種試驗方法迅速發(fā)展普及，先是在歐洲和美國大規(guī)模地使用；有文獻記載，美國1954年至1975年之間建設的49個核電站的勘察中,有40個使用了SPT方法日本于1953年開始引進SPT后,這種方法在巖土勘察中占有相當大的比重;筆者在日本所接觸的工程中，有80%左右的工程勘察鉆孔都進行SPT,試驗點間距1米, 試驗成果反映在柱狀圖中，以深度~N值曲線形式標注，比較直觀實用。
我國從上世紀七十年代初開始大規(guī)模普遍使用SPT,至今也有三十余年的歷史；目前在國內幾乎所有的工程勘察系統(tǒng),SPT都已成為一種不可缺少的原位測試手段,其設備規(guī)格與試驗方法與國際上通用的標準基本一致,在多年的理論研究和實踐基礎上,根據我國地質條件特點，建立了不少SPT應用經驗公式；可以說，在這方面，我們與世界發(fā)達國家是處在同一水平上1 SPT特點數(shù)十年來，盡管人們從不同角度對SPT的優(yōu)缺點有著不同的評述，但對以下幾方面的特點都持有一致的態(tài)度1)設備價格低廉，堅固耐用；(2)操作方法簡單，不需要進行專門的學習培訓；(3)應用范圍廣泛，幾乎所有的土層、砂層和軟巖都適用；(4)經過多年的應用實踐，已總結出大量的經驗公式和地區(qū)經驗；(5)試驗不受地下水位的影響；(6)試驗指標N值在國內外通用；(7)人為因素對試驗的影響較大在試驗的同時，可以采取到樣品，這是SPT的獨到之處，是其他測試方法所不具備的功能對貫入器內取出的樣本，除觀察描述其性狀外，亦可進行含水量、塑液限或顆（篩）分試驗，為綜合劃分地層提供依據2 試驗設備及原理SPT是利用一定重量的錘自由下落，將標準尺寸形狀的貫入器打入試驗地層一定深度，根據打入的難易程度來判定土的形狀的一種原位測試方法。
如果將貫入器換成圓錐探頭，則可轉化為重型動力觸探（DPT）1. 中國兵器工業(yè)北方勘察設計研究院有關試驗設備的規(guī)格，業(yè)內人員均已熟知，在此不再過多敘述；需要說明的是，由于該試驗起源于歐洲，采用的是英制單位，錘重140磅相當63.5kg，落距76cm則對應于30英寸隨著我國加入WTO，和國際慣例接軌已是大勢所趨，為便于開展與國外同行的交流與合作，下表1例出國內外常用的SPT設備規(guī)格 表1 國 家落 錘貫 入 器試驗鉆桿試驗深度記錄方式質量(kg)落距(cm)長度(mm)外徑(mm)內徑(mm)刃角( ° )(mm)(m)美國ASTM D463363.576686513518°30＂41.2﹤50先打入15㎝不計，然后貫入30㎝最多100擊日本JIS M140963.5±0.576±0.2810513542無限制貫入30㎝的擊數(shù)為N值歐洲標準197763.576685513543.754﹤15﹥15貫入30㎝的擊數(shù)為N值英國BS1377-197563.576680503517°30＂41.3無限制貫入30㎝的擊數(shù)為N值中國GB50021-9463.5±0.576±0.270051±135±118~204221先打入15㎝不計，然后貫入30㎝擊數(shù)為N值。
比較世界主要發(fā)達國家試驗設備的規(guī)格和記錄方式，與我國現(xiàn)行標準基本一致，其試驗結果N值應具有通用性3 影響SPT的因素分析試驗結果N值的大小是土的結構、密度和狀態(tài)等諸因素的綜合反映，它應該是客觀的，對同一土體指標應是唯一的；所謂唯一性，是指無論誰進行試驗，其結果都應該相同或近似，這體現(xiàn)了標準貫入試驗中“標準”的含義，否則N值就失去了它的基本意義但是，在實際試驗中我們看到，在同一場地某一特定土層，不同勘察單位甚至同一單位，試驗結果N值都有差別，有的相差還比較大；分析其產生差別的原因，即有試驗時邊界條件的影響，也包含著多種人為因素為了減少誤差，提高試驗精度，筆者認為以下十個方面的影響因素應引起足夠的重視：1﹚鉆進方法：在試驗的前一鉆，沖擊或是回轉鉆進，其N值是不同的，這種差別在砂層中反映尤為明顯；有資料顯示，誤差可達20%左右所以，在土層中試驗前應回轉鉆進，砂層中推薦泥漿護壁 2﹚試驗設備的安裝：各部件絲扣之間連接應緊密，接頭部位不可松動，否則將影響打擊能量，進而減小N值3﹚貫入器：長時間使用后，或者在含卵礫石地層中打擊，會出現(xiàn)貫入器靴刃口部位殘缺或變形，在此情況下如繼續(xù)使用將影響貫入度，人為增大擊數(shù)。
4﹚貫入速度：受設備性能和操作熟練程度的控制這種影響主要體現(xiàn)在飽和狀態(tài)的粉土和粉細砂地層中保持貫入速度控制在5~10秒/擊，此速率對試驗結果影響不大5﹚試驗孔徑：在常規(guī)鉆探89~146mm孔徑內進行試驗時，該影響可忽略不計，但特殊情況下，如在基坑底表面試驗，由于缺少上部超載，擊數(shù)會偏小6﹚貫入深度：按標準要求，一次貫入的深度為15cm預打和30cm貫入，共計45cm但當試驗孔出現(xiàn)坍塌或縮孔，貫入深度就要加大，造成試驗器械的摩擦力和阻力加大，使擊數(shù)增高所以，保持孔底干凈不擾動是保證試驗精度的一個重要方面7﹚鉆桿垂直度：當鉆桿傾斜與孔壁產生摩擦時，會減小傳至貫入器的打擊能量，出現(xiàn)N值偏大的傾向歐洲標準（1977）規(guī)定，鉆桿間隔一定長度設置導正裝置，而我國現(xiàn)有規(guī)程無此規(guī)定，所以，在試驗時需要人工導正，避免出現(xiàn)鉆桿傾斜8﹚鉆桿的直徑：日本的Koreede（1981）對比了41 mm和50 mm兩種直徑鉆桿的試驗結果，美國的Brown（1977）也對外徑40mm和60mm的鉆桿在不同的地層中進行了對比試驗；兩人研究的結果表明，使用該直徑范圍內的鉆桿，對試驗結果影響不大，可以忽略不計我國目前對鉆桿直徑要求不一，原巖土工程勘察規(guī)范（GB50021-94）規(guī)定42mm，兵器工業(yè)系統(tǒng)規(guī)程（BKB03-93）認為42 mm或50 mm均可。
綜合以上研究結果和規(guī)定，為方便起見，試驗時可直接使用42 /50 mm 鉆桿；但當試驗深度較大（超過20米）時，42mm鉆桿會發(fā)生撓曲，故推薦使用50mm鉆桿9﹚地下水：Terzaghi和Peck認為，地下水位以下的飽和粉細砂存在臨界密度，對應的擊數(shù)為15擊所以，在飽和粉細砂層進行SPT，當實測擊數(shù)大于15擊時，應將實測擊數(shù)N’校正為N，N=15+（N’-15）/ 210）上覆自重壓力的影響：這方面的研究不多，一般認為，上覆自重壓力的影響反映在土體的結構、密度等基本性質中，在N值中已經有所體現(xiàn)Peck（1947）曾指出砂土自重壓力對N值有影響，校正公式為：N=CN·N’，式中的CN為自重壓力影響校正系數(shù)，是試驗深度處砂土有效自重壓力的函數(shù)4 桿長修正討論鉆桿長度校正問題，國內外工程界一直存有爭議，美國的Schmertmann(1979)和日本的Fuyuki(1981)分別采用波動方程模擬方式和在120米探桿上貼應變片測試的方法，對該問題進行理論分析和模擬試驗前者的結論是：當探桿長度小于70英尺（21米）時，波動能量傳遞的影響微不足道；后者認為：在探桿末端沖擊引起的波動量衰減很??；二人的結論均傾向于不進行桿長修正。
但也有有一些相反意見，如美國材料試驗協(xié)會SPT專題研究組認為，傳遞給周圍摩擦介質的能量一般與桿長成正比，就能量傳遞而言，長度是一個重要因素我國工程界主張進行桿長修正的主要是原地基基礎設計規(guī)范（GBJ 7-89），最大校正長度21米，對應于該長度的系數(shù)為0.7，折減比較大事實上，該系數(shù)表沿用的是更早的74規(guī)范，原始出處已難以考證，一般認為是基于牛頓彈性碰撞理論，之所以上限定在21米，是因為該理論假設前提條件是總桿長質量不能大于落錘質量的二倍另外，日本工業(yè)標準（JIS A 1219-1961）中規(guī)定，當桿長大于20米時，按1.06－0.003L進行修正(L:桿長，單位：m)，該式折減系數(shù)很小，幾乎近于不修正另一方面，國外的一些學者基于彈性波波動理論得出相反的結論，他們認為：桿長與校正系數(shù)成正比，當桿長L從3m到15m，校正系數(shù)從0.77趨向于常數(shù)1.0而以Peck和Gibbs為代表的按上覆自重壓力修正的方法則將12 m定為臨界深度，在該深度以內，校正系數(shù)大于1.0，超過臨界深度后校正系數(shù)才小于1.0不主張進行桿長修正的有：建筑抗震設計規(guī)范（GB50011－2001）；巖土工程勘察規(guī)范（GB50021－2001）；上海市巖土工程勘察規(guī)范（DBJ 08－37－94）；北京地區(qū)建筑地基基礎勘察設計規(guī)范（DBJ 01－501－92）；歐洲動力觸探標準以及Terzaghi等。
從上述建議和規(guī)定可以看出，桿長修正與否以及如何修正存在各種不同的意見和主張，都有其各自的理由和道理在現(xiàn)行的國標中，取消了與N值有關的承載力表以及相應的桿長校正系數(shù)表；是否修正以成為本行業(yè)面臨的現(xiàn)實問題目前，工程勘察界多數(shù)的傾向意見是，在所提交的勘察報告中，必須提供實測擊數(shù)對既往已有的經驗公式或相關表格，按其推出時所規(guī)定是否修正為準，如果限定是修正后擊數(shù)，則按相應的校正系數(shù)修正后使用，否則應采用實測擊數(shù)在與國外合作項目中，按國際慣例提供實測擊數(shù)，并繪制附有H~ N關系曲線的鉆孔柱狀圖 5. 試驗指標的應用SPT指標N值應用領域十分廣泛，國外和國內不同行業(yè)及地區(qū)都有與之相關的經驗公式但在使用時要有針對性并考慮其適用條件；一般說來，應用對象偏重于松散介質，在有成熟經驗的地區(qū)，亦可用于粘性土5.1 地基土液化評價用SPT方法判別飽和粉土及砂土液化是近年發(fā)展的趨勢，特別在定量評價方面，更是一種不可或缺的手段，具有權威性和很多研究成果現(xiàn)行《建筑抗震設計規(guī)范》（GB50011-2001）以及鐵路、公路系統(tǒng)等行業(yè)標準都引用了這種方法，雖然在邊界條件方面有所不同，但都以N值（不進行桿長校正的實測擊數(shù)）為基本判別參數(shù)，詳細的判別方法及公式參見相關規(guī)范。
5.2 劃分風化巖與殘積土的界限 這方面的資料目前僅限于花崗巖地區(qū)，用N值（實測擊數(shù)）劃分殘積土、全風化巖、強風化巖的界限，見下表2；對其他類型的軟巖和殘積土可作為參考 表2巖體風化程度無側限抗壓強度（MPa）標準貫入試驗擊數(shù)(擊)剪切波速(m/s)殘積土<600<30<250全風化巖600≤qu <80030≤N <50250≤Vs <350強風化巖≥800≥50≥3505.3 估算土層的剪切波速國內外不少學者根據大量的數(shù)據對比統(tǒng)計，提出N值與剪切波速Vs存在相關關系，其中具代表性的有以下二式：Vs = 89.8?N 0.341 (日本今井) Vs = 91.4?N 0.347 (冶金部沈陽勘察院) 5.4 判別砂土層的密度與相對密度，見下表3 表3密實度標準貫入試驗擊數(shù)N（擊）國際標準中國標準中國標準（GB50007-2002）國際標準極松散松散≤100~4松散4~10稍密稍密10＜N≤1510~15中密中密15＜N≤3015~30密實密實＞3030~50極密實＞50另外，Meyerhof提出可用N值按下式推算砂土的相對密度Dr （%）Dr =210?√N/（σ+70） 式中：σ-有效上覆自重壓力（kpa）5.5 確定砂土的內摩擦角 表4研究者表達式備注大崎Φ=√（20?N）+15DunhamΦ=√（12?N）+20級配良好的砂PeckΦ=0.3?N +27MeyerhofΦ=0.25?N+32.5粉砂減5°砂土作為一種松散介質，難以取得原狀試樣，不能直接測定內摩擦角，這一直是本行業(yè)的一個難題；雖然在國外如日本采用凍結法可采取到原狀砂樣，進行室內剪切試驗，但成本太高，程序也很復雜，只能應用于一些重點的研究項目。
從實用角度考慮，在目前工程勘察界,確定土的內摩擦角，大都采用N值來推算，其主要研究成果如下表4 5.6 確定地基土承載力用N值推算地基土承載力，一直為業(yè)界所關 砂土承載力特征值fak（kpa） 表5 N土類10153035中砂、粗砂190250400450粉砂、細砂135180320365注，也是工程中最常遇到的問題之一；相比較室內試驗而言，這種方法具有實用快捷等特點需要注意的是，用于確定地基土承載力的N值，應進行桿長修正并按下式統(tǒng)計后使用：N=μ- 1.645σ/√n 式中：μ-平均值;σ-標準差;n統(tǒng)計個數(shù)注:表5引自《河北省建筑地基承載力確定技術規(guī)程》（送審稿） 砂土承載力特征值fak（kpa） 表6N土類10153050中砂、粗砂180250340500粉砂、細砂140180250340注：表6引自原《建筑地基基礎設計規(guī)范》（GBJ 7-89） 粉土承載力特征值 表7 N（擊）46810121618fak（kpa）100140170200235320350注：表7引自《河北省建筑地基承載力確定技術規(guī)程》（送審稿）。
粘性土承載力特征值 表8 N（擊）35791113151719fak（kpa）105145190235280320350380420注：表8引自《河北省建筑地基承載力確定技術規(guī)程》（送審稿）粘性土承載力特征值 表9 N（擊）357911131517192123fak（kPa）105145190220295325370430515600680注：表9引自原《建筑地基基礎設計規(guī)范》（GBJ 7-89） 粘性土、粉土承載力特征值經驗公式 表10研究者經驗公式適用土層備注江蘇水利工程總隊fak=23.3N粘性土、粉土不做桿長修正鐵三院fak=72+9.4N1.2粉土冶金部武漢勘察院fak= 4.9+35.8N粘性土、粉土湖北水電勘察設計院fak=80+20.2N粘性土、粉土N=3~85.7 估算砂土的壓縮（變形）模量一般來講，粘性土容易采取原狀試樣，宜以室內試驗確定其壓縮模量，或用載荷試驗測求土的變形模量；故本文不推薦用SPT方法推算土層的變形參數(shù)。
上海市巖土工程勘察規(guī)范（DBJ 08－37－94）規(guī)定，粉、細砂壓縮模量Es可按下式估算：當H≤15m Es=4.8?N045當H≥15m Es=2.5?N075?H‐025東南沿海地帶花崗巖殘積土的變形模量Eo可按下式估算：Eo=2.2?N （適用于5 本文試圖對國內外有關SPT的使用及經驗做一歸納介紹，并對其中的一些問題進行初步探討，不足之處敬請指正。
