标准贯入试验

Question

如题所述

Answer 1

一、试验设备及操作技术要点

1.试验设备

标准贯入试验的设备包括：标准贯入器、触探杆、穿心锤与锤垫四部分，见图4-4所示。目前，国际上常用的设备规格已经统一，见表4-8。

表4-8 标准贯入试验设备规格

图4-4 标准贯入试验设备(单位：mm)

1—贯入器靴；2—由两半圆形管合成的贯入器身；3—出水孔；4—贯入器头；5—触探杆；6—锤垫；7—穿心锤

2.试验的操作技术要点

(1)为保证标准贯入试验孔的质量，要求采用回转钻进，以尽可能减少对孔底土的扰动。当钻进至试验标高以上15cm处，停止钻进。

还应注意的是：①仔细清除孔底残土到试验标高；②在地下水位以下钻进时，或遇承压含水砂层时，孔内水位应始终高于地下水位，应保持孔底土处于平衡状态，以减少对土的振动扰动；③当下套管时，要防止套管超过试验标高，否则会使N值偏大；④缓慢下放钻具，避免孔底土的扰动；⑤为防止涌砂或塌孔，应采用泥浆护壁。

(2)为保证锤击时钻杆不发生侧向晃动，钻杆应定期检查，使钻杆弯曲度小于0.1%，接头应牢固。

(3)穿心锤落距为76cm，应采用自动脱钩的自由落锤法进行锤击，并减小导向杆与锤之间的摩阻力，避免锤击时的偏心和侧向晃动，以保持锤击能量恒定。

(4)试验时，先将整个杆件系统连同静置于钻杆上端的锤击系统，一起下到孔底。首先将贯入器以每分钟15～30击的速度打入土层中15cm，以后开始记录打入30cm的锤击数，即为实测锤击数N。当N＞50击，而贯入度未达30cm时，可记录50击的实际贯入深度，终止试验。按实际50击时的贯入度ΔS(cm)，按式(4-15)计算贯入30cm的锤击数。

土体原位测试与工程勘察

(5)提出贯入器，取出贯入器中的土样进行鉴别、描述、记录，保存土样备用。

(6)最后绘出击数N和贯入深度(H)的关系曲线(图4-3)。

二、成果的校正

试验的影响因素是很复杂的。其中有些因素可通过标准化的办法使其统一以减少对试验成果的影响，如设备、落锤方法、试验方法等影响因素属于此类；但另一些因素如杆长，地下水位、上覆压力等，则是无法人为控制的。

1.杆长的影响

触探杆长度对测试结果的影响，国内外存在不同的看法。有两种代表性的分析理论，即：古典的牛顿碰撞理论及弹性杆件中波动理论。

按牛顿碰撞理论，随杆长增长，杆件系统受锤击碰撞后用于贯入土中的有效能量逐渐变小；而按弹性波动理论，随杆长的增长，有效能量却是逐渐增大，超过一定杆长后，有效能量趋于定值。

国内对此因素有两种不同的处理意见：

《建筑地基基础设计规范》(GBJ 7-89)规定杆长＞3m时锤击数按下式进行杆长修正：

N=αN′ (4-16)

式中：N为标贯试验经杆长修正后的锤击数；N′为实测的标贯击数；α为长度修正系数，查表4-9。

表4-9 探杆长度校正系数α表

该表中α值，实际上是以牛顿碰撞理论为基础计得的。

如用弹性杆件波动理论，当杆长 l≥14m，α=1.0；当杆长小于14m，由于输入钻杆的锤击能量随着杆长变短而变小，使击数值偏大，α偏小，故不做杆长修正。

《地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范》(GB 50307-1999)及《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)规定不进行杆长修正。

2.地下水位影响的校正

Terzaghi和Peck提出，当实测N′＞15的饱和粉细砂，建议用下式校正：

土体原位测试与工程勘察

交通部《港口工程地质勘察技术规范》规定，当用N值确定砂土的相对密度D_r及内摩擦角φ值时，对地下水位以下的中、粗砂层的N值，宜按下式校正：

N=N′+5 (4-18)

3.上覆压力影响的校正

长期以来国内不考虑上覆压力的影响。

三、标准贯入试验成果的应用

根据标准贯入试验的锤击数，可对砂土、粉土、粘性土的物理状态，土的强度、变形参数、地基承载力、单桩承载力，砂土和粉土的液化，成桩的可能性等作出评价。

1.评定土的强度指标

评定砂土的内摩擦角φ及粘性土的不排水抗剪强度C_u有多种方法：

(1)Terzaghi和Peck提出粘性土不排水抗剪强度C_u为：

C_u=(6～6.5)N (4-19)

(2)Gibbs和Holtz统计的砂土经验关系式为：

土体原位测试与工程勘察

式中：σ_v0为上覆压力(t/m²)。

(3)Behpoor结合60项工程，对伊朗的亚粘土及粉质粘土(N＜25击)，得：

q_u=15N(kPa) (4-21)

(4)南京水利科学研究院于1950～1960年期间，在我国东南沿海诸省的101项工程中积累了大量的试验资料，统计出标贯击数与无侧限抗压强度q_u的关系式有：

对粘土地基，有792个标贯试验，I_p＞17，粘粒含量0%～87%，得：

q_u=14N+3(kPa) (4-22)

对壤土地基，共有596个标贯试验，I_p=7～17，粘粒含量为0%～54%，得：

q_u=15.3N(kPa) (4-23)

2.评定砂土的相对密度和密实程度

直接按N值判定砂土的密实程度，见表4-10。

表4-10 直接按N值判定砂土的紧密程度

3.评定粘性土的稠度状态

用N与粘性土的稠度状态建立相关关系，国内外均有研究。Terzaghi和Peck(1946)提出的标贯击数与稠度状态关系，见表4-11。武汉冶金勘察公司曾用149组资料得到标贯击数与稠度状态统计的经验关系，基本上与Terzaghi及Peck(1948)的结果相近。据表4-12就可以得到土对应于N值的稠度状态。

表4-11 粘性土N与稠度状态关系(Terzaghi和Peck)

表4-12 N与液性指数I_L的关系

4.评定地基土的承载力

国外在以标贯试验确定粘性土地基的承载力时，一般是由N值推求抗剪强度或无侧限抗压强度q_u，再按理论公式计算承载力。

在国内，着重开展标贯试验与载荷试验对比研究，并提出经验关系。

《建筑地基基础设计规范》(GBJ7-89)，对砂性土承载力标准值，列于表4-13，对粘性土承载力标准值，列于表4-14。

表4-13 N值与砂性土承载力标准值f_k的关系

表4-14 N值与粘性土承载力标准值f_k的关系

国内很多单位也提出不少地区性的经验公式，使用时要注意地区性、土类的差异。

5.评定土的变形参数

用标贯试验估算土的变形参数时有两种途径：一种是与平板载荷试验对比，得出变形模量E₀；另一种是与室内压缩试验对比，得出压缩模量E_s值。一些经验关系式见表4-15所列。

表4-15 N值与E₀或E_s的经验关系式

6.预估单桩承载力及选择桩尖持力层

(1)求单桩承载力 用标贯击数直接估算桩端和桩周极限承载力，国外已有些经验可供借鉴。施默特曼(J H Schmertmann，1969)提出按表4-16估算打入桩单桩承载力。应用范围：N=5～60。N＜5时，用N=0计；N＞60时，用N=60计。

表4-16 利用N值估算桩端极限阻力q_bu和桩周极限阻力q_su

注：q_c为静力触探的贯入阻力；摩阻比即静力触探侧壁阻力和锥尖阻力之比。

日本《建筑钢管桩基础设计规范》规定：在持力层为砂土时，桩端极限阻力为：

土体原位测试与工程勘察

式中：N₁为桩尖以下2d范围内的N平均值；N₂为桩尖以下10d范围内的N平均值；d为桩身直径。

桩周总极限摩阻力为：

土体原位测试与工程勘察

式中：N_s为桩周为砂土部分N的平均值；N_c为桩周为粘性土部分N的平均值；A_s，A_c分别为桩在砂土层和粘性土层部分的侧面积。

北京地质勘察处研究所，曾收集31组试桩与标准贯入试验求单桩承载力的对比资料，提出以下公式求钻孔灌注桩极限承载力q：

土体原位测试与工程勘察

式中：q为灌注桩极限承载力(t)；l_c、l_s分别为桩身在粘性土部分与砂土部分的长度(m)；

、

分别为桩身在粘土层部分与砂土层部分的标准贯入击数之平均值；U为桩身周长(m)；AN_63.5为桩端截面积与标准贯入击数的乘积(m²)；H为孔底虚土厚度(m)。

当孔底虚土厚度H＞0.5m时，则采用下式：

土体原位测试与工程勘察

(2)选择桩尖持力层 利用标准贯入试验选择桩尖持力层，从而确定桩的长度是一个比较简便和有效的方法，特别是地层变化较大的情况更具突出的优点。

根据国内、外的工程实践，对于打入式预制桩，常选N=30～50击作为持力层。对广州地区的残积层N=30就可满足桩长15～20m对持力层的要求。但应用时应结合地区经验来考虑，如上海，一般在60m以下才出现N≥30击的地层；多用半支承半摩擦桩，即可把桩尖持力层选在地下35m及50m上下的N=15～20击的中密粉细砂及粘土层上。实践证明，这也是合理可靠的。

7.液化判别

20世纪60年代，Seed等人在对美国阿拉斯加地震及日本新泻地震的研究中，提出以标准贯入试验的N值为主要指标的“剪应力比-标准贯入法”是很有影响的。

在中国邢台、海城、唐山地震后，结合现场调查并进行理论分析研究，参考Seed等人的成果，提出了以标贯击数N值为主要参数，同时考虑地震烈度、有效覆盖压力和地下水位等主要因素的砂土和轻亚粘土的可能液化判别式。该公式纳入国家标准《建筑抗震设计规范》。

现行国家标准《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)中规定：当饱和土标贯锤击数(未经杆长修正)小于液化判别标准贯入击数的临界值时，应判为液化土。

液化判别标准贯入击数临界值可按下式计算：

土体原位测试与工程勘察

土体原位测试与工程勘察

式中：N_cr为液化判别标准贯入锤击数临界值；N₀为液化判别标准贯入锤击数基准值(表4-17)；d_s为饱和土标准贯入点所处深度(m)；d_w为地面到地下水位的深度(m)；p_c为粘粒含量(%)，当小于3或为砂土时，应采用3。

表4-17 标准贯入锤击数基准值

注：括号内数值用于设计基本地震加速度为0.15 g和0.30 g的地区。

参考文献

中华人民共和国国家标准《建筑地基基础设计规范》GBJ 7-89，北京：中国建筑工业出版社

中华人民共和国国家标准《建筑抗震设计规范》GB 50011-2001，北京：中国建筑工业出版社

中华人民共和国国家标准《岩土工程勘察规范》GB 50021-2001，北京：中国建筑工业出版社

林宗元主编.2003.《简明岩土工程勘察设计手册》，北京：中国建筑工业出版社

孟高头.1997.《土体原位测试机理、方法及其工程应用》[M].北京：地质出版社

南京水利科学研究院土工所.2003.土工试验技术手册，北京：人民交通出版社

唐贤强，谢瑛，谢树彬等.1993.《地基工程原位测试技术》，北京：中国铁道出版社

王锺琦，孙广忠，刘双光等.1986.《岩土工程测试技术》，北京：中国建筑工业出版社

张喜发，刘超臣，栾作田，张文殊.1984.《工程地质原位测试》[M].地质出版社

Answer 2

进行标准贯入试验时应注意的问题：
①应确保贯入器靴的刃口（标贯刃口）应保持完整，当出现缺口或卷刃等损坏，其单个长度大于5mm，或总长度大于12mm时，应停止使用；
②对开式贯入器（两半筒）的对缝应平直、严密，出现扭曲、膨胀、错缝等变形时应停止使用；
③标贯锤重为63.5kg，导向杆自由落锤高度76cm，当落锤质量和导向杆的落距的误差超过允许范围时，应停止使用；
④注意钻杆及导向杆垂直，防止在孔内摇晃；
⑤钻杆直径必须是Φ42；
⑥锤击速度不应超过每分钟30锤，自动落锤装置应保持正常的落锤和提起性能，不得对导向杆产生提拔作用
⑦重复下一次标贯试验，一般宜间隔大于1.0m进行试验。
⑧跟套管护壁的钻孔，试验深度宜超过套管口75cm以下进行标贯试验。
⑨重视钻进工艺及清孔质量，对贯入器开始贯入15cm的击数也予记录，以判断孔底是否有残土或扰动程度；
⑩对试验段（即贯入15～45cm部分）要求测定每锤击一次后的累计贯入量，一次贯入量不足2cm时，记录每贯入10cm的锤击数。绘制锤击数与累计贯入量的关系曲线，以分析土层是否均匀，最后选取30cm试验段的锤击数作为N值记录下来。

Answer 3

自由落锤提引器：

自由落锤装置主要为自动脱钩的两种型式提引器：
①内挂式(是指提引器挂住重锤顶帽的内缘而提升）它是利用导杆缩径，使提引器内的活动装置（钢球、偏心轮或钩等）发生变位，完成挂锤、脱钩及自由下落的往复过程，如下图1钢球缩径式，图2偏心轮缩径式。
②外挂式（是指提引器挂住重锤顶帽的外缘而提升），它是利用上提力完成挂锤，靠导杆顶端所设弹簧锥套或凸块，强制挂钩张开，重锤自由下落，如下图3抓钩扩径式。
标准贯入试验方法及技术要求：
①标准贯入试验应先用钻机采用回转钻进，钻至试验标高以上15cm时应停止钻进，钻进过程中要保持孔中水位略高于地下水位，以防止孔底涌土，加剧孔底以下土层的扰动。当孔壁不稳定时，可采用泥浆或套管护壁停止钻进后，清除孔底残土换用标准贯入器，下到试验位置并量测深度。
②贯入前应拧紧钻杆接头，不得松脱，将贯入器放入孔内时避免冲击孔底，注意保持贯入器、钻杆、导向杆连结后的垂直度。孔口宜加导向器，以保证穿心锤中心施力。贯入器放人孔内时测定其深度，要求残土厚度不大于0.10m。
③应采用自动脱钩的自由落锤装置并保证落锤平稳下落，减小导向杆与锤间的摩阻力，避免锤击偏心和侧向晃动，保持贯入器、探杆、导向杆连接后的垂直度，锤击速率应小于每分钟30击。
④探杆最大相对弯曲度应小于1‰
⑤将贯入器竖立，锤击时应避免偏心及侧向晃动，正式试验前，应预先将贯入器打人土中15cm，然后开始记录每打入10cm的锤击数，累计打人30cm的锤击数为标准贯入试验锤击数N。当锤击数已达到50击，而贯入深度未达到30cm时，不应强行打入，可记录50击的实际贯入度，并按下式换算成相当于30cm贯入度的标准贯入试验锤击数N，并终止试验：
式中：△S—击数50击时的贯入量（cm）
⑥旋转钻杆提出贯入器，取其标贯器内土芯进行鉴别、描述、记录并测量其长度，特别要对照土芯内有无影响标贯试验击数的砾石、卵石、有机质（朽木）等，对标贯试验击数的准确性做出判断，并将土样放到岩芯箱，进行标识和编号，以备编录使用。
⑦重复以上操作步骤，进行下一深度的贯入试验。
进行标准贯入试验时应注意的问题：
①应确保贯入器靴的刃口（标贯刃口）应保持完整，当出现缺口或卷刃等损坏，其单个长度大于5mm，或总长度大于12mm时，应停止使用；
②对开式贯入器（两半筒）的对缝应平直、严密，出现扭曲、膨胀、错缝等变形时应停止使用；
③标贯锤重为63.5kg，导向杆自由落锤高度76cm，当落锤质量和导向杆的落距的误差超过允许范围时，应停止使用；
④注意钻杆及导向杆垂直，防止在孔内摇晃；
⑤钻杆直径必须是Φ42；
⑥锤击速度不应超过每分钟30锤，自动落锤装置应保持正常的落锤和提起性能，不得对导向杆产生提拔作用
⑦重复下一次标贯试验，一般宜间隔大于1.0m进行试验。
⑧跟套管护壁的钻孔，试验深度宜超过套管口75cm以下进行标贯试验。
⑨重视钻进工艺及清孔质量，对贯入器开始贯入15cm的击数也予记录，以判断孔底是否有残土或扰动程度；
⑩对试验段（即贯入15～45cm部分）要求测定每锤击一次后的累计贯入量，一次贯入量不足2cm时，记录每贯入10cm的锤击数。绘制锤击数与累计贯入量的关系曲线，以分析土层是否均匀，最后选取30cm试验段的锤击数作为N值记录下来。
试验资料的整理：
①由于钻杆的弹性压缩会引起能量损耗，钻杆过长时使贯入器的动能降低，因而减少每击的贯入深度，即提高了锤击数。但应用地区性经验时，标贯试验实测击数值是否进行触探杆长度影响修正，《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）（2009年版）规定，应用N值时是否修正和如何修正，应根据建立统计关系时的具体情况确定。
②如需要进行杆长对锤击数进行修正，可应用以下公式：
N’＝a×N
式中：N—实际记录的锤击数；
a—修正系数；
N’—修正后的锤击数。
③根据标准贯入试验锤击数，可绘制N值随深度变化的曲线，也可直接将N值绘在柱状图或剖面图上，勘察报告或试验报告中应首先反映标贯试验实测击数值。
④分层统计标准贯入试验锤击数的平均值和标准值，统计时剔除异常值。

Answer 4