標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗

1、 2021/3/143 （Standard Penetration Test ,SPT） 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗是一種在現(xiàn)場用63.5kg的穿心錘,以76cm的落距自由落下,將一定規(guī)格的帶有小型取土筒的標(biāo)準(zhǔn)貫入器打入土中,記錄打入30cm的錘擊數(shù)（即標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N）,并以此評價土的工程性質(zhì)的原位試驗。2021/3/144 SPT原位測試技術(shù)仍屬于動力觸探范疇,所不同的是,其貫入器不是圓錐探頭,而是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的圓筒形探頭（由兩個半圓筒合成的取土器）。與圓錐動力觸探試驗相似,標(biāo)準(zhǔn)灌入試驗并不能直接測定地基土的物理力學(xué)性質(zhì),而是通過與其他原位測試手段或室內(nèi)試驗成果進(jìn)行對比,建立關(guān)系式,積累地區(qū)經(jīng)驗,才能評定地基

2、土的物理力學(xué)性質(zhì)。2021/3/145 適用土層:砂性土、粘性土,不適用于碎石類土及巖層。優(yōu)點:操作簡單、使用方便,地層適用性較廣。缺點:試驗數(shù)據(jù)離散性較大,精度較低,對于飽和軟粘土,遠(yuǎn)不及十字板剪切試驗及靜力觸探等方法精度高。2021/3/146 這種試驗技術(shù)是20世紀(jì)40年代末期發(fā)展起來的。由于使用方便,得到了廣泛的應(yīng)用,在美國及日本應(yīng)用最為廣泛。在我國,50年代初期由南京水利實驗處研制并在治淮工程中得到廣泛的推廣,積累了大量的使用經(jīng)驗。60年代在國內(nèi)得以普及。 2021/3/147 1評價地基土的物理狀態(tài)（如地層剖面及軟弱夾層）;2評價地基土的力學(xué)性能參數(shù)（如變形模量、物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)）

3、;3計算天然地基的承載力;4計算單樁的極限承載力及選擇樁尖持力層;5評價場地砂土和粉土的液化可能性及等級。2021/3/148 應(yīng)該指出的是,除判別液化外,其余的應(yīng)用方法都是基于與其他測試方法的對比中建立起計算公式的。如樁的承載力的預(yù)估是與載荷試驗相對比,土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)是與室內(nèi)試驗成果建立相關(guān)關(guān)系。因此,對缺乏使用經(jīng)驗的地區(qū),在應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗時應(yīng)與其他測試方法配合作用。 2021/3/149 2021/3/1410 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗設(shè)備主要由貫入器、觸探桿和穿心錘三部分組成。如圖5-1所示。 2021/3/1411 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的貫入器是由對開管和管靴兩部分組成的探頭。對開管是由兩個半圓管合成

4、的圓筒型取土器;管靴是一底端帶刃口的圓筒體。二者通過螺紋連接,管靴起到固定對開管的作用。貫入器的外徑、內(nèi)徑、壁厚、刃角與長度都有標(biāo)準(zhǔn)化尺寸,見表5-1。 重63.5kg的鑄鋼件,中間有一直徑45mm的穿心孔,此孔為放導(dǎo)向桿用。國際、國內(nèi)的穿心錘除重量相同外,錐形上不完全統(tǒng)一。落錘能量受落距控制,落錘方式有自動脫鉤和非自動脫鉤兩種。目前國內(nèi)普遍使用自動脫鉤裝置。 2021/3/1412 國際上多用直徑為4050mm的無縫鋼管,我國則常用直徑為42mm的工程地質(zhì)鉆桿。在與穿心錘連接處設(shè)置一錘墊。 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗設(shè)備原先并不標(biāo)準(zhǔn)。各部件的規(guī)格各國有所差異。國際土力學(xué)與基礎(chǔ)工程協(xié)會(ICSMFE)于19

5、57年成立專門委員會開展研究工作,以解決SPT的標(biāo)準(zhǔn)化問題。并于1988年向第一屆國際觸探試驗會議提出標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗國際標(biāo)準(zhǔn)建議稿,于1989年獲得通過,開始執(zhí)行。 2021/3/1413 我國目前采用的SPT設(shè)備與國際標(biāo)準(zhǔn)一致,巖土工程勘察規(guī)范（GB500212002）要求SPT的設(shè)備應(yīng)符合表5-1的規(guī)定。表5-1 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗設(shè)備尺寸2021/3/1414二、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗的基本原理二、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗的基本原理 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗是利用一定的落錘能量（錘重63.5 kg,落距76cm）將標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的貫入器貫入土中,根據(jù)打入土中30 cm的錘擊數(shù)（N）來判別土的工程性質(zhì)的一種現(xiàn)場測試方法。其試驗原理與動力

6、觸探試驗十分相似。因此,第四章中關(guān)于動力觸探的試驗原理也適用于標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗。 但是,SPT與動力觸探在貫入器上的差別,決定了SPT的基本原理的獨特性,SPT在貫入過程中,整個貫入器對端部和周圍土體將產(chǎn)生擠壓和剪切作用,SPT的貫入器是空心的,在沖擊力作用下,將有一部分土擠入貫入器,其工作狀態(tài)和邊界條件十分復(fù)雜。2021/3/1415 影響標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗的因素有很多,主要有以下兩個方面:1鉆孔孔底土的應(yīng)力狀態(tài) 不同的鉆進(jìn)工藝(回轉(zhuǎn)、水沖等)、孔內(nèi)外水位的差異、鉆孔直徑的大小等,都會改變鉆孔孔底的應(yīng)力狀態(tài)。2錘擊能量 通過實測,即使是自動自由落錘,傳遞給探桿系統(tǒng)的錘擊能量也有很大的波動,變化范圍達(dá)到

7、（4550),對于不同單位、不同機具、不同操作水平,錘擊能量的變化范圍更大。2021/3/1416 為了提高試驗質(zhì)量,國外已發(fā)展直接標(biāo)定輸入探桿錘擊能量的新方法。在錘墊附近設(shè)置一測力計,記錄探桿受錘擊后的力時間波形曲線（見圖52）。 圖5-2 F(t)t波形曲線 2021/3/1417計算進(jìn)入探桿的第一個壓縮波的能量Ei: F(t)在探桿中隨時間變化的動壓力;t第一個應(yīng)力波持續(xù)的時間,自t0開始;t2Lc (L為測力點到貫入器底的長度,c為應(yīng)力波在探桿中的傳播速度);A探桿截面積;E探桿的楊氏彈性模量;k1測力點在打頭以下L位置時的修正系數(shù);k2探桿系統(tǒng)長度L小于等代桿長Le時的理論修正系數(shù);

8、kc理論彈性波速c修正為實際彈性波速ca的修正系數(shù);Le等代桿長,錘質(zhì)量與探桿單位長度質(zhì)量之比。2021/3/1418 式中,rm為探桿系統(tǒng)(總長L)的質(zhì)量m與錘質(zhì)量M的比值;dL/L 計算得到的Ei與理論的錘擊動能E*(MgH,H為落距)的比即為實測應(yīng)力波能量比ERi（%）。 ERi= Ei/ E*100%2021/3/1419 按標(biāo)準(zhǔn)的貫入器,用標(biāo)準(zhǔn)的錘(63.5kg)和落距(76cm)?？紤]到錘擊效率,標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)力波能量比為60。則可用實測ERi修正標(biāo)貫擊數(shù)Ni: N60=（ERi/60）NiNi相應(yīng)于能量比為ERi的實測錘擊數(shù);N60修正為標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力波能量比的標(biāo)貫擊數(shù)。2021/3/142

9、1 鉆進(jìn)方法:為保證鉆孔質(zhì)量,要求采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn),并保持孔內(nèi)水位略高于地下水水位,當(dāng)鉆進(jìn)至試驗標(biāo)高以上15cm時,停止鉆進(jìn)。還應(yīng)注意:（1）仔細(xì)清除孔底殘土到試驗標(biāo)高,換用標(biāo)準(zhǔn)貫入器,并量得深度尺寸;（2）在地下水位以下鉆進(jìn)時,或遇承壓含水砂層時,孔內(nèi)水位應(yīng)始終高于地下水位,以減少對土的振動擾動;（3）當(dāng)下套管時,要防止套管下過頭,否則在管內(nèi)做試驗會使N值偏大。2021/3/1422 。 2021/3/1423 若遇比較密實的砂土,貫入不足30cm的捶擊數(shù)已超過50擊時,應(yīng)終止試驗,并記錄實際貫入深度S（cm）和累計擊數(shù)n。按下式換算成貫入30cm的錘擊數(shù)N: N=30n/S5提出貫入器,將其中

10、土樣取出進(jìn)行鑒別描述、記錄,然后換以鉆具繼續(xù)鉆進(jìn),至下一需要進(jìn)行試驗的深度,再重復(fù)上述操作。一般每隔1.02.0m進(jìn)行一次試驗。6在不能保持孔壁穩(wěn)定的鉆孔中進(jìn)行試驗時應(yīng)下套管以保護(hù)孔壁,但試驗深度必須在套管75cm以下;或采用泥漿護(hù)壁。7最后繪出擊數(shù)N和貫入深度標(biāo)高（H）的關(guān)系曲線。見圖5-3。 2021/3/1424 2021/3/1426 試驗的影響因素是很復(fù)雜的,其中有些因素可通過標(biāo)準(zhǔn)化的辦法使其統(tǒng)一以減少對試驗成果的影響,如設(shè)備、落錘方法、試驗方法等影響因素屬于這一類。 但另一些因素如桿長、地下水位、上覆壓力等,則是無法人為控制的,因此要進(jìn)行修正。 與圓錐動力觸探相似,關(guān)于試驗成果進(jìn)行

11、桿長修正問題,國內(nèi)外的意見并不一致。2021/3/1427 在建立標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N與其他原位測試或室內(nèi)試驗指標(biāo)的經(jīng)驗關(guān)系式時,對實測值是否修正和如何修正也不統(tǒng),因此,在SPT成果應(yīng)用時,需要特別注意。應(yīng)根據(jù)建立統(tǒng)計關(guān)系式時的具體情形來決定是否對實測錘擊數(shù)進(jìn)行修正。 另外,在勘察報告中,對于所提供的標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)應(yīng)注明是否已進(jìn)行了桿長修正。 2021/3/1428表5-2 N63.5的桿長修正系數(shù)（1）根據(jù)牛頓彈性碰撞理論修正 建筑地基基礎(chǔ)規(guī)范(GBJ789)規(guī)定,標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗的貫入深度不宜超過21m。同時規(guī)定,當(dāng)試驗深度大于3m時,實測錘擊數(shù)N需按下式進(jìn)行鉆桿長度修正:N=N式中,為修正系數(shù),按

12、表5-2取值。2021/3/1429 表5-2中的值是根據(jù)牛頓彈性碰撞理論計算而得,并非實測值,與實際并不符合。關(guān)于限制在21m以內(nèi)也是由于歷史原因造成的。目前,實際工程中標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗的桿長最長已超過100m,試驗成果(N值)仍能較好地反映土層的力學(xué)性質(zhì)的變化。 2021/3/1430（2）日本東海大學(xué)宇都-馬等實測了水平擱置的120m鉆桿系統(tǒng)在受錘擊時桿頂端與底端的錘擊動應(yīng)力的衰減情況和位移,建議的修正關(guān)系如下:當(dāng)桿長l20m時,NN;當(dāng)l20m時, N(1.06一0.003L)N（3）按彈性桿件波動理論修正 當(dāng)桿長l14m時,NN(=1.0);當(dāng)l15時,應(yīng)按下式進(jìn)行修正: N=15+0.

13、5(N-15) 交通部港口工程地質(zhì)勘察技術(shù)規(guī)范規(guī)定,當(dāng)用N值確定Dr及值時對地下水位以下的中、粗砂層的N值宜按下式校正:N=5+N2021/3/1435 1標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗成果整理時,試驗資料應(yīng)當(dāng)齊全,包括: 鉆孔孔徑、鉆進(jìn)方式、護(hù)孔方式、落錘方式、地下水位及孔內(nèi)水位(或泥漿高程)、初始貫入度、預(yù)打擊數(shù)、試驗標(biāo)貫擊數(shù)及深度記錄、貫入器所取擾動土樣的鑒別描述。 如做過錘擊能量標(biāo)定試驗的,應(yīng)有F(t)t曲線。2021/3/14362繪制標(biāo)貫擊數(shù)N與深度的關(guān)系曲線,或在地質(zhì)剖面圖上,進(jìn)行SPT的鉆孔旁,于試驗點深度標(biāo)出N值。作為勘察資料提供時,對N值不必進(jìn)行桿長修正、上覆壓力修正及地下水位修正。 如進(jìn)行

14、錘擊能量標(biāo)定試驗的、可按錘擊能量標(biāo)定試驗資料計算N60。 3結(jié)合鉆探及其他原位試驗,依據(jù)N值在深度上的變化,對地基土進(jìn)行分層,對各土層的N值進(jìn)行統(tǒng)計。統(tǒng)計時,要剔除個別異常值。 2021/3/1438 1直接按N值判定砂土的緊密程度,見表5-4。表5-4 砂土的密實度 2021/3/14392原建設(shè)部綜合勘察研究院繪制的N-Dr-v0的關(guān)系曲線,如圖5-5所示。 根據(jù)試驗錘擊數(shù)和試驗點深度,利用該圖可查得砂土的相對密實度Dr。2021/3/14401Terzaghi及Peck提出的標(biāo)貫擊數(shù)與稠度狀態(tài)之間的關(guān)系,見表5-5,該表廣泛流行至今。表5-5 粘性土N與稠度狀態(tài)關(guān)系（Terzaghi 及

15、 peck）2021/3/14412在國內(nèi),按原冶金部武漢勘察公司149組資料統(tǒng)計的經(jīng)驗關(guān)系,如表5-6所示。表5-6 粘性土N與液性指數(shù)IL的經(jīng)驗關(guān)系 2021/3/1442 用標(biāo)貫試驗成果,可以評定砂土的內(nèi)摩擦角和粘性土的不排水抗剪強度。評定砂土內(nèi)摩擦角的關(guān)系式有:（1）Gibbs和Holtz（1957）統(tǒng)計的砂土經(jīng)驗關(guān)系式 式中,v0為上覆壓力（kPa）。由此經(jīng)驗關(guān)系式得出的圖為（圖5 -6）:2021/3/1443 圖5-6 N-v0關(guān)系 （Gibbs和Holtz（1957）2021/3/1444 （2）Wolff（1989）統(tǒng)計的經(jīng)驗關(guān)系式為:式中,N1為用上覆壓力修正過的錘擊數(shù),采

16、用Peck等的修正關(guān)系: （3）Peck的經(jīng)驗關(guān)系為:=0.3N+27（4）Meyerhof的經(jīng)驗關(guān)系為:當(dāng)4N10時,當(dāng)N10時 , 3226N652132N41用這兩式進(jìn)行判別時,粉砂應(yīng)減5,粗、礫砂應(yīng)加5。2021/3/1445評定粘性土的強度指標(biāo)也有多種方法:（1）Terzaghi及Peck提出粘性土不排水抗剪強度Cu為: N)5 . 66(Cu（2）南京水利科學(xué)研究院在1950年1960年期間,在我國東南沿海諸省的101項工程中積累了大量的試驗資料,統(tǒng)計出標(biāo)貫擊數(shù)與無側(cè)限抗壓強度qu之間的關(guān)系:對粘性地基,有792個標(biāo)貫試驗,Ip17,粘粒含量087%,得:qu=14N+3 （kPa

17、）對壤土地基,有596個標(biāo)貫試驗,其Ip=717,粘粒含量054%,得:qu=13.5N （kPa）2021/3/1446（3）Behpoor結(jié)合60項工程,對伊朗的亞粘土及粉質(zhì)粘土（N25擊）,得:qu=15N （kPa）（4）美國海軍碼頭及船塢局發(fā)現(xiàn)標(biāo)貫擊數(shù)與無側(cè)限抗壓強度qu的關(guān)系線與塑性指數(shù)Ip有密切關(guān)系,如圖5-7所示。南京水科院與Behpoor的關(guān)系式是與上圖相當(dāng)一致,靠近低Ip粘土的邊界線。2021/3/14472021/3/1448 在國內(nèi),著重開展標(biāo)貫試驗與載荷試驗對比研究,提出經(jīng)驗關(guān)系式。（1）建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范（GBJ7-89）,對粘性土承載力標(biāo)準(zhǔn)值,列于表5-7,砂性

18、土承載力標(biāo)準(zhǔn)值列于表5-8。（2）國內(nèi)很多單位基于當(dāng)?shù)貙嵺`提出了地區(qū)性經(jīng)驗公式,使用時注意地區(qū)性、土類的差異。見表5-9。（3）Terzaghi建議的地基承載力（kPa,安全系數(shù)取3）的經(jīng)驗關(guān)系式為:對于條形基礎(chǔ):fk=12N對于獨立方基礎(chǔ):fk=15N 2021/3/14492021/3/1450表5-9 國內(nèi)N值與fk（kPa）的經(jīng)驗關(guān)系 2021/3/1451四、評定土的變形參數(shù) 用標(biāo)貫試驗估算土的變形參數(shù)時有兩種途徑:一種是與平板載荷試驗對比,得出變形模量E0;另一種是與室內(nèi)壓縮試驗對比,得出壓縮模量Es值。 國內(nèi)一些勘察和研究單位建立的評定土的變形參數(shù)的經(jīng)驗關(guān)系式匯總于表5-10。表

19、5-10 N值與E0或Es的經(jīng)驗關(guān)系2021/3/1452（一）求單樁容許承載力1Schertmann（1967）的方法見表5-11,該方法需要同時測定靜力觸探的錐尖阻力qc。表5-11 用N估算樁端阻力pb和樁側(cè)摩阻力pf2021/3/14532國家?guī)r土工程勘察和地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范沒有關(guān)于利用標(biāo)貫試驗結(jié)果確定單樁的承載力規(guī)定,但當(dāng)積累了大量的工程經(jīng)驗后,可以用標(biāo)貫擊數(shù)來估計單樁承載力。 如北京勘察設(shè)計研究院提出估算單樁承載力的經(jīng)驗公式如下: 2021/3/14542021/3/1455（二）選擇樁尖持力層 利用標(biāo)貫試驗選擇樁尖持力層,從而確定樁的長度是一個比較簡便和有效的方法,特別是地層變化較

20、大的情況更具突出的優(yōu)點。 根據(jù)國內(nèi)外的實踐,對于打入式預(yù)制樁,常選N =3050擊作為持力層。 對廣州地區(qū)的殘積層N=30就可以滿足樁長1520m對持力層的要求。 應(yīng)用時,應(yīng)結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗考慮。 2021/3/1456六、砂土液化判別 目前,國內(nèi)外用于砂土液化評價的現(xiàn)場試驗手段主要有標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗和靜力觸探試驗兩種。我國建筑抗震設(shè)計規(guī)范（GB50011一2001）規(guī)定:（1）當(dāng)初步判別認(rèn)為需進(jìn)一步作液化判別時,應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗判別地面下15m范圍內(nèi)土的液化可能性;（2）當(dāng)采用樁基或埋深大于5m的深基礎(chǔ)時還需要判別1520m范圍內(nèi)土的液化可能性。（3）當(dāng)飽和砂土和飽和粉土的標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)實測值(未

21、經(jīng)桿長修正)N小于液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)Ncr時,應(yīng)判為液化土。2021/3/1457地面下15m深度范圍內(nèi)液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)Ncr按下式計算:而地面下1520m深度范圍內(nèi)液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)Ncr按下式計算:N0液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值,按表5-14取用;ds飽和土標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗點深度(m);dw地下水位深度,宜按建筑使用期內(nèi)年平均最高水位或近期內(nèi)年最高水位采用;c粘粉百分含量,當(dāng)小于3或為砂土?xí)r,應(yīng)采用3。 cwscr/dd.NN3)( 10900cwscr/dd.NN3)( 10-2.402021/3/1458表5-14 標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值N02021/3/1459七、估算地基

22、基床反力系數(shù) 日本有關(guān)規(guī)范提供了N值與地基基床反力系數(shù)k (k Pa)的經(jīng)驗關(guān)系。(1)日本建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范建議地基基床反力系數(shù)k可由下式估計: k(0.11.0)N(2)采用日本港灣技術(shù)規(guī)范:當(dāng)考慮荷載p與位移y為線性關(guān)系時, k0.15N當(dāng)考慮為非線性關(guān)系時,對于正常固結(jié)粘土,則 pky0.3 k0.075N0.62對于超固結(jié)粘上,則 pky0.5 k0. 5N0.622021/3/1460(3)日本國鐵基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范中,對灌注樁的樁端、樁側(cè)、樁頂?shù)牡鼗卜戳ο禂?shù)的經(jīng)驗關(guān)系如下:樁端地基基床反力系數(shù):kv=0.2E0D-3.1樁側(cè)地基基床反力系數(shù):ks=0.03E0D-3.4樁頂?shù)鼗卜戳ο禂?shù):kh=0.2E0D-3.4式中,D樁徑(cm); E0地基變形模量,取25N(105Pa)。以上關(guān)系式均是以變形為10mm的地基基床反力系數(shù)。2021/3/1461八、估算土層的平均彈性剪切波速Vp (1)按日本道橋設(shè)計規(guī)范的經(jīng)驗關(guān)系如下:對粘性土: Vp100N1/3 1N25對砂性土: Vp80N1/3