第四章


第四章  动力触探试验

4.1  概    述

动力触探试验(Dynamics Penetration Test，缩写DPT)是利用一定的锤击动能，将一定规格的探头打入土中，据每打入土中一定深度的锤击数来判定土的性质，并进行力学分层的一种原位测试方法。

    动力触探技术在国内外应用极为广泛，是—种主要的土的原位测试方法。其优点有：

    (1) 设备简单，操作及测试方法容易；

    (2) 快速，能连续测试土层；

    (3) 适应性广，适用于砂土、粉土、砾石土、软岩、强风化岩石及粘性土等地层；

    (4) 标准贯入试验，可同时取样；

    动力触探在国际上应用历史悠久，已经积累了丰富的资料和应用经验，并已分别建立了动力触探锤击数与土层力学性质之间的相关关系和图表，使用十分方便。此外，动力触探成果也广泛用于评价地基液化势。目前，大多数国家都采用了动力触探测试技术进行岩土工程勘察，其中美洲、亚洲和欧洲国家应用最广，日本几乎把动力触探技术当作一种万能岩土工程勘察手段。

    动力触探测试方法很多，总体上可以归为两大类，即标准贯入试验(Standard Penetration Test)和圆锥动力触探试验(Cone Penetration Test)。后者根据所采用穿心锤的重量将其分为轻型、重型及超重型动力触探试验。常用的动力触探测试，见表4-1。一般将圆锥动力触探试验简称动力触探或动探，将标准贯入测试简称标贯。

                       

表4-1  动力触探类型




类  型

锤重

(kg)

落距

(cm)

探头(圆锥)规格

探杆

外径

(mm)

触探指标（贯入一定深度的锤击数）

备  注




锥角

(°)

直径

(mm)




圆锥

动力

触探

轻型

10

50

60

40

25

贯入 30cm 锤击数N10

岩土工程勘察规范




重型

63.5

76

60

74

42

贯入 1 0cm 锤击数N63.5

岩土工程勘察规范




超重型

120

100

60

74

60

贯入 1 0cm 锤击数N120

岩土工程勘察规范

水利部土工试验规程




标准贯入试验

63.5

76

对开管式贯入器，外径为 51mm ，内径 35mm ，外径＞ 500mm ，长 760mm ，刃角为18° ~ 20°，刃口单刃厚度 2.5mm

42

贯入 30cm 锤击数N

国际统一，简称SPT

    动力触探首先在欧洲诸国得到广泛的应用。1974及1982年在欧洲召开的二次国际触探学术会议，对动力触探测试方法的统一起了推动作用，建议按所用穿心锤重量将动力触探分为轻型(≤ 10kg )、中型(10～ 40kg )、重型(40～ 60kg )及超重型(＞ 60kg )。国内在20世纪50年代初由南京水利科学研究院引进推广，50年代后期得到普及，很多单位作了很有价值的试验研究，并积累了大量的经验。70年代制订了相应的规范，对试验设备类型进行统一和标准化。《土工试验规程》(SD 128-86)将动力触探分为轻型、重型及超重型三种，其穿心锤重量分别为10、63.5、 120kg 。轻型触探适用于浅部的填土、砂土、粉土和粘性土，特别适用于软土；重型触探适用于砂土及砾砂土、中密以下的碎石土、极软岩；超重型触探适用于密实和很密的碎石土、软岩极软岩。

    标准贯入试验是动力触探的一种，它是以标定的锤击动能，将标准尺寸的贯入器打入钻孔孔底的土中，根据打入土中的贯入阻力，判别土层的变化和土的工程性质。贯入阻力是用贯入器贯入土中 30cm 的锤击数N63.5(也称标准贯入击数)表示。

    标准贯入试验是在20世纪40年代末期发展起来的，该项试验技术一般只适用于砂性土及粘性土类，不适用于碎石类土及岩层。该项试验技术由于使用方便而应用广泛，在美国及日本广为应用，在我国于50年代初期由南京水利实验处研制并在治淮工程中得到了推广，积累了大量的使用经验，并制定了“暂行标准”(南京水利实验处SB004-53)。60年代在国内得以普及。值得注意的是，对于饱和软粘土，由于其试验精度较低，远不及十字板剪切试验和静力触探等方法普及。

    标准贯入试验一般应用于以下方面：

    1）查明场地的地层剖面及软弱夹层；

    2）判定地基的承载力、变形模量及物理力学性指标等参数；

3）预估单桩承载力和选择桩尖持力层；

4）判别砂土及轻亚粘土地震液化的可能性。

在上述几方面的应用中，除判别液化外，都首先要与其它测试方法的成果建立相关关系，例如单桩的承载力的估算是与静载荷试验相对比；土的物理力学性指标是与室内试验成果建立相关关系。

4.2  动力触探试验的基本原理

动力触探是将重锤打击在一根细长杆件(探杆)上，锤击会在探杆和土体中产生应力波，若略去土体震动的影响，那么动力触探锤击贯入过程可用一维波动方程来描述。

动力触探基本原理也可以用能量平衡法来分析。动力触探能量平衡模型如图4-1所示。按能量守恒原理，一次锤击作用下的功能转换，其关系可写成：

                     （4-1）

式中  Em——穿心锤下落能量；

  Ek——锤与触探器碰撞时损失的能量；

  Ec——触探器弹性变形所消耗的能量；

  Ef——贯入时用于克服杆侧壁摩阻力所耗能量

  Ep——由于土的塑性变形而消耗的能量；

  Ee——由于土的弹性变形而消耗的能量。

落锤能量：

                          （4-2）

式中  M——重锤质量；

h——重锤落距；

g——重力加速度；

η——落锤效率(其受绳索、卷筒等摩擦的影响，当采用自动脱钩装置时，η=1)。

图4－1  DPT能量平衡示意图

1—导杆；2—穿心锤；3—锤座；4—探杆；5—探头

碰撞时的能耗，据牛顿碰按理论可有：

                       （4-3）

式中  m——触探器质量；

k——与碰撞体材料性质有关的碰撞作用恢复系数；

其它符号意义同式(4-2)。

触探器弹性变形的能耗：

                            （4-4）

式中  l——触探器长度；

  E——探杆材料弹性模量；

  a——探杆截面积；

  R——土对探头的贯入总阻力。

土的塑性变形能：

                            （4-5）

式中  R——意义同式(4-4)；

  Sp——每锤击后土的永久变形量(可按每锤击时实测贯入度e计)。

土的弹性变形能：

                         （4-6）

式中  R——意义同式(4-4)；

  Se——每锤击时土的弹性变形量。

Se值在试验时未测出，可利用无限半空间上点荷载明德林(Mindlin)的解，并通过击数与土的刚度建立的如下关系确定。

                       （4-7）

式中  R——意义同式(4-4)；

      D——探头直径(m)；

      A——探头截面积(m2)；

      N——永久贯入量为 0.1m 时的击数；

      P0——基准压力，P0＝1kPa；

      β——土的刚度系数(经验值：粘性土，β＝800；砂土，β＝4000)。

    将式(4-1)至式(4-6)合并整理得：

               （4-8）

式中  f——土对探杆侧壁摩擦力(kN)；

其它符号意义同式(4-1)至式(4-6)。

若将探杆假定为刚性体(即杆元变形)，不考虑杆侧壁摩擦力影响，则(4-8)式变成海利(Hiley A)动力公式：

                  （4-9）

    考虑到在动力触探试验中，只能量测到土的永久变形，故将和弹性有关的变形略去。因此，土的动贯入阻力Rd也可表示为式(4-10)，称荷兰动力公式。

                    （4-10）

式中  e——贯入度(mm)，即每击的贯入深度； ， 每贯入一阵击的深度(mm)，n为相应的一阵击锤击数；

A——圆锥探头底面积(m2)。

4.3  圆锥动力触探试验

4.3.1   仪器设备

    圆锥动力触探设备主要由圆锥探头、触探杆、穿心锤及锤垫四部分组成，见图4-2。

    试验方法是将穿心锤穿入带锤垫的触探杆上，将探头及探杆垂直地面放于测试地点，然后提升穿心锤至预定高度，使其自由下落撞击锤垫，将探头打入土中，记录每贯入 30cm (或 10cm )的锤击数。重复上述步骤，直到预定试验深度。

我国圆锥动力触探分类和规格，见表4-2。

表4-2  圆锥动力触探分类和规格

设备类型

轻型

重型

超重型

落锤

质量m(kg)

10

63.5

120

落距H(cm)

50

76

100

探头

直径(mm)

40

74

74

截面积(cm2)

12.6

43

43

圆锥角(°)

60

60

60

触探杆

直径(mm)

25

42

50~60

每米质量(kg)

 

<8

<12

锥座重量(kg)

 

10~15

 

        

 

图4-2 轻型动力触探仪（单位：mm）

1&mdash;圆锥探头；2&mdash;触探杆；3&mdash;钢锤垫；4&mdash;穿心锤

 

图4－3 动力触探探头（单位：mm）

(a)轻型；(b)重型、超重型

 

各种类型探头的尺寸见图4-2和图4-3。

不同类型动力触探试验具有不同的适用范围，轻型动探适用于浅部的填土、砂土、粉土、粘性土；重型动探适用于砂土、中密以下的碎石土、极软岩；超重型动探适用于密实合很密的碎石土、软岩、极软岩。

4.3.2   试验技术要求

⑴ 为确保恒定的锤击能量，应采用固定落距的自动落锤装置。

⑵ 锤击时应保持探杆的垂直，最大偏斜度不应超过2％；锤击过程应连续进行，以减小侧摩阻力，尤其是在粘性土中锤击过程的间歇会使侧摩阻力增大；贯入过程中应防止锤击偏心、探杆歪斜和探杆侧向晃动。

⑶ 为减小侧摩阻力的影响，每贯入l m，应将探杆转动一圈半；贯入深度超过 10m 后，每贯入 20cm 宜旋转探杆一次。

    ⑷ 贯入锤击速率一般为15～30击/min。在砂土、碎石土中，锤击速度影响不大，则可采用60击/min。

    ⑸ 对轻型动力触探，当N10>100或贯入 15cm 锤击数超过50时即可停止试验；对于重型动力触探，当连续三次N63.5>50，即可停止试验或改用超重型动力触探。

    ⑹ 贯入深度的一般限制，对轻型一般应< 4m ，重型<12～ 15m ，超重型< 20m ，超过此深度应考虑侧壁摩阻的影响。

4.3.3   影响成果的主要因素

⑴ 杆长的影响

当采用重型和超重型动力触探确定碎石土密实度时，应考虑杆长对测试成果的影响，宜对锤击数进行杆长修正，即

                           （4-11）

式中  &mdash;&mdash;修正后的圆锥动力触探锤击数；

&mdash;&mdash;实测的锤击数；

&mdash;&mdash;杆长修正系数，如表4-3、表4-4所列。

表4-3  重型圆锥动力触探锤击数修正系数

           

L(m)

            

5

10

15

20

25

30

35

40

&ge;50

2

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

 

4

0.96

0. 95

0.93

0.92

0.90

0.89

0.87

0.86

0.84

6

0.93

0.90

0.88

0.85

0.83

0.81

0.79

0.78

0.75

8

0.90

0.86

0.83

0.80

0.77

0.75

0.73

0.71

0.67

10

0.88

0.83

0.79

0.75

0.72

0.69

0.67

0.64

0.61

12

0.85

0.79

0.75

0.70

0.67

0.64

0.61

0.59

0.55

14

0.82

0.76

0.71

0.66

0.62

0.58

0.56

0.53

0.50

16

0.79

0.73

0.67

0.62

0.57

0.54

0.51

0.48

0.45

18

0.77

0.70

0.63

0.57

0.53

0.49

0.46

0.43

0.40

20

0.75

0.67

0.59

0.53

0.48

0.44

0.41

0.39

0.36

 

表4-4  超重型圆锥动力触探锤击数修正系数

L(m)

1

3

5

7

9

10

15

20

25

30

35

40

1

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

2

0.96

0.92

0.91

0.90

0.90

0.90

0.89

0.89

0.88

0.88

0.88

0.88

3

0.94

0.88

0.86

0.85

0.84

0.84

0.84

0.83

0.82

0.82

0.81

0.81

5

0.92

0.82

0.79

0.78

0.77

0.77

0.76

0.75

0.74

0.73

0.72

0.72

7

0.90

0.78

0.75

0.74

0.73

0.72

0.71

0.70

0.68

0.68

0.67

0.66

9

0.88

0.75

0.72

0.70

0.69

0.68

0.67

0.66

0.64

0.63

0.62

0.62

11

0.87

0.73

0.69

0.67

0.66

0.66

0.64

0.62

0.61

0.60

0.59

0.58

13

0.86

0.71

0.67

0.65

0.64

0.63

0.61

0.60

0.58

0.57

0.56

0.55

15

0.85

0.69

0.65

0.63

0.62

0.61

0.59

0.58

0.56

0.55

0.54

0.53

17

0.85

0.68

0.63

0.61

0.60

0.60

0.57

0.56

0.54

0.53

0.52

0.50

19

0.84

0.66

0.62

0.60

0.58

0.58

0.56

0.54

0.52

0.51

0.50

0.48

⑵ 杆侧摩擦的影响

    就土类而言，对中密一密实的砂土，尤其在地下水位以上，由于探头直径比探杆直径大，可不考虑侧壁摩擦；而软粘土和有机土，侧壁摩擦对击数有重要影响。当用泥浆或用套管可消除侧壁摩擦的影响。在一般的土层条件下，深度在 15m 以内，可不考虑侧壁摩擦的影响；如深度超过 15m ，可采用泥浆或加套管以消除侧壁摩擦的影响。

⑶ 上覆压力的影响

随着贯入深度的增加，土的有效上覆压力和侧压力都会增加，相应的贯入阻力会增大，锤击数会增大。在判定砂土振动液化时，常采用Seed建议的标贯试验深度影响修正公式：

                       （4-12）

式中  N63.5&mdash;&mdash;修正后的击数；

       &mdash;&mdash;实测的击数；

      CN&mdash;&mdash;修正系数；

       &mdash;&mdash;实测 处土的有效上覆压力，kPa。

4.3.4   成果的应用

根据圆锥动力触探试验指标，结合地区经验，可进行力学分层；评定土的均匀性和物理性质、土的强度、变形参数、地基承载力、单桩承载力；查明土洞、滑动面、软硬土层界面；检测地基处理效果。

⑴ 力学分层

根据动力触探试验结果，可绘制出锤击数沿深度的变化曲线（图4-4），据此曲线可以进行地层的力学分层。

图4-4  动力触探曲线

⑵ 确定地基土的承载力

按照动力触探试验结果，结合地区经验，可以确定地基土的承载力。

    a) 按N10确定

《建筑地基基础设计规范》(GBJ 7-89)规定，可用N10确定地基土的承载力标准值，见表4-5及表4-6。

表4-5  N10与粘性土承载力标准值fk

N10

15

20

25

30

fk (kPa)

105

145

190

230

 

表4-6  N10与粘性素填土承载力标准值fk

N10

10

20

30

40

fk (kPa)

85

115

135

160

    b) 按N63.5确定

   《工业与民用建筑工程地质勘察规范》(TJ 21-77)提出的N63.5与fk的关系，见表4-7及

表4-8。

表4-7  中、粗、砾砂N63.5与fk的关系

N63.5

3

4

5

6

8

10

fk(kPa)

120

150

200

240

320

400

 

表4-8  碎石土N63.5与fk的关系

N63.5

3

4

5

6

8

10

12

fk(kPa)

140

170

200

240

320

400

480

 c) 按N120确定

原水利电力部动力触探的试验规程，给出了碎石土的N120与fk的关系，见表4-9。

表4-9  碎石土N120与fk的关系

N120

3

4

5

6

8

10

12

14

&ge;16

fk(kPa)

250

300

400

500

640

720

800

850

900

⑵ 估算圆砾、卵石土地基变形模量层

铁道部第二设计院基于在四川、东北、广西、甘肃等地的试验资料得N63.5和E0的关系，见表4-10。

表4-10  圆砾、卵石土的变形模量

N63.5

3

4

5

6

8

10

12

14

16

E0(kPa)

10

12

14

16

21

26

30

34

37.5

N63.5

18

20

22

24

26

28

30

35

40

E0(kPa)

41

44.5

48

51

54

56.5

59

62

64

⑶ 预估单桩承载力和确定桩基持力层的位置

    动力触探试验与打桩过程极其相似，因而用于桩基勘察时，对打入式的端承桩效果较为显著，其试验成果可用以确定桩基持力层的位置和单桩承载力。

    a) 确定桩基持力层的位置

    利用动力触探的N一h曲线，结合钻孔资料，可以较准确的编制出勘察场地的工程地质剖面，据此选择桩基持力层，确定在勘察范围内各部位的桩长。

    b) 确定单桩承载力

    由于动力触探试验无法实测地基土的极限侧壁摩阻力，因而在桩基勘察时主要用于桩端承力为主的短桩。由桩的静载荷试验确定承载力标准值与桩尖平面处的动力触探指标进行统计分析，提出单桩承载力公式。显然，公式具有明显的地区性。

    沈阳地区的经验：由预制桩和振冲灌注桩(22组)的静载荷试验的极限承载力Ru与桩尖平面处触探指标N63.5进行统计，得：

                       （4-13）

成都地区的经验：一般桩基持力层为卵石土，由35组资料统计，得：

                      （4-14）

式中  Ru&mdash;&mdash;桩尖平面处地基土的极限承载力，kPa；

      N120&mdash;&mdash;桩尖平面处上下4D(桩径)范围修正后的击数平均值，击/ 10cm 。

⑷ 确定砂土和卵石的密实度

原机械工业部第二勘察研究院根据探井实测的孔隙比e与N63.5对比，编制了如表4-11所列的N63.5与砂土密实度的关系，据此表可以判别砂土的密实程度。

表4-11  N63.5与砂土密实度的关系

土类

N63.5

密实度

孔隙比e

砾砂

<5

松散

>0.65~0.50

5~8

稍密

0.65~0.50

8~10

中密

0.50~0.45

>10

密实

<0.45

粗砂

<5

松散

>0.80

5~6.5

稍密

0.80~0.70

6.5~9.5

中密

0.70~0.60

>9.5

密实

<0.60

中砂

<5

松散

>0.90

5~6

稍密

0.90~0.80

5~9

中密

0.80~0.70

>9

密实

<0.70

由成都地区的经验，得到N120与卵石密实度关系，见表4-12。

 

表4-12  N120与卵石密实度的关系

N120

3~6

6~10

10~14

14~20

密实度

稍密

中密

密实

极密

土的描述

卵石或砂夹卵石、圆砾

卵石

卵石

卵石或含少量漂石

4.4  标准贯入试验

4.4.1   试验设备及操作技术要点

⑴ 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4-5。目前，国际上常用的设备规格已经统一，见表4-13。

表4-13  标准贯入试验设备规格

落锤

锤的质量(kg)

63.5

落距(cm)

76

贯入器

对开管

长度(mm)

＞500

外径(mm)

51

内径(mm)

35

管  靴

长度(mm)

50~76

刃口角度(&deg;)

18~20

刃口单刃厚度(mm)

2.5

钻  杆

直径(mm)

42

相对弯曲

＜1/1000

⑵ 试验的技术要求

a) 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，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，可采用泥浆护壁。

    b) 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。

    c) 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。

    d) 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 ，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 (cm)，按式(4-15)计算贯入 30cm 的锤击数。

                           （4-15）

e) 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。

f) 最后绘出击数N和贯入深度 (h)的关系曲线，见图4-4。

图4-5  标准贯入试验设备（单位：mm）

1&mdash;贯入器靴；2&mdash;由两半圆形管合成的贯入器身；3&mdash;出水孔；

4&mdash;贯入器头；5&mdash;触探杆；6&mdash;锤垫；7&mdash;穿心锤

 

4.4.2   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。

⑴ 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，随杆长的增长，杆件系统受锤击碰撞后可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)规定杆长大于 3m 时锤击数应按下式进行杆长修正：

                             (4-16)

式中  N&mdash;&mdash;标贯试验经杆长修正后的锤击数；

&mdash;&mdash;实测的标贯击数；

&mdash;&mdash;长度修正系数，查表4-14。

表4-14  探杆长度校正系数表

探杆长度(m)

&le;3

6

9

12

15

18

21

&alpha;

1.00

0.92

0.86

0.81

0.77

0.73

0.70

    该表中 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&ge; 14m ， =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， 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。

    ⑵ 地下水位影响的校正

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

                              (4-17)

    交通部《港口工程地质勘察技术规范》规定，当用N值确定Dr及&phi;值时对地下水位以下的中、粗砂层的N值宜按下式校正：

                              (4-18)

式中符号同前。

⑶ 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。

4.4.3   标准贯入试验成果的应用

根据标准贯入试验锤击数，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。

⑴ 评定土的强度指标

评定砂土的内摩擦角&phi;及粘性土的不排水抗剪强度Cu有多种方法：

a) Terzaghi和Peck提出粘性土不排水抗剪强度Cu为：

                                 (4-19)

b) Gibbs和Holtz统计的砂土经验关系式为：

          (4-20)

式中  &mdash;&mdash;上覆压力，t/m2。

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

           (kPa)                         (4-21)

d) 南京水利科学研究院在1950～1960年期问，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qu的关系：

对粘土地基，有792个标贯试验，Ip＞17，粘粒含量0～87％，得：

        (kPa)                         (4-22)

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

           (kPa)                         (4-23)

⑵ 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4-15。

表4-15  直接按N值判定砂土的紧密程度

紧密程度

Dr

N

国外

国内

 

国际

南京水科院

江苏水利厅

原水利电力部

冶金勘察规范

粉砂

细砂

中砂

极松

疏松

0~0.2

0~4

<10

<4

<13

<10

>10

松

4~10

稍密

稍密

0.2~0.33

10~15

10~30

>4

13~23

10~26

10~15

中密

中密

0.33~0.67

15~30

15~30

密实

密实

0.67~1.0

30~50

30~50

 

>23

>26

>30

极密

>50

>50

⑶ 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4-16。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4-17就可以得到土对应于N值的稠度状态。

⑷ 评定地基土的承载力

    在国外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qu，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，提出经验关系。《建筑地基基础设计规范》(GBJ 7-89)，对粘性土承载力标准值，列于表4-18，对砂性土承载力标准值列于表4-19。

 

表4-16   粘性土N与稠度状态关系(Terzaghi和Peck)

N

<2

2~4

4~8

8~15

15~30

>30

稠度状态

极软

软

中等

硬

很硬

坚硬

qu (kPa)

<25

25~50

50~100

100~200

200~400

>400

 

表4-17  N与液性指数IL的关系

N

<2

2~4

4~7

7~18

18~35

>35

IL

>1

1~0.75

0.75~0.5

0.5~0.25

0.25~0

<0

稠度状态

流动

软塑

软可塑

硬可塑

硬塑

坚硬

 

表4-18  N值与砂土承载力标准值fk的关系

N

10

15

30

50

fk (kPa)

中、粗砂

180

250

340

500

粉、细砂

140

180

250

340

 

表4-19  N值与粘性土承载力标准值fk的关系

N

3

5

7

9

11

13

15

17

19

21

23

fk (kPa)

105

145

190

235

280

325

370

430

515

600

680

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。

⑸ 评定土的变形参数

用标贯试验估算土的变形参数时有二种途径：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，得压缩模量E0值。一些经验关系见表4-20。

表4-20  N值与E0或Es的经验关系

单   位

关 系 式

土类

冶金武汉勘察公司

Es=1.04N+4.89

中南、华东地区粘性土

湖北水利电力勘测设计院，1974

E0=1.066N+7.431

粘性土、粉土

武汉城市规划设计院，1973

Es=1.41N+2.62

武汉地区粘性土、粉土

西南综合勘察院，1979

Es=0.276N+10.22

唐山粉细砂

⑹ 预估单桩承载力及选择桩尖持力层

a) 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4-21  利用N值估算桩端极限阻力qbu和桩周极限阻力qsu

土  类

qc/N

摩阻比

n=fs/qc&times;100

桩端极限阻力

（t/ft2）

桩周极限阻力

（t/ft2）

各种密度净砂

（地下水位上、下）

3.5

0.6

0.010N

0.32N

粘土－粉土－砂混合；

粉砂、泥灰土

2.0

2.0

0.01N

1.6N

可塑粘土

1.0

5.0

0.05N

0.7N

含贝壳的砂、软石灰岩等

4.0

0.25

0.01N

3.6N

表中qc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：

 (10kPa)                       （4-24）

式中  ；N1为桩尖以下2d范围内的N平均值，N2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：

 （10kN）            （4-25）

式中  Ns&mdash;&mdash;桩周为砂土部分N的平均值；

Nc&mdash;&mdash; 桩周为粘性土部分N的平均值；

As, Ac&mdash;&mdash;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，提出以下式求钻孔灌注桩极限承载力q：

     （4-26）

式中  q&mdash;&mdash;灌注桩极限承载力，t；

 lc、ls&mdash;&mdash;分别为桩身在粘性土部分与砂土部分的长度，m；

、 &mdash;&mdash;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&mdash;&mdash;桩身周长，m；

 AN63.5&mdash;&mdash;桩端截面积与标准贯入击数的乘积，m2；

 H&mdash;&mdash;孔底虚土厚度，m。

当孔底虚土厚度H大于 0.5m 时，则采用下式：

     （4-27）

b) 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。应用时也应结合地区经验来考虑，如上海，一般在 60m 以下才出现N&ge;30击的地层，多用半支承半摩擦桩，则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。

⑺ 液化判别

20世纪60年代，Seed等人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&ldquo;剪应力比一标准贯入法&rdquo;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，应判为液化土。对于液化判别标准贯入击数临界值可按如下计算：

       (0＜ &le; 15m )        （4-28）

       (15＜ &le; 20m )         （4-29）

式中  Ncr&mdash;&mdash;液化判别标准贯入锤击数临界值；

N0&mdash;&mdash;液化判别标准贯入锤击数基准值；

ds&mdash;&mdash;饱和土标准贯入点所处深度，m；

dw&mdash;&mdash;地面到地下水位的深度，m；

pc&mdash;&mdash;粘粒含量，％，当小于3或为砂土时，应采用3。

表4-22   标准贯入锤击数基准值

设计地震分组

7度

8度

9度

第一组

6(8)

10(13)

16

第二、第三组

8(10)

12(15)

18

注：括号内数值用于设计基本地震家速度为 0.15g 和 0.30g 的地区。

 

 

 

 

 

 

 

参考文献

[1] 张喜发 刘超臣 栾作田 张文殊.《工程地质原位测试》，[M].地质出版社，1984，第一版

[2] 孟高头.《土体原位测试机理、方法及其工程应用》[M].北京:地质出版社。1997年03月，第1版

[3] 南京水利科学研究院土工所，土工试验技术手册，北京：人民交通出版社，2003

[4] 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，2002

[5] 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，2002

[6] 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，1990

[7] 王锺琦 孙广忠 刘双光等.《岩土工程测试技术》，北京.中国建筑工业出版社，1986年02月第1 版

[8] 林宗元主编　《简明岩土工程勘察设计手册》中国建筑工业出版社，2003年07月第1版

 

 

 

最新发布日期：2009-07-23, 作者：王清, 阅读次数：