第5章標準貫入試驗,第一節(jié)概述,第二節(jié)試驗的設備與原理,第三節(jié)試驗的技術要求,第四節(jié)試驗資料整理,第五節(jié)試驗的工程應用,第一節(jié)概述,一、標準貫入試驗的定義二、標準貫入試驗的優(yōu)點及適用性三、標準貫入試驗的發(fā)展四、標準貫入試驗的目的,一、標準貫入試驗的定義（standardpenetrationtest，spt）,標準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準貫入器打入土中，記錄打入30cm的錘擊數(shù)（即標準貫入擊數(shù)n），并以此評價土的工程性質的原位試驗。,第一節(jié)概述,spt原位測試技術仍屬于動力觸探范疇，所不同的是，其貫入器不是圓錐探頭，而是標準規(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，標準灌入試驗并不能直接測定地基土的物理力學性質，而是通過與其他原位測試手段或室內試驗成果進行對比，建立關系式，積累地區(qū)經(jīng)驗，才能評定地基土的物理力學性質。,二、標準貫入試驗的優(yōu)點及適用性,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，遠不及十字板剪切試驗及靜力觸探等方法精度高。,三、標準貫入試驗的發(fā)展,這種試驗技術是20世紀40年代末期發(fā)展起來的。由于使用方便，得到了廣泛的應用，在美國及日本應用最為廣泛。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年代在國內得以普及。,四、標準貫入試驗的應用（目的）,1評價地基土的物理狀態(tài)（如地層剖面及軟弱夾層）；2評價地基土的力學性能參數(shù)（如變形模量、物理力學性質指標）；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。,應該指出的是，除判別液化外，其余的應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。如樁的承載力的預估是與載荷試驗相對比，土的物理力學性質指標是與室內試驗成果建立相關關系。因此，對缺乏使用經(jīng)驗的地區(qū)，在應用標準貫入試驗時應與其他測試方法配合作用。,第二節(jié)標準貫入試驗的設備與原理,二、基本原理,一、試驗設備,標準貫入試驗設備主要由貫入器、觸探桿和穿心錘三部分組成。如圖5-1所示。,第二節(jié)試驗的設備及原理,一、標準貫入試驗的試驗設備,1貫入器標準規(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、內徑、壁厚、刃角與長度都有標準化尺寸，見表5-1。2穿心錘重63.5kg的鑄鋼件，中間有一直徑45mm的穿心孔，此孔為放導向桿用。國際、國內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。目前國內普遍使用自動脫鉤裝置。,3觸探桿國際上多用直徑為4050mm的無縫鋼管，我國則常用直徑為42mm的工程地質鉆桿。在與穿心錘連接處設置一錘墊。標準貫入試驗設備原先并不標準。各部件的規(guī)格各國有所差異。國際土力學與基礎工程協(xié)會(icsmfe)于1957年成立專門委員會開展研究工作，以解決spt的標準化問題。并于1988年向第一屆國際觸探試驗會議提出標準貫入試驗國際標準建議稿，于1989年獲得通過，開始執(zhí)行。,我國目前采用的spt設備與國際標準一致，巖土工程勘察規(guī)范（gb500212002）要求spt的設備應符合表5-1的規(guī)定。表5-1標準貫入試驗設備尺寸,二、標準貫入試驗的基本原理,標準貫入試驗是利用一定的落錘能量（錘重63.5kg，落距76cm）將標準規(guī)格的貫入器貫入土中，根據(jù)打入土中30cm的錘擊數(shù)（n）來判別土的工程性質的一種現(xiàn)場測試方法。其試驗原理與動力觸探試驗十分相似。因此，第四章中關于動力觸探的試驗原理也適用于標準貫入試驗。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)和邊界條件十分復雜。,影響標準貫入試驗的因素有很多，主要有以下兩個方面：1鉆孔孔底土的應力狀態(tài)不同的鉆進工藝(回轉、水沖等)、孔內外水位的差異、鉆孔直徑的大小等，都會改變鉆孔孔底的應力狀態(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，變化范圍達到（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。,為了提高試驗質量，國外已發(fā)展直接標定輸入探桿錘擊能量的新方法。在錘墊附近設置一測力計，記錄探桿受錘擊后的力時間波形曲線（見圖52）。,圖5-2f(t)t波形曲線,計算進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)；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，錘質量與探桿單位長度質量之比。,式中，rm為探桿系統(tǒng)(總長l)的質量m與錘質量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)的比即為實測應力波能量比eri（%）。eri=ei/e*100%,按標準的貫入器，用標準的錘(63.5kg)和落距(76cm)。考慮到錘擊效率，標準的應力波能量比為60。則可用實測eri修正標貫擊數(shù)ni：n60=（eri/60）nini相應于能量比為eri的實測錘擊數(shù)；n60修正為標準應力波能量比的標貫擊數(shù)。,第三節(jié)標準貫入試驗的技術要求,1標準貫入試驗必須與鉆探配合，以鉆機設備為基礎。鉆進方法：為保證鉆孔質量，要求采用回轉鉆進，并保持孔內水位略高于地下水水位，當鉆進至試驗標高以上15cm時，停止鉆進。還應注意：（1）仔細清除孔底殘土到試驗標高，換用標準貫入器，并量得深度尺寸；（2）在地下水位以下鉆進時，或遇承壓含水砂層時，孔內水位應始終高于地下水位，以減少對土的振動擾動；（3）當下套管時，要防止套管下過頭，否則在管內做試驗會使n值偏大。,第三節(jié)試驗技術要求,2為保證錘擊時鉆桿不發(fā)生側向晃動，鉆桿應定期檢查，使鉆桿彎曲度小于0.1%，接頭應牢固。3采用自動脫鉤的自由錘擊法進行標貫試驗，并減少導向桿與錘之間的摩擦阻力。避免錘擊時偏心和晃動，保持貫入器、探桿、導向桿連接后的垂直度，以保持錘擊能量恒定。4將貫入器垂直打入試驗土層中，錘擊速率應小于30擊/min。先打入15cm，不計錘擊數(shù)，繼續(xù)貫入，記錄每打入10cm的錘擊數(shù)，累計30cm的錘擊數(shù)即為標準貫入錘擊數(shù)n。,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/s,5提出貫入器，將其中土樣取出進行鑒別描述、記錄，然后換以鉆具繼續(xù)鉆進，至下一需要進行試驗的深度，再重復上述操作。一般每隔1.02.0m進行一次試驗。6在不能保持孔壁穩(wěn)定的鉆孔中進行試驗時應下套管以保護孔壁，但試驗深度必須在套管75cm以下；或采用泥漿護壁。7最后繪出擊數(shù)n和貫入深度標高（h）的關系曲線。見圖5-3。,第四節(jié)標準貫入試驗的成果整理,二、標貫試驗的成果整理,一、標貫試驗的修正,一、標貫試驗的修正試驗的影響因素是很復雜的，其中有些因素可通過標準化的辦法使其統(tǒng)一以減少對試驗成果的影響，如設備、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，因此要進行修正。1桿長修正與圓錐動力觸探相似，關于試驗成果進行桿長修正問題，國內外的意見并不一致。,第四節(jié)試驗成果整理,在建立標準貫入擊數(shù)n與其他原位測試或室內試驗指標的經(jīng)驗關系式時，對實測值是否修正和如何修正也不統(tǒng)，因此，在spt成果應用時，需要特別注意。應根據(jù)建立統(tǒng)計關系式時的具體情形來決定是否對實測錘擊數(shù)進行修正。另外，在勘察報告中，對于所提供的標準貫入錘擊數(shù)應注明是否已進行了桿長修正。,表5-2n63.5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規(guī)范(gbj789)規(guī)定，標準貫入試驗的貫入深度不宜超過21m。同時規(guī)定，當試驗深度大于3m時，實測錘擊數(shù)n需按下式進行鉆桿長度修正：n=n式中，為修正系數(shù)，按表5-2取值。,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。關于限制在21m以內也是由于歷史原因造成的。目前，實際工程中標準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性質的變化。,（2）日本東海大學宇都-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力的衰減情況和位移，建議的修正關系如下：當桿長l20m時，nn；當l20m時，n(1.06一0.003l)n（3）按彈性桿件波動理論修正當桿長l14m時，nn(=1.0)；當l15時，應按下式進行修正：n=15+0.5(n-15)交通部港口工程地質勘察技術規(guī)范規(guī)定，當用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+n,二、標準貫入試驗的成果整理,1標準貫入試驗成果整理時，試驗資料應當齊全，包括：鉆孔孔徑、鉆進方式、護孔方式、落錘方式、地下水位及孔內水位(或泥漿高程)、初始貫入度、預打擊數(shù)、試驗標貫擊數(shù)及深度記錄、貫入器所取擾動土樣的鑒別描述。如做過錘擊能量標定試驗的，應有f(t)t曲線。,2繪制標貫擊數(shù)n與深度的關系曲線，或在地質剖面圖上，進行spt的鉆孔旁，于試驗點深度標出n值。作為勘察資料提供時，對n值不必進行桿長修正、上覆壓力修正及地下水位修正。如進行錘擊能量標定試驗的、可按錘擊能量標定試驗資料計算n60。3結合鉆探及其他原位試驗，依據(jù)n值在深度上的變化，對地基土進行分層，對各土層的n值進行統(tǒng)計。統(tǒng)計時，要剔除個別異常值。,第五節(jié)標貫試驗的成果應用,一、評定砂土的密實狀態(tài)二、評定粘性土的稠度狀態(tài)三、評定地基土的承載力四、評定土的變形參數(shù)五、預估單樁承載力六、砂土液化判別七、估算地基基床反力系數(shù)八、估算土層的平均彈性剪切波速vp(ms)九、地基處理效果檢測,一、評定砂土的相對密度dr和密實狀態(tài),第五節(jié)試驗成果應用,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,2原建設部綜合勘察研究院繪制的n-dr-v0的關系曲線，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。,二、評定粘性土的稠度狀態(tài),1terzaghi及peck提出的標貫擊數(shù)與稠度狀態(tài)之間的關系，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)關系（terzaghi及peck）,2在國內，按原冶金部武漢勘察公司149組資料統(tǒng)計的經(jīng)驗關系，如表5-6所示。表5-6粘性土n與液性指數(shù)il的經(jīng)驗關系,三、評定地基土的承載力,1評定土的強度指標用標貫試驗成果，可以評定砂土的內摩擦角和粘性土的不排水抗剪強度。評定砂土內摩擦角的關系式有：（1）gibbs和holtz（1957）統(tǒng)計的砂土經(jīng)驗關系式,式中，v0為上覆壓力（kpa）。由此經(jīng)驗關系式得出的圖為（圖5-6）：,圖5-6n-v0關系（gibbs和holtz（1957）,（2）wolff（1989）統(tǒng)計的經(jīng)驗關系式為：,式中，n1為用上覆壓力修正過的錘擊數(shù)，采用peck等的修正關系：,（3）peck的經(jīng)驗關系為：=0.3n+27（4）meyerhof的經(jīng)驗關系為：當4n10時，當n10時，,用這兩式進行判別時，粉砂應減5，粗、礫砂應加5。,評定粘性土的強度指標也有多種方法：（1）terzaghi及peck提出粘性土不排水抗剪強度cu為：,（2）南京水利科學研究院在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)計出標貫擊數(shù)與無側限抗壓強度qu之間的關系：對粘性地基，有792個標貫試驗，ip17，粘粒含量087%，得：qu=14n+3（kpa）對壤土地基，有596個標貫試驗，其ip=717，粘粒含量054%，得：qu=13.5n（kpa）,（3）behpoor結合60項工程，對伊朗的亞粘土及粉質粘土（n25擊），得：qu=15n（kpa）（4）美國海軍碼頭及船塢局發(fā)現(xiàn)標貫擊數(shù)與無側限抗壓強度qu的關系線與塑性指數(shù)ip有密切關系，如圖5-7所示。南京水科院與behpoor的關系式是與上圖相當一致，靠近低ip粘土的邊界線。,2評定地基土的承載力在國內，著重開展標貫試驗與載荷試驗對比研究，提出經(jīng)驗關系式。（1）建筑地基基礎設計規(guī)范（gbj7-89），對粘性土承載力標準值，列于表5-7，砂性土承載力標準值列于表5-8。（2）國內很多單位基于當?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)驗關系式為：對于條形基礎：fk=12n對于獨立方基礎：fk=15n,表5-9國內n值與fk（kpa）的經(jīng)驗關系,四、評定土的變形參數(shù)用標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；另一種是與室內壓縮試驗對比，得出壓縮模量es值。國內一些勘察和研究單位建立的評定土的變形參數(shù)的經(jīng)驗關系式匯總于表5-10。表5-10n值與e0或es的經(jīng)驗關系,五、預估單樁承載力及選擇樁尖持力層,（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和樁側摩阻力pf,2國家?guī)r土工程勘察和地基基礎設計規(guī)范沒有關于利用標貫試驗結果確定單樁的承載力規(guī)定，但當積累了大量的工程經(jīng)驗后，可以用標貫擊數(shù)來估計單樁承載力。如北京勘察設計研究院提出估算單樁承載力的經(jīng)驗公式如下：,（二）選擇樁尖持力層利用標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，特別是地層變化較大的情況更具突出的優(yōu)點。根據(jù)國內外的實踐，對于打入式預制樁，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。應用時，應結合地區(qū)經(jīng)驗考慮。,六、砂土液化判別目前，國內外用于砂土液化評價的現(xiàn)場試驗手段主要有標準貫入試驗和靜力觸探試驗兩種。我國建筑抗震設計規(guī)范（gb50011一2001）規(guī)定：（1）當初步判別認為需進一步作液化判別時，應采用標準貫入試驗判別地面下15m范圍內土的液化可能性；（2）當采用樁基或埋深大于5m的深基礎時還需要判別1520m范圍內土的液化可能性。（3）當飽和砂土和飽和粉土的標準貫入錘擊數(shù)實測值(未經(jīng)桿長修正)n小于液化判別標準貫入錘擊數(shù)ncr時，應判為液化土。,地面下15m深度范圍內液化判別標準貫入錘擊數(shù)ncr按下式計算：而地面下1520m深度范圍內液化判別標準貫入錘擊數(shù)ncr按下式計算：n0液化判別標準貫入錘擊數(shù)基準值，按表5-14取用；ds飽和土標準貫入試驗點深度(m)；dw地下水位深度，宜按建筑使用期內年平均最高水位或近期內年最高水位采用；c粘粉百分含量，當小于3或為砂土時，應采用3。,表5-14標準貫入錘擊數(shù)基準值n0,七、估算地基基床反力系數(shù)日本有關規(guī)范提供了n值與地基基床反力系數(shù)k(kpa)的經(jīng)驗關系。(1)日本建筑結構設計規(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)采用日本港灣技術規(guī)范：當考慮荷載p與位移y為線性關系時，k0.15n當考慮為非線性關系時，對于正常固結粘土，則pky0.3k0.075n0.62對于超固結粘上，則pky0.5k0.5n0.62,(3)日本國鐵基礎設計規(guī)范中，對灌注樁的樁端、樁側、樁頂?shù)牡鼗卜戳ο禂?shù)的經(jīng)驗關系如下：樁端地基基床反力系數(shù)：kv=0.2e0d-3.1樁側地基基床反力系數(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)。以上關系式均是以