实验技术在工程中的推广与应用＊

许孝立

(潍坊学院,山东 潍坊 261061)

标准贯入实验(SPT)是国内外应用较为广泛的一种现场测试手段。其设备主要由标准贯入器、直径42mm内接触探杆和63.5kg的穿心锤三部分组成。实验室配合钻探使用,先钻进到需要进行实验的土层标高以上约15cm处,清孔后,以每分钟15-30击的速率将贯入器打入实验土层中,先打入15cm不计击数,继续贯入土中30cm,记录锤击数。根据标准贯入实验的锤击数,可以判定砂土的密度、粘土的稠度、地基土的承载力标准值、砂土的振动液化及桩基承载力等。该项实验几乎适用于各种土层,包括地下水位以下及地下水位以上的土层,也包括部分强风化岩石,因而得到了勘察设计部门的广泛使用和重视。然而,该项实验成果的影响因素也较多,为了使该项测试手段能得到很好的应用和推广,本文就多年的工作体会,谈一谈该项实验在实际工作中应用的一些问题。

1 做好标准贯入实验应注意的几个环节

对标准贯入实验成果的影响因素主要有三方面:一是在实验过程中受实验设备的影响;二是实验技术人员熟练程度的影响;三是对实验成果统计和分析的方法是否合理的影响。

(1)实验设备要完好,并采用自动落锤的方式,以保证落距的精确性,同时要保证护壁清孔的质量。一般认为回旋钻进结合泥浆或套管护壁的效果较好,实验时孔底沉渣厚度不应超过5-10cm,以保证实验土层的原状性。

(2)在实验前,应先钻少量孔,概略了解勘察区各种地层的分布情况及其物理力学特征,以便为标贯实验的设计提供依据。根据钻探情况,在不同和相同的层位的不同钻孔应相应地做系统的实验,同时配合土工实验,以便对照分析,在同一层位中实验次数不少于5—6次,也可在深度上每隔1-1.5m实验一次,以便了解薄层状或透镜状土层的情况。

(3)实验数据的修正。关于标准贯入实验锤击数是否要做杆长修正问题,由于目前对钻杆能量损失的研究结果还不一致,故意见分歧较大。但根据笔者的经验认为,《建筑地基基础设计规范》(GBJ7-89)规定的锤击数进行校正是较为合理的,其换算后的成果同新的设计规范较为吻合。《建筑地基基础设计规范》(GBJ7-89)规定,用标准贯入实验锤击数按规范查表确定承载力标准值或其它指标时,标准贯入实验锤击数应按下式校正:

式中,N-标准贯入实验锤击数;N’-实测贯入30cm的锤击数;α-触探杆长度校正系数(可在《建筑地基基础设计规范》(GBJ7-89)中查找)。

《建筑地基基础设计规范》(GBJ7-89)只提供了21m深度范围内的杆长校正系数,当实验深度大于21m时,可对其校正系数进行外延,但外延应在大量经验数据的总结和统计后才能进行,然而当深度大于21m后,对实验结果的影响因素较为复杂,应配合其它实验手段,以便对比分析标准贯入实验成果的统计和分析方法。标准贯入实验所得到的成果往往是客观的,但对成果的统计和分析带有主观的因素,并且目前尚无统一的规定,因而对成果的统计和分析方法正确与否,将直接影响其成果的准确性。笔者认为,在统计前应结合钻探成果,根据地貌单元、地层层位、成果类型和堆积年代等对地层进行统计单元划分,对同一单元所取得实验数据(应不少于5—6个)进行检查分析。当在野外观察鉴别上划分为二层土,但其实验的成果比较接近时,可作为一个力学层合并为一个统计单元。当在同一单元体中出现个别离散性较大的实验数据时,应对其高值或低值认真研究分析,以确定在统计过程中是否取舍,目前对成果的统计方法很多,有最大和最小平均值法、除掉10%后的最大和最小平均值法、算术平均值法、加权平均值法和中值法等等。统计方法的选择应根据土层的物理力学性质确定。当土质均匀,实验数据的离散性较小时,可采用算术平均值法或中值法;当土质不均匀,实验数据的离散性较大时,可采用最大和最小平均值法或除掉10%后的最大和最小平均值法。公式如下:

2 利用标准贯入击数确定地基承载力标准值

利用标准贯入击数确定地基承载力标准值,是标准贯入实验的重要目的之一,尤其是在浅基础的设计中有重要的现实意义。《建筑地基基础设计规范》(GBJ7-89)规定,用标准贯入击数N确定地基承载力标准值时,其击数应再经下式修正:

式中,u-实验锤击数(已经触探杆长度校正)平均值;σ-标准差。

式中要求标贯实验的击数呈正态分布,因而应对离散性大的数值进行取舍,并对高值或低值作客观的分析,如土质不均匀时,应考虑把其单独划分成一个小的统计单元;如属人为差错,应把其舍去。

3 工程验证

该实例为某一商住大厦地基基础的勘察工程。该工程为122×72m2的高层建筑,勘察要求较为严格,建筑物建在厚度为10-11.2m的回填土上,填土的时间已很久,回填时已按规范进行了分层压实处理。在设计勘察方案时,在每个钻孔的不同深度分别作了系统的标准贯入实验设计,并在标贯实验的相应位置取原状土样作土工分析,以便对照。该场地共布设钻孔26个,标准贯入实验56次。经钻探及原位测试后发现,场地的填土在垂直和水平方向上其物质成分及物理力学性质变化不大,因而在统计标贯实验成果时,分别在垂直方向上每隔2m划分为一个统计单元,统计成果见表1。

表1 统计成果表

因该地基为厚层状填土,物质成分主要为呈土状的强风化砂岩及强风化花岗岩,在钻探过程中发现少量的15×10cm的强风化岩石碎块,因而在标贯实验过程中其数据的离散性也相对较大,故在成果统计时采用了去掉最大和最小值的10%,再按最小平均值法统计。在统计后,对其实验的高值及低值作了详细的分析,高值的原因是在实验中碰到了较大的强风化岩石碎块,低值是在填土压实过程中存在的局部松散现象,高低值出现的频率都不高,且无规律。统计后的成果,与土工实验的成果是较为吻合的,同时,经开挖基础做验槽测试时,其结果也与统计成果相吻合。

4 结束语

通过以上分析,标准贯入实验是实验费用少,速度快,适用范围广的一种行之有效的原位测试手段。其关键问题是在保证实验质量的前提下,对成果的统计和分析要做到科学合理。同时,对含漂石及块石较多的砾砂卵石层或不均匀系数较大的碎石土中,标贯实验的数据将偏高,标贯实验在实验过程中因受机械设备及人为因素的影响较大,应尽量配合其它实验手段,以便对其成果进行对照分析。

[1]桩基工程手册编委会.桩基工程手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1995.

[2]刘利民,舒祥,熊巨华.桩基工程的理论进展与工程实践[M].北京:中国建筑工业出版社,2002.

[3]南京水利科学研究院.土木实验技术手册[M].北京:人民交通出版社,2003.