国内外标准贯入测试影响因素研究

卢坤玉 李兆焱 袁晓铭 张思宇

摘要：随着“一带一路”战略的快速推进，越来越多的中国企业走出去参与国外基础工程建设。目前中国企业在国外基础工程建设中遇到的最大工程问题是国内外使用的技术标准不统一。以标准贯入测试（以下简称SPT）为研究对象，综合已有研究成果，对国内外SPT的适用范围、修正方法、测试设备以及标贯击数相关性进行了分析对比。结果表明：SPT用途广泛，可用来估算土的相关参数以及评估砂土液化等，但国内外确定土性参数的经验关系多有差异;对标贯击数的修正有地下水位修正、杆长修正、上覆土压力修正、能量修正，不同国家标贯击数修正方法不同;标贯测试设备方面，中美差异主要体现在落锤类型和释放方式不同，中英差异主要体现在锤垫质量不同;当标贯击数较小时，各国标贯击数之间相差不大，在实际工程中可不考虑其差异性。

关键词：标准贯入测试;修正方法;能量传递;欧美标准;剪切波速

0 引言

标准贯入测试（以下简称SPT）始于1902年美国Raymond混凝土桩公司，Gow在水洗式钻孔的底部，采用50 kg的重锤打击25 mm钢管，首次成功采取了不被水冲洗的土样。Terzaghi等（1948）经过一系列试验后给出了标贯击数N值（以下简称N）与土的一些工程性质的关系，并制定出相应的设备标准。之后，通过不断地改进和标准化，它的价值和实用性得到了世界各国的认同。

作为一种现场原位测试方法，SPT操作简单、适用勘察场地范围广、技术成熟，而且贯入器可以带上扰动土样，便于现场鉴别描述和后期室内试验测试，在国内外工程勘察、科学研究中被广泛使用（李兆焱，2012;Esfehanizadeh et al，2015）。但是SPT标准在不同国家存在差异，目前全球使用较多的标准是美国标准和英国标准，各国工程技术标准的差异成为我国在国外工程中遭遇的最大技术瓶颈（刘卫民等，2018）。以中交第一公路勘察设计研究院有限公司的一个海外工程为例，中方研讨30多次才与外方达成一处岩土滑坡参数的一致意见。技术标准不统一使我国海外工程面临技术分歧、合作破裂等风险，会严重影响建设工期和合作共赢。随着我国“一带一路”倡议的不断推进，中国海陆内外互利共赢、构建人类命运共同体的新未来逐渐开启，大量中国企业将走出国门承担国外基础设施建设，因此研究国内外SPT的适用性、解决工程技术标准不统一等问题就成了当务之急。

本文在已有研究成果基础上，对国内外SPT适用范围、修正方法、测试设备进行了分析对比，并在分析对比的基础上运用能量转换关系建立了中美、中英SPT的相关性。

1 国内外SPT适用范围

1.1 确定砂土密实度

砂土的密实度与其工程性质有着密切联系。如处于密实状态，则其强度高，是良好的天然地基;处于松散状态的砂土则是一种软弱地基，尤其是饱和的粉、细砂，稳定性很差，在振动荷载作用下，可能发生液化。相比于采用相对密实度或天然孔隙比划分砂土密实度Dr，在现场进行原位SPT，根据N间接标定Dr，能够有效避免采取原状砂样的困难。N与Dr关系最早由Gibbs和Holtz（1957）提出：

1.2 确定砂土内摩擦角

内摩擦角作为砂土特性的2个基本参数之一，既是土的抗剪强度指标，也是工程设计的重要参数。砂土作为一种松散介质，难以取得原状试样，不能直接测定内摩擦角φ。虽然在国外如日本采用冻结法可采取到原状砂样，进行室内剪切试验，但成本太高，程序也很复杂，只能应用于一些重点研究项目。

一般认为，影响砂土φ的主要因素有密度、粒径级配、颗粒形状、矿物成分等。土越密实，磨圆度越小，咬合作用越强，则φ就越大。因此可以从砂土密实度的角度考虑建立N与φ之间的关系，国内外许多学者对此做了大量的研究（Dunham，1954;Meyerhof，1956;Peck et al，1974;朱小林，1995;杜学玲等，2005;陶常飞，2008;蒋建平等，2010;郭淋等，2012;李志平等，2013;常士骠，张苏民，2007），见表2。从表2可以看出，不同地区N与砂土φ的关系式存在一定差异，比如上海地区φ随着N的增大而增大，而南京地区φ随着N的增大而减小。这种显著的差异性可能与土层结构、颗粒组成、埋藏环境、形成年代有关，尚需深入研究。

1.3 确定土的无侧限抗压强度

试验时，试样在无侧向限制（即周围压力为零）情况下逐渐施加轴向压力，破裂时常在试样侧面可见清晰的破裂面痕迹，这时的压力即为无侧限抗压强度。道路施工中需预制与现场浇筑养护条件一致的圆柱体水泥试块，按期、分批进行无侧限抗压强度试验，以此作为道路基层验收的重要数据之一。但是无侧限抗压试验要求高、试验时间长、测试结果常常与现场不符，考虑到无侧限抗压强度与土层性质有关，所以实际工程中常采用SPT确定土的无侧限抗压强度qu。国外主要采用表3确定N与土的qu的关系，我国《港口工程地质勘察规范》（JTJ 240—1997）关于N与土的qu的关系的规定与其相同。同时，该规范还规定了在有丰富的室内对比资料下，可按相关性建立N和qu的经验公式。刘松玉等（2002），和礼红等（2010）根据丰富的室内外试验数据分别建立了不同种类水泥桩的N与qu的经验公式，见表4。

1.4 确定土的压缩模量

压缩模量是反映土体性质的重要参数，可采用双层双动取样器取原状土样，进行相关室内试验得到。但是先取樣再进行室内试验，成本高、工作量大、周期长，而SPT是判别土层类型、获取土层强度和变形参数的较可靠方法。工程地质手册（第四版）（常士骠，张苏民，2007）给出了我国一些勘察设计院以及欧美广泛使用的N与压缩模量ES之间的关系。目前，我国也有学者通过室内试验和SPT数据建立了N与ES的相关性经验公式（李小和，2008），见表5。

1.5 估算地基承载力

地基承载力是指地基承担荷载的能力，是针对地基基础设计、为方便评价地基强度而提出的值（汪莹鹤等，2013），主要由原位测试并结合工程实践经验等综合确定。采用SPT确定地基承载力有着明显的优势，它适用的土层范围广，如各种砂土、粉土、以及黏性土等。SPT测量土层可达100 m深，试验成本低、效果良好。《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）中给出的N值与砂土、黏性土地基承载力标准值fk的经验关系见表6，7。

1.6 估算剪切波速

N和剪切波速VS都是地震工程中表征土层力学特性的重要参数。《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）规定了基于N对砂土地震液化判别的方法。在工程中VS也可以判定砂土液化（孙锐，袁晓铭，2019）。密实的土层的N一般相对较高，同时VS也很大，二者存在一定的相关关系（邱志刚等，2012），国内学者通过对现场实测数据进行回归分析建立了N～VS经验公式（王梦龙，2016），见表8。

从表8中可以看出，各地区N和VS关系符合VS=aNb这一幂函数形式，且不同地区、不同土类a，b不同。大多数学者给出的是砂土的N～VS关系，将各地区砂土N～VS关系进行对比（图1）。从图1中可以看出，N～VS曲线具有显著的地区差异性，差异性原因可能与地质年代、土的搬运和沉积方式有关。因此采用经验公式估算某一地区的VS时，只能采用本地区的经验公式。

1.7 评价砂土液化

20世纪70年代初期，国内外的研究工作者先后提出用N作为砂土液化判别的标准，经过40多年发展，SPT作为液化判别的一种原位测试方法日渐成熟（赵倩玉，2013）。

式中：Ncr为标贯击数临界值;N0为标贯击数基准值;ds为饱和土标准贯入点深度，单位为m;dw为地下水位，单位为m;ρc为黏粒含量百分率，当小于3或为砂土时，应采用3。

1964年日本新泻地震后，Seed和Idriss等（1971）首次提出了被称为简化方法的土体抗液化强度估计方法。随着土液化研究的不断深入，Seed简化方法也在不断发展（王克，2018）。Youd和Idriss（2001）受美国国家地震工程研究中心和国家科学基金委的资助，提出了改进的简化方法，该方法是21世纪初国际上最具有代表性、影响最广泛的液化判别方法。该方法是将砂土中由振动作用产生的剪应力CSR与产生液化所需的剪应力CRR进行比较，当计算出的CSR>CRR时，判断为液化场地;反之当CSR     Rauch（1998）给出了纯净砂SPT的抗液化应力比公式：

式中：（N1）60为上覆压力是100 kPa同时锤击能是60%的标贯击数修正值。该公式适用于（N1）60<30的情况;如果（N1）60>30，纯净砂将非常密实，不会发生液化现象。

1.8 评价SPT的应用

从上文的介绍可以看出SPT应用广泛，操作简单，但在实际工程应用中还存在以下2个主要问题：

（1）操作时N受到场地的自然地质条件、操作机械及方式、勘探深度等多种因素的影响，测试结果存在一定的误差。

（2）采用N确定土性参数，估算VS，评价砂土液化，大多采用的是经验公式，因此存在区域性差别。例如在采用N估算VS时，N取20击，得到烟台地区砂土VS=275.3 m/s，日本地区砂土VS=215.0 m/s，巴楚地区砂土VS=193.7 m/s，即烟台地区与日本地区VS相差60.3 m/s，与巴楚地区相差81.6 m/s，差别较大。因此国内外的SPT经验公式不是通用的，因为各地区土的沉积年代，搬运方式不同，本地区SPT经验公式都是根据本地区砂土室内外试验测试数据建立的，具有针对性，同时也存在局限性，即如果采用其他地区SPT经验公式计算本地区土性参数等可能会产生较大误差，结果不可靠。

针对第一个问题，国内外规范提出了相应的修正方法，下文会进行详细说明。针对第二个问题，本文建议实际工程中采用N确定土性参数等时，应采用本地区对应的经验公式，这样可以避免区域性差异的影响。

2 国内外N修正方法

2.1 地下水位修正

对于有效粒径在0.1～0.05 mm内的饱和粉、细砂，当其密度大于某一临界密度时，贯入阻力将会偏大。相应于此临界密度的N为15，故在此类砂土贯入击数N>15时，其有效击数为：

2.2 杆长修正

《建筑地基基础设计规范》（GBJ 7—89）和第一屆国际触探试验会议（ISOPT-1，1988）推荐的SPT试验规程以及Skempton（1986）均提出按式（8）进行钻杆长度修正，但是给出的杆长修正系数不同，见表9。目前国际上使用的最广泛的是Skempton（1986）提出的修正方法：

《建筑地基基础设计规范》（GBJ 7—89）规定当L为3～21 m时，进行钻杆长度修正，杆长修正系数αL值是基于牛顿碰撞理论计算得出，αL随L的增大而减小。L的修正限制为21 m，是由于L>21 m时，探杆系统质量已超过落锤质量的2倍，按碰撞理论，能量损失已很大，SPT已不适用。第一届国际触探试验会议（ISOPT-1，1988）推荐的SPT试验规程和Skempton（1986）都是基于弹性波动理论得到αL，αL随L的增大而增大。运用这2种修正方法，当L>10 m时，不需要进行杆长修正，是因为按照弹性波动理论，当L<10 m时，随着L的增加，有效能量逐渐增大，L>10 m后趋于定值。

由于不同修正方法得出αL的与L的变化关系不同，同济大学于1987年专门进行了SPT杆件传输能量的试验实测，试验孔深60 m，试验结果表明波动理论是符合实际的，即αL随L的增大而增大。

日本学者宇都一马等根据压缩波的传递原理，实测了水平搁置的120 m长钻杆顶端与低端的打击动应力的衰减情况和位移，提出了N的杆长修正公式（冯铭璋，1986）：

式（9）已被日本工业标准（JIS A1219—2001）所采用，作为日本指导性法规。该方法是将20 m作为杆长修正的界限点，即L>20 m时才进行修正，L<20 m时不修正，因为当L<20 m时，按照压缩波传递原理在探杆末端冲击引起的波动量衰减很小，可以忽略。目前国内在实际工程中进行深度较大的SPT时，进行杆长修正也会采用宇都一马公式。

2.3 上覆土压力修正

Gibbs和Holtz（1957）在三轴砂箱中进行SPT，三轴砂箱的竖向和侧向施加的应力可以模拟现场不同深度处的应力条件，根据该室内试验结果，首次得出砂土自重压力（上覆压力）对SPT结果有很大的影响这一结论，但建议的上覆压力修正值在应用于均匀土层的底部时存在不足（吴晓东，2014）。为此，后来国外许多学者提出了目前更为广泛接受的上覆土压力修正公式（Peck et al，1974;Seed et al，1985;Skempton，1986;Liao，Whitman，1986），见表10。目前国际上使用较多的是Seed等（1985）以及Liao和Whitman（1986）提出的公式。

2.4 能量修正

美国标准（ASTM D1586-11）指出不同SPT设备及操作人员在毗邻钻孔的同一土层中所得的N变动幅度可达到100%，但是如果使用相同设备和人员则N变异系数仅为10%，因此测定不同落锤系统能量效率，并将其标准化到某个基准能量效率比下是很重要的。落锤的能量效率比Er定义为：

由于美国安全锤的能量效率比接近60%，所以Seed（1983），Skempton（1986）均建议将60%作为比较各种落锤系统能量效率的基准，锤击能量修正后的标贯击数为N′：

2.5 不同修正的适用性

《岩土工程勘察规范》（GB 50021—2001）规定了用于判别砂土液化、划分砂土密实度及划分花岗岩类残积土、全风化、强风化的界限，计算剪切波速时不对N进行修正，因为建立N与这些工程性质的关系时并未对N进行修正。如我国在建立砂土液化判别公式时，其中的标贯基准值是由1971年以前我国大陆地区的6次大地震的实测标贯数据绘图后确定的，并未进行修正，所以在对新的地区进行液化判别时无需对N进行修正。在运用N确定土的无侧限抗压强度、压缩模量、地基承载力时，应根据在建立经验公式时有无修正以及进行了何种修正来考虑。如李小和（2008）根据武广客运专线沿线的红黏土数据建立N与压缩模量的经验公式时进行了杆长修正，那么在运用该公式时需要进行相同的杆长修正。总体来说我国规范要求对标贯一般不进行修正或者仅进行杆长修正，这是根据建立经验公式时是否进行修正考虑的，是合理的，在应用规范时不会对结果产生很大的误差。

目前欧美规范中仅对采用N进行砂土液化判定的情况进行了规定，这是因为欧美采用改进后的Seed简化方法进行液化判别，也就是将砂土中由振动作用产生的剪应力CSR与产生液化所需的剪应力CRR进行比较，CSR与地震的地面水平峰值加速度及埋藏深度有关，与N无关，没有能量损失，而CRR是由N得到的，考虑到SPT中的各种影响因素导致的能量损失，需要将对N进行修正后得到的CRR与CSR进行比较。

式中：CN为上覆土压力修正系数，一般采用Liao和Whitman（1986）建议的公式;CE为锤击能量比修正系数;CB为钻孔直径修正系数;CR为杆长修正系数;CS为有无衬垫情况下的修正系数。

我国学者对N也会采用国外修正公式进行修正（王士杰等，2005），但是目前还没有相关研究表明这样修正是否合理，与采用我国修正公式进行修正差别多大，这些问题尚待研究。

3 国内外SPT相关性比较

3.1 中国与美国N相关性

《岩土工程勘察规范》（GB 50021—2001）和美国标准（ASTM D1586-11）规定的设备见表12。从表中可以看出美国标准的设备规格与我国现行标准基本类似，主要区别是落锤的类型和释放方式不同。Seed等（1985）给出了中国、美国不同落锤不同释放方式下的能量传递率，机械下落的Pilcon锤和人工下落的安全锤的能量传递率相同，都为60%，人工下落的Pilcon锤和穿心锤的能量传递率分别为50%和45%。以不同种类的锤传递给钻杆的能量差异为基础，得到了中美N的相关性，见表13。

3.2 中国与英国N相关性

《岩土工程勘察规范》（GB 50021—2001）和英國标准（BS 1377-9：1990）规定的设备见表14。从表中可以看出英国标准规定的设备规格与我国现行标准基本类似，但锤垫的质量差别较大。在钻杆直径、锤的类型、落锤方式、落距、贯入器、钻杆长度等均相同的条件下，锤垫质量越大，在锤击过程中锤垫与锤之间摩擦消耗的能量就越大，实际锤击传递的能量相对于锤垫质量小的标贯设备要低。

廖先斌等（2013）采用标贯能量分析仪，通过测量不同直径钻杆的中国和英国标贯设备实际锤击能量，计算实际与理论锤击能量的能量比，建立了中国和英国标准贯入击数转换公式。

由上述公式可见，在N较小时，各国标贯之间相差不大，在实际工程中可不考虑它们的差异性。但当N很大时，比如在运用N计算地基承载力时，标贯可达到50击以上，这时就应考虑各国标贯的差异。

4 结论

本文以SPT为研究对象，整理分析了国内外SPT的适用范围、修正方法和相关性比较，得到结论如下：

（1）SPT是一种国内外常用的勘察测试手段，常用标贯击数N值确定砂土的密实度、砂土的内摩擦角、一般粘性土的无侧限抗压强度、土的压缩模量、单桩极限承载力、剪切波速等常规参数以及判别砂土液化。

（2）国内外SPT确定常规参数的经验值多有差异，如：密实度划分范围不同，不同地区N和内摩擦角经验公式不同，不同地区标贯与剪切波速关系对比差异显著。这是由于不同地区土的平均粒径、不均匀系数、孔隙比、相对密实度、土的形成年代、埋藏条件等存在着差异，即不同地区土体存在地区差异。

（3）SPT在实际操作中会有能量损失，对标贯击数N的修正主要有地下水位、杆长、上覆土压力及能量修正。国内外对N的修正有不同的规定，甚至修正系数定性相反，对于深层勘查和深海工程建议采用标贯能量测试。

（4）美国和英国使用的标贯设备是目前世界上最常使用的2种原位测试设备，对比研究了中美、中英设备的参数和转换公式，给出了中美、中英标准贯入擊数的经验关系式，可在实际工程中参考使用。

（5）随着“一带一路”的推进，我国参与的跨国工程将大量增多，困扰我国工程师的技术标准不统一的问题也将会日益凸显。国内外工程勘察测试指标如何达成一致，是急需解决的问题。这需要我们进行实际工程对比验证、理论分析、室内试验等方面的深入研究。

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