常规动力贯入试验锤击能量测试及锤击数相关性研究

刘伟珉 周福强

（山东岩土勘测设计研究院有限公司，山东 烟台 264000）

0 引言

在密实的无黏性土中，获取其物理力学参数十分困难，受到无黏性土的颗粒无黏结以及结构易扰动性影响，采取试样的室内试验方法基本无法获得反映真实物理力学性质的参数，只能对其进行颗粒组成分析[1]。原位测试方法由于保存了无黏性土在天然状态下的结构性、天然含水量和天然土压力，因此测试数据更具有适用性[2]。重型动力触探试验在很多的原为测试方法中具有便捷性、低成本性和理论成熟度高等优点，因此在砂土、圆砾土和卵石土的原位测试中具有明显优势[3]。目前大多数的重型动力触探试验研究主要集中在工程应用方面，对多方法的原位测试指标参数关系研究较少，因此建立多源数据间的相互关系尤为重要。

1 工程概况

山东省烟台市某建筑工程场地位于烟台开发区内，项目地理位置优越，场地南侧为海滨路，北侧北京中路。拟建建筑基本情况见表1，勘察包括1栋24层、1栋26层、2栋27层、1栋31层及3栋34层的住宅楼，3层商业综合体和整体地下车库，总建筑面积为206997.54m2。

表1 拟建建筑物基本情况

2 场区地层岩性及其工程特性

经揭露，场区范围内地层岩土体大致有12层，依次为①素填土（Q4ml）、①-1杂填土（Q4ml）、②-1粉质黏土（Q4al+mc）、②-2淤泥质黏土（Q4mc）、②粉质黏土（Q4al+mc）、③含砾中粗砂（Q4al+pl）、③-1粉质黏土（Q4al+pl）、④粗砾砂（Q4al+pl）、④-1层粉质黏土（Q4al+pl）、⑤强风化云母片岩（上）（Pt1fg）、⑥强风化云母片岩（下）（Pt1fg）、⑦中风化云母片岩（Pt1fg）。其中，在③含砾中粗砂（Q4al+pl）、④粗砾砂（Q4al+pl）中进行了重型动力触探试验，测试结果见表2。

表2 重型动力触探试验结果

③含砾中粗砂（Q4al+pl）在场区内普遍分布，共计149个钻孔揭露该层，标准贯入试验孔共计55个，标准贯入试验点为68个，重型动力触探试验孔共计51个，重型动力触探试验贯入深度为30.90m，于54个钻孔中采取扰动试样59组。该层土厚度为0.50m～11.70m，平均6.07m，层底标高为-13.44m～-0.54m，平均-7.81m，层底埋深为7.30m～22.00m，平均14.32m。④粗砾砂（Q4al+pl）在场区内共计148个钻孔揭露该层，标准贯入试验孔共计50个，标准贯入试验点为55个，重型动力触探试验孔共计63个，重型动力触探试验贯入深度为47.50m，于51个钻孔中采取原状试样58组。该层土体厚度为1.20m～14.50m，平均6.90m，层底标高为-20.77m～-10.65m，平均-15.23m，层底埋深为17.20m～29.60m，平均21.74m。

3 场区动力触探试验能量测试及锤击数相关性研究

3.1 场区动力触探试验能量测试

在中密和密实的砂层中进行重型动力触探试验，主要试验方法是将动力触探探头放入钻孔中，并连接钻杆至孔口，采用重锤对动力触探探头进行贯入，动力触探探头的质量为63.5kg，下落距离为76cm[4]。重型动力触探探头的贯入深度、不同土层的锤击数与动力触探重锤能量的传递率有关，当在浅孔中试验时，由于钻杆的长度较短，能量传递较快，因此在单位锤击下，重型动力触探探头可以取得较大的贯入深度。当在深孔中试验时，由于钻杆的长度较长，能量大部分消耗在钻杆与孔壁的摩擦上，能量传递较慢，因此在单位锤击下，重型动力触探探头的贯入深度较小[5]。为了衡量这种能量的传递效果，试验中在重锤下部增加了能量测试仪器，测试重锤下落冲击过程中产生的应变和加速度，并通过换算得到重锤产生的能量传递率。进行重型动力触探试验时，能量测试传感器的安装方法如图1所示。

图1 现场重型动力触探试验能量测试

③含砾中粗砂与④粗砾砂的重型动力触探试验的重锤能量传递率分布规律如图2所示。从图2可以看出，2层土的重锤能量传递率呈现明显的不同，③含砾中粗砂的重型动力触探试验的重锤能量传递率整体比④粗砾砂的大。在③含砾中粗砂中，最大能量传递率为89.95%，最小能量传递率为80.54%；而在④粗砾砂中，最大能量传递率为79.95%，最小能量传递率为70.23%。由此可见，在深度较大且粗颗粒含量较多的④粗砾砂中，重锤的能量传递较小。

图2 现场重型动力触探试验能量测试

3.2 场区动力触探试验锤击数相关性研究

结合场区岩土工程条件和现场标准贯入试验，研究重型动力触探试验锤击数N63.5与标准贯入试验锤击数N之间的变化关系，结果如图3所示。从图3可以看出，③含砾中粗砂与④粗砾砂的重型动力触探试验锤击数存在显著差异，表现为相互分离。以135°的斜对角线为界限，③含砾中粗砂的重型动力触探试验锤击数散点主要分布在对角线下方，而④粗砾砂的重型动力触探试验锤击数散点主要分布在对角线上方。其中，③含砾中粗砂的重型动力触探试验锤击数的变化为6锤～20锤，而④粗砾砂的重型动力触探试验锤击数的变化为11锤～32锤。同样地，③含砾中粗砂的标准贯入试验锤击数范围主要集中在16锤～44锤，而④粗砾砂的标准贯入试验锤击数范围主要集中在32锤～60锤，表明③含砾中粗砂与④粗砾砂之间具有明显不同的物理力学性质，尽管③含砾中粗砂和④粗砾砂均表现为中密～密实，级别良好，前者含有少量砂粒，后者则混有圆砾以及粒径3cm～5cm的少量卵石，但是重型动力触探试验和标准贯入试验仍可以较好地区分两者之间的物性差异。从图3还可以看出，尽管对重型动力触探试验锤击数、标准贯入试验锤击数单个参数而言，③含砾中粗砂和④粗砾砂这两种不同土层具有明显的分化，但两个参数的比值具有较好的相关性。对各个样本的重型动力触探试验锤击数与标准贯入试验锤击数比值进行考察，结果如图4所示。

图3 重型定理触探试验锤击数与标准贯入试验锤击数的分布

从图4可以看出，随着样本点的变化，③含砾中粗砂的重型动力触探锤击数与标准贯入试验锤击数的比例值表现出不同程度的起伏变化，比值在0.87～6.27，平均值为2.58。相同地，④粗砾砂的重型动力触探锤击数与标准贯入试验锤击数的比例值也表现出不同程度的起伏变化，比值在1.08～5.07，平均值为2.37。由此可见，不同土层的重型动力触探试验锤击数与标准贯入试验锤击数比值具有相近的比例值，进一步表明两种测试方法对土层力学性质表征的准确性。

图4 重型定理触探试验锤击数与标准贯入试验锤击数的比值

对场区9个地震剪切波测孔数据进行统计分析，并结合测孔内各土层现场重型动力触探试验锤击数结果，研究重型动力触探试验与地震剪切波速度的相关关系，结果如图5所示。从图5可以看出，③含砾中粗砂的地震剪切波速度分布较为分散，④粗砾砂的地震剪切波速度分布较为集中，各土层的地质剪切波速度呈现出一定的分层现象，④粗砾砂的地震剪切波速度比③层含砾中粗砂的地震剪切波速度大，也侧面表明地震剪切波速度在一定程度上反映了岩土层的力学性质。建立重型动力触探试验锤击数和地震剪切波速度的相互关系将有利于研究粗颗粒无黏性土的动力学特征，为其地震评估和动力计算提供依据。整体而言，随着各岩土层重型动力触探试验锤击数的增加，岩土层的地震剪切波速度呈现对数增加的趋势，两者的相互关系如公式（1）所示。

图5 重型动力触探试验锤击数与地震剪切波速度的拟合关系

式中：Vs为超声波纵波速度，m/s；N63.5为实测重型动力触探试验锤击数，锤；R为拟合系数。

通过以上分析可知，在实际岩土工程勘察中，当粗颗粒的砂层、砂砾层等难于取样或者测试条件有限时，可以采取测试重型重力触探试验锤击数的方法预估土体的标准贯入试验参数和地震剪切波速度，利用换算的标贯参数可以划分土体、求解土体的地基承载力，通过换算的地震剪切波速度可以评价砂土液化和场地类别划分等。

4 结论

该文以山东省烟台市某建筑工程岩土勘察项目为例，进行了重型动力触探试验、标准贯入试验以及地震剪切波试验测试，并研究参数相关性，得出的结论如下：1）③含砾中粗砂与④粗砾砂的重锤能量传递率呈现明显不同。在③含砾中粗砂中，最大能量传递率为89.95%，最小能量传递率为80.54%；而在④粗砾砂中，最大能量传递率为79.95%，最小能量传递率为70.23%。2）③含砾中粗砂与④粗砾砂的重型动力触探试验锤击数呈现出明显的分离现象，重型动力触探试验锤击数与标准贯入试验锤击数比值具有等比例的相互关系，利用此关系可以预估标贯试验锤击数。3）③含砾中粗砂的地震剪切波速度分布较为分散，④粗砾砂的地震剪切波速度分布较为集中。随着各岩土层重型动力触探试验锤击数的增加，岩土层的地震剪切波速度呈现对数增加的趋势，利用此关系可以预估土体的剪切波速度。