饱和砂土中不同钻探工艺下SPT 击数的关系研究

夏志远，聂莉琴，孟维一

（中航勘察设计研究院有限公司，北京 100098）

0 引言

影响标准贯入试验（SPT）击数的因素很多，主要包括：试验设备，如标贯头刃口尺寸、钻杆直径、导向杆和自动脱钩装置等；钻探成孔因素，如钻探工艺、钻孔直径、钻进过程的时间效应、泥浆浓度等；作业环境及操作工人的技术水平等［1］。前人对SPT 击数的影响因素做过详细研究分析，得出一系列有意义的结论［2-3］。在所有影响因素中，钻探工艺的选择对于SPT击数的影响很大。张永生［4］认为，“不同的钻探工艺和成孔方法对孔内岩土体扰动程度不同，导致了标准贯入试验测试结果也不相同”。本文通过对比在饱和砂层中两种钻探工艺在不同砂层中的SPT 击数差异，建立了两种钻探工艺不同深度段各砂土的SPT 击数经验关系式；同时通过静力触探试验（CPT）与SPT 对比，定量分析了两种钻探工艺对砂层的扰动程度。

1 工程概况

南昌赣江（南支）与抚河（故道）入湖尾闾河道之间的湖积冲积平原，地形平坦开阔。该区域地表一般为人工填土层、耕植土层、淤泥和淤泥质土层，其下一般由第四纪冲积的黏性土、砂土和碎石土构成，下伏基岩为第三纪泥质粉砂岩。第四系上部黏性土层厚度一般6～10 m，其下为砂土，局部夹黏性土薄层。由于毗邻赣江，周边又有瑶湖等水系分布，因此地下水十分丰富，浅部砂土常年处于饱和状态，丰水期承压水头高达4～6 m。

该区域钻探最常用的钻机为SH-30 型钻机，钻进过程中采用套管护壁防止砂层坍塌。在饱和承压砂土中采用SH-30 型钻机进行SPT 时，受压力水头及施工工艺（冲击钻进）局限影响，套管底部砂层容易发生涌砂现象，需要不断向套管内注水，依靠水压力阻止砂土上涌。但在实际施工过程中，单纯靠水压力很难完全抑制砂土上涌，因此在钻进过程中，饱和砂层受到扰动较大，导致做SPT 时，击数不能客观真实地反映地层实际密实度和力学性质。采用XY-100 型钻机，回转钻进过程中使用泥浆护壁，通过试验配比合适浓度的泥浆，利用泥浆重量平衡泥水压力，可有效防止砂层上涌，在清底可靠的情况下进行SPT，可以最大限度地减轻钻进过程中对砂层的扰动。但在实际钻探施工过程中，考虑到时效性和施工成本等问题，该区域极少采用XY-100型钻机，而大量采用SH-30型钻机，导致SPT击数与实际情况相比偏低。

因此，对饱和承压砂土中两种工艺的SPT 击数进行对比研究，并将冲击钻进得到的SPT 击数进行修正，以得到更加客观真实的SPT 击数，用于判断砂层的力学性质，具有实际工程意义。

2 研究思路

对比两种钻探工艺的SPT 击数，并采用静力触探试验（CPT）与SPT 做对比试验，用以判断两种钻探工艺对砂层的扰动程度。

本次搜集研究区采用冲击钻进进行SPT 的项目11 项（包括试验区10 个钻孔的试验数据），采用回转钻进进行SPT 的项目12 项（包括试验区10 个钻孔的试验数据），通过对比两种钻探工艺在同一深度范围同一类砂土的SPT 击数，得出两种钻探工艺的SPT 击数差异。同时，在研究区选择试验区做CPT，作为SPT 的对比试验，进一步判断两种钻探工艺对砂层的扰动程度。本次对砂土的研究深度控制在地表以下20 m深度范围内。

搜集的两种钻探工艺完成的项目均在同一区域内，据对比两种钻探工艺所完成项目的地层分布情况可知，地层分布基本一致，钻孔XK1、XK2缺失⑤、⑥、⑨层，见表1。区域典型工程地质剖面如图1所示。

表1 两种钻探工艺完成项目的地层分布对比Table 1.Comparison of layers with items completed by two drilling techniques

图1 区域典型工程地质剖面Figure 1.Typical section of regional engineering geology

为便于对比分析，按5～10 m、10～15 m 和15～20 m 三个埋深范围分别对砂土SPT 击数进行数据统计。两种钻探工艺在不同深度各类砂土的SPT 击数统计结果见图2、表2。

表2 两种钻探工艺SPT击数统计Table 2.Statistics of SPT blow counts of two drilling techniques

图2 SPT击数和试验深度分布图Figure 2.Distribution of SPT blow counts and depths

由表2 统计数据可知，两种钻探工艺的SPT 击数具有较大差异，并体现出以下几点规律：

（1）在同一深度、同类砂层中，冲击钻进SPT 比回转钻进的SPT 击数普遍相对较低，体现出冲击钻进对砂层的扰动程度高于回转钻进。秦国华［5］认为，“冲击钻进利用钻具自身重量冲击破碎孔底实现钻进，对孔底土体施加的力是单向（轴向）的，对土体作用的过程是瞬间完成的，故对孔底土体的扰动作用十分显著；而回转钻进则更多引起四周土体一定程度的应力改变和塑性形变，而深度范围内轴向力的影响小得多。因此对于SPT 试验，回转钻进比冲击钻进对孔底土体的扰动相对轻微，对SPT 击数的影响也小得多”。因此，《岩土工程勘察规范》（GB 50021—2001，2009年版）第10.5.3 条指出，“标准贯入试验孔采用回转钻进”，即是为了尽可能减少对孔底土的扰动［6］。

（2）冲击钻进对粗颗粒砂土的扰动程度高于细颗粒砂土。粗颗粒砂土的工程性质很大程度上取决于土的粒径级配，而细颗粒土的工程性质除了受粒径级配影响，还与土粒的比表面积和矿物成分有密切关系。研究区细颗粒砂土中夹有大量黏性土，黏土颗粒的带电性质可以将细颗粒砂土吸附在一起，而粗颗粒砂土表面不具有带电性质，基本处于分散状态，因此细颗粒砂土要比粗颗粒砂土更抗扰动。如埋深5～10 m范围内，两种钻探工艺在细砂层中的SPT 击数平均值差值仅为1.7 击，在粗砂层中的SPT 平均值差值达4.3击。

（3）冲击钻进对浅部砂土的SPT 击数影响较大，随着埋深增大，冲击造成的影响越来越小，反映了上覆土层有效自重压力随着深度增加而增大，导致砂土自身密实度增大，冲击钻进对砂土的扰动程度逐渐减小。如埋深5～10 m 范围内，两种钻探工艺在中砂层中的SPT 击数平均值差值达3.2 击，埋深15～20 m 范围内时，两种钻探工艺在中砂层中的SPT 数值仅0.9击。

3 CPT与SPT对比分析

静力触探试验（CPT）与标准贯入试验（SPT）两种原位测试方法的测试数据存在明显的相关关系［7］。为进一步分析两种钻探工艺对砂层的扰动程度，在研究区选取了10 个试验区进行静力触探试验（CPT）与标准贯入（SPT）试验，对比试验数据来判断SPT 对砂层的扰动程度。

每个试验区分别采用SH-30型钻机、XY-100型钻机和静力触探设备进行1 组试验，3 组试验位置呈等边三角形布置，间距2 m，如图3 所示。CPT 过程对地层的扰动很小，试验数据更能真实反映地层的密实度和物理力学性质，因此可以将CPT 作为对比试验，利用CPT 和两类钻机的SPT 击数按相关经验公式计算单桩竖向极限承载力（Quk），并以CPT 数据计算的Quk作为参考基准，通过对比SPT 和CPT 计算的Quk差值来分析判断两类钻机钻探工艺对砂层的扰动程度。

图3 原位测试钻孔布置示意图Figure 3.Layout of in-situ test drilling

对试验区两种钻探工艺各自完成的10 个钻孔的CPT 数据，分别采用Meyerhof 计算法和Schmertmann计算法［8-9］计算单桩极限承载力值；对试验区静力触探数据，采用《建筑桩基技术规范》（JGJ 94—2008）中的方法计算单桩极限承载力值［10］。

（1）Meyerhof计算法。根据Meyerhof（1976）计算公式：

式中：Quk为桩的极限承载力，kN；Ap为桩的断面积，m2；As为桩身表面积，m2；N为桩尖附近的N平均值；为桩贯入深度内的N的平均值单位，m。

研究区桩基施工采用锤击式预制管桩，沉桩过程中排土量多，因此选择公式（1）进行计算。

（2）Schmertmann计算法。Schmertmann（1967）利用SPT 击数分别确定桩周极限侧阻力（qsik）和桩端极限端阻力（qpk）（表3），以确定桩的单桩极限承载力（Quk）。

表3 用N预估桩尖阻力和桩身阻力Table 3.Estimation of pile tip resistance and pile shaft resistance using blow counts N

（3）依据双桥静力触探计算单桩极限承载力（《建筑桩基技术规范》JGJ 94—2008）。

式中：Quk为桩的极限承载力，kN；u为桩身周长单位，m；li为桩周第i层土的厚度，m；fsi为第i层土的探头平均侧阻力，kPa；qc为桩端平面上、下探头阻力，取桩端平面以上4d（d为桩的直径或边长）范围内按土层厚度的探头阻力加权平均值，kPa，然后再和桩端平面以下1d范围内的探头阻力进行平均；α为桩端阻力修正系数，对于黏性土、粉土取2/3，饱和砂土取1/2；βi为第i层土桩侧阻力综合修正系数，黏性土、粉土的βi=10.04（fsi）−0.55，砂土的βi=5.05（fsi）−0.45。

依据以上计算方法得到的单桩极限承载力计算结果见表4。

表4 依据SPT击数与CPT数据计算单桩极限承载力与数值比较Table 4.Calculation and numerical comparison of ultimate bearing capacity of single pile based on SPT hits and CPT data

从以上计算结果和数值比较可以得到以下几点认识：

（1）同等条件下，回转钻进所得SPT 击数计算的单桩极限承载力数值比冲击钻进所得SPT 击数计算的单桩极限承载力数值大8%～38%（10 个试验区，只有“试验区2”中冲击钻进所得数值大于回转钻进所得数值）。

（2）利用CPT数据计算的单桩极限承载力数值比利用冲击钻进所得SPT 击数计算的单桩极限承载力数值大28%～68%，比利用回转钻进所得SPT 击数计算的单桩极限承载力数值为11%～45%，证明采用SPT 在饱和砂层进行原位测试确实会对砂层造成一定程度的扰动，导致SPT 击数偏低，进而影响到单桩极限承载力数值计算的结果。

4 结束语

（1）在饱和砂层中采用冲击钻进做SPT，对砂层的扰动很大，建议采用回转钻进进行SPT，可明显减少对砂层的扰动。

（2）冲击钻进对粗颗粒砂土的扰动程度大于细颗粒砂土。

（3）冲击钻进对浅部砂土的扰动影响较大，随着埋深增大，冲击造成的扰动影响越来越小。建议15 m深度以内砂土，采用冲击钻进进行SPT 时所得击数需修正后使用；埋深超过15 m时，可直接使用原始击数。

（4）根据以上分析，给出该区域5～15 m 深度范围内不同类别砂土采用冲击钻进进行SPT 所得击数修正建议见表5。修正击数更接近回转钻进时SPT所得击数。

表5 各砂土中SH-30型钻机SPT击数修正建议Table 5.Correction suggestions for SPT blow counts in different sandy soils by using SH-30 drilling rig

（5）通过CPT 数据和SPT 数据对比可知，冲击钻进和回转钻进均会对饱和砂层产生扰动，进而影响SPT 击数。鉴于本次研究CPT 试验数量较少，暂未建立CPT数据与两类钻探工艺下SPT 数据的关联性，可在今后工作中进一步研究。