巖土工程與勘察 第14卷 第1期（總第23期） 2003年6月標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗方法的回顧與討論賈文華①【摘 要】 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗是一種國際通用的原位測試方法，隨著入世后與國外交流合作逐漸增加，該方法的應(yīng)用將會越來越多本文回顧這種試驗的發(fā)展過程，就其中的一些問題進(jìn)行了探討，并對新的應(yīng)用成果進(jìn)行了介紹關(guān)鍵詞】 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗；影響因素；修正；指標(biāo)應(yīng)用0 概述標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗英文名稱是Standard penetration test ，國際上通稱SPT；于上世紀(jì)二十年代起源于歐洲；到四十年代末，Terzaghi和Peck對二十多年的應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)，提出了一系列與巖土參數(shù)相關(guān)的經(jīng)驗公式,并制定出相應(yīng)的設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)從那以后，這種試驗方法迅速發(fā)展普及，先是在歐洲和美國大規(guī)模地使用；有文獻(xiàn)記載，美國1954年至1975年之間建設(shè)的49個核電站的勘察中,有40個使用了SPT方法日本于1953年開始引進(jìn)SPT后,這種方法在巖土勘察中占有相當(dāng)大的比重;筆者在日本所接觸的工程中，有80%左右的工程勘察鉆孔都進(jìn)行SPT,試驗點(diǎn)間距1米, 試驗成果反映在柱狀圖中，以深度~N值曲線形式標(biāo)注，比較直觀實用。

我國從上世紀(jì)七十年代初開始大規(guī)模普遍使用SPT,至今也有三十余年的歷史；目前在國內(nèi)幾乎所有的工程勘察系統(tǒng),SPT都已成為一種不可缺少的原位測試手段,其設(shè)備規(guī)格與試驗方法與國際上通用的標(biāo)準(zhǔn)基本一致,在多年的理論研究和實踐基礎(chǔ)上,根據(jù)我國地質(zhì)條件特點(diǎn)，建立了不少SPT應(yīng)用經(jīng)驗公式；可以說，在這方面，我們與世界發(fā)達(dá)國家是處在同一水平上1 SPT特點(diǎn)數(shù)十年來，盡管人們從不同角度對SPT的優(yōu)缺點(diǎn)有著不同的評述，但對以下幾方面的特點(diǎn)都持有一致的態(tài)度1)設(shè)備價格低廉，堅固耐用；(2)操作方法簡單，不需要進(jìn)行專門的學(xué)習(xí)培訓(xùn)；(3)應(yīng)用范圍廣泛，幾乎所有的土層、砂層和軟巖都適用；(4)經(jīng)過多年的應(yīng)用實踐，已總結(jié)出大量的經(jīng)驗公式和地區(qū)經(jīng)驗；(5)試驗不受地下水位的影響；(6)試驗指標(biāo)N值在國內(nèi)外通用；(7)人為因素對試驗的影響較大在試驗的同時，可以采取到樣品，這是SPT的獨(dú)到之處，是其他測試方法所不具備的功能對貫入器內(nèi)取出的樣本，除觀察描述其性狀外，亦可進(jìn)行含水量、塑液限或顆（篩）分試驗，為綜合劃分地層提供依據(jù)2 試驗設(shè)備及原理SPT是利用一定重量的錘自由下落，將標(biāo)準(zhǔn)尺寸形狀的貫入器打入試驗地層一定深度，根據(jù)打入的難易程度來判定土的形狀的一種原位測試方法。

如果將貫入器換成圓錐探頭，則可轉(zhuǎn)化為重型動力觸探（DPT）1. 中國兵器工業(yè)北方勘察設(shè)計研究院有關(guān)試驗設(shè)備的規(guī)格，業(yè)內(nèi)人員均已熟知，在此不再過多敘述；需要說明的是，由于該試驗起源于歐洲，采用的是英制單位，錘重140磅相當(dāng)63.5kg，落距76cm則對應(yīng)于30英寸隨著我國加入WTO，和國際慣例接軌已是大勢所趨，為便于開展與國外同行的交流與合作，下表1例出國內(nèi)外常用的SPT設(shè)備規(guī)格 表1 國 家落 錘貫 入 器試驗鉆桿試驗深度記錄方式質(zhì)量(kg)落距(cm)長度(mm)外徑(mm)內(nèi)徑(mm)刃角( ° )(mm)(m)美國ASTM D463363.576686513518°30＂41.2﹤50先打入15㎝不計，然后貫入30㎝最多100擊日本JIS M140963.5±0.576±0.2810513542無限制貫入30㎝的擊數(shù)為N值歐洲標(biāo)準(zhǔn)197763.576685513543.754﹤15﹥15貫入30㎝的擊數(shù)為N值英國BS1377-197563.576680503517°30＂41.3無限制貫入30㎝的擊數(shù)為N值中國GB50021-9463.5±0.576±0.270051±135±118~204221先打入15㎝不計，然后貫入30㎝擊數(shù)為N值。

比較世界主要發(fā)達(dá)國家試驗設(shè)備的規(guī)格和記錄方式，與我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)基本一致，其試驗結(jié)果N值應(yīng)具有通用性3 影響SPT的因素分析試驗結(jié)果N值的大小是土的結(jié)構(gòu)、密度和狀態(tài)等諸因素的綜合反映，它應(yīng)該是客觀的，對同一土體指標(biāo)應(yīng)是唯一的；所謂唯一性，是指無論誰進(jìn)行試驗，其結(jié)果都應(yīng)該相同或近似，這體現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗中“標(biāo)準(zhǔn)”的含義，否則N值就失去了它的基本意義但是，在實際試驗中我們看到，在同一場地某一特定土層，不同勘察單位甚至同一單位，試驗結(jié)果N值都有差別，有的相差還比較大；分析其產(chǎn)生差別的原因，即有試驗時邊界條件的影響，也包含著多種人為因素為了減少誤差，提高試驗精度，筆者認(rèn)為以下十個方面的影響因素應(yīng)引起足夠的重視：1﹚鉆進(jìn)方法：在試驗的前一鉆，沖擊或是回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，其N值是不同的，這種差別在砂層中反映尤為明顯；有資料顯示，誤差可達(dá)20%左右所以，在土層中試驗前應(yīng)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，砂層中推薦泥漿護(hù)壁 2﹚試驗設(shè)備的安裝：各部件絲扣之間連接應(yīng)緊密，接頭部位不可松動，否則將影響打擊能量，進(jìn)而減小N值3﹚貫入器：長時間使用后，或者在含卵礫石地層中打擊，會出現(xiàn)貫入器靴刃口部位殘缺或變形，在此情況下如繼續(xù)使用將影響貫入度，人為增大擊數(shù)。

4﹚貫入速度：受設(shè)備性能和操作熟練程度的控制這種影響主要體現(xiàn)在飽和狀態(tài)的粉土和粉細(xì)砂地層中保持貫入速度控制在5~10秒/擊，此速率對試驗結(jié)果影響不大5﹚試驗孔徑：在常規(guī)鉆探89~146mm孔徑內(nèi)進(jìn)行試驗時，該影響可忽略不計，但特殊情況下，如在基坑底表面試驗，由于缺少上部超載，擊數(shù)會偏小6﹚貫入深度：按標(biāo)準(zhǔn)要求，一次貫入的深度為15cm預(yù)打和30cm貫入，共計45cm但當(dāng)試驗孔出現(xiàn)坍塌或縮孔，貫入深度就要加大，造成試驗器械的摩擦力和阻力加大，使擊數(shù)增高所以，保持孔底干凈不擾動是保證試驗精度的一個重要方面7﹚鉆桿垂直度：當(dāng)鉆桿傾斜與孔壁產(chǎn)生摩擦?xí)r，會減小傳至貫入器的打擊能量，出現(xiàn)N值偏大的傾向歐洲標(biāo)準(zhǔn)（1977）規(guī)定，鉆桿間隔一定長度設(shè)置導(dǎo)正裝置，而我國現(xiàn)有規(guī)程無此規(guī)定，所以，在試驗時需要人工導(dǎo)正，避免出現(xiàn)鉆桿傾斜8﹚鉆桿的直徑：日本的Koreede（1981）對比了41 mm和50 mm兩種直徑鉆桿的試驗結(jié)果，美國的Brown（1977）也對外徑40mm和60mm的鉆桿在不同的地層中進(jìn)行了對比試驗；兩人研究的結(jié)果表明，使用該直徑范圍內(nèi)的鉆桿，對試驗結(jié)果影響不大，可以忽略不計我國目前對鉆桿直徑要求不一，原巖土工程勘察規(guī)范（GB50021-94）規(guī)定42mm，兵器工業(yè)系統(tǒng)規(guī)程（BKB03-93）認(rèn)為42 mm或50 mm均可。

綜合以上研究結(jié)果和規(guī)定，為方便起見，試驗時可直接使用42 /50 mm 鉆桿；但當(dāng)試驗深度較大（超過20米）時，42mm鉆桿會發(fā)生撓曲，故推薦使用50mm鉆桿9﹚地下水：Terzaghi和Peck認(rèn)為，地下水位以下的飽和粉細(xì)砂存在臨界密度，對應(yīng)的擊數(shù)為15擊所以，在飽和粉細(xì)砂層進(jìn)行SPT，當(dāng)實測擊數(shù)大于15擊時，應(yīng)將實測擊數(shù)N’校正為N，N=15+（N’-15）/ 210）上覆自重壓力的影響：這方面的研究不多，一般認(rèn)為，上覆自重壓力的影響反映在土體的結(jié)構(gòu)、密度等基本性質(zhì)中，在N值中已經(jīng)有所體現(xiàn)Peck（1947）曾指出砂土自重壓力對N值有影響，校正公式為：N=CN·N’，式中的CN為自重壓力影響校正系數(shù)，是試驗深度處砂土有效自重壓力的函數(shù)4 桿長修正討論鉆桿長度校正問題，國內(nèi)外工程界一直存有爭議，美國的Schmertmann(1979)和日本的Fuyuki(1981)分別采用波動方程模擬方式和在120米探桿上貼應(yīng)變片測試的方法，對該問題進(jìn)行理論分析和模擬試驗前者的結(jié)論是：當(dāng)探桿長度小于70英尺（21米）時，波動能量傳遞的影響微不足道；后者認(rèn)為：在探桿末端沖擊引起的波動量衰減很??；二人的結(jié)論均傾向于不進(jìn)行桿長修正。

但也有有一些相反意見，如美國材料試驗協(xié)會SPT專題研究組認(rèn)為，傳遞給周圍摩擦介質(zhì)的能量一般與桿長成正比，就能量傳遞而言，長度是一個重要因素我國工程界主張進(jìn)行桿長修正的主要是原地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范（GBJ 7-89），最大校正長度21米，對應(yīng)于該長度的系數(shù)為0.7，折減比較大事實上，該系數(shù)表沿用的是更早的74規(guī)范，原始出處已難以考證，一般認(rèn)為是基于牛頓彈性碰撞理論，之所以上限定在21米，是因為該理論假設(shè)前提條件是總桿長質(zhì)量不能大于落錘質(zhì)量的二倍另外，日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（JIS A 1219-1961）中規(guī)定，當(dāng)桿長大于20米時，按1.06－0.003L進(jìn)行修正(L:桿長，單位：m)，該式折減系數(shù)很小，幾乎近于不修正另一方面，國外的一些學(xué)者基于彈性波波動理論得出相反的結(jié)論，他們認(rèn)為：桿長與校正系數(shù)成正比，當(dāng)桿長L從3m到15m，校正系數(shù)從0.77趨向于常數(shù)1.0而以Peck和Gibbs為代表的按上覆自重壓力修正的方法則將12 m定為臨界深度，在該深度以內(nèi)，校正系數(shù)大于1.0，超過臨界深度后校正系數(shù)才小于1.0不主張進(jìn)行桿長修正的有：建筑抗震設(shè)計規(guī)范（GB50011－2001）；巖土工程勘察規(guī)范（GB50021－2001）；上海市巖土工程勘察規(guī)范（DBJ 08－37－94）；北京地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)勘察設(shè)計規(guī)范（DBJ 01－501－92）；歐洲動力觸探標(biāo)準(zhǔn)以及Terzaghi等。

從上述建議和規(guī)定可以看出，桿長修正與否以及如何修正存在各種不同的意見和主張，都有其各自的理由和道理在現(xiàn)行的國標(biāo)中，取消了與N值有關(guān)的承載力表以及相應(yīng)的桿長校正系數(shù)表；是否修正以成為本行業(yè)面臨的現(xiàn)實問題目前，工程勘察界多數(shù)的傾向意見是，在所提交的勘察報告中，必須提供實測擊數(shù)對既往已有的經(jīng)驗公式或相關(guān)表格，按其推出時所規(guī)定是否修正為準(zhǔn)，如果限定是修正后擊數(shù)，則按相應(yīng)的校正系數(shù)修正后使用，否則應(yīng)采用實測擊數(shù)在與國外合作項目中，按國際慣例提供實測擊數(shù)，并繪制附有H~ N關(guān)系曲線的鉆孔柱狀圖 5. 試驗指標(biāo)的應(yīng)用SPT指標(biāo)N值應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，國外和國內(nèi)不同行業(yè)及地區(qū)都有與之相關(guān)的經(jīng)驗公式但在使用時要有針對性并考慮其適用條件；一般說來，應(yīng)用對象偏重于松散介質(zhì)，在有成熟經(jīng)驗的地區(qū)，亦可用于粘性土5.1 地基土液化評價用SPT方法判別飽和粉土及砂土液化是近年發(fā)展的趨勢，特別在定量評價方面，更是一種不可或缺的手段，具有權(quán)威性和很多研究成果現(xiàn)行《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2001）以及鐵路、公路系統(tǒng)等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)都引用了這種方法，雖然在邊界條件方面有所不同，但都以N值（不進(jìn)行桿長校正的實測擊數(shù)）為基本判別參數(shù)，詳細(xì)的判別方法及公式參見相關(guān)規(guī)范。

5.2 劃分風(fēng)化巖與殘積土的界限 這方面的資料目前僅限于花崗巖地區(qū)，用N值（實測擊數(shù)）劃分殘積土、全風(fēng)化巖、強(qiáng)風(fēng)化巖的界限，見下表2；對其他類型的軟巖和殘積土可作為參考 表2巖體風(fēng)化程度無側(cè)限抗壓強(qiáng)度（MPa）標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗擊數(shù)(擊)剪切波速(m/s)殘積土<600<30<250全風(fēng)化巖600≤qu <80030≤N <50250≤Vs <350強(qiáng)風(fēng)化巖≥800≥50≥3505.3 估算土層的剪切波速國內(nèi)外不少學(xué)者根據(jù)大量的數(shù)據(jù)對比統(tǒng)計，提出N值與剪切波速Vs存在相關(guān)關(guān)系，其中具代表性的有以下二式：Vs = 89.8?N 0.341 (日本今井) Vs = 91.4?N 0.347 (冶金部沈陽勘察院) 5.4 判別砂土層的密度與相對密度，見下表3 表3密實度標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗擊數(shù)N（擊）國際標(biāo)準(zhǔn)中國標(biāo)準(zhǔn)中國標(biāo)準(zhǔn)（GB50007-2002）國際標(biāo)準(zhǔn)極松散松散≤100~4松散4~10稍密稍密10＜N≤1510~15中密中密15＜N≤3015~30密實密實＞3030~50極密實＞50另外，Meyerhof提出可用N值按下式推算砂土的相對密度Dr （%）Dr =210?√N(yùn)/（σ+70） 式中：σ-有效上覆自重壓力（kpa）5.5 確定砂土的內(nèi)摩擦角 表4研究者表達(dá)式備注大崎Φ=√（20?N）+15DunhamΦ=√（12?N）+20級配良好的砂PeckΦ=0.3?N +27MeyerhofΦ=0.25?N+32.5粉砂減5°砂土作為一種松散介質(zhì)，難以取得原狀試樣，不能直接測定內(nèi)摩擦角，這一直是本行業(yè)的一個難題；雖然在國外如日本采用凍結(jié)法可采取到原狀砂樣，進(jìn)行室內(nèi)剪切試驗，但成本太高，程序也很復(fù)雜，只能應(yīng)用于一些重點(diǎn)的研究項目。

從實用角度考慮，在目前工程勘察界,確定土的內(nèi)摩擦角，大都采用N值來推算，其主要研究成果如下表4 5.6 確定地基土承載力用N值推算地基土承載力，一直為業(yè)界所關(guān) 砂土承載力特征值fak（kpa） 表5 N土類10153035中砂、粗砂190250400450粉砂、細(xì)砂135180320365注，也是工程中最常遇到的問題之一；相比較室內(nèi)試驗而言，這種方法具有實用快捷等特點(diǎn)需要注意的是，用于確定地基土承載力的N值，應(yīng)進(jìn)行桿長修正并按下式統(tǒng)計后使用：N=μ- 1.645σ/√n 式中：μ-平均值;σ-標(biāo)準(zhǔn)差;n統(tǒng)計個數(shù)注:表5引自《河北省建筑地基承載力確定技術(shù)規(guī)程》（送審稿） 砂土承載力特征值fak（kpa） 表6N土類10153050中砂、粗砂180250340500粉砂、細(xì)砂140180250340注：表6引自原《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GBJ 7-89） 粉土承載力特征值 表7 N（擊）46810121618fak（kpa）100140170200235320350注：表7引自《河北省建筑地基承載力確定技術(shù)規(guī)程》（送審稿）。

粘性土承載力特征值 表8 N（擊）35791113151719fak（kpa）105145190235280320350380420注：表8引自《河北省建筑地基承載力確定技術(shù)規(guī)程》（送審稿）粘性土承載力特征值 表9 N（擊）357911131517192123fak（kPa）105145190220295325370430515600680注：表9引自原《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GBJ 7-89） 粘性土、粉土承載力特征值經(jīng)驗公式 表10研究者經(jīng)驗公式適用土層備注江蘇水利工程總隊fak=23.3N粘性土、粉土不做桿長修正鐵三院fak=72+9.4N1.2粉土冶金部武漢勘察院fak= 4.9+35.8N粘性土、粉土湖北水電勘察設(shè)計院fak=80+20.2N粘性土、粉土N=3~85.7 估算砂土的壓縮（變形）模量一般來講，粘性土容易采取原狀試樣，宜以室內(nèi)試驗確定其壓縮模量，或用載荷試驗測求土的變形模量；故本文不推薦用SPT方法推算土層的變形參數(shù)。

上海市巖土工程勘察規(guī)范（DBJ 08－37－94）規(guī)定，粉、細(xì)砂壓縮模量Es可按下式估算：當(dāng)H≤15m Es=4.8?N045當(dāng)H≥15m Es=2.5?N075?H‐025東南沿海地帶花崗巖殘積土的變形模量Eo可按下式估算：Eo=2.2?N （適用于5

本文試圖對國內(nèi)外有關(guān)SPT的使用及經(jīng)驗做一歸納介紹，并對其中的一些問題進(jìn)行初步探討，不足之處敬請指正。