飽和砂土中不同鉆探工藝下SPT 擊數的關系研究

夏志遠，聶莉琴，孟維一

（中航勘察設計研究院有限公司，北京 100098）

0 引言

影響標準貫入試驗（SPT）擊數的因素很多，主要包括：試驗設備，如標貫頭刃口尺寸、鉆桿直徑、導向桿和自動脫鉤裝置等；鉆探成孔因素，如鉆探工藝、鉆孔直徑、鉆進過程的時間效應、泥漿濃度等；作業環境及操作工人的技術水平等［1］。前人對SPT 擊數的影響因素做過詳細研究分析，得出一系列有意義的結論［2-3］。在所有影響因素中，鉆探工藝的選擇對于SPT擊數的影響很大。張永生［4］認為，“不同的鉆探工藝和成孔方法對孔內巖土體擾動程度不同，導致了標準貫入試驗測試結果也不相同”。本文通過對比在飽和砂層中兩種鉆探工藝在不同砂層中的SPT 擊數差異，建立了兩種鉆探工藝不同深度段各砂土的SPT 擊數經驗關系式；同時通過靜力觸探試驗（CPT）與SPT 對比，定量分析了兩種鉆探工藝對砂層的擾動程度。

1 工程概況

南昌贛江（南支）與撫河（故道）入湖尾閭河道之間的湖積沖積平原，地形平坦開闊。該區域地表一般為人工填土層、耕植土層、淤泥和淤泥質土層，其下一般由第四紀沖積的黏性土、砂土和碎石土構成，下伏基巖為第三紀泥質粉砂巖。第四系上部黏性土層厚度一般6～10 m，其下為砂土，局部夾黏性土薄層。由于毗鄰贛江，周邊又有瑤湖等水系分布，因此地下水十分豐富，淺部砂土常年處于飽和狀態，豐水期承壓水頭高達4～6 m。

該區域鉆探最常用的鉆機為SH-30 型鉆機，鉆進過程中采用套管護壁防止砂層坍塌。在飽和承壓砂土中采用SH-30 型鉆機進行SPT 時，受壓力水頭及施工工藝（沖擊鉆進）局限影響，套管底部砂層容易發生涌砂現象，需要不斷向套管內注水，依靠水壓力阻止砂土上涌。但在實際施工過程中，單純靠水壓力很難完全抑制砂土上涌，因此在鉆進過程中，飽和砂層受到擾動較大，導致做SPT 時，擊數不能客觀真實地反映地層實際密實度和力學性質。采用XY-100 型鉆機，回轉鉆進過程中使用泥漿護壁，通過試驗配比合適濃度的泥漿，利用泥漿重量平衡泥水壓力，可有效防止砂層上涌，在清底可靠的情況下進行SPT，可以最大限度地減輕鉆進過程中對砂層的擾動。但在實際鉆探施工過程中，考慮到時效性和施工成本等問題，該區域極少采用XY-100型鉆機，而大量采用SH-30型鉆機，導致SPT擊數與實際情況相比偏低。

因此，對飽和承壓砂土中兩種工藝的SPT 擊數進行對比研究，并將沖擊鉆進得到的SPT 擊數進行修正，以得到更加客觀真實的SPT 擊數，用于判斷砂層的力學性質，具有實際工程意義。

2 研究思路

對比兩種鉆探工藝的SPT 擊數，并采用靜力觸探試驗（CPT）與SPT 做對比試驗，用以判斷兩種鉆探工藝對砂層的擾動程度。

本次搜集研究區采用沖擊鉆進進行SPT 的項目11 項（包括試驗區10 個鉆孔的試驗數據），采用回轉鉆進進行SPT 的項目12 項（包括試驗區10 個鉆孔的試驗數據），通過對比兩種鉆探工藝在同一深度范圍同一類砂土的SPT 擊數，得出兩種鉆探工藝的SPT 擊數差異。同時，在研究區選擇試驗區做CPT，作為SPT 的對比試驗，進一步判斷兩種鉆探工藝對砂層的擾動程度。本次對砂土的研究深度控制在地表以下20 m深度范圍內。

搜集的兩種鉆探工藝完成的項目均在同一區域內，據對比兩種鉆探工藝所完成項目的地層分布情況可知，地層分布基本一致，鉆孔XK1、XK2缺失⑤、⑥、⑨層，見表1。區域典型工程地質剖面如圖1所示。

表1 兩種鉆探工藝完成項目的地層分布對比Table 1.Comparison of layers with items completed by two drilling techniques

圖1 區域典型工程地質剖面Figure 1.Typical section of regional engineering geology

為便于對比分析，按5～10 m、10～15 m 和15～20 m 三個埋深范圍分別對砂土SPT 擊數進行數據統計。兩種鉆探工藝在不同深度各類砂土的SPT 擊數統計結果見圖2、表2。

表2 兩種鉆探工藝SPT擊數統計Table 2.Statistics of SPT blow counts of two drilling techniques

圖2 SPT擊數和試驗深度分布圖Figure 2.Distribution of SPT blow counts and depths

由表2 統計數據可知，兩種鉆探工藝的SPT 擊數具有較大差異，并體現出以下幾點規律：

（1）在同一深度、同類砂層中，沖擊鉆進SPT 比回轉鉆進的SPT 擊數普遍相對較低，體現出沖擊鉆進對砂層的擾動程度高于回轉鉆進。秦國華［5］認為，“沖擊鉆進利用鉆具自身重量沖擊破碎孔底實現鉆進，對孔底土體施加的力是單向（軸向）的，對土體作用的過程是瞬間完成的，故對孔底土體的擾動作用十分顯著；而回轉鉆進則更多引起四周土體一定程度的應力改變和塑性形變，而深度范圍內軸向力的影響小得多。因此對于SPT 試驗，回轉鉆進比沖擊鉆進對孔底土體的擾動相對輕微，對SPT 擊數的影響也小得多”。因此，《巖土工程勘察規范》（GB 50021—2001，2009年版）第10.5.3 條指出，“標準貫入試驗孔采用回轉鉆進”，即是為了盡可能減少對孔底土的擾動［6］。

（2）沖擊鉆進對粗顆粒砂土的擾動程度高于細顆粒砂土。粗顆粒砂土的工程性質很大程度上取決于土的粒徑級配，而細顆粒土的工程性質除了受粒徑級配影響，還與土粒的比表面積和礦物成分有密切關系。研究區細顆粒砂土中夾有大量黏性土，黏土顆粒的帶電性質可以將細顆粒砂土吸附在一起，而粗顆粒砂土表面不具有帶電性質，基本處于分散狀態，因此細顆粒砂土要比粗顆粒砂土更抗擾動。如埋深5～10 m范圍內，兩種鉆探工藝在細砂層中的SPT 擊數平均值差值僅為1.7 擊，在粗砂層中的SPT 平均值差值達4.3擊。

（3）沖擊鉆進對淺部砂土的SPT 擊數影響較大，隨著埋深增大，沖擊造成的影響越來越小，反映了上覆土層有效自重壓力隨著深度增加而增大，導致砂土自身密實度增大，沖擊鉆進對砂土的擾動程度逐漸減小。如埋深5～10 m 范圍內，兩種鉆探工藝在中砂層中的SPT 擊數平均值差值達3.2 擊，埋深15～20 m 范圍內時，兩種鉆探工藝在中砂層中的SPT 數值僅0.9擊。

3 CPT與SPT對比分析

靜力觸探試驗（CPT）與標準貫入試驗（SPT）兩種原位測試方法的測試數據存在明顯的相關關系［7］。為進一步分析兩種鉆探工藝對砂層的擾動程度，在研究區選取了10 個試驗區進行靜力觸探試驗（CPT）與標準貫入（SPT）試驗，對比試驗數據來判斷SPT 對砂層的擾動程度。

每個試驗區分別采用SH-30型鉆機、XY-100型鉆機和靜力觸探設備進行1 組試驗，3 組試驗位置呈等邊三角形布置，間距2 m，如圖3 所示。CPT 過程對地層的擾動很小，試驗數據更能真實反映地層的密實度和物理力學性質，因此可以將CPT 作為對比試驗，利用CPT 和兩類鉆機的SPT 擊數按相關經驗公式計算單樁豎向極限承載力（Quk），并以CPT 數據計算的Quk作為參考基準，通過對比SPT 和CPT 計算的Quk差值來分析判斷兩類鉆機鉆探工藝對砂層的擾動程度。

圖3 原位測試鉆孔布置示意圖Figure 3.Layout of in-situ test drilling

對試驗區兩種鉆探工藝各自完成的10 個鉆孔的CPT 數據，分別采用Meyerhof 計算法和Schmertmann計算法［8-9］計算單樁極限承載力值；對試驗區靜力觸探數據，采用《建筑樁基技術規范》（JGJ 94—2008）中的方法計算單樁極限承載力值［10］。

（1）Meyerhof計算法。根據Meyerhof（1976）計算公式：

式中：Quk為樁的極限承載力，kN；Ap為樁的斷面積，m2；As為樁身表面積，m2；N為樁尖附近的N平均值；為樁貫入深度內的N的平均值單位，m。

研究區樁基施工采用錘擊式預制管樁，沉樁過程中排土量多，因此選擇公式（1）進行計算。

（2）Schmertmann計算法。Schmertmann（1967）利用SPT 擊數分別確定樁周極限側阻力（qsik）和樁端極限端阻力（qpk）（表3），以確定樁的單樁極限承載力（Quk）。

表3 用N預估樁尖阻力和樁身阻力Table 3.Estimation of pile tip resistance and pile shaft resistance using blow counts N

（3）依據雙橋靜力觸探計算單樁極限承載力（《建筑樁基技術規范》JGJ 94—2008）。

式中：Quk為樁的極限承載力，kN；u為樁身周長單位，m；li為樁周第i層土的厚度，m；fsi為第i層土的探頭平均側阻力，kPa；qc為樁端平面上、下探頭阻力，取樁端平面以上4d（d為樁的直徑或邊長）范圍內按土層厚度的探頭阻力加權平均值，kPa，然后再和樁端平面以下1d范圍內的探頭阻力進行平均；α為樁端阻力修正系數，對于黏性土、粉土取2/3，飽和砂土取1/2；βi為第i層土樁側阻力綜合修正系數，黏性土、粉土的βi=10.04（fsi）?0.55，砂土的βi=5.05（fsi）?0.45。

依據以上計算方法得到的單樁極限承載力計算結果見表4。

表4 依據SPT擊數與CPT數據計算單樁極限承載力與數值比較Table 4.Calculation and numerical comparison of ultimate bearing capacity of single pile based on SPT hits and CPT data

從以上計算結果和數值比較可以得到以下幾點認識：

（1）同等條件下，回轉鉆進所得SPT 擊數計算的單樁極限承載力數值比沖擊鉆進所得SPT 擊數計算的單樁極限承載力數值大8%～38%（10 個試驗區，只有“試驗區2”中沖擊鉆進所得數值大于回轉鉆進所得數值）。

（2）利用CPT數據計算的單樁極限承載力數值比利用沖擊鉆進所得SPT 擊數計算的單樁極限承載力數值大28%～68%，比利用回轉鉆進所得SPT 擊數計算的單樁極限承載力數值為11%～45%，證明采用SPT 在飽和砂層進行原位測試確實會對砂層造成一定程度的擾動，導致SPT 擊數偏低，進而影響到單樁極限承載力數值計算的結果。

4 結束語

（1）在飽和砂層中采用沖擊鉆進做SPT，對砂層的擾動很大，建議采用回轉鉆進進行SPT，可明顯減少對砂層的擾動。

（2）沖擊鉆進對粗顆粒砂土的擾動程度大于細顆粒砂土。

（3）沖擊鉆進對淺部砂土的擾動影響較大，隨著埋深增大，沖擊造成的擾動影響越來越小。建議15 m深度以內砂土，采用沖擊鉆進進行SPT 時所得擊數需修正后使用；埋深超過15 m時，可直接使用原始擊數。

（4）根據以上分析，給出該區域5～15 m 深度范圍內不同類別砂土采用沖擊鉆進進行SPT 所得擊數修正建議見表5。修正擊數更接近回轉鉆進時SPT所得擊數。

表5 各砂土中SH-30型鉆機SPT擊數修正建議Table 5.Correction suggestions for SPT blow counts in different sandy soils by using SH-30 drilling rig

（5）通過CPT 數據和SPT 數據對比可知，沖擊鉆進和回轉鉆進均會對飽和砂層產生擾動，進而影響SPT 擊數。鑒于本次研究CPT 試驗數量較少，暫未建立CPT數據與兩類鉆探工藝下SPT 數據的關聯性，可在今后工作中進一步研究。