實驗技術在工程中的推廣與應用＊

許孝立

(濰坊學院,山東 濰坊 261061)

標準貫入實驗(SPT)是國內外應用較為廣泛的一種現場測試手段。其設備主要由標準貫入器、直徑42mm內接觸探桿和63.5kg的穿心錘三部分組成。實驗室配合鉆探使用,先鉆進到需要進行實驗的土層標高以上約15cm處,清孔后,以每分鐘15-30擊的速率將貫入器打入實驗土層中,先打入15cm不計擊數,繼續貫入土中30cm,記錄錘擊數。根據標準貫入實驗的錘擊數,可以判定砂土的密度、粘土的稠度、地基土的承載力標準值、砂土的振動液化及樁基承載力等。該項實驗幾乎適用于各種土層,包括地下水位以下及地下水位以上的土層,也包括部分強風化巖石,因而得到了勘察設計部門的廣泛使用和重視。然而,該項實驗成果的影響因素也較多,為了使該項測試手段能得到很好的應用和推廣,本文就多年的工作體會,談一談該項實驗在實際工作中應用的一些問題。

1 做好標準貫入實驗應注意的幾個環節

對標準貫入實驗成果的影響因素主要有三方面:一是在實驗過程中受實驗設備的影響;二是實驗技術人員熟練程度的影響;三是對實驗成果統計和分析的方法是否合理的影響。

(1)實驗設備要完好,并采用自動落錘的方式,以保證落距的精確性,同時要保證護壁清孔的質量。一般認為回旋鉆進結合泥漿或套管護壁的效果較好,實驗時孔底沉渣厚度不應超過5-10cm,以保證實驗土層的原狀性。

(2)在實驗前,應先鉆少量孔,概略了解勘察區各種地層的分布情況及其物理力學特征,以便為標貫實驗的設計提供依據。根據鉆探情況,在不同和相同的層位的不同鉆孔應相應地做系統的實驗,同時配合土工實驗,以便對照分析,在同一層位中實驗次數不少于5—6次,也可在深度上每隔1-1.5m實驗一次,以便了解薄層狀或透鏡狀土層的情況。

(3)實驗數據的修正。關于標準貫入實驗錘擊數是否要做桿長修正問題,由于目前對鉆桿能量損失的研究結果還不一致,故意見分歧較大。但根據筆者的經驗認為,《建筑地基基礎設計規范》(GBJ7-89)規定的錘擊數進行校正是較為合理的,其換算后的成果同新的設計規范較為吻合。《建筑地基基礎設計規范》(GBJ7-89)規定,用標準貫入實驗錘擊數按規范查表確定承載力標準值或其它指標時,標準貫入實驗錘擊數應按下式校正:

式中,N-標準貫入實驗錘擊數;N’-實測貫入30cm的錘擊數;α-觸探桿長度校正系數(可在《建筑地基基礎設計規范》(GBJ7-89)中查找)。

《建筑地基基礎設計規范》(GBJ7-89)只提供了21m深度范圍內的桿長校正系數,當實驗深度大于21m時,可對其校正系數進行外延,但外延應在大量經驗數據的總結和統計后才能進行,然而當深度大于21m后,對實驗結果的影響因素較為復雜,應配合其它實驗手段,以便對比分析標準貫入實驗成果的統計和分析方法。標準貫入實驗所得到的成果往往是客觀的,但對成果的統計和分析帶有主觀的因素,并且目前尚無統一的規定,因而對成果的統計和分析方法正確與否,將直接影響其成果的準確性。筆者認為,在統計前應結合鉆探成果,根據地貌單元、地層層位、成果類型和堆積年代等對地層進行統計單元劃分,對同一單元所取得實驗數據(應不少于5—6個)進行檢查分析。當在野外觀察鑒別上劃分為二層土,但其實驗的成果比較接近時,可作為一個力學層合并為一個統計單元。當在同一單元體中出現個別離散性較大的實驗數據時,應對其高值或低值認真研究分析,以確定在統計過程中是否取舍,目前對成果的統計方法很多,有最大和最小平均值法、除掉10%后的最大和最小平均值法、算術平均值法、加權平均值法和中值法等等。統計方法的選擇應根據土層的物理力學性質確定。當土質均勻,實驗數據的離散性較小時,可采用算術平均值法或中值法;當土質不均勻,實驗數據的離散性較大時,可采用最大和最小平均值法或除掉10%后的最大和最小平均值法。公式如下:

2 利用標準貫入擊數確定地基承載力標準值

利用標準貫入擊數確定地基承載力標準值,是標準貫入實驗的重要目的之一,尤其是在淺基礎的設計中有重要的現實意義。《建筑地基基礎設計規范》(GBJ7-89)規定,用標準貫入擊數N確定地基承載力標準值時,其擊數應再經下式修正:

式中,u-實驗錘擊數(已經觸探桿長度校正)平均值;σ-標準差。

式中要求標貫實驗的擊數呈正態分布,因而應對離散性大的數值進行取舍,并對高值或低值作客觀的分析,如土質不均勻時,應考慮把其單獨劃分成一個小的統計單元;如屬人為差錯,應把其舍去。

3 工程驗證

該實例為某一商住大廈地基基礎的勘察工程。該工程為122×72m2的高層建筑,勘察要求較為嚴格,建筑物建在厚度為10-11.2m的回填土上,填土的時間已很久,回填時已按規范進行了分層壓實處理。在設計勘察方案時,在每個鉆孔的不同深度分別作了系統的標準貫入實驗設計,并在標貫實驗的相應位置取原狀土樣作土工分析,以便對照。該場地共布設鉆孔26個,標準貫入實驗56次。經鉆探及原位測試后發現,場地的填土在垂直和水平方向上其物質成分及物理力學性質變化不大,因而在統計標貫實驗成果時,分別在垂直方向上每隔2m劃分為一個統計單元,統計成果見表1。

表1 統計成果表

因該地基為厚層狀填土,物質成分主要為呈土狀的強風化砂巖及強風化花崗巖,在鉆探過程中發現少量的15×10cm的強風化巖石碎塊,因而在標貫實驗過程中其數據的離散性也相對較大,故在成果統計時采用了去掉最大和最小值的10%,再按最小平均值法統計。在統計后,對其實驗的高值及低值作了詳細的分析,高值的原因是在實驗中碰到了較大的強風化巖石碎塊,低值是在填土壓實過程中存在的局部松散現象,高低值出現的頻率都不高,且無規律。統計后的成果,與土工實驗的成果是較為吻合的,同時,經開挖基礎做驗槽測試時,其結果也與統計成果相吻合。

4 結束語

通過以上分析,標準貫入實驗是實驗費用少,速度快,適用范圍廣的一種行之有效的原位測試手段。其關鍵問題是在保證實驗質量的前提下,對成果的統計和分析要做到科學合理。同時,對含漂石及塊石較多的礫砂卵石層或不均勻系數較大的碎石土中,標貫實驗的數據將偏高,標貫實驗在實驗過程中因受機械設備及人為因素的影響較大,應盡量配合其它實驗手段,以便對其成果進行對照分析。

[1]樁基工程手冊編委會.樁基工程手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,1995.

[2]劉利民,舒祥,熊巨華.樁基工程的理論進展與工程實踐[M].北京:中國建筑工業出版社,2002.

[3]南京水利科學研究院.土木實驗技術手冊[M].北京:人民交通出版社,2003.