標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)在中泰鐵路中的應(yīng)用與研究

李國(guó)圣

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津　300251)

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標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)在中泰鐵路中的應(yīng)用與研究

李國(guó)圣

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津300251)

中泰鐵路作為國(guó)外重點(diǎn)項(xiàng)目，具有地質(zhì)勘察時(shí)間緊、任務(wù)重、成本高的特點(diǎn)。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)(SPT)作為一種操作簡(jiǎn)單，指標(biāo)可靠易用的方法可有效解決上述問(wèn)題。如何將國(guó)外操作工藝所獲得的指標(biāo)合理地運(yùn)用到我國(guó)設(shè)計(jì)理念中，顯得極為重要。從SPT的原理入手，通過(guò)對(duì)有國(guó)內(nèi)成熟經(jīng)驗(yàn)地區(qū)的SPT數(shù)據(jù)與地層主要物理力學(xué)指標(biāo)的對(duì)比分析，而后結(jié)合該項(xiàng)目國(guó)內(nèi)外的SPT對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得出SPT與常用物理力學(xué)指標(biāo)之間的經(jīng)驗(yàn)公式并將其應(yīng)用于設(shè)計(jì)中。同時(shí)發(fā)現(xiàn)隨著深度的增加，N泰相對(duì)N中來(lái)說(shuō)數(shù)據(jù)偏大的現(xiàn)象愈加明顯，并從鉆探方法及SPT方法兩個(gè)方面進(jìn)行綜合分析，最終得出SPT方法的優(yōu)越性及日后應(yīng)用中的注意事項(xiàng)和進(jìn)一步的研究方向。

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)；數(shù)據(jù)擬合；試驗(yàn)方法對(duì)比；經(jīng)驗(yàn)公式

1　概述

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)(SPT)是用質(zhì)量為63.5 kg的重錘按照規(guī)定的落距(76 cm)自由下落，將標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的貫入器打入地層，根據(jù)貫入器在貫入一定深度得到的錘擊數(shù)來(lái)判定土層的性質(zhì)[1-3]。SPT本質(zhì)上是屬于動(dòng)力觸探的原位測(cè)試技術(shù)，該試驗(yàn)并不能直接測(cè)定地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)所需的諸如壓縮模量、孔隙比、地基承載力等物理力學(xué)指標(biāo)，而更多的是通過(guò)與其他原位測(cè)試方法(如原位荷載試驗(yàn))及室內(nèi)土工試驗(yàn)的成果數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，建立起經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。當(dāng)積累了該地區(qū)成熟的經(jīng)驗(yàn)之后，才可以通過(guò)SPT的試驗(yàn)結(jié)果推測(cè)土的物理力學(xué)指標(biāo)，進(jìn)而體現(xiàn)出其獨(dú)特的優(yōu)越性[4-6]。

2　中泰標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)方法對(duì)比

中泰鐵路工程是我國(guó)政府在積極倡導(dǎo)國(guó)家“一帶一路”戰(zhàn)略的背景下所采取的重大舉措，該條鐵路將來(lái)會(huì)成為兩國(guó)間人員往來(lái)、物資運(yùn)輸?shù)闹匾ǖ?，將為兩?guó)間的經(jīng)濟(jì)文化交流發(fā)展注入新的活力。

鑒于國(guó)外項(xiàng)目的特殊性，尤其是地質(zhì)外業(yè)勘察時(shí)間緊、任務(wù)重、成本高，往往在鐵路勘察設(shè)計(jì)成本中占有較大的比重。為了最大限度地節(jié)省勘察成本并提供較高精度的地質(zhì)勘察資料，國(guó)外既有資料的利用成為了至關(guān)重要的問(wèn)題。

泰國(guó)的勘察資料大多是執(zhí)行ASTM(美國(guó)試驗(yàn)和材料協(xié)會(huì))標(biāo)準(zhǔn)，注重SPT原位測(cè)試技術(shù)的應(yīng)用，測(cè)試間距也多在1.0～1.5 m，對(duì)原狀土樣的采取相對(duì)較少。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)除了設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便外，更大的優(yōu)點(diǎn)在于它的指標(biāo)簡(jiǎn)單、好用[6]。而國(guó)內(nèi)的鐵路工程地質(zhì)勘察方法多重視原狀土的室內(nèi)土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)只是作為輔助數(shù)據(jù)。所以國(guó)外勘察資料尤其是SPT試驗(yàn)的綜合利用顯得尤其重要。在數(shù)據(jù)分析之前，現(xiàn)將兩國(guó)的SPT試驗(yàn)方法做一簡(jiǎn)要的對(duì)比分析。

(1)鉆進(jìn)方法對(duì)比

國(guó)內(nèi)基本上采取回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)及取樣器取樣技術(shù)，最大限度地保證了進(jìn)行SPT試驗(yàn)部位土的原狀性。

泰國(guó)則多采用回轉(zhuǎn)沖擊鉆進(jìn)方法。通過(guò)扁鏟型鉆頭進(jìn)行地層破碎，并通過(guò)出水口以泥漿正循環(huán)的方式將地層破碎所造泥漿攜帶出孔進(jìn)入沉淀池進(jìn)行循環(huán)鉆進(jìn)。沖擊頻率及回轉(zhuǎn)動(dòng)力全由人工進(jìn)行手動(dòng)控制，此種方法對(duì)土的擾動(dòng)性非常大。如圖1、圖2所示。

圖1　泰國(guó)所用鉆進(jìn)鉆頭

圖2　泰國(guó)所采用鉆進(jìn)方法

(2)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)方法對(duì)比[7，8]

國(guó)際上現(xiàn)行基本落錘質(zhì)量及落距均相同，均采用質(zhì)量為63.5 kg、落距為76 cm。但在形狀大小方面沒(méi)有給出具體規(guī)定[9]。國(guó)內(nèi)現(xiàn)行多采用自動(dòng)脫鉤的錘擊法進(jìn)行試驗(yàn)，并在貫入過(guò)程中盡量減少導(dǎo)向桿與錘之間的摩阻力。錘擊速率應(yīng)小于30擊/min。預(yù)打入15 cm，不計(jì)錘擊數(shù)，之后記錄每打入10 cm的錘擊數(shù)，最終累計(jì)30 cm的錘擊數(shù)即為標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)N[9-10]。

泰國(guó)則采用手動(dòng)落錘錘擊法進(jìn)行SPT試驗(yàn)，錘擊深度同為45 cm，分成3段，以15 cm為一段分別進(jìn)行計(jì)數(shù)，預(yù)打15 cm，同時(shí)記錄錘擊數(shù)，其下依次各打入15、15 cm共計(jì)30 cm的標(biāo)貫擊數(shù)之和為實(shí)際貫入擊數(shù)N值。圖3、圖4為泰國(guó)標(biāo)貫試驗(yàn)過(guò)程及鉆探日志記錄格式。

圖3　泰國(guó)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)方法

圖4　泰國(guó)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)記錄格式

由圖3可見(jiàn)，泰國(guó)落錘的錘形與國(guó)內(nèi)所采用的不統(tǒng)一。經(jīng)觀(guān)察沿線(xiàn)其他泰國(guó)SPT試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，泰國(guó)本國(guó)的錘形也不盡統(tǒng)一。標(biāo)貫器則基本上與中方相同，均采用國(guó)際上通用的標(biāo)準(zhǔn)[4]。

3　中泰標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析[11-13]

表1　N手與Es、C、φ的關(guān)系

(1)

(2)

(3)

N與Es、C、φ關(guān)系的擬合曲線(xiàn)見(jiàn)圖5～圖7。

圖5　N與Es關(guān)系的擬合曲線(xiàn)

圖6　N與C關(guān)系的擬合曲線(xiàn)

圖7　N與φ關(guān)系的擬合曲線(xiàn)

為了更好地查清泰國(guó)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)與中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)之間的關(guān)系，本次勘察部分段落采用中泰兩國(guó)鉆機(jī)及操作人員對(duì)比穿插鉆探及進(jìn)行SPT測(cè)試。剔除因地層起伏變化較大導(dǎo)致無(wú)法進(jìn)行有效對(duì)比分析的測(cè)試孔數(shù)據(jù)，現(xiàn)將黏性土及砂類(lèi)土地層中地層層序起伏變化最小的中泰雙方相鄰鉆孔之間標(biāo)貫深度及擊數(shù)列于表2。

經(jīng)過(guò)表2數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，泰方標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)N泰較中方N中在淺層相差較小，基本在40 m深度以上數(shù)據(jù)無(wú)明顯有規(guī)律的差異。隨著深度的增加，在本對(duì)比地層，40 m深度以下N泰相對(duì)N中來(lái)說(shuō)數(shù)據(jù)偏大，N泰個(gè)別數(shù)據(jù)能達(dá)到N中的2.0倍以上。在中國(guó)經(jīng)驗(yàn)公式(1)～公式(3)的利用方面，泰方手動(dòng)落錘擊數(shù)N泰較中國(guó)經(jīng)驗(yàn)公式N手=0.74+1.12×N機(jī)來(lái)說(shuō)折減系數(shù)更小?，F(xiàn)根據(jù)本孔數(shù)據(jù)，對(duì)比物理力學(xué)指標(biāo)，通過(guò)數(shù)據(jù)擬合得出了標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N泰與地層重要指標(biāo)之間的關(guān)系式，見(jiàn)公式(4)～公式(6)供設(shè)計(jì)參考使用。

(4)

(5)

(6)

出現(xiàn)上述現(xiàn)象，原因主要有以下兩點(diǎn)[14，15]。

表2　中泰雙方標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

(1)泰方SPT試驗(yàn)為手動(dòng)落錘，受人為影響較大，繩索與鉆具間的摩擦同樣會(huì)消耗錘擊能量。同時(shí)錘形也與中方有較大的差別，造成了能量傳遞的差別，各種因素綜合導(dǎo)致了中泰標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)的差別。

(2)泰方所使用鉆進(jìn)方法工藝造成了成孔質(zhì)量差，鉆孔孔徑較中國(guó)小、孔斜的控制及孔壁的質(zhì)量均較中國(guó)有一定差距，造成了進(jìn)行SPT試驗(yàn)時(shí)側(cè)壁摩阻力太大，進(jìn)而造成了錘擊能量無(wú)法更有效地傳遞給標(biāo)貫器。

因此，在維持泰國(guó)本國(guó)鉆探及標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)工藝不變的情況下，利用本次研究所擬合出來(lái)的經(jīng)驗(yàn)公式(4)～公式(6)進(jìn)行設(shè)計(jì)參考是比較合理有效的。

4　結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的原理進(jìn)行分析，得出

了標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)在工程地質(zhì)勘察中的優(yōu)越性。同時(shí)通過(guò)對(duì)中泰鐵路項(xiàng)目背景的闡述，進(jìn)而得出了本項(xiàng)目重視標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)方法的原因及利用泰方標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)數(shù)據(jù)的重要性。

(2)對(duì)中泰鐵路地勘中的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的方法進(jìn)行了具體分析，得出了在鉆進(jìn)成孔方法、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)設(shè)備及方法等方面的主要區(qū)別。

(3)通過(guò)對(duì)有國(guó)內(nèi)成熟經(jīng)驗(yàn)的地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)數(shù)據(jù)與地層主要物理力學(xué)指標(biāo)的對(duì)比分析。在分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得出了便于利用的經(jīng)驗(yàn)公式，并將公式應(yīng)用于設(shè)計(jì)中，節(jié)約了勘察成本并提高了工作效率。同時(shí)通過(guò)地勘過(guò)程中中泰雙方對(duì)比鉆孔中標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)了隨著深度的增加，N泰相對(duì)N中來(lái)說(shuō)數(shù)據(jù)偏大，并從鉆探方法及標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)方法兩個(gè)方面進(jìn)行綜合分析。同時(shí)也對(duì)泰方N泰進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼蹨p，參考經(jīng)驗(yàn)公式，并將其應(yīng)用于設(shè)計(jì)中。

(4)鑒于本階段中泰鐵路勘察工期緊、任務(wù)重，很多更詳細(xì)的對(duì)比試驗(yàn)尚未深入進(jìn)行。在進(jìn)一步的詳細(xì)施工圖設(shè)計(jì)階段，考慮進(jìn)行多途徑的原位測(cè)試(包括原位載荷試驗(yàn))，進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集、分析，建立一套適合泰國(guó)本土地層的經(jīng)驗(yàn)公式。同時(shí)結(jié)合國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，將兩國(guó)不同標(biāo)準(zhǔn)之間數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析對(duì)比，進(jìn)一步建立一套適應(yīng)國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)的鐵路勘察設(shè)計(jì)流程及方法，以更好地服務(wù)于國(guó)家“一帶一路”戰(zhàn)略。

[1]工程地質(zhì)手冊(cè)編委會(huì).工程地質(zhì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007.

[2]中華人民共和國(guó)鐵道部.TB10018—2003鐵路工程地質(zhì)原位測(cè)試規(guī)程[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2003.

[3]鐵道部第一勘測(cè)設(shè)計(jì)院.鐵路工程地質(zhì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，1999.

[4]中華人民共和國(guó)鐵道部.TB10012—2007鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2007.

[5]中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GB 50021—2001巖土工程勘察規(guī)范[S].2009版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009.

[6]徐光大，徐光黎，李俊杰.日本標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)方法及其N(xiāo)值在巖土工程中的應(yīng)用[J].安全與環(huán)境工程，2011(7)：33-38.

[7]冷藝.國(guó)內(nèi)外規(guī)范在港口巖土工程勘察中的異同研究[J].水運(yùn)工程，2011(9)：27-30.

[8]李剛，劉方，羅俊.美標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)及標(biāo)貫值修正與應(yīng)用[J].水運(yùn)工程，2013(7)：43-47.

[9]楊文衛(wèi)，岳中琦.世界各地標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)比較和共同問(wèn)題[J].工程勘察，2008(1)：5-15.

[10]賀瑞霞，任德生，曹洪亮.工程地質(zhì)勘察中的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)[J].鐵道建筑，2010(3)：60-62.

[11]王士杰，何滿(mǎn)潮，張吉占.用歸一化標(biāo)準(zhǔn)貫入N值估算砂土的相對(duì)密度[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2005(6)：682-685.

[12]劉輝.地基土標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)與物理力學(xué)參數(shù)關(guān)系探討[J].路基工程，2011(5)：62-65.

[13]王毅紅，高磊，白濤等.標(biāo)準(zhǔn)貫入與砂土地基承載力關(guān)系的試驗(yàn)研究[J].四川建筑科學(xué)研究，2010(3)：120-133.

[14]戴洪軍，蔡升華.關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)問(wèn)題的分析[J].電力勘測(cè)，1999(12)：4-9.

[15]吳曉東.中外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)規(guī)定之對(duì)比[J].鐵道勘察，2014(4)：32-36.

Application and Research of Standard Penetration Test in China-Thailand Railway

LI Guo-sheng

(The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation，Tianjin 300251，China)

China-Thailand railway is a key project abroad.It is characterized by tight schedule，heavy task and high cost in geological survey.The standard penetration test (SPT) can effectively solve the problem due to its simple operation and credible indicators.Thus，how to introduce the indexes of the operation process obtained abroad in the domestic design becomes particularly important.Based on the principle of SPT，the data of SPT and the main physical mechanic indexes of strata obtained in areas with mature experiences of China are compared and analyzed，and the relevant parameters are fitted with the contrast test date from home and abroad to draw up the empirical formula between the SPT and the general physical mechanic indexes，which are to be applied to the design.Meanwhile，it is found that the phenomenon of the N-THA larger than the N-CHA is more obvious with the increase in depth.The advantages of SPT method and the precautions in application are identified based on the analysis of both drilling method and SPT method，and future studies are addressed.

Standard penetration test(SPT); Data fitting; Comparison of test methods; Empirical formula

2015-12-22；

2016-03-23

李國(guó)圣(1985—)，男，工程師，2011年畢業(yè)于吉林大學(xué)地質(zhì)工程專(zhuān)業(yè)，工學(xué)碩士，E-mail:ligs_1985@163.com。

1004-2954(2016)10-0045-03

U416

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.10.011