對標貫擊數的影響因素及其修正的探討

李永亮，陸 亮

（甘肅省建筑設計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730030）

1 概述

作為一種成熟的巖土工程原位測試手段，標準貫入試驗（SPT）因其操作簡便、成本低廉、適用于多種土類、錘擊數N 值具有明確的實用價值等特點在工程勘察領域得到廣泛應用。一方面，我國幅員遼闊，行業眾多，不同地區土的地質成因和形成環境有所差異，各類工程行業規范對N 值在具體應用時是否進行修正以及如何修正難以形成統一認識；另一方面，多種主客觀因素，如作業環境、操作水平、桿件系統能量損耗、鉆桿撓曲等都對N 值有不同程度的影響，且隨著高層建筑林立，勘探深度不斷加深，致使標貫錘擊數難以準確反映土層的性質，存在“失真”現象。在收集已有研究成果的基礎上，從N 值的影響因素及其修正問題兩方面進行探討，以期為勘察工作提供一定的指導和參考。

2 標貫試驗的影響因素

根據實踐經驗和現有成果，可以將標貫試驗的影響因素分為四大類：土本身的因素、標貫設備的因素、人為因素和其他因素，進而可對其包含內容詳細劃分。

2.1 土本身的因素

（1）土的成因和均勻性。土是巖石經風化、剝蝕、搬運、沉積等作用后覆蓋于地球表面的堆積物，土的成因及性質與母巖的礦物成分、搬運沉積方式、顆粒級配、磨圓度等密切相關。殘積土、坡積土往往粗細不均，性質差異較大；洪積土隨搬運距離由近及遠呈粗粒至細粒逐漸變化，沖積土則磨圓度和分選性相對較好，這兩種成因的土常具層理，夾有多層透鏡體；靜水沉積土顆粒細小，通常含有機物；風積土不具層理但顆粒均勻[1]。N 值的偏差與土的成因和類型密不可分。

（2）土的應力條件。土是一種應力-應變、應力歷史和應力路徑的“3S”材料。根據先期固結壓力和當前固結應力的大小關系分為超固結土、正常固結土和欠固結土。標貫錘擊數N 值自然會受到土的應力歷史、應力條件、固結環境等影響。通常土的有效上覆壓力和側壓力都隨觸探深度的增加而增加，使得貫入阻力和錘擊數增大。

（3）地下水位。一般來說，土顆粒越細、密度越小，地下水作用對標貫擊數影響越大，而對密實砂土則不明顯。Terzaghi 和Peck（1953）指出，d10 介于0.05～0.1mm 的飽和粉細砂，當其密度超過某一臨界值時，貫入阻力呈偏大趨勢[2]。

2.2 標貫設備的因素

（1）錘擊設備。一方面，在使用過程中，隨著環狀刀口的逐漸磨損、卷刃變鈍等，刀口切削進入土層的能力逐漸變弱，易造成N 值變大。另一方面，環狀刀口與對開式空心管管徑不能嚴格匹配時，嚴重影響錘擊能量的有效傳遞[3，4]。

（2）鉆桿桿長。《建筑地基檢測技術規范》[5]桿長修正系數最深對應30.0m，對第四紀大厚度堆積層的測試數據已無法直接應用。另外，根據牛頓碰撞理論，當桿件系統質量超過落錘系統質量的兩倍后，能量損失過大以致該原位測試方法已不適用[5-7]。

（3）鉆桿桿徑。《巖土工程勘察規范》（GB 50021-2001）（2009 年版）[8]要求標貫試驗使用42mm 的鉆桿，但近年來50mm 的鉆桿普遍使用，在相同錘擊能量作用下，規格、質量、慣性矩等有差異的兩種鉆桿能量傳遞效率不同，同時N 值受到地層、深度和桿長等多種因素的影響[9-11]。

（4）鉆桿彎曲變形。馮銘璋等[12]將鉆桿彎曲分為四種“凸肚”情形，提出了桿長彎曲系數λ。柴建峰等[13]在此基礎上指出，鉆桿撓曲、彎曲回彈與振動是影響50m 以上海域鉆探N 值的主因。

（5）鉆桿與孔壁的摩擦。鉆桿與孔壁摩擦損耗錘擊能量主要發生于鉆桿頂部至貫入器這一階段的能量傳遞過程中[14]。土層對觸探桿的側壁摩擦作用隨土的密度和試驗深度的增大而增大，使得錘擊能量減小而N 值偏大。

2.3 人為操作因素

人為操作因素主要表現在操作熟練程度、錘擊速率、成孔工藝和鉆桿傾斜四個方面。在實際操作中，容易發生非自由落錘、偏心錘擊、鉆桿側向晃動、錘擊速率過快、非回轉鉆進、遇地下水或易塌孔地層時不下套管或不采用泥漿護壁、預打深度和貫入深度測量不準確等情況。此類因操作人員的粗心大意和經驗不足導致N 值偏差的現象應該嚴格避免。

2.4 其他因素

（1）作業環境。陸域鉆探環境相較平穩，但水域環境標貫試驗受作業平臺波動、水位升降、水流流速、鉆桿振動和晃動、天氣變化等影響顯著。

（2）行業差異。不同行業標準和規范對標貫測試的試驗設備、成孔工藝、鉆桿桿徑、貫入深度、修正因素、N 值的具體應用等方面規定不盡相同，限于篇幅在此不進行詳述。

3 部分規范對N 值應用和修正方面的規定

對國內部分規范中關于N 值應用和修正方面的規定進行了匯總。由表1 可知，N 值主要用于評價土的密實程度和狀態、確定地基承載力以及液化判別等方面，而不同行業對于此類應用及對應的修正要求不盡統一，即使是同一行業也存在規范相異情況，如公路行業。

表1 部分規范中N 值應用和修正的匯總

4 對N 值修正的探討

影響N 值最根本的因素是巖土體的形成條件和物質組成，但系統設備、桿長桿徑和操作因素等方面的影響也不可忽略。故而對于N 值的應用及修正問題，在最大限度避免人為因素的前提下，應抓住主要影響因素從原理上進行分析，并結合經驗積累決定N 值是否修正及如何修正。此外，可通過現代技術手段進行相關的改進與推廣。

1）桿長因素的影響，歸根結底是錘擊能量的傳遞與耗散問題。研究表明，桿長影響的臨界深度普遍為20～21m[15，16]，即該深度內，錘擊能量的損耗不明顯，超過該深度時，需要對N 值進行折減處理。標貫試驗設備系統的能量傳遞符合彈性波一維傳播理論[17]，可通過能量測量法開展有效監測[18]，并對大量數據統計分析以期解決桿長影響問題。但是，當前主要是對力和加速度信號進行處理，間接得到是監測能量并不等于錘擊能，這也是需要進一步處理的問題。

2）對桿徑因素的考慮，主要采用質量等效換算、實測對比分析等方法予以處理。應該認識到，此類處理方式受地域和土類及其狀態、應力條件等因素限制很大，其結論難免具有地域局限性。

3）上述所列規范，僅JGJ 340-2015 對N 值的數據分析方法有所提及，其他規范鮮有明確表述[19]，這容易引起使用中的混亂。筆者建議按照“抗剪強度指標采用標準值，壓縮性指標采取平均值、承載力取特征值（或容許值）”的原則對N 值進行相應處理。

4）對N 值處理的建議。

（1）分地區考慮多種主要影響因素，排除人為操作因素的影響下，經過大量的實際測試進行統計分析，建立有效實用的數學模型[20]，具體應用時根據行業規定進行修正。

（2）引入鉆桿導正措施，有效控制鉆桿撓曲變形與孔壁摩擦的能量耗散，以自動監測裝置測定能量的傳遞與損耗，結合理論分析與實踐經驗處理N值。

（3）采用壓桿穩定理論分析桿長、桿徑等因素，結合地區經驗得出臨界深度和N 值的折減系數。

（4）不論何種情況，勘察報告需始終如實提供N值的現場實測數據，應用時是否修正及如何修正，應根據建立統計關系時的具體情況確定[21]。

5 結語

1）對標貫試驗的影響因素進行了匯總，劃分為土本身的因素、標貫設備的因素、人為操作因素和其他因素四大類，并進行了詳細分類。

2）列舉了部分規范中N 值的應用及相關修正的要求，在具體應用時既要遵守行業規定，又要結合不同地域的經驗積累，做到實事求是。

3）從能量傳遞、控制變形和能量損耗、建立數學模型以及壓桿穩定等角度提出了關于N 值的處理意見。

4）限于筆者水平有限，工程經驗欠缺，本文難免有錯誤疏漏之處，望各位參閱同行指正。