動力觸探桿長修正系數(shù)試驗研究

左永振，程展林，丁紅順，廖建輝

（長江科學院 水利部巖土力學與工程重點實驗室，武漢 430015）

1 引 言

在西部水電站開發(fā)中，河床覆蓋層一般深達幾十米至上百米，最深的近300 m，不同地質(zhì)年代沖積或堆積而成的河床砂礫石覆蓋層，物質(zhì)組成復雜，空間變化大。深厚覆蓋層的力學性質(zhì)的確定是深厚覆蓋層上建壩的關(guān)鍵技術(shù)問題之一，合理準確地確定覆蓋層物理力學參數(shù)直接關(guān)系到工程造價和大壩安全。

由于河床覆蓋層砂礫石為無黏性散體，深層取樣困難，往往依據(jù)動探等原位測試技術(shù)勘探深厚覆蓋層的工程特性，動探試驗是根據(jù)打入的難易程度（表示為貫入度，指標定義為每貫入一定深度所需的錘擊數(shù)）來判斷土的工程性質(zhì)。

在深厚覆蓋層中進行動力觸探試驗，隨著勘探深度的增加，所得錘擊數(shù)N實際上受到了動力觸探桿的長度影響，動力觸探桿長度不同，錘擊的效果不同，因此，必須進行錘擊數(shù)的桿長修正。

對于動力觸探桿長修正，長期以來，因無試驗方法直接測定，存在兩種理論，即牛頓彈性碰撞理論和彈性桿波動理論。

第1種桿長修正系數(shù)以牛頓碰撞理論為基礎(chǔ)計算得到，并非實測。代表性的修正系數(shù)有《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GBJ7－89）[1]和《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（JTJ064－98）[2]提到的上海顧季威有效能修正公式。

第 2種桿長修正系數(shù)以彈性桿波動理論為基礎(chǔ)。代表性的修正系數(shù)有第一屆貫入試驗國際會議（ISOPT－1，1988）推薦的 SPT試驗規(guī)程、美國ASTM《動力觸探試驗應力波能量量測的標準試驗方法》（D4633－1986）[3]。

動力觸探桿長各種修正系數(shù)的匯總見表 1。繪制的桿長修正系數(shù)與桿長的關(guān)系曲線見圖 1。對比圖1和表1，牛頓彈性碰撞理論和彈性桿波動理論得到的修正系數(shù)截然不同。牛頓彈性碰撞理論的桿長修正系數(shù)隨桿長的增大而減小，而彈性桿波動理論的桿長修正系數(shù)卻隨桿長的增長而增大。因此，對桿長修正進行試驗研究是有理論意義和實用價值的。

表1 各種桿長修正系數(shù)對比表Table 1 Modified coefficients for different rod lengths

圖1 各種桿長修正系數(shù)與桿長的關(guān)系曲線Fig.1 Relation curves between rod length modification coefficient and rod length

上述的動力觸探桿長修正系數(shù)，均與動力觸探桿長是單一對應關(guān)系，《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021－2001）[4]和《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB50007－2011）[5]給出了20 m范圍內(nèi)的重型動力觸探錘擊數(shù)修正系數(shù)，見表2。表中修正系數(shù)不僅與桿長相關(guān)，還與錘擊數(shù)相關(guān)。

表2 錘擊數(shù)修正系數(shù)Table 2 Modified coefficients for hammering counts

2 室內(nèi)動力觸探模型試驗方法

2.1 試驗系統(tǒng)設(shè)計

試驗系統(tǒng)分為模型系統(tǒng)和原位測試系統(tǒng)兩大部分。

模型系統(tǒng)由模型箱、加壓系統(tǒng)組成，如圖2、3所示。模型箱采用60 mm厚鋼板焊接而成，內(nèi)部尺寸為0.82 m×0.84 m×1.20 m（長×寬×高）。在模型箱內(nèi)分層填筑試樣，形成均質(zhì)地基。加壓系統(tǒng)為模型箱蓋板與加壓板之間置4個75 t千斤頂，采用自平衡對模型表面加壓以模擬地基上覆自重應力。在蓋板及加載板留同軸試驗孔，以便進行動力觸探試驗。

圖2 模型箱平面示意圖（單位：mm）Fig.2 Plan of model box(unit: mm)

圖3 模型箱剖面圖（單位：mm）Fig.3 Section of model box(unit: mm)

原位測試系統(tǒng)依托11層的樓房樓梯間設(shè)置，如圖4所示。在樓梯間底部放置模型系統(tǒng)，動力觸探桿沿樓梯布置，動力觸探錘擊點安置在不同高度的樓層間，桿長分別為2.0、8.9、16.4、23.4、30.0、36.0 m。

針對一種地基土，根據(jù)同一種級配及干密度分層壓實制成均質(zhì)地基模型，在地基表面施加相同上覆壓力（本次試驗均為240 kPa，固結(jié)12 h），不同模型進行不同桿長下的動力觸探試驗，獲得力學性質(zhì)相同的地基模型的動探桿長與動探擊數(shù)關(guān)系，進而得到不同桿長下的桿長修正系數(shù)。本方法是首次采用物理模型試驗方法，直接測定桿長修正系數(shù)，成果可信，可驗證理論的正確性。

圖4 動探錘擊點布置圖Fig.4 Distribution of hammering points of dynamic penetration

2.2 試驗用料

本次共進行了兩組試驗，試驗土樣分別選取均質(zhì)中粗砂和砂礫石料。

均質(zhì)砂為粒徑0.5～1.0 mm的中粗砂，最大干密度為1.63 g/cm3，最小干密度為1.31 g/cm3。試驗干密度為1.45 g/cm3，對應相對密度為0.50，中密狀態(tài)。

砂礫石料選取最大粒徑為60 mm級配連續(xù)的砂礫石料，試驗級配見圖5。室內(nèi)擊實試驗得到該級配下的最大干密度為2.31 g/cm3。試驗密度為2.12 g/cm3，壓實度為92%。

圖5 砂礫石料試驗級配Fig.5 Gradation of gravels during experiments

2.3 動力觸探模型試驗及數(shù)據(jù)整理

模型制作完成后，施加上覆壓力并固結(jié)，進行動力觸探試驗。動力觸探選用重型觸探，總貫入深度不小于40 cm，記錄每次錘擊的貫入量，繪制錘擊數(shù)與貫入深度的關(guān)系曲線，并對關(guān)系曲線穩(wěn)定段進行曲線擬合，計算貫入100 mm時的錘擊數(shù)，即為動力觸探的錘擊數(shù)N63.5。動力觸探試驗的代表性曲線見圖6。

圖6 動力觸探試驗代表性試驗曲線Fig.6 A typical test curve of dynamic penetration

重型動力觸探的試驗步驟如下：

（1）試驗前將觸探架安裝平穩(wěn)，垂直度的最大偏差不超過2%，觸探桿保持垂直連接牢固。

（2）貫入時使穿心錘自由下落，落距為0.76±0.02 m。

（3）錘擊速率為每分鐘15～30擊，打入過程盡可能連續(xù)，所有超過5 min的間斷都在記錄中予以注明。

（4）及時記錄每貫入0.10 m所需的錘擊數(shù)，其方法是記錄每一陣擊的貫入度，再換算為每貫入0.10 m所需的錘擊數(shù)。

（5）每貫入0.10 m所需錘擊數(shù)連續(xù)3次超過50擊時，即停止試驗。

3 試驗成果及分析

本次共進行了兩組試驗，每組試驗的地基土試驗級配、試驗密度及上覆壓力等試驗條件均相同。其中地基土為均質(zhì)砂的重型動探試驗桿長分別為2.0、8.9、16.4、23.4、30.0 m，每個桿長進行了平行試驗，有效點數(shù)為10點，得到的試驗成果見表3；地基土為砂礫石的重型動探試驗有效點數(shù)為11點，桿長分別為2.0、8.9、16.4、23.4、30.0、36.0 m，得到的試驗成果見表4。

表3 均質(zhì)砂動力觸探試驗成果Table 3 Dynamic penetration results in homogeneous sands

表4 砂礫石動力觸探試驗成果Table 4 Dynamic penetration results in gravels

由表3、4可見，每貫入100 mm的錘擊數(shù)，隨著動力觸探桿長的增加，錘擊數(shù)越來越大，例如砂礫石試驗中桿長為2.0 m時的錘擊數(shù)N63.5=15.0，桿長增加到36.0 m時的錘擊數(shù)N63.5=27.3，增加了82%，這說明動力觸探桿長對錘擊數(shù)N63.5的影響是顯著的。

在現(xiàn)行的動力觸探試驗桿長修正中，一般均是以桿長2～3 m為修正起點，本次試驗成果分析中，假定桿長2.0 m時的錘擊數(shù)N63.5是標準值，為修正起點，即將桿長2.0 m時的錘擊數(shù)與桿長為i的錘擊數(shù)的比值，作為不同桿長條件下的桿長修正系數(shù)。

均質(zhì)砂和砂礫石的不同桿長下的桿長修正系數(shù)，如表5所示。

表5 均質(zhì)砂和砂礫石動力觸探桿長修正系數(shù)Table 5 Dynamic penetration rod length modification coefficients in homogeneous sands and gravels

將修正系數(shù)與桿長關(guān)系繪制在圖7、8中，圖中同時給出了牛頓彈性碰撞理論和彈性桿波動理論的修正系數(shù)。可見修正系數(shù)規(guī)律整體上符合牛頓彈性碰撞理論，與彈性桿波動理論的修正系數(shù)規(guī)律相反。修正系數(shù)基本符合《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GBJ7－89）和《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（JTJ064－98）提到的上海顧季威有效能修正公式，且不同地基土的桿長修正系數(shù)基本一致。

圖7 均質(zhì)砂桿長修正系數(shù)與桿長關(guān)系Fig.7 Relationships between rod lengths modification coefficients for homogeneous sands and rod length

圖8 砂礫石桿長修正系數(shù)與桿長關(guān)系Fig.8 Relationships between rod lengths modification coefficients for gravels and rod length

當在密實土層進行動力觸探貫入試驗時，常出現(xiàn)反彈，用手握緊動探桿，手會被震得麻木，說明能量損失很多[6]。動力觸探的觸探桿是接頭連接，動力觸探試驗深度越深，觸探桿的接頭越多，動探桿產(chǎn)生的彎曲變形越大，在錘擊中消耗的能量越多，達到相同的貫入深度需要的錘擊數(shù)越多，相應的修正系數(shù)越小。

根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021－2001）的重型動力觸探錘擊數(shù)修正系數(shù)表（見表2），將本次試驗成果進行桿長修正，并進行比較，見圖9。

圖9 砂礫石與均質(zhì)砂桿長修正系數(shù)對比Fig.9 Comparison of rod length modification coefficients between gravels and homogeneous sands

由圖可見，本次試驗得到的桿長修正系數(shù)與《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021－2001）的修正系數(shù)差異性較大，本次得到的桿長修正系數(shù)明顯大于規(guī)范推薦的修正系數(shù)，規(guī)范中修正系數(shù)實際上是對桿長、上覆自重壓力、側(cè)摩阻力的綜合修正，而本次試驗成果只考慮了桿長修正，因此，存在一定的差異性。而砂礫石和均質(zhì)砂的動力觸探桿長修正系數(shù)，差異性較小，說明不同材料下的桿長修正系數(shù)近似符合相同的規(guī)律。

4 結(jié) 論

（1）重型動力觸探修正系數(shù)的整體趨勢規(guī)律符合牛頓彈性碰撞理論，都隨著桿長的增加，修正系數(shù)逐漸減小。

（2）修正系數(shù)基本符合《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GBJ7－89）和《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（JTJ064－98）提到的上海顧季威有效能修正公式。

（3）本次試驗的重型動力觸探試驗的最大桿長為36.0 m，超過桿長21.0 m的限制，但其N63.5值仍能有效地反映土的力學性質(zhì)。

（4）砂礫石和均質(zhì)砂的動力觸探桿長修正系數(shù)差異性較小，表明不同地基土的桿長修正系數(shù)具有一致性。

[1]中華人民共和國建設(shè)部.GBJ7－89建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].北京: 中國建筑工業(yè)出版社,1989.

[2]中華人民共和國交通部.JTJ064－98公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].北京: 人民交通出版社,1999.

[3]ASTM D4633－86.Standard test method for stress wave energy measurement for dynamic penetrometer testing systems.Annual Book of Standards[S].Pbiladelphia:American Society for Testing and Materials,1986.

[4]中華人民共和國建設(shè)部.GB50021－2001巖土工程勘察規(guī)范[S].北京: 中國建筑工業(yè)出版社,2009.

[5]中華人民共和國建設(shè)部.GB50007－2011建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].北京: 中國建筑工業(yè)出版社,2011.

[6]張平,田紅花.有關(guān)動力觸探影響因素修正問題的探討[J].沈陽大學學報,1999,(2): 80－83.ZHANG Ping,TIAN Hong-hua.The study on amendment of dynamic sounding impact factors[J].Journal of Shenyang University,1999,(2): 80－83.