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第七章—标准贯入试验

归档日期:09-22       文本归类:标准贯入      文章编辑:爱尚语录

  第七章—标准贯入试验._幼儿读物_幼儿教育_教育专区。第七章—标准贯入试验.

  第七章 标准贯入试验 1 主要内容 ? ? ? ? ? 一、概述 二、试验的仪器设备与原理 三、试验方法及技术要求 四、试验资料的整理与分析 五、试验成果的工程应用 2 一、概述 ?(一)标准贯入试验的定义 ?(二)标准贯入试验的发展 ?(三)标准贯入试验的优缺点及适用性 ?(四)标准贯入试验的应用 3 一、概述 (一)标准贯入试验的定义(简称SPT) 标准贯入试验是一种在现场用 63.5kg 的穿心锤,以 76cm的落距自由落下,将一定规格的带有小型取土筒的 标准贯入器打入土中,记录打入30cm的锤击数(即标准 贯入击数N),并以此评价土的工程性质的原位试验。 4 SPT原位测试技术仍属于动力触 探范畴,所不同的是,其贯入器不 是圆锥探头,而是标准规格的圆筒 形探头(由两个半圆筒合成的取土 器)。与圆锥动力触探试验相似, 标准贯入试验并不能直接测定地基 土的物理力学性质,而是通过与其 他原位测试手段或室内试验成果进 行对比,建立关系式,积累地区经 验,才能评定地基土的物理力学性 质。 5 (二)标准贯入试验的发展 这种试验技术是20世纪40年代末期发展起来的。 由于使用方便,得到了广泛的应用,在美国及日本应 用最为广泛。在我国,50年代初期由南京水科院研制 并在治淮工程中得到广泛的推广,积累了大量的使用 经验。60年代在国内得以普及。 6 (三)标准贯入试验的优点及适用性 ? 适用土层:砂性土、粘性土,风化岩及冰碛土,不适用于 碎石类土及岩层。 ? 优点: ?(1)操作简单,地层适应性广,对不易钻探取样的砂土和砂 质粉土尤为适用,当土中含有较大碎石时,使用受限制。 ?(2)通过标准贯入试验,从贯入器中还可以取得土样,可对 土层进行直接观察,利用扰动土样,可以进行鉴别土类的有关 试验。 7 (三)标准贯入试验的优点及适用性 ? 缺点: ?(1)离散性比较大,故只能粗略地评定土的工程性质。 ?(2)与圆锥动力触探试验相似,SPT并不能直接测定地基土 的物理力学性质,而是通过与其他原位测试手段或室内试验成 果进行对比,建立关系式,积累地区经验,才能用于评定地基 土的物理力学性质。 ?(3)精度较低,对于饱和软粘土,远不及十字板剪切试验及 静力触探等方法精度高。 8 (四)标准贯入试验的应用 ? 1.评价地基土的物理状态(如地层剖面及软弱夹层); ? 2.评价地基土的力学性能参数(如变形模量、物理力 学性质指标); ? 3.计算天然地基的承载力; ? 4.计算单桩的极限承载力及选择桩尖持力层; ? 5.评价场地砂土和粉土的液化可能性及等级。 9 关于标准贯入 试验成果的应用: 应该指出的是,除判别液化外,其余的应用方法都是基 于与其他测试方法的对比中建立起计算公式的。如桩的 承载力的预估是与载荷试验相对比,土的物理力学性质 指标是与室内试验成果建立相关关系。因此,对缺乏使 用经验的地区,在应用标准贯入试验时应与其他测试方 法配合作用。 10 二、试验的仪器设备和原理 ?(一)试验设备 ?(二)试验的基本原理 11 (一)标准贯入试验的试验设备 标准贯入试验设 备主要由贯入器、触 探杆和穿心锤三部分 组成。如下图所示。 12 (一)标准贯入试验的试验设备 1.贯入器 标准规格的贯入器是由对开管和管靴两部分组成的探头。 对开管是由两个半圆管合成的圆筒型取土器;管靴是一底端带 刃口的圆筒体。二者通过螺纹连接,管靴起到固定对开管的作 用。贯入器的外径、内径、壁厚、刃角与长度都有标准化尺寸, 见下表。 2.穿心锤 重63.5kg的铸钢件,中间有一直径45mm的穿心孔,此孔为 放导向杆用。国际、国内的穿心锤除重量相同外,锥形上不完 全统一。落锤能量受落距控制,落锤方式有自动脱钩和非自动 脱钩两种。目前国内普遍使用自动脱钩装置。 13 14 (一)标准贯入试验的试验设备 3.触探杆 国际上多用直径为40~50mm的无缝钢管,我国则常用直径 为42mm的工程地质钻杆。在与穿心锤连接处设置一锤垫。 标准贯入试验设备原先并不标准。各部件的规格各国有所 差异。国际土力学与基础工程协会(ICSMFE)于1957年成立专 门委员会开展研究工作,以解决SPT的标准化问题。并于1988 年向第一届国际触探试验会议提出标准贯入试验国际标准建议 稿,于1989年获得通过,开始执行。 15 我国目前采用的SPT设备与国际标准一致,《岩土 工程勘察规范》(GB50021—2002)要求SPT的设备应 符合下表的规定。 标准贯入试验设备尺寸表 16 (二)标准贯入试验的基本原理 标准贯入试验是利用一定的落锤能量(锤重63.5 kg,落 距76cm)将标准规格的贯入器贯入土中,根据打入土中30 cm的锤击数(N)来判别土的工程性质的一种现场测试方法。 其试验原理与动力触探试验十分相似。 但是,SPT与动力触探在贯入器上的差别,决定了SPT 的基本原理的独特性,SPT在贯入过程中,整个贯入器对端 部和周围土体将产生挤压和剪切作用,SPT的贯入器是空心 的,在冲击力作用下,将有一部分土挤入贯入器,其工作状 态和边界条件十分复杂。 17 三、试验方法及技术要求 ?(一)试验方法与技术要求 ?(二)试验的影响因素 18 (一)试验方法与技术要求 1. 标准贯入试验必须与钻探配合,以钻机设备为基础。 钻进方法:为保证钻孔质量,要求采用回转钻进,并保持孔内水 位略高于地下水水位,当钻进至试验标高以上 15cm时,停止钻进。 还应注意: (1)仔细清除孔底残土到试验标高,换用标准贯入器,并量得深度尺 寸; (2)在地下水位以下钻进时,或遇承压含水砂层时,孔内水位应始终 高于地下水位,以减少对土的振动扰动; (3)当下套管时,要防止套管下过头,否则在管内做试验会使N值偏大。 19 (一)试验方法与技术要求 2.为保证锤击时钻杆不发生侧向晃动,钻杆应定期检 查,使钻杆弯曲度小于0.1%,接头应牢固。 3.采用自动脱钩的自由锤击法进行标贯试验,并减少 导向杆与锤之间的摩擦阻力。避免锤击时偏心和晃动, 保持贯入器、探杆、导向杆连接后的垂直度,以保持锤 击能量恒定。 4.将贯入器垂直打入试验土层中,锤击速率应小于30 击/min。先打入15cm,不计锤击数,继续贯入,记录每 打入10cm的锤击数,累计 30 cm的锤击数即为标准贯入 锤击数N。 20 (一)试验方法与技术要求 若遇比较密实的砂土,贯入不足30cm的捶击数已超 过50击时,应终止试验,并记录实际贯入深度△S(cm) 和累计击数n。按下式换算成贯入30cm的锤击数N: N=30n/△S 5.每贯入45cm,提出贯入器,将其中土样取出进行鉴别 描述、记录,然后换以钻具继续钻进,至下一需要进行试 验的深度,再重复上述操作。一般每隔1.0~2.0m进行一次 试验。 21 (一)试验方法与技术要求 6.在不能保持孔壁稳定 的钻孔中进行试验时.应 下套管以保护孔壁,或采 用泥浆护壁。 7.最后绘出击数N和贯入 深度标高(H)的关系曲 线 (二)标准贯入试验的影响因素 影响标准贯入试验的因素有很多,主要有以下两个方面: 1.钻孔孔底土的应力状态 不同的钻进工艺(回转、水冲等)、孔内外水位的差异、 钻孔直径的大小等,都会改变钻孔孔底的应力状态。 2.锤击能量 通过实测,即使是自动自由落锤,传递给探杆系统 的锤击能量也有很大的波动,变化范围达到±(45%~50 %),对于不同单位、不同机具、不同操作水平,锤击能 量的变化范围更大。 23 为了提高试验质量,国外已发展直接标定输入探杆 锤击能量的新方法。在锤垫附近设置一测力计,记录探 杆受锤击后的力—时间波形曲线(见下图)。 F(t)~t波形曲线 计算进入探杆的第一个压缩波的能量Ei: F(t)——在探杆中随时间变化的动压力; △t——第一个应力波持续的时间,自t=0开始;△t=2L’/c (L’为 测力点到贯入器底的长度,c为应力波在探杆中的传播速度); A——探杆截面积; E——探杆的杨氏弹性模量; k1——测力点在打头以下△L位置时的修正系数; k2——探杆系统长度L小于等代杆长Le时的理论修正系数; kc——理论弹性波速c修正为实际弹性波速ca的修正系数; Le——等代杆长,锤质量与探杆单位长度质量之比。 25 式中,rm为探杆系统(总长L)的质量m与锤质量M的比 值;d=△L/L 计算得到的Ei与理论的锤击动能E*(=MgH,H为落距) 的比即为实测应力波能量比ERi(%)。 ERi= Ei/ E*×100% 26 按标准的贯入器,用标准的锤(63.5kg)和落距 (76cm)。考虑到锤击效率,标准的应力波能量比为60%。 则可用实测ERi修正标贯击数Ni: N60=(ERi/60)Ni Ni——相应于能量比为ERi的实测锤击数; N60——修正为标准应力波能量比的标贯击数。 27 四、试验成果的整理 ?(一)试验数据的修正 ?(二)试验成果的整理 28 (一)标贯试验的修正 试验的影响因素是很复杂的,其中有些因素可通过标准化 的办法使其统一以减少对试验成果的影响,如设备、落锤方法、 试验方法等影响因素属于这一类。 但另一些因素如杆长、地下水位、上覆压力等,则是无法 人为控制的,因此要进行修正。 1.杆长修正 与圆锥动力触探相似,关于试验成果进行杆长修正问题, 国内外的意见并不一致。 29 在建立标准贯入击数N与其他原位测试或室内试验指 标的经验关系式时,对实测值是否修正和如何修正也不 统—,因此,在SPT成果应用时,需要特别注意。应根据 建立统计关系式时的具体情形来决定是否对实测锤击数进 行修正。 另外,在勘察报告中,对于所提供的标准贯入锤击数 应注明是否已进行了杆长修正。 30 (1)根据牛顿弹性碰撞理论修正 《建筑地基基础规范》(GBJ7—89)规定,标准贯入试 验的贯入深度不宜超过21m。同时规定,当试验深度大 于3m时,实测锤击数N’需按下式进行钻杆长度修正: N=αN’ 式中,α为修正系数,按表5-2取值。 表5-2 触探杆长度 ( m) α =3 1.0 6 0.92 N63.5的杆长修正系数 9 0.86 12 0.81 15 0.77 18 0.73 21 0.70 31 表5-2中的α值是根据牛顿弹性碰撞理论计算而得, 并非实测值,与实际并不符合。关于限制在21m以内也 是由于历史原因造成的。目前,实际工程中标准贯入试 验的杆长最长已超过100m,试验成果(N值)仍能较好地 反映土层的力学性质的变化。 (2)日本东海大学宇都-马等实测了水平搁置的120m钻 杆系统在受锤击时杆顶端与底端的锤击动应力的衰减情 况和位移,建议的修正关系如下: 当杆长l≤20m时,N=N’; 当l>20m时, N=(1.06一0.003L)N’ 32 (3)按弹性杆件波动理论修正 当杆长l≥14m时,N=N’(α=1.0);当l14m时,由于 输入钻杆的锤击能量随着杆长变短而变小,使锤击值偏 大,α偏小,故不作杆长修正。 (4)不作杆长修正 《地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范》(GB503071999)及《岩土工程勘察规范》(GB50021-2002)规定 不进行杆长修正。 虽然目前有些规范还要进行修正,但国内外研究的 总趋势是不再进行杆长修正。 33 2.上覆压力的影响 即考虑试验深度处土的围压对试验成果的影响,认 为随着土层中上覆压力的增大,标准贯入试验锤击数相 应增大。国内对此未予重视(国内不进行校正),国外 则作了较多研究,认为应采用下式进行修正: N1=cNN N——实测锤击数; Nl——修正为上覆压力σ’v0=100kPa的锤击数; cN——上覆压力修正系数(见表5-3)。 34 表5-3 上覆压力修正系数cN 35 3.地下水位影响的修正 Terzaghi和Peck(1953)提出对于d10=0.1~0.005mm的饱 和粉细砂,当实测标贯击数N’15时,应按下式进行修正: N=15+0.5(N’-15) 交通部港口工程地质勘察技术规范规定,当用N值确 定Dr及φ值时对地下水位以下的中、粗砂层的N值宜按下 式校正: N=5+N’ 36 (二)标准贯入试验的成果整理 1.标准贯入试验成果整理时,试验资料应当齐全,包括: 钻孔孔径、钻进方式、护孔方式、落锤方式、地下水 位及孔内水位(或泥浆高程)、初始贯入度、预打击数、 试验标贯击数及深度记录、贯入器所取扰动土样的鉴 别描述。 如做过锤击能量标定试验的,应有F(t)~t曲线.绘制标贯击数N与深度的关系曲线,或在地质剖面 图上,进行SPT的钻孔旁,于试验点深度标出N值。作 为勘察资料提供时,对N值不必进行杆长修正、上覆压 力修正及地下水位修正。 如进行锤击能量标定试验的、可按锤击能量标定试 验资料计算N60。 3.结合钻探及其他原位试验,依据N值在深度上的变 化,对地基土进行分层,对各土层的N值进行统计。统 计时,要剔除个别异常值。 38 五、试验成果的应用 ?一、评定砂土的密实状态 ?二、评定粘性土的稠度状态 ?三、评定地基土的承载力 ?四、评定土的变形参数 ?五、预估单桩承载力 ?六、砂土液化判别 ?七、估算地基基床反力系数 ?八、估算土层的平均弹性剪切波速vp (m/s) ?九、地基处理效果检测 39 (一)评定砂土的相对密度Dr和密实状态 1.直接按N值判定砂土的紧密程度,见表5-4。 表5-4 砂土的密实度 40 2.原建设部综合勘察研究院绘制的N-Dr-σ’v0的关系曲线所示。 根据试验锤击数和试验点深度,利用该图可查得砂 土的相对密实度Dr。 41 (二)评定粘性土的稠度状态 1.Terzaghi及Peck提出的标贯击数与稠度状态之间的关系, 见表5-5,该表广泛流行至今。 表5-5 粘性土N与稠度状态关系(Terzaghi 及 peck) 42 2.在国内,按原冶金部武汉勘察公司149组资料统计的 经验关系,如表5-6所示。 表5-6 粘性土N与液性指数IL的经验关系 43 (三)评定地基土的承载力 1.评定土的强度指标 用标贯试验成果,可以评定砂土的内摩擦角和粘性 土的不排水抗剪强度。 评定砂土内摩擦角的关系式有: (1)Gibbs和Holtz(1957)统计的砂土经验关系式 式中,σv0为上覆压力(kPa)。由此经验关系式得出的 图为(图5 -6): 44 图5-6 N-φ-σv0关系 (Gibbs和Holtz(1957)) 45 (2)Wolff(1989)统计的经验关系式为: 式中,N1为用上覆压力修正过的锤击数,采用Peck 等的修正关系: (3)Peck的经验关系为:φ=0.3N+27 (4)Meyerhof的经验关系为: 5 2 当4≤N≤10时, ? ? N ? 26 6 3 1 1 当N10时 ,? ? N ? 32 4 2 用这两式进行判别时,粉砂应减5°,粗、砾砂应加5 °。 46 评定粘性土的强度指标也有多种方法: (1)Terzaghi及Peck提出粘性土不排水抗剪强度Cu为: Cu ? (6 ~ 6.5)N (2)南京水利科学研究院在1950年~1960年期间,在我 国东南沿海诸省的101项工程中积累了大量的试验资料, 统计出标贯击数与无侧限抗压强度qu之间的关系: 对粘性地基,有792个标贯试验,Ip17,粘粒含量 0~87%,得:qu=14N+3 (kPa) 对壤土地基,有596个标贯试验,其Ip=7~17,粘粒含量 0~54%,得:qu=13.5N (kPa) 47 (3)Behpoor结合60项工程,对伊朗的亚粘土及粉质粘 土(N25击),得:qu=15N (kPa) (4)美国海军码头及船坞局发现标贯击数与无侧限抗 压强度qu的关系线与塑性指数Ip有密切关系,如图5-7所 示。南京水科院与Behpoor的关系式是与上图相当一致, 靠近低Ip粘土的边界线.评定地基土的承载力 在国内,着重开展标贯试验与载荷试验对比研究,提出 经验关系式。 (1)《建筑地基基础设计规范》(GBJ7-89),对粘性土承 载力标准值,列于表5-7,砂性土承载力标准值列于表5-8。 (2)国内很多单位基于当地实践提出了地区性经验公式,使 用时注意地区性、土类的差异。见表5-9。 (3)Terzaghi建议的地基承载力(kPa,安全系数取3)的经 验关系式为: 对于条形基础:fk=12N 对于独立方基础:fk=15N 50 51 表5-9 国内N值与fk(kPa)的经验关系 52 (四)评定土的变形参数 用标贯试验估算土的变形参数时有两种途径:一 种是与平板载荷试验对比,得出变形模量E0;另一种 是与室内压缩试验对比,得出压缩模量Es值。 国内一些勘察和研究单位建立的评定土的变形参 数的经验关系式汇总于表5-10。 表5-10 N值与E0或Es的经验关系 53 (五)预估单桩承载力及选择桩尖持力层 (一)求单桩容许承载力 1.Schertmann(1967)的方法见表5-11,该方法需要 同时测定静力触探的锥尖阻力qc。 表5-11 用N估算桩端阻力pb和桩侧摩阻力pf 54 2.国家岩土工程勘察和地基基础设计规范没有关于利用 标贯试验结果确定单桩的承载力规定,但当积累了大量 的工程经验后,可以用标贯击数来估计单桩承载力。 如北京勘察设计研究院提出估算单桩承载力的经验 公式如下: 55 56 (二)选择桩尖持力层 利用标贯试验选择桩尖持力层,从而确定桩的长度 是一个比较简便和有效的方法,特别是地层变化较大的 情况更具突出的优点。 根据国内外的实践,对于打入式预制桩,常选N =30~50击作为持力层。 对广州地区的残积层N=30就可以满足桩长15~20m 对持力层的要求。 应用时,应结合地区经验考虑。 57 (六)砂土液化判别 目前,国内外用于砂土液化评价的现场试验手段主要 有标准贯入试验和静力触探试验两种。 我国《建筑抗震设计规范》(GB50011一2001)规定: (1)当初步判别认为需进一步作液化判别时,应采用标 准贯入试验判别地面下15m范围内土的液化可能性; (2)当采用桩基或埋深大于5m的深基础时.还需要判别 15~20m范围内土的液化可能性。 (3)当饱和砂土和饱和粉土的标准贯入锤击数实测值(未 经杆长修正)N小于液化判别标准贯入锤击数Ncr时,应判 为液化土。 58 地面下15m深度范围内液化判别标准贯入锤击数Ncr按下 式计算: N cr ? N 0 [0 .9 ? 0.1(d s ? d w )] 3 /ρc 而地面下15~20m深度范围内液化判别标准贯入锤击数Ncr 按下式计算: N cr ? N 0 [2.4 - 0 .1(d s ? d w )] 3 /ρc N0——液化判别标准贯入锤击数基准值,按表5-14取用; ds——饱和土标准贯入试验点深度(m); dw——地下水位深度,宜按建筑使用期内年平均最高水位或近期内年 最高水位采用; ρc——粘粉百分含量,当小于3或为砂土时,应采用3。 59 表5-14 标准贯入锤击数基准值N0 60 (七)估算地基基床反力系数 日本有关规范提供了N值与地基基床反力系数k (k Pa) 的经验关系。 (1)日本建筑结构设计规范建议地基基床反力系数k可由下 式估计: k=(0.1~1.0)N (2)采用日本港湾技术规范: 当考虑荷载p与位移y为线N 当考虑为非线性关系时, 对于正常固结粘土,则 p=ky0.3 k=0.075N0.62 对于超固结粘上,则 p=ky0.5 k=0. 5N0.62 61 (3)日本国铁基础设计规范中,对灌注桩的桩端、桩侧、 桩顶的地基基床反力系数的经验关系如下: 桩端地基基床反力系数:kv=0.2E0D-3.1 桩侧地基基床反力系数:ks=0.03E0D-3.4 桩顶地基基床反力系数:kh=0.2E0D-3.4 式中,D——桩径(cm); E0——地基变形模量,取25N(×105Pa)。 以上关系式均是以变形为10mm的地基基床反力系数。 62 (八)估算土层的平均弹性剪切波速Vp (1)按日本道桥设计规范的经验关系如下: 对粘性土: Vp=100N1/3 1≤N≤25 对砂性土: Vp=80N1/3 1≤N≤50 (2)日本Yasu Yoshida等人(1988)提出的的经验关系如下: 0.14 0.25 Vp ? C? v0 N 式中,σv0——上覆压力(kPa); C——与土类有关的系数,见表 5-15。 砾石土 土类 C 砾石占 25% 56 砾石占 50% 60 细砂 49 其他土 55 63 (九)地基处理效果检测 标准贯入试验是常用的地基处理效果检测试验手段 之一。无论是强夯法、堆载预压法,还是水泥土搅拌法 处理软土地基,都可以采用标准贯入试验手段,通过对 比地基处理前后地基土的试验指标,对地基处理效果(质 量)及其影响范围作出评定。 1.强夯法地基处理效果检测 济南某机场扩建工程拟采用强夯加固浅层软土地基 。 可分为5层:依次为耕植土层、粉土层、粉质粘土层、粉 土层和淤泥质粉质粘土层。 64 强夯施工结束后,在各 试验小区的夯点中心和夯间 进行了标准贯入试验。孔深 为8.0m,每隔1.0m或1.5m 作一次标贯试验 。夯心和 夯间的锤击数相差不大,夯 心略好于夯间。图5-8给出 了相关4个试验小区(A1、 A3、B1和B4)强夯前后的标 贯击数。 65 2.用于水泥土搅拌桩施工质量检测 某省高速公路水泥土深层搅拌桩检测工作实施细则明 确规定采用桩身现场取芯鉴别、标准贯入试验和露样室内 无侧限抗压试验等3种手段对水泥土搅拌桩施工质量进行 检验。 表5-16 上部(桩身5m以上) 66 表5-17 下部(桩身5m以下) 67

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