Question

　影响动力触探测试成果精度的主要因素

Answer 1

动力触探测试的设备和测试方法多种多样，影响其试验成果精度的因素很多，归结起来可以分为两大类，即土层及测试机理方面的影响和设备类型及测试方法的影响。

1.动力触探的有效锤击能量可见，探头的单位动贯入阻力也和锤击数呈正比关系。因此，可以用探头的单位动贯入阻力来代替锤击数，作为动力触探测试成果，评价土的工程性质，或者将它和触探击数并用。

动力触探的锤击能量，即穿心锤重量（Q）与落距（H）的乘积。锤击能量，除了用于克服土对触探头的贯入阻力外，还消耗于锤与锤垫的碰撞、探杆的弹性变形、探杆与孔壁土的摩擦及人拉绳或钢丝绳对锤自由下落的阻力等。用于克服土对触探头阻力的锤击能量为有效锤击能量，只占整个锤击能量的一部分。有效锤击能量的大小是影响动力触探成果N值的最主要因素，已引起土工勘测与设计部门的普遍重视。

由于影响有效锤击能量的因素较多，且影响程度时大时小，所以动力触探的锤击数含有较多误差，离散性大，再现性差。如果能够把有效锤击能量直接和锤击数建立起相关关系，则动力触探的试验精度将会大幅度提高。目前，最好的办法是在触探头或锤垫上安装测试能量的传感器，直接测定有效锤击能量，即所谓电测动力触探。

假设锤击效率为η，则有效锤击能量可表示为，

土体原位测试机理、方法及其工程应用

式中：R_d——探头单位动贯入阻力（kPa）;

A——探头横断面积（m²）;

e——每击的贯入深度（cm）;

Q——穿心锤重量（kN）;

H——落距（cm）。

则有

土体原位测试机理、方法及其工程应用

式（3—20）中，右边的

值由动力触探类型所决定，对于同一种设备，为一常数。因此，探头的单位动贯入阻力与锤击效率或有效锤击能量成正比。如将e换成锤击数N和一定贯入深度

，则（3—20）式变为：

土体原位测试机理、方法及其工程应用

动力触探设备多样，探头大小及穿心锤重量等的差别很大，所测成果不能通用。因此，在实际勘察工作中造成很多不便。图3—6为重型和超重型动力触探探头，其形状和重量都与轻型或中型动力触探探头相差悬殊（见表3—1和图3—2），所测的锤击数N差别很大。为了改变这种情况，现国内、外土工勘测专家认为，用探头的单位动贯入阻力将各种动力触探成果（标准贯入除外）做归一化处理，即可使各种动力触探测试成果互相通用。计算探头单位动阻力的公式一般采用（3—10）式。

2.动力触探测试设备和测试方法的标准化

目前，各国所用动力触探设备的种类很多，很不统一，只有少数国家对一种或几种动力触探设备和测试方法做了统一。我国也只有推荐标准。就是以标准贯入试验为例，也有很多不标准的地方。如：美国多采用人力拉锤的办法；我国多采用机械动力提升穿心锤，有的单位采用自动落锤装置控制落距，有的单位并没有这样做，结果使锤击数差别较大。

关于人力牵引落锤与自动落锤的关系，冶金部武汉勘察公司进行了不少对比试验，得到的经验方程为：

土体原位测试机理、方法及其工程应用

频数n=49，统计指标N_手＝3—28,N_自＝2—23。

同济大学认为（3—22）式可写成：

土体原位测试机理、方法及其工程应用

江苏水利厅对比落锤与SH-30型钻机钢丝绳拉锤的结果认为：自动落锤的击数为SH-30型钻机拉锤击数的0.6倍。

图3—6　重型、超重型动力触探探头（单位：mm）

美国Kordes等人认为（1977），用绳索卷扬机操作时，如果绳索在卷扬机上绕了两匝，其锤击能量只有自由落锤能量的60%；如果绕三匝，只有40%。

当前，自动落锤装置在国内、外均受到重视。自动落锤不受绳索阻力的影响，锤击数再现性好，结果较可靠。因此，GB50021-94已规定应采用自动脱钩落锤装置。目前，国内已有多家生产。但应注意的是，在应用人力牵引落锤的锤击数资料时，应予修正。

3.动力触探设备贯入能力的影响

动力触探设备贯入能力是由锤重、落距、探头截面积及形状等因素决定的。在实际勘测工作中，应根据不同勘察目的和地层，选用不同贯入能力的动力触探设备；否则，探测成果精度不佳。在软土地区勘察时，如采用重型动力触探设备，往往是锤击数小于1，精度很差；采用轻型动力触探，则效果好，具有较好的敏感性，能较好地反映软土强度的变化。在砾石层中，用重型或超重型动力触探效果较好。在道路建筑工地，轻型动力触探用得最多，其结果与加州承载比（CBR）有很好的相关性。贯入能力不同，适宜的贯入深度也不同。一般认为，最佳的最大贯入深度，轻型动力触探为6—10m，重型为14—25m，超重型为40m。

4.探杆长度的影响

关于探杆长度的影响，世界各国看法很不一致。许多国家认为没有影响，探杆长度不必进行校正。其原因是：随测试深度的增加，探杆重量增加，其影响是减少锤击数；但随着深度的增加，探杆和孔壁之间的摩擦力和土的侧向压力也增加了，其影响是增加锤击数。因此两者的影响可部分抵消，不必对探杆长度进行校正。只有我国和日本的个别规范规定，须对探杆长度进行校正。我国《建筑地基基础设计规范》GBJ₇-89规定，标准贯入测试中钻（探）杆长度应在3—21m内，锤击数N应乘以校正系数α（1—0.7），如表3—6所示。

表3—6　钻（探）杆长度校正系数α值

日本在《道路桥下部构造设计指针，桩基础设计篇》（74）中规定，应将击数N_63.5乘以校正系数

，l为钻（探）杆长度，以米计；当杆长为20m时，校正系数为0.9,比我国规定的0.7大。

通过对动探后有效能量的实测，发现弹性波动理论符合实际，碰撞理论不反映实际。弹性波动理论认为，随着杆长的增大，有效能量逐渐增大，超过一定杆长后，有效能量趋于定值。弹性波动理论的有效贯入能量的杆长影响系数β＝1-exp（－4m/M）。因此，当轻型动探杆长大于3m，中型动探杆长大于5m，重型动探杆长大于10m时，杆长对击数的影响已很小，均可忽略不计。同时，标准贯入击数或触探击数本身就不是一个很稳定的指标，如钻进方法、控制落锤的方法不统一时，所得结果往往可差一倍以上。因此，进行探杆长度校正的意义不大。

通过标准贯入实测，发现真正传输给杆件系统的锤击能量有很大差异，它受机具设备、钻杆接头的松紧、落锤方式、导向杆的摩擦及其他偶然因素等支配。美国ASTM-D4633-86制定了实测的锤击力与时间曲线，用应力波能量法分析，即计算第一压缩波应力波曲线积分可得传输给杆件的能量，通过现场实测锤击应力波能量，可对不同锤击能量的N值进行合理的修正。国内对标准贯入测试锤击数的修正是通过对杆长的修正来实现的，其理论依据是牛顿碰撞理论。杆件系统质量不得超过锤重2倍，限制标准贯入测试深度小于21m；但实际使用深度已远超过21m，最大达100m。通过实测杆件的锤击应力波，发现锤击传输给杆件的能量变化远大于杆长变化时能量的衰减，故建议不考虑杆长修正。但考虑到过去建立的N值与土的物理力学性质指标、承载力的经验关系，所用N值均经杆长修正，而抗震规范评定砂土、粉土液化时，对N值又不做修正。故在实际应用时，按具体岩土工程问题，参照有关规范考虑，是否做杆长修正。

5.钻进方式的影响

在标准贯入测试中，要在测试前钻孔，其钻进方式和质量对N值有较大影响。规定不允许冲击钻进，冲击钻进会使测试土层受压而使N值增大，因而必须采用回转钻进。在砂层中钻进必须采用泥浆护壁，以保持孔壁稳定；否则，测试时锤击探杆探头的震动很易使孔壁坍塌，产生埋钻事故。钻进时应注意：

（1）须保持孔内水位高出地下水位一定高度，以免塌孔，保持孔底土处于平衡状态，不使孔底发生涌砂变松，影响N值；

（2）下套管不要超过试验标高；

（3）须缓慢地下放钻具，避免孔底土的扰动；

（4）细心清除孔底浮土，孔底浮土应尽量少，其厚度不得大于10cm;

（5）如钻进中需取样，则不应在锤击法取样后立刻做标贯，而应在继续钻进一定深度（可根据土层软硬程度而定）后再做标贯，以免人为增大N值。

（6）钻孔直径不宜过大，以免加大锤击时探杆的晃动；钻孔直径过大时，可减少N至50%，建议钻孔直径上限为100mm，以免影响N值。

6.土的深度（土的有效上覆压力）的影响

随着贯入深度的增加，土的有效上覆压力和侧压力都会增加，都会增大贯入阻力，增大锤击数。很多人对此进行了研究，并对锤击数进行了深度影响校正。如在判定砂土振动液化时，常采用Seed等所建议的标贯击数深度影响修正公式：

土体原位测试机理、方法及其工程应用

式中：N′_63.5——修正后的标准贯入击数；

N_63.5——实测的标准贯入击数；

C_N——修正系数；

σ_v0——实测深度处土的有效上覆压力（kPa）。

7.探杆偏斜影响

实践表明，触探杆的偏斜会增加探杆与孔壁的摩擦，减小有效锤击能量，对锤击数也有较大影响。因此，应保证探头、探杆、导向杆的垂直度，防止锤击偏心及侧向晃动等。防止措施有：锤垫离地面不宜太高；孔口加导向器；用窄长木板顶住钻机扶持钻（探）杆，以减少探杆晃动或偏斜。《岩土工程勘察规范》GB50021-94规定：触探杆最大偏斜度不应超过2%，锤击贯入应连续进行，同时应防止锤击偏心、触探杆倾斜及侧向晃动；锤击速率每分钟宜为15—30击。