ASTM规范标贯在尼罗河地质勘察中的应用

ASTM规范标贯在尼罗河地质勘察中的应用标准贯入试验(SPT)是利用一定的锤击动能(锤重63.5kg，落距76cm)，将一定规格的对开管式的贯入器打入钻孔孔底的土中，根据打入土中的贯入阻抗，判别土层的变化和土的工程性质。贯入阻抗用贯入器贯入土30cm的锤击数N表示。标准贯入试验的目的是用测得的标准贯入击数N判断砂土的密实度或粘性土和粉土的稠度、估算土的强度与变形指标，确定地基土的承载力，评定砂土、粉土的振动液化及估计单桩极限承载力及沉桩可能性；并可划分土层类别，确定土层剖面和取扰动土试样进行一般物理性试验，和用于岩土工程地基加固处理设计及效果检验[1]。近年来，我国在国外的勘察工程日益增多，熟悉和掌握世界通用勘察规范中标准贯入试验的操作方法和结果分析方法成为重要课题。本文就是根据实际的国外勘察工程，按照国际惯例和施工合同要求，采用美国ASTM规范进行土体标准贯入试验，来判断土层密实度，划分土层类别。1、标准贯入试验原理和设备标贯试验是将重锤打击在一根细长杆件(探杆)上，锤击会在探杆和土体中产生应力波，标贯试验锤击贯入过程可用一维波动方程来描述[2]。标贯试验使用的设备包括动力设备和贯入系统两大部分。动力设备的作用是提供动力源，为便于野外施工，多采用柴油发动机；贯入部分是标贯试验的核心，由穿心锤、探杆和探头组成[6]。图1偏心轮缩径式贯入系统和标准贯入器1.3标贯成果应用如土层不太硬，并能较容易地贯穿0.30m的试验段，则取贯入0.30m的锤击数N。如土层很硬，不宜强行打入时，可用下式换算相应于贯入0.30m的锤击数N[6]。(公式1)式中：n—所选取的贯入深度的锤击数；ΔS—对应锤击数n的贯入深度(m)。表1国内和ASTM规范利用N值判断砂土的紧密程度[3][6]2、各地标贯试验规范对比各地标贯试验规范在锤重量、落距、预击贯人深度以及试验贯人深度这四个参数上是完全一致的，这是该试验能够在世界各地通用的基础。通过搜集资料，现今国际上应用的规范主要有美国ASTM规范，英国规范，欧洲规范，日本规范等。把这些规范和我国的岩土勘察规范中对标贯试验的规定进行比较，几种规范之间明显的存在一些差异[1][3][4]。表2国内外常用标贯规范规程比较无法达到要求深度时的处理击数50贯入未达30cm记录50击入土数击100而贯人未达30cm记录50击入土数记录50击入土数以上比较了各个国家和地区之间标贯设备和测量方法存在的差异，可以看出：各种规范之间的差异都很小，这些具体的规定都是和本地区的实际地质情况是符合的，带有浓厚的地区特性，应根据实际的地质条件选用不同的规范。同时，值得注意的是一个国家或地区范围内，所用的锤具、钻杆、贯人器以及钻孔设备也会有一定差异。例如在美国，就有穿心锤、针式锤、安全锤及自动锤等类型。另外，由于土层随深度的变化，同一钻孔直径从浅部至深部可能有从大到小的变化。以上种种不同均可在一定程度上造成标贯试验结果的差异。3、工程实践Dagash位于苏丹国北部，尼罗河下游，此段河道较为平缓，尼罗河覆盖层较厚。2008年2月到12月，华北有色工程勘察院苏丹公司承担了此处尼罗河拦河大坝的地质勘查工作，利用各种先进的勘查手段和试验方法，较为准确的探明了此处的地层分布情况和岩土体性质。标贯技术作为现场测定土体密实度的重要试验，在此次勘查工作中得到了广泛的应用，其成果为现场快速准确的判断土体的密实度提供了可靠的依据。3.1试验设备381号孔位于Dagash大坝轴线附近，覆盖层厚度超过10m。严格依照美国ASTM规范要求，尽可能的减少人为因素造成的试验结果偏差，标贯设备采用如下的规格[6]：表3标贯设备规格3.2试验步骤及成果分析根据ASTM规范，使用自由落锤的方式，先进行15cm的预打，达到深度后，每15cm记录一次锤击数。381号孔位间隔1.0m进行一次标贯试验，共进行了11个试验，结果如下：表4381号孔标贯试验结果把上表中的标贯结果和深度对应表现在图上，可以得出：图2381号孔标贯结果示意图从表4、图2可以看出，前10次标贯试验的N30值均较小，根据表1的判断标准可以看出，0~10m的砂土密实度为极松到松，只有4~6m的位置是稍密。从图3中381号孔的钻探成果可以看出，上层0~4m为淤泥层，4~7m为粉砂层，7~10m为残积土层，10~10.95m为全风化片岩，10.95m以后为片岩。此孔距离尼罗河仅3m，地下水位1.2m，表层1m淤泥质土不受地下水影响，标贯结果比1~4m的地层高。地下水位以下的淤泥层、残积土层、全风化片岩层，由于水的作用，变的极为松软，故1~4m、6~10m的锤击数都小于5，地层很软。而4~6m是粉砂层，不受地下水的影响，所以较密实。当进行第11次标贯试验时，达到了岩石层，所以标贯击数超过50，而且出现了反弹现象，终止了试验，此标贯结果和钻探成果基本一致。图3381号孔钻探成果3.3标贯结果和现场密实度试验结果比较分析标贯试验结果是现场快速判定土体密实度、划分土层的主要依据，这只是一个大概的估计值，只能定性的判断土体的密实度，不能定量、精确的测量出土体的密实度值，只有通过现场简易的土体密实度试验才能定量的判断出土体的密实度。使用袖珍贯入测力计在标贯样中进行土体密实度测力试验，就可以得出较为准确的土体密实度。在ASTM规范中，土体标贯值、袖珍贯入测力计值和不排水剪切试验值的关系如下：表5土体密实度现场试验结果之间的关系袖珍贯入测力计所得值为规定贯入深度时，换算标准为98.06kPa/cm，根据次换算标准可得381号孔土体的贯入力如下：表6381号孔土体贯入力从表6中可以看出，贯入力和标贯结果基本上是保持一致的，这就说明了标贯结果的正确性。同时也存在一些细小的差别，这是由于现场试验操作过程存在误差，导致结果存在误差。从表4、表6两个试验的结果可以定性、定量的判断土体的密实度，而且可以互相印证彼此的正确性，为现场编录提供了可靠的参考数据。4、小结标贯试验结果是现场判定砂土密实度的重要依据，本文通过对比国际常用规范，总结了各国规范对标贯试验规定的差异，并结合实际工程，应用ASTM规范进行标贯试验，使用得出的结果对砂土密实度进行评价，并且结合钻探所得砂土的类型，验证了标贯试验的正确性。为不同规范下进行标贯试验提供了一些参考。