王家兴
北京市勘察设计研究院有限公司
摘要：随着岩土工程的不断发展，钻孔深度越来越深，为了保证提供更大扭矩，直径50mm的钻杆越来越多的在钻探施工中被使用。在进行标准贯入测试时，区别于规范要求的钻杆直径42mm，钻杆直径的变化对测试数据的影响程度值得研究。本文通过在同一场地中分别采用Φ50和Φ42钻杆开展标准贯入试验，对比分析了钻杆直径对标贯锤击数的影响，并通过归一化分析总结了二者之间的相关性，对分析不同钻杆直径的标贯锤击数具有指导意义。
关键词：标准贯入试验；钻杆直径；锤击数
1引言
标准贯入试验（简称标贯）是上世纪70年代从欧洲引入我国的一种原位测试技术，具有设备简单、易操作、方便取样、精度较高、适用性强及工程应用范围广等特点。标准贯入试验是用质量为63.5kg的穿心锤，以76cm的落距，用钻杆连接贯入器和导向杆，采用自动脱钩的自由落锤法进行锤击，将标准规格的贯入器打入土中，自钻孔底部预打15cm，记录再打入30cm的锤击数N（也称为标贯击数）[1]。《岩土工程勘察规范》（GB 50021-2001,2009年版）中要求的标准贯入试验钻杆直径为42mm，并以Φ42mm为钻杆（下文简称Φ42钻杆）所测得的标贯击数作为确定砂土、粉土的密实度、黏性土的状态的依据，从而对土层抗剪强度、变形参数、地基承载力、砂土和粉土的液化进行评价，是岩土工程勘察中非常重要的测试指标之一。
随着岩土工程的不断发展，钻探技术不断改进，深部土层的标贯试验日益增多。Φ50钻杆比Φ42钻杆截面更大，刚度更大，更不容易弯曲和扭断，因此，在钻探深度较大及地质条件复杂的情况下，Φ50钻杆得到了广泛的应用，常配备于汽车钻。标贯击数的杆径换算问题已逐渐引起大家的注意。如范建好利用质量参数结合杆长换算得出杆径换算系数[2]；廖先斌等人采用FV法计算，认为杆径对标贯击数的影响可忽律不计[3]。目前，国内已有成果对钻杆杆径与标贯锤击数关系的研究莫衷一是，同时，天然地层的非均质特性对标贯测试数据也有一定影响，如黏性土中的姜石、砂土中圆砾、卵石都会影响标贯击数。本文系利用某尾矿库相对均质的砂土地层条件，对比分析了两种不同杆径对标贯测试数据的影响。
2现场试验
2.1地层条件
测试场地位于北京市密云区，属于铁矿尾矿库，具有30多年的生产历史，地层主要为选矿后排放沉积尾砂土，地层具有明显的分布规律，平均厚度在30m左右。场地地层条件如表1所示。
表1 场地地层条件
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2.2试验布置
在试验区内选取三个区域，分别采用Φ42试验钻杆和Φ50钻杆进行标准贯入试验，共完成6个钻孔，3组对比试验，钻孔深度分别为30.0m及25.0m。同一组的两个钻孔间距为0.5～1.0m；标准贯入试验自地面下1.0m开始，试验间距为1.0m，同一组的两个钻孔标贯试验保持在同一深度、同一地层和相同地下水条件，以利于进行对比试验。测试深度范围内的地层主要为尾细砂、尾粉砂，避免了单一土层的偶然性。本次试验采用相同的钻探、测试设备及相同的施工工艺，最大程度减少人为因素对标贯击数的影响。试验中采用SH30型钻机，拟建场地内地下水类型为潜水，在钻探施工中采用套管护壁。标准贯入试验设备规格要求如表2所示。
表2 标准贯入试验设备规格
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3试验成果分析
3.1 试验成果
综合测得的试验数据，分别统计测试深度内两种钻杆的标贯击数，并进行对比。采用拟合分析绘制标贯击数N值分布对比图，比较相同试验深度下钻杆直径对标贯击数的影响。不同深度范围内两种直径钻杆所测得标贯击数N值统计结果及对比，见表3。
由表3可以看出，钻杆直径对标贯击数N值随深度不同有不同程度的影响。30m深度范围内，Φ42钻杆所测得N值整体上小于Φ50钻杆所测得N值，标准值比值在0.86~1.03之间，具有一定离散性。
图1~图4分别为标贯击数总体分布图及相同深度区间上的两种直径钻杆所测得N值对比图。根据散点图中深度与标贯击数的相关关系，对0～30 m 内的总体变化规律采用指数函数拟合，对分段深度与标贯击数的关系采用最小二乘法进行曲线拟合。拟合曲线显示所得结果与表3中所得统计结果规律吻合，即在较浅深度范围（0~6m）内Φ42钻杆所测得N值与Φ50钻杆所测得N值相接近，无明显差异，而随着深度（6~30m）的增加，Φ50钻杆所测得N值大于Φ42钻杆所测得N值，且差值具有随深度增加而增大的趋势。根据分段深度与标贯击数的拟合曲线（图2~图4），在0~6m范围（图2）内，Φ50钻杆与Φ42钻杆杆径的差别对标贯击数影响很小，两者标贯击数标准值比值为1.03，可忽略杆径对锤击数N值的影响；在6~21m范围（图3），Φ50钻杆与Φ42钻杆标贯击数N值具有明显比例关系，标贯击数标准值比值为0.91；在21~30m范围（图4），Φ50钻杆标贯击数N值明显大于Φ42钻杆标贯击数N值，且随着深度加深，二者之间的差值逐渐增大。
表3 两种钻杆标贯击数N值统计结果及对比
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标准贯人试验的实质是将落锤的势能通过钻杆弹性冲击传递给贯人器, 从而使贯人器在冲击作用下插入一定深度的土体，再根据贯入指定厚度土层所需要的锤击数N值来判断被贯入土体的抵抗强度和性质。
依据牛顿碰撞理论，随着杆件系统质量的增加，杆件系统受锤击碰撞后贯入土中的有效能量将逐渐减小，锤击数N值与传递到钻杆的能量成反比。另一种导致有效能量减少的因素是导杆挠曲，挠曲的出现将使导杆向下传递的能量中一部分消耗于导杆和孔壁的碰撞和摩擦上[4]。根据本次对比试验结果，6m范围内，钻杆质量造成的有效贯入能量耗散差异不大，基本可忽略。从6m开始，钻杆质量对于能量的耗散开始占主导，且钻杆挠曲损耗也开始显现。其中6~21m内，Φ50钻杆测试数据与Φ42钻杆测试数据呈较好的比例关系，说明钻杆质量增加与钻杆挠曲影响程度基本抵消，从21m开始，钻杆质量相比钻杆挠曲的作用凸显，随着钻杆数量增加，Φ50钻杆杆件系统质量增加幅度远大于Φ42钻杆杆件系统质量增加幅度与挠曲影响之和，所以，Φ50钻杆试验标贯击数N值与Φ42钻杆试验标贯击数N值的差值随深度增加而明显增加。
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图4 21~30m标贯击数分布图
3.2分析
通过对比标贯贯入试验锤击数与测试深度之间的关系，浅部（0~6m），杆径不同对杆件系统质量影响可忽略不计，Φ50钻杆所测得N值无需进行修正；6~21m深度范围内，Φ50钻杆与Φ42钻杆标贯击数N值具有明显比例关系，Φ50钻杆所测得N值修正系数可按0.91考虑；21~30m深度范围内，二者无明显比例关系，建立相同深度两种杆径锤击数相关关系散点图，并进行拟合，见图5，根据拟合曲线得出两种杆径锤击数N值换算公式：N=0.158N’+20.57，其中N’为Φ50钻杆锤击数，N为Φ42钻杆锤击数。
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图5 21~30m两种直径钻杆N值相关关系图
4标准贯入试验存在的问题及分析
标贯试验是在工程勘察中一种独特的原位测试方法，是一种低精度定量测试方法，无需精密仪器，也无严密的科学理论。我们应认识到在标准贯入试验中存在一些导致试验结果偏差的影响因素。
（1）钻杆的影响
不同的钻杆质量不同、刚度不同、抗挠曲变形能力不同，因此各种钻杆对标贯击数产生的影响也不同。致使在相同类型、相同深度的土层中，测试的试验数据产生差异。
（2）测量的影响
贯入器在钻孔内的深度通常是通过钻杆长度来估算试验深度。这个钻杆长度可代表孔底深度，但不等于贯入器尖顶深度，原因之一是钻头和贯人器尖顶结构不同造成它们因钻杆自重插人土体的深度不等。
（3）能量传递分析的影响
常用的能量传递分析方法有两种，其一，牛顿碰撞理论是基于理想假设情况下的理论分析，在实际应用中存在一定偏差[5]。另一种能量传递分析方法为冲击弹性应变能理论，常用方法为FV法。FV法通过在上部钻杆同时测量钻杆轴向冲击力(t)和加速度, 应用公式计算钻杆的总冲击弹性应变能。该方法存在如下问题：测得能量是钻杆中的弹性能, 不等于使贯入器贯人土中的能量；轴向冲击弹性应力波在钻杆连接处、贯入器与土体交界面多次反射，使得得出的冲击弹性能物理含义不明确；不同类型设备能量传递效率存在差异[6]。为了更合理地修正N值，仍需要进行更多的研究与测试。
（4）钻探工艺的影响
当前主要的钻探工艺为冲击钻进和回转钻进。冲击钻进利用钻具自重冲击破碎孔底实现钻进，对孔内产生轴向冲击荷载，导致孔底深度以下一定范围内的土体产生扰动甚至结构破坏。回转钻进通过钻杆将旋转力矩传递至孔底钻头，同时施加一定的轴向压力实现钻进，不会对孔底土体形成应力集中。因此，采用回转钻进所测得N值大于采用冲击钻进所测得N值。
（5）操作水平的影响
标贯试验人员的操作水平差会导致锤击数N值产生偶然误差, 包括下放贯入器的轻重程度、导向杆垂直度、落锤速度及锤击数计数等。下放贯入器太猛烈, 会冲击孔底土层, 影响标贯击数。锤击数采用人工计数, 操作人员在受到干扰时或锤数较多时易产生计数误差。
5结论
（1）在实际勘察应用中, 标贯试验成果的应用是基于一定试验数据上建立起来的经验公式, 迄今还未一致。这些经验公式不仅随不同类型的土层变化而变化, 而且对于不同地区类似的土层其经验公式也不尽相同。因此, 在应用试验成果时需充分考虑当地实际经验、规范和异地成果, 三者相结合方能得到较合理的结果, 统计并建立各地的标贯试验与土工试验的数据库可使岩土工作者在实际应用中能有可靠的参考基础。
（2）有效贯入能量耗散的影响因素主要为杆件系统质量增加和钻杆挠曲。在6~21m范围内，杆件系统质量增加与钻杆挠曲影响程度基本抵消，从21m开始，φ50杆件系统质量增加的影响程度大于φ42杆件系统质量增加与挠曲影响之和。
（3）标准贯入试验击数N值的大小会受到钻杆杆径的影响，在工程勘察中，对于相同的砂土地层，0~6m范围内，若使用的Φ50钻杆进行标准贯入试验，可不考虑修正；6~21m范围内，使用φ50 钻杆时，实测的标贯击数宜乘以0.91的修正系数；21~30m范围，建议采用换算公式N=0.158N’+20.57进行修正。
参考文献：
[1] GB 50021-2001,岩土工程勘察规范[S].
[2] 范建好．对标贯击数杆径换算的探讨[J].工程勘察，2014（增刊1）：36-40.
[3] 廖先斌，何智敏，温俊．不同直径钻杆配置下中英标贯锤击能量比特征[J]．工程勘察，2017，（4）：7-11．
[4] 冯铭璋,王如金.标准贯入击数N63.5值杆长弯曲修正的探讨[J].勘察科学技术,1989，(04)：27-32.
[5] 石长青，魏恒心，陈平和．对重型动力触探试验杆长修正问题的探讨[J]．岩石力学理论与工程实践，1997：411-414．
[6] 杨文卫,岳中琦.世界各地标准贯入试验比较和共同问题[J].工程勘察,2008，1：5-15．