岩土工程与勘察 第14卷 第1期（总第23期） 2003年6月标准贯入试验方法的回顾与讨论贾文华①【摘 要】 标准贯入试验是一种国际通用的原位测试方法，随着入世后与国外交流合作逐渐增加，该方法的应用将会越来越多本文回顾这种试验的发展过程，就其中的一些问题进行了探讨，并对新的应用成果进行了介绍关键词】 标准贯入试验；影响因素；修正；指标应用0 概述标准贯入试验英文名称是Standard penetration test ，国际上通称SPT；于上世纪二十年代起源于欧洲；到四十年代末，Terzaghi和Peck对二十多年的应用进行总结，提出了一系列与岩土参数相关的经验公式,并制定出相应的设备标准从那以后，这种试验方法迅速发展普及，先是在欧洲和美国大规模地使用；有文献记载，美国1954年至1975年之间建设的49个核电站的勘察中,有40个使用了SPT方法日本于1953年开始引进SPT后,这种方法在岩土勘察中占有相当大的比重;笔者在日本所接触的工程中，有80%左右的工程勘察钻孔都进行SPT,试验点间距1米, 试验成果反映在柱状图中，以深度~N值曲线形式标注，比较直观实用。
我国从上世纪七十年代初开始大规模普遍使用SPT,至今也有三十余年的历史；目前在国内几乎所有的工程勘察系统,SPT都已成为一种不可缺少的原位测试手段,其设备规格与试验方法与国际上通用的标准基本一致,在多年的理论研究和实践基础上,根据我国地质条件特点，建立了不少SPT应用经验公式；可以说，在这方面，我们与世界发达国家是处在同一水平上1 SPT特点数十年来，尽管人们从不同角度对SPT的优缺点有着不同的评述，但对以下几方面的特点都持有一致的态度1)设备价格低廉，坚固耐用；(2)操作方法简单，不需要进行专门的学习培训；(3)应用范围广泛，几乎所有的土层、砂层和软岩都适用；(4)经过多年的应用实践，已总结出大量的经验公式和地区经验；(5)试验不受地下水位的影响；(6)试验指标N值在国内外通用；(7)人为因素对试验的影响较大在试验的同时，可以采取到样品，这是SPT的独到之处，是其他测试方法所不具备的功能对贯入器内取出的样本，除观察描述其性状外，亦可进行含水量、塑液限或颗（筛）分试验，为综合划分地层提供依据2 试验设备及原理SPT是利用一定重量的锤自由下落，将标准尺寸形状的贯入器打入试验地层一定深度，根据打入的难易程度来判定土的形状的一种原位测试方法。
如果将贯入器换成圆锥探头，则可转化为重型动力触探（DPT）1. 中国兵器工业北方勘察设计研究院有关试验设备的规格，业内人员均已熟知，在此不再过多叙述；需要说明的是，由于该试验起源于欧洲，采用的是英制单位，锤重140磅相当63.5kg，落距76cm则对应于30英寸随着我国加入WTO，和国际惯例接轨已是大势所趋，为便于开展与国外同行的交流与合作，下表1例出国内外常用的SPT设备规格 表1 国 家落 锤贯 入 器试验钻杆试验深度记录方式质量(kg)落距(cm)长度(mm)外径(mm)内径(mm)刃角( ° )(mm)(m)美国ASTM D463363.576686513518°30＂41.2﹤50先打入15㎝不计，然后贯入30㎝最多100击日本JIS M140963.5±0.576±0.2810513542无限制贯入30㎝的击数为N值欧洲标准197763.576685513543.754﹤15﹥15贯入30㎝的击数为N值英国BS1377-197563.576680503517°30＂41.3无限制贯入30㎝的击数为N值中国GB50021-9463.5±0.576±0.270051±135±118~204221先打入15㎝不计，然后贯入30㎝击数为N值。
比较世界主要发达国家试验设备的规格和记录方式，与我国现行标准基本一致，其试验结果N值应具有通用性3 影响SPT的因素分析试验结果N值的大小是土的结构、密度和状态等诸因素的综合反映，它应该是客观的，对同一土体指标应是唯一的；所谓唯一性，是指无论谁进行试验，其结果都应该相同或近似，这体现了标准贯入试验中“标准”的含义，否则N值就失去了它的基本意义但是，在实际试验中我们看到，在同一场地某一特定土层，不同勘察单位甚至同一单位，试验结果N值都有差别，有的相差还比较大；分析其产生差别的原因，即有试验时边界条件的影响，也包含着多种人为因素为了减少误差，提高试验精度，笔者认为以下十个方面的影响因素应引起足够的重视：1﹚钻进方法：在试验的前一钻，冲击或是回转钻进，其N值是不同的，这种差别在砂层中反映尤为明显；有资料显示，误差可达20%左右所以，在土层中试验前应回转钻进，砂层中推荐泥浆护壁 2﹚试验设备的安装：各部件丝扣之间连接应紧密，接头部位不可松动，否则将影响打击能量，进而减小N值3﹚贯入器：长时间使用后，或者在含卵砾石地层中打击，会出现贯入器靴刃口部位残缺或变形，在此情况下如继续使用将影响贯入度，人为增大击数。
4﹚贯入速度：受设备性能和操作熟练程度的控制这种影响主要体现在饱和状态的粉土和粉细砂地层中保持贯入速度控制在5~10秒/击，此速率对试验结果影响不大5﹚试验孔径：在常规钻探89~146mm孔径内进行试验时，该影响可忽略不计，但特殊情况下，如在基坑底表面试验，由于缺少上部超载，击数会偏小6﹚贯入深度：按标准要求，一次贯入的深度为15cm预打和30cm贯入，共计45cm但当试验孔出现坍塌或缩孔，贯入深度就要加大，造成试验器械的摩擦力和阻力加大，使击数增高所以，保持孔底干净不扰动是保证试验精度的一个重要方面7﹚钻杆垂直度：当钻杆倾斜与孔壁产生摩擦时，会减小传至贯入器的打击能量，出现N值偏大的倾向欧洲标准（1977）规定，钻杆间隔一定长度设置导正装置，而我国现有规程无此规定，所以，在试验时需要人工导正，避免出现钻杆倾斜8﹚钻杆的直径：日本的Koreede（1981）对比了41 mm和50 mm两种直径钻杆的试验结果，美国的Brown（1977）也对外径40mm和60mm的钻杆在不同的地层中进行了对比试验；两人研究的结果表明，使用该直径范围内的钻杆，对试验结果影响不大，可以忽略不计我国目前对钻杆直径要求不一，原岩土工程勘察规范（GB50021-94）规定42mm，兵器工业系统规程（BKB03-93）认为42 mm或50 mm均可。
综合以上研究结果和规定，为方便起见，试验时可直接使用42 /50 mm 钻杆；但当试验深度较大（超过20米）时，42mm钻杆会发生挠曲，故推荐使用50mm钻杆9﹚地下水：Terzaghi和Peck认为，地下水位以下的饱和粉细砂存在临界密度，对应的击数为15击所以，在饱和粉细砂层进行SPT，当实测击数大于15击时，应将实测击数N’校正为N，N=15+（N’-15）/ 210）上覆自重压力的影响：这方面的研究不多，一般认为，上覆自重压力的影响反映在土体的结构、密度等基本性质中，在N值中已经有所体现Peck（1947）曾指出砂土自重压力对N值有影响，校正公式为：N=CN·N’，式中的CN为自重压力影响校正系数，是试验深度处砂土有效自重压力的函数4 杆长修正讨论钻杆长度校正问题，国内外工程界一直存有争议，美国的Schmertmann(1979)和日本的Fuyuki(1981)分别采用波动方程模拟方式和在120米探杆上贴应变片测试的方法，对该问题进行理论分析和模拟试验前者的结论是：当探杆长度小于70英尺（21米）时，波动能量传递的影响微不足道；后者认为：在探杆末端冲击引起的波动量衰减很小；二人的结论均倾向于不进行杆长修正。
但也有有一些相反意见，如美国材料试验协会SPT专题研究组认为，传递给周围摩擦介质的能量一般与杆长成正比，就能量传递而言，长度是一个重要因素我国工程界主张进行杆长修正的主要是原地基基础设计规范（GBJ 7-89），最大校正长度21米，对应于该长度的系数为0.7，折减比较大事实上，该系数表沿用的是更早的74规范，原始出处已难以考证，一般认为是基于牛顿弹性碰撞理论，之所以上限定在21米，是因为该理论假设前提条件是总杆长质量不能大于落锤质量的二倍另外，日本工业标准（JIS A 1219-1961）中规定，当杆长大于20米时，按1.06－0.003L进行修正(L:杆长，单位：m)，该式折减系数很小，几乎近于不修正另一方面，国外的一些学者基于弹性波波动理论得出相反的结论，他们认为：杆长与校正系数成正比，当杆长L从3m到15m，校正系数从0.77趋向于常数1.0而以Peck和Gibbs为代表的按上覆自重压力修正的方法则将12 m定为临界深度，在该深度以内，校正系数大于1.0，超过临界深度后校正系数才小于1.0不主张进行杆长修正的有：建筑抗震设计规范（GB50011－2001）；岩土工程勘察规范（GB50021－2001）；上海市岩土工程勘察规范（DBJ 08－37－94）；北京地区建筑地基基础勘察设计规范（DBJ 01－501－92）；欧洲动力触探标准以及Terzaghi等。
从上述建议和规定可以看出，杆长修正与否以及如何修正存在各种不同的意见和主张，都有其各自的理由和道理在现行的国标中，取消了与N值有关的承载力表以及相应的杆长校正系数表；是否修正以成为本行业面临的现实问题目前，工程勘察界多数的倾向意见是，在所提交的勘察报告中，必须提供实测击数对既往已有的经验公式或相关表格，按其推出时所规定是否修正为准，如果限定是修正后击数，则按相应的校正系数修正后使用，否则应采用实测击数在与国外合作项目中，按国际惯例提供实测击数，并绘制附有H~ N关系曲线的钻孔柱状图 5. 试验指标的应用SPT指标N值应用领域十分广泛，国外和国内不同行业及地区都有与之相关的经验公式但在使用时要有针对性并考虑其适用条件；一般说来，应用对象偏重于松散介质，在有成熟经验的地区，亦可用于粘性土5.1 地基土液化评价用SPT方法判别饱和粉土及砂土液化是近年发展的趋势，特别在定量评价方面，更是一种不可或缺的手段，具有权威性和很多研究成果现行《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）以及铁路、公路系统等行业标准都引用了这种方法，虽然在边界条件方面有所不同，但都以N值（不进行杆长校正的实测击数）为基本判别参数，详细的判别方法及公式参见相关规范。
5.2 划分风化岩与残积土的界限 这方面的资料目前仅限于花岗岩地区，用N值（实测击数）划分残积土、全风化岩、强风化岩的界限，见下表2；对其他类型的软岩和残积土可作为参考 表2岩体风化程度无侧限抗压强度（MPa）标准贯入试验击数(击)剪切波速(m/s)残积土<600<30<250全风化岩600≤qu <80030≤N <50250≤Vs <350强风化岩≥800≥50≥3505.3 估算土层的剪切波速国内外不少学者根据大量的数据对比统计，提出N值与剪切波速Vs存在相关关系，其中具代表性的有以下二式：Vs = 89.8•N 0.341 (日本今井) Vs = 91.4•N 0.347 (冶金部沈阳勘察院) 5.4 判别砂土层的密度与相对密度，见下表3 表3密实度标准贯入试验击数N（击）国际标准中国标准中国标准（GB50007-2002）国际标准极松散松散≤100~4松散4~10稍密稍密10＜N≤1510~15中密中密15＜N≤3015~30密实密实＞3030~50极密实＞50另外，Meyerhof提出可用N值按下式推算砂土的相对密度Dr （%）Dr =210•√N/（σ+70） 式中：σ-有效上覆自重压力（kpa）5.5 确定砂土的内摩擦角 表4研究者表达式备注大崎Φ=√（20·N）+15DunhamΦ=√（12·N）+20级配良好的砂PeckΦ=0.3·N +27MeyerhofΦ=0.25·N+32.5粉砂减5°砂土作为一种松散介质，难以取得原状试样，不能直接测定内摩擦角，这一直是本行业的一个难题；虽然在国外如日本采用冻结法可采取到原状砂样，进行室内剪切试验，但成本太高，程序也很复杂，只能应用于一些重点的研究项目。
从实用角度考虑，在目前工程勘察界,确定土的内摩擦角，大都采用N值来推算，其主要研究成果如下表4 5.6 确定地基土承载力用N值推算地基土承载力，一直为业界所关 砂土承载力特征值fak（kpa） 表5 N土类10153035中砂、粗砂190250400450粉砂、细砂135180320365注，也是工程中最常遇到的问题之一；相比较室内试验而言，这种方法具有实用快捷等特点需要注意的是，用于确定地基土承载力的N值，应进行杆长修正并按下式统计后使用：N=μ- 1.645σ/√n 式中：μ-平均值;σ-标准差;n统计个数注:表5引自《河北省建筑地基承载力确定技术规程》（送审稿） 砂土承载力特征值fak（kpa） 表6N土类10153050中砂、粗砂180250340500粉砂、细砂140180250340注：表6引自原《建筑地基基础设计规范》（GBJ 7-89） 粉土承载力特征值 表7 N（击）46810121618fak（kpa）100140170200235320350注：表7引自《河北省建筑地基承载力确定技术规程》（送审稿）。
粘性土承载力特征值 表8 N（击）35791113151719fak（kpa）105145190235280320350380420注：表8引自《河北省建筑地基承载力确定技术规程》（送审稿）粘性土承载力特征值 表9 N（击）357911131517192123fak（kPa）105145190220295325370430515600680注：表9引自原《建筑地基基础设计规范》（GBJ 7-89） 粘性土、粉土承载力特征值经验公式 表10研究者经验公式适用土层备注江苏水利工程总队fak=23.3N粘性土、粉土不做杆长修正铁三院fak=72+9.4N1.2粉土冶金部武汉勘察院fak= 4.9+35.8N粘性土、粉土湖北水电勘察设计院fak=80+20.2N粘性土、粉土N=3~85.7 估算砂土的压缩（变形）模量一般来讲，粘性土容易采取原状试样，宜以室内试验确定其压缩模量，或用载荷试验测求土的变形模量；故本文不推荐用SPT方法推算土层的变形参数。
上海市岩土工程勘察规范（DBJ 08－37－94）规定，粉、细砂压缩模量Es可按下式估算：当H≤15m Es=4.8•N045当H≥15m Es=2.5•N075•H‐025东南沿海地带花岗岩残积土的变形模量Eo可按下式估算：Eo=2.2•N （适用于5
本文试图对国内外有关SPT的使用及经验做一归纳介绍，并对其中的一些问题进行初步探讨，不足之处敬请指正。