柴建峰，陈智勇

（1.网新源控股有限公司技术中心，北京　100161；2.中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海　200032）

钻杆挠曲变形对浅海深孔标准贯入试验的影响

柴建峰1，陈智勇2

（1.网新源控股有限公司技术中心，北京100161；2.中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海200032）

分析某填海工程勘察资料中标准贯入试验值差异现象，发现除了钻探工艺、钻杆直径、泥浆浓度、清孔情况、时间效应、钻杆和套管匹配等因素影响SPT击数外，重锤击打时钻杆的多次挠曲或弯曲回弹、船载式平台波动、钻杆振动和晃动、重锤击打频率等也显著影响测试结果，提出了相应的改进和后续研究建议，可提高地质勘察资料的准确性。

标准贯入试验；长细杆；挠曲；击打频率；锤击能量

0　引言

深厚覆盖层在我国长江口、珠江口及东南沿海广泛分布，深度可达百余米。目前深厚覆盖层上的水利、风电、码头、桥梁、隧道、人工岛填海等工程越来越多，查明大埋深下覆盖层的工程地质特性是勘察关键问题之一。目前国内工程地质勘察，20 m深度以内标准贯入试验（Standard Penetration Test，SPT）击数的修正，采用 GB 50021—2012《岩土工程勘察规范》相应的杆长修正规定，相关研究也较多。对于深度大于50 m的砂性土，由于取样难度大，加之静力触探CPT贯入能力所限，更多采用SPT，但工程实践中发现，影响SPT击数原因复杂，甚至同一工程场地，不同钻探机组所测的击数值相差也较大，其准确性和可利用性值得深入研究。

查阅文献[1-5]发现，影响SPT测试精度的研究主要侧重于钻探设备差异导致的系统误差，如钻杆直径、钻杆和套管尺寸匹配情况、时间效应、锤垫质量、标贯头尺寸等，相关研究已获得了不同钻杆直径SPT值的换算公式、不同规范和器具之间的经验公式等，系统偏差一般在10%左右，万江南、廖先斌等[5-6]研究了击打能量的测试，但调研发现对于深厚覆盖层中（50m以上）的SPT研究相对较少，类似研究也多未考虑钻杆的挠曲变形和海域船载式平台的晃动等因素。研究影响SPT精度因素，在勘察过程中尽可能克服或减小其影响，不仅有助于查清深层砂性土的工程地质特性，也有利于基础设计和指导后期打桩施工。

基于以上认识，首先分析工程现场中遇到的问题及长细钻杠挠曲特征，然后探讨形成原因，最后定性提出改进和研究思路。基于工作经验所限，以下探讨范围限于浅海、船载式勘探平台和深厚覆盖层中的砂性土地层。

1　工程实例分析

图1为某海域A地块SPT测试结果，钻孔间距约20 m，对贯入深度未达30 cm，击数n>50击时，通过公式，换算贯入深度为30 cm的锤击数N，共统计锤击数约1 400个，变异系数为0.4。A地块地层30m以下为砂性土，覆盖层最厚可达100多m。地层和沉积环境相对简单，高潮时水深10 m，均采用船载式钻探平台。由图1分析不难发现：1）同一地层条件下，随着测试深度增加，SPT离散性愈发明显，如深度大于60 m后，N变化幅度在30～60之间，区间跨度较大；2）同一深度区间，SPT值相差也较大。

图1 A地块SPT值统计散点图Fig.1　Scatter diagram of SPT in A site

A地块SPT贯入击数的差异现象，显然大大超过了由于钻杆直径差异、标准不同、施工机械不同等引起的系统误差。经过现场分析和调研，认为钻杆挠曲、弯曲振动、晃动、可能是引起上述差异的主要原因，加之船载式勘探平台随着波浪的起伏晃动难免会引起重锤击打产生偏差或者打歪。实施SPT时钻杆功能主要是传递能量[7]，在63.5 kg重锤冲击下钻杆先产生沿着钻杆传播的压缩波，经过时间l/c（l为钻杆长度，c为弹性波速）传递到孔底，同时消耗了一部分能量。能量一部分再以张力波反射，沿着钻杆向上传递，经过时间2l/c，张力波到达钻杆顶部，由于其大于此时钻杆顶部的压缩波，可能致使重锤和钻探跳开。锤击的能量不能高效传递给钻杆，而变小了的张力波在钻杆顶部反射为第二压缩波，再沿着钻杆向下传递。如此反复循环，直到压缩波完全消耗在贯入器上，不再反射为止。上述为钻杆保持垂直时、理想状态下的“第一次碰撞”分析结果。锤与钻杆跳开后的第二次击打，即“第二碰撞”受第一次碰撞产生的应力波影响，往往由于难以计算而忽略不计。

实际工程中，随着钻杆长度增加，挠曲现象，甚至是弯曲再回弹不可避免，船载式平台的晃动无疑又放大了这一不利因素。钻杆在弹性回弹过程中，往往又承受一定的拉应力，对孔底土体中标贯器的工作状态可能也会产生一定影响，甚至有拉拔效应出现。目前有关SPT的牛顿碰撞理论、波在弹性介质中传递理论均未考虑钻杆挠曲振动及弯曲再回弹。

现场技术工人通过操作卷扬机起落重锤，实施SPT击打，熟练操作者1 min可击打20次左右，但不同设备配置和不同操作人员导致每次击打时间间隔有异，差异往往很大，这时钻杆中的弹性波对“第二次碰撞”的影响也会不同。图2为同一地块相邻钻孔、不同勘察机组的SPT测试结果，变异系数分别为0.28和0.36。

图2 相邻钻孔SPT变化情况Fig.2　Contrast cu rve of SPT-N in two ad joining boreholes

由图2不难发现甲机组的SPT击数明显大于乙机组的，相同地质条件下，偏差较大。结合图1和图2分析可知，已有偏差显然超出了钻杆直径差异等因素的影响。

2　钻杆的挠曲变形

冯铭璋等对钻杆挠曲变形进行了研究[8]，将钻杆的挠曲形象比喻为钻杆“凸肚”现象，并相对量化研究了钻杆弯曲“凸肚”和孔壁的相互作用力，并给出了不同杆长区间对应的折减系数，如杆长45～50 m时，SPT击数折减系数为0.69，即有约30%的能量损耗在钻杆和孔壁之间的碰撞、摩擦上，用于贯入的有效功减少明显。鉴于当时工程规模所限，勘察测试深度未超过50m。

工勘钻杆属于典型的细长杆，在质量63.5 kg（重量约635 N）锤击下将发生弹性屈服，杆件处于临界状态下静荷载FPcr可通过欧拉公式[9]计算。

式中：E为压杆材料的弹性模量；I为压杆横截面的形心主惯性矩；D为钻杆外径；d为钻杆内径；μ为长度系数，标准贯入测试时候，钻杆类似两端铰接，取μ=1.0。将钻杆φ42mm内径32mm、钻杆φ50 mm内径38.8 mm，分别代入式（1），可获得不同长度钻杆挠曲所需的竖向静荷载。

图3为不同直径钻杆挠曲时所需的临界竖向静荷载。

图3　钻杆长度和挠曲临界静荷载关系曲线Fig.3　Relation curvebetween the length of rod and critical load of flexural deflection

本次仅探讨φ42mm和φ50 mm钻杆，由图3分析可见：1）在63.5 kg静荷载作用下，除了φ50mm钻杆在25 m以内不发生挠曲外，其余工况均会发生挠曲，显而易见在重锤的冲击荷载作用下，钻杆均会发生挠曲，甚至大尺度的弯曲变形。2）不难发现，对于深孔，随着钻杆长度加大，φ42和φ50挠曲所需的FPcr十分接近，深孔测试时，φ42和φ50钻杆抵抗挠曲变形的差距不大。

除了钻杆和孔壁之间的碰撞、摩擦损耗，进而影响锤击能量的有效传递，通过多个工地现场观察和研究认为钻杆挠曲后的再回弹、钻杆振动噪音、甚至弯曲振动和锤击频率等也是影响贯入击数的关键因素之一，尤其是船载式平台晃动和波动，加之不同测试设备、不同测试习惯往往导致了单位时间内重锤击打次数不同，则不可避免发生锤击和挠曲回弹在某一时间发生叠加和相互影响。

3　结语

1）就现今的勘察市场环境和勘察技术水平而言，不可否认SPT仍为相对粗糙的原位测试手段，测试深度越大，偏差愈明显。在工程实践中，宜结合CPT等其他原位测试手段进行对比校核。

2）考到到钻杆的挠曲弯曲不可避免，同一工程应统一设备、规范锤击频率等操作流程。目前浅海工程勘察船载式平台的波浪补偿系统在国内已经开始试用，随着应用日益广泛和成熟，有望减少钻探船的晃动，有助于减少钻杆的晃动等不良影响因素。

3）虽然影响SPT击数最根本因素是岩土体的物质组成及历史沉积环境，但勘察过程中，机械配置、操作习惯和工艺等显著影响着SPT值。

4）建议后续对“重锤-锤垫-钻杆-测试土体”冲击模型进行系统的理论模型分析和相应的数值仿真分析。研发相应的信号采集系统，不仅可测试锤击处的加速度、速度和能量等信息，也可测试出标贯器处相应的参数，并能考虑长细杆挠曲振动等因素。

本文只是定性指出了钻探的挠曲、弯曲振动等可能是影响深孔SPT质量的主要原因，今后应对此进行定量化的研究。

[1]陈智勇，陈晓东，柴建峰.影响标准贯入（SPT）击数因素浅析[J].中国港湾建设，2009（5）：13-16. CHEN Zhi-yong,CHEN Xiao-dong,CHAIJian-feng.Analysis on influencing factor of N valueofSPT[J].China Harbour Engineering, 2009(5):13-16.

[2] 刘晓静.两种杆径对砂层标准贯入试验击数的影响[J].城市勘测，2013（6）：174-176. LIU Xiao-jing.The influence of two kinds of stem diameters on the standard pentration test(SPT)hit-numbers[J].Urban Geotechnical Investigation&Surveying，2013(6):174-176.

[3]范建好.对标贯击数杆径换算的探讨[J].工程勘测，2014（S1）：36-40. FAN Jian-hao.Discuss on rod diameter conversion of standard pentration test(SPT)hit-numbers[J].Geotechnical Investigation& Surveying,2014(S1):36-40.

[4]姜仁利，王国敬，谭海军.标准贯入试验操作中影响因素的探讨[J].港工技术，2010（4）：55-57. JIANG Ren-li,WANG Guo-jing,TAN Hai-jun.Discussion of affecting factors of standard penetration test[J].Port Engineering Technology,2010（4）：55-57.

[5]廖先斌，郭晓勇，杜宇.英标和国标标贯设备试验结果相关性分析[J].岩土力学，2013，34（1）：143-147. LIAOXian-bin,GUOXiao-yong,DU Yu.Correlation analysis of standard penetration test resultson British and Chinese standard equipments[J].Rock and SoilMechanics,2013,34(1):143-147.

[6]万江南，刘裕华.标准贯入试验测量击打能量的试验研究[J].电力勘测设计，2013（6）：14-18. WAN Jiang-nan,LIU Yu-hua.Experimental study on measurements hitting energy with standard penetration test[J].Electric Power Survey&Design，2013(6):14-18.

[7]王钟琦.岩土工程测试技术[M].北京：中国建筑工业出版社，1986. WANG Zhong-qi.Geotechnical engineering testing technique[M]. Beijing:China A rchitecture&Building Press,1986.

[8]冯铭璋，王如金.标准贯入击数N（63.5）值杆长弯曲修正的探讨[J].勘察科学技术，1989（4）：27-32. FENGMing-zhang,WANG Ru-jin.Discuss on rod length bending correction of SPT N(63.5)[J].Site Investigation Science and Technology，1989(4):27-32.

[9]范钦珊，蔡新.工程力学[M].北京：机械工业出版社，2016. FANQin-shan,CAI Xin.Engineering Mechanics[M].Beijing: China Machine Press,2016.

Influence of drill rod′s flexural deflection on standard penetration test in deep bore-holes in maritime spaces

CHAIJian-feng1,CHEN Zhi-yong2
（1.Technology Center,State Grid Xinyuan Company Ltd.,Beijing 100161,China; 2.CCCCThird Harbor ConsultantsCo.,Ltd.,Shanghai200032,China）

Based on the difference value of standard penetration test in one coastal reclamation engineering geological exploration data,we found that the drilling technology,diameter of drill rod,mud density,borehole cleaning,time effect，the distance between the rod and casing affect the count of hammering numbers,and the flexural deflection of rod,the bending spring back of rod,the fluctuating of ship p latform,the vibration and shake of rod and the frequency of hammering also significantly affect the test results.We put forward corresponding improvement and further research suggestions,which can improve the accuracy of the geologicalexp loration data.

standard penetration test;length rod;flexural deflection;hitting frequency;hammer energy

U655.4

A

2095-7874（2016）10-0040-04

10.7640/zggw js201610009

2016-07-27

柴建峰（1977—），男，陕西西安市人，博士，高级工程师，注册土木工程师（岩土），主要从事工程地质勘察工作。E-mail：623509677@qq.com