李中华，周明坡，刘晓强，田 栋，李明益

(1.中交天航港湾建设工程有限公司，天津 300450；2.中交天津航道局有限公司，天津 300450；3.交通运输部天津水运工程科学研究所，天津 300456；4.长江航道局，武汉 430010)

标准贯入试验技术是一种原位土工测试技术，最早起源于1927年的欧洲。20世纪40年代该技术快速发展，其中尤以美国和日本应用最为广泛。我国在1942年引入该技术并逐渐推广。标准贯入试验的英文缩写是SPT，该技术在土木工程的测试机研究工作中应用十分广泛，主要包括对地基土的液化判别、划分残积土和风化岩的界限、估算单桩承载力、估算土层的剪切波速、判别砂土的密实程度和相对密实度、确定砂土的内摩擦角、确定地基土的承载力及模量、确定黏性土状态和无侧限抗压强度等[1-2]。肖先波等[3]利用标准贯入试验可以获得土体标准贯入击数，建立二者之间的区域性相关关系，可以丰富试验数据，降低工作成本。以厦门轨道交通1号线勘察工作为背景，标准贯入试验和旁压试验数据为基础，建立了花岗岩残积粉质黏土、辉绿岩残积粉质黏土修正标准贯入击数与变形模量之间的关系式。研究结果表明，花岗岩残积粉质黏土的工程特性要优于辉绿岩残积粉质黏土。郭淋等[4]以武汉某地铁工程为例，通过标贯试验和室内土工试验，对地基土标贯试验指标N值与土体部分物理力学参数的相关关系进行了研究，并给出了线性拟合关系式及其相关系数。张占荣等[5]以广东某铁路沿线土体为例，通过室内试验、现场试验的对比分析，研究了土体力学参数随标贯击数的变化关系。研究表明：修正的综合强度指标和压缩模量均随标贯击数的增大而增大，相关性较好。上述研究成果为通过标准贯入试验研究土体力学参数提供了一定的理论依据，并可为相关研究提供参考和借鉴。徐佳成等[6]借助VBA语言对Excel进行二次开发，建立了静力触探实验数据库。该数据库不但具有信息量大、操作简单、代码开放等特点，而且具有随着库中数据量的丰富，其分析结果可靠性越高的优点。并且以该库中的上海地区18个工程项目的岩土工程勘察的实验数据为基础，分别对静力触探实验比贯入阻力Ps与土的压缩模量E0、固结快剪指标(ccq、φcq)、以及三轴固结不排水指标(ccu、φcu)做了相关性分析，得到三组关系式；王龙等[7]通过标准贯入试验、静力触探试验及室内土工试验，对滨海新区不同沉积成因下的碱渣的物理力学指标进行统计，并对它们之间的关系进行了对比研究。田丽丽等[8]通过收集天津市区埋深30.0 m以上地层的标贯击数和锥尖阻力，采用SPSS软件进行回归分析两个指标之间的相关性并建立回归公式，基于收集的资料对黏性和砂性土进行回归验证，但由于收集的资料和验证的场地均相对较少，适用范围较小，在使用时还需结合施工经验综合确定。

针对于土体标贯试验击数N值与土体参数的相关性分析，国内外学者已经开展了相关研究工作，取得了一定的研究成果，土体标贯值来自于现场测试，相对比室内试验测试受外界环境影响更小，因此以现场标贯测试数据为基础，探索土体各个参数间的联系具有重要的意义；但是，由于土体结构组成的复杂性以及土体分布具有明显的区域性，不同区域土体性质以及土体各个参数之间的关系差别较大，因此开展特定区域土体标贯试验N值与土体参数的相关性具有重要的实际工程意义。

1 标贯试验原理及数据处理

1.1 工程概况

长江干线武汉至安庆段6 m水深航道整治工程马当河段施工区域位于长江九江至安庆之间的马当河段与东流河段。上起小孤山，下迄吉阳矶，全长约61 km。该工程是国家发改委为响应我国发挥水运比较优势，提升黄金水道功能等一系列发展长江经济带的国家战略措施之一。马当河段施工的主要建设内容为马当水道棉外洲顺坝加高工程、马当水道左槽中段潜坝工程、马当水道棉外中部护滩工程、马当水道瓜子号洲右侧中部护滩带工程、东流水道天玉串沟控制工程、马当水道疏浚工程等。研究试样土体取自马当河段施工区域，该工程区域土体以粉细砂为主，工程勘察及取土范围在地表以下30 m。

1.2 标贯试验原理

标准贯入试验是利用63.5 kg的重锤将标准型号的测试设备击入测试区域的土体之中，从而利用不同的击锤次数来判别该区域土体的工程性质，由于该测试技术为现场试验，与室内试验测试相比，其受运输、扰动以及人为干扰等因素影响较少，因而得到了工程专业的广泛认可。

1.3 试验数据处理

标准贯入试验精度的影响因素有很多，如试验测试设备、测试方法以及人为的控制技术等，一般需要对试验测试所得的N值在杆长、上覆压力以及地下水位等几方面进行修正，本文根据规范[9]对标贯击数采用标准值，而对压缩性指标、物性指标和判别土的状态时所使用的物理量均采用平均值，对承载力采用特征值。标贯击数的标准值Xk可按下式计算

Xk=Φ×μ

(1)

式中：Φ为统计修正系数；μ为标贯击数的平均值，击。

式(1)中统计修正系数Φ可按下式计算

(2)

式中：n为标贯击数的数据数量，个，n应不少于6个(组)；δ为变异系数，当δ值较大时，应分析原因，如分层是否合理、试验有无差错，并应同时增加测试数量。

2 标贯试验N值与土体参数相关性分析

标贯试验指标可以更好地反映工程区域土体的物理状态，可以为土体的强度、变形以及地基承载能力等做出评价[10-14]。以现场标贯试验以及部分该区域室内试验指标为基础，建立标贯指标与该区域土体参数的相关性，对评价该工程以及其他相关地区土体参数的研究和设计具有重要实际工程意义。

2.1 标贯数N与土体内摩擦角的关系

土体内摩擦角反映了散粒物料间摩擦特性和抗剪强度。土体内摩擦角的性能主要体现在土颗粒之间的咬合力和材料表面的摩擦力，可以直接反映土体的抗剪强度，是土工工程中地基设计的重要参数。

图1 室内试验土体内摩擦角随深度分布图

图1～图2给出了长江航道整治工程马当河道区域室内试验内摩擦角以及现场标贯击数随土层深度的分布规律，该工程区域内土体的内摩擦角分布较为集中，分布范围多集中在10°～30°，而土层的标贯击数分布较为分散，分布范围在1～60。由图可以看出，随着土层深度的增加，该工程区域土体的内摩擦角有逐渐增大的趋势，而该区域的标贯击数随土层深度增加更为明显。

图3 土体内摩擦角与标贯击数关系曲线

由图3可以看出：长江航道整治工程马当河道区域土体内摩擦角与其标贯击数呈幂函数关系，标贯击数在0～30范围内土体的内摩擦角随标贯击数增加较为明显，当标贯击数大于30时，土体的内摩擦角随标贯击数增加而增大，但随着标贯击数的增加，其增大趋势逐渐平缓。砂土的内摩擦角反映了土颗粒的表面摩擦力、颗粒间的联锁和咬合作用，进而可以反映该地区土层情况。具体土体内摩擦角与标贯击数的关系式为

c=11.28N0.2824

(3)

式中：c为土体内摩擦角，N为标贯击数。

2.2 标贯击数N与地基承载力关系

地基承载力特征值是由载荷试验测定的地基土压力变形曲线线性变形段内规定的变形所对应的压力值确定，其最大值为比例界限值。可由载荷试验或其他原位测试、公式计算，并结合工程实践经验等方法综合确定[15]。

图4 地基承载力与标贯击数关系曲线

图4给出了长江航道整治工程马当河道区域地基承载能力与标贯N值的关系曲线。由图4可以看出，该工程区域地基承载能力与标贯击数基本呈线性关系，随着标贯击数的增大，工程区域地基承载力不断增加，试验数据中标贯击数主要集中在20～40，地基承载能力在200～400 kPa。土体的地基承载力与标贯击数表达式为

fak=5.39N+122.3

(4)

式中：fak为地基承载力，N为标贯击数。

2.3 标贯击数N与压缩模量的关系

土的压缩模量指在侧限条件下土的垂直向应力与应变之比，土体的压缩模量可以直观地判断土体压缩性能，是计算地基沉降变形的重要指标。土体的压缩模量一般通过室内试验测得[15]。土的压缩模量指标一般用Es来表示，土体压缩模量Es越大，土的压缩性越小；反之土体的压缩模量Es越小，则土体的压缩性就越大。

图5 土体压缩模量与标贯击数关系曲线

图5是长江航道整治工程马当河道区域土体的压缩模量与标贯N值的关系曲线。由图5可以看出，该工程区域土体的压缩模量随着标贯击数的增加而增大，该工程区域土体的压缩模量与标贯击数基本呈线性关系，土体的压缩模量主要分布在10～35 MPa范围内。土体压缩模量与标贯击数的关系式为

Es=0.4N+7.892

(5)

式中：Es为土体压缩模量，N为土体标贯击数。

3 结论

建立标贯指标与土体参数的相关性，对相关地区土体参数的研究和设计具有重要实际工程意义。针对长江航道整治工程马当河道整治区域现场标贯指标与土体参数的相关性进行分析，得到如下结论：

(1)研究区域土体参数主要以砂土为主，土体的内摩擦角和现场标贯N值随土层深度的增加有所增大，土体的内摩擦角与现场标贯N值呈幂函数关系；

(2)土体的地基承载力与现场标贯N值呈线性关系，研究区域内土体的地基承载力随现场标贯N值增加而增大；

(3)研究区域土体的压缩模量与现场标贯N值呈线性关系，土体的压缩模量随现场标贯N值增加而增大。