标准贯入试验在桂林市红粘土地基承载力确定中的应用

0 引言

标准贯入试验是原位测试中一种重要的试验方法，也被大量应用于工程实践。同时人为操作因素和机械设备本身因素，也在一定程度上影响标贯试验的准确性[1-5]。标准贯入试验测量击打能量的试验研究表明，锤击的冲击力的波动会对试验的锤击数产生较大影响[6]；不同直径钻杆配置下中英标贯锤击能量比特征表明，钻杆的杆长以及杆的直径等因素都对标贯试验的结果产生影响[7]；不同深度下土的的压力对试验的结果会产生影响。在工程实践中一般会忽视杆长修正以及上覆压力的修正，目前国内对这方面的研究很少。这些因素都会造成标准贯入试验结果与土层的真实承载力有一定的差异。

本次研究通过标准贯入试验与平板载荷试验进行对比，将标准贯入试验结果与平板载荷试验的得到的桂林市红粘土地基承载力特征值进行比较。从试验原理、不同深度下的土压力差异以及钻杆因素3个方面来分析产生的承载力差异的原因。讨论了造成标准贯入试验差异的因素。

1 试验方案

1.1 试验场地

试验场地选择为广西师范大学育才校区外国留学生公寓，位于桂林市育才路15号广西师范大学育才校区内(图1)。原地形为坡地，大致由西北高、东南低，东侧为广西师范大学国际教育交流中心，南侧为球场，西侧道路之外为学工部、兵乓球、举重馆，北侧砼道路。试验场地地貌比较单一，属于侵蚀堆积地貌区波状堆积平原亚区。

1.2 试验实施

本次进行的试验包括标准贯入试验和平板平板载荷试验。本次野外原位测试试验选取5个试验点1#、2#、3#、4#、5#，其中1#与2#点位相距20m，1#与3#间距为10m。试验点进行对比试验，包括标准贯入试验、平板载荷试验，间距为0.5m。其中试验点1#、5#进行了平板载荷试验，具体试验点及布置见图2。同时取部分土样进行土工试验[8]。

很多教师在课堂练习中没有将新课程标准的相关理念与实际教学相结合，只注重书面练习，其他形式相对缺乏，如社会实践题、口头练习和动手练习等；在课堂练习中单纯注重基础知识和基本技能的训练，缺少思维训练，未能认识到学生个人思维的重要性。

1.3 桂林市红粘土的物理、力学性质

整理土工试验的数据，得到了桂林市红粘土的物理、力学性质指标(表1，表2)。

  

图1 交通位置图Fig.1 Traffic location map

  

图2 试验点布置图Fig.2 Test site layout

 

表1 桂林市红粘土的物理性质Table 1 Physical properties of red clay in Guilin

  

含水率ω(%)天然密度ρ(g/cm3)液限WL(%)塑限WP(%)液性指数IL(%)塑性指数IP(%)32.921.8655.1828.340.1626.85

 

表2 桂林市红粘土的力学性质Table 2 Mechanical properties of red clay in Guilin

  

压缩系数α(Mpa-1)压缩模量E(MPa)粘聚力c(kPa)内摩擦角φ(°)0.238.8647.7413.24

由表1可见，桂林市红粘土的含水率比较高，液性指数为0.16%，0<IL≤0.25%，说明桂林市红粘土多为硬塑状态。红粘土为塑性指数26.85%，表明桂林红粘土属于高液限，高塑性土。

调取天津市某三甲医院2016年1～6月和2017年1～6月医保患者住院信息，包含患者的性别、年龄、医保类别、住院科室、疾病名称、住院天数、住院总费用、药品费、检查费、材料费、手术费、治疗费、床位费、输血费和其他住院费用，医保支付金额、自费金额等信息。

由表2可见，硬塑状态的红粘土压缩系数小于0.3MPa-1，压缩模量的值为8～11MPa，属于中—低压缩性土，红粘土的抗剪强度较高，有较强的粘聚力，具较稳定的结构和工程性质。

2 承载力特征值

2.1 标准贯入试验

1#、5#标准贯入试验结果见表3，其中1#、5#统计个数分别为7个和5个，平均值分别为7.8、9.0，

 

表3 标准贯入试验数据Table 3 Standard penetration test data

  

试验点深度(m)NN(修正)承载力特征值(kPa)1.0^1.355145.001.95^2.2577190.002.75^3.0577190.001#3.55^3.8598205.004.35^4.65109220.005.15^5.451110257.505.95^6.2598205.000.65^0.9588 205.00 1.15^1.4588 205.00 5#1.6^1.988 205.00 2.25^2.5599 220.00 2.8^3.11212 310.50

标准差分别为1.7、1.7。经过杆长修正以后，统计标准贯入数据，数据采用标准正态分布，参照《建筑地基基础设计规范》(GBJ7-89)运用式(1)进行修正，得到1#、5#修正后标准贯入锤击数分别为5.1、6.2。

由于不同地区的自然条件，社会经济发展水平和历史文化差异等多重因素的影响，新疆旅游等级景区的水平还存在明显的空间发展不平衡现象，各区所拥有的A级景区数量也不相同。

N=μ-1.645σ

(1)

计算得到表8。

由表3可见，随着深度的增加，标准贯入试验的锤击数也随着增大，其得出的承载力特征值也会增大。参照《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)和《广西壮族自治区岩土工程勘察规范》(DBJ/T 45-002-2011)，查表可以得到场地内红粘土地基承载力，图3为场地内1#、5#不同深度下的地基承载力，地基承载力结果见表4。

围绕数与形相互转换，初等数学中已形成了一种非常重要的数学思想方法，即数形结合的思想方法。数学家华罗庚先生曾经写过一首词，很形象地反应了数形之间的这种辩证关系：“数与形本是相倚依的，焉能分作两边飞，数缺形时少知觉，形少数时难入微，数形结合百般好，隔离分家万事非，切莫忘，几何代数统一体，永远联系，切莫分离”〔1〕25。

由图3可见，随着红粘土深度的增大，标准贯入试验得出的红粘土承载力特征值亦是增大的。

  

图3 不同深度下地基承载力特征值Fig.3 Eigenvalue of bearing capacity of foundation at different depths

 

表4 桂林市红粘土承载力特征值-标准贯入试验Table 4 Eigenvalue of bearing capacity of red clay in Guilin - Standard penetration test

  

试验点N承载力特征值(kPa)1#5.1 151.75 5#6.2 172.00

2.2 平板载荷试验

从原理上来看，标准贯入试验也是动力触探的一种。试验时，落锤自由落下冲击垫板，冲击力由探杆传送给最下端的探头刺入土层。下落过程中落锤的重力势能逐渐转化为动能，落锤接触垫板后带动探杆和探头向下运动，由于探头刺入土体时受土体摩擦力作用，动能迅速转化为下伏土体的弹性变形能。

  

图4 平板载荷试验p-s曲线图Fig.4 p-s curve of plate loading test

 

表5 桂林市红粘土承载力特征值-平板载荷试验Table 5 Eigenvalue of bearing capacity of red clay in Guilin - plate loading test

  

试验点承载力(kPa)1#1805#240

通过对平板载荷试验结果(图4)进行分析，1#试验点的p-s曲线比较圆滑，说明各级的沉降比较均匀，在加载到第8级后，沉降趋于平和。5#试验点的p-s曲线变化较大，在1～10级荷载下，各级沉降比较均匀。

由图3和图4可见，标准贯入试验计算出的地基承载力，相对平板载荷试验数据明显偏小。1#试验点的标准贯入锤击数，总体变化趋于平缓，没有较大变化，这与平板载荷试验的沉降变化趋势一致。5#试验点在深度较小的地方，标准贯入锤击数增长缓慢，随着深度增加，有一个明显的增大，这与5#试验点平板载荷试验的沉降变化趋势一致。

综上分析，标准贯入试验结果与平板载荷试验得出的红粘土地基承载力有一定的差异。同时发现标准贯入试验与平板载荷试验在锤击数与土层深度变化上，与平板载荷试验的沉降变化趋势相似。

3 差异分析

通过标准贯入试验和平板载荷试验，发现两种原位测试方法得到的红粘土地基承载力有一定的差异性。对于桂林红粘土来说，标准贯入试验结果与实际情况也有一定的差异性，下面从试验原理差异、不同深度的地基承载力差异以及钻杆材质差异3个方面来进行分析。

3.1 试验原理差异

平板载荷试验是当前检测地基承载力的各种方法中应用效果最好的一种原位测试方法。其试验过程是分别在桩顶逐级施加轴向压力、轴向上拔力或在桩基承台底面标高一致处施加水平力，观测桩的相应检测点随时间产生的沉降和位移，绘制荷载与位移的关系图(即(p-s曲线)，根据p-s曲线来判定土的极限承载力特征值。通过平板载荷试验绘制荷载-沉降(p-s)曲线(图4)。运用拐点法和极限荷载法取值地基承载力特征值，从而得到试验点的地基承载力特征值(表5)。

万江南、刘裕华[6]有关于标准贯入试验测量击打能量的试验研究，则可以从标准贯入试验击打力的变化来分析标准贯入试验产生差异的原因。采用简化运动方程式分析方法，假设重锤为一个绝对的刚体，即重锤自由落体冲击锤垫后，在重锤内部没有应力波产生；假设钻杆受到的是均匀的阻抗，同时也忽略钻杆内部产生的反射波，可以不考虑钻杆接头的影响，冲击模型见图5。

  

图5 标准贯入试验冲击模型Fig.5 Impact model of standard penetration test

根据上述假设，套用简化运动方程式，可用以下方程式来表示冲击锤在与钻杆接触的瞬间的平衡状态：

 

(2)

式(2)中：MH为重锤的质量；V(t)是t时刻钻杆上质点的速度；Ar为钻杆的断面积；σr为钻杆的应力。当时间t=0时，其中g为重力加速度(g=9.8 m/s2)，h为锤的落距。

这样的“校外足球”成为了吸引孩子们投身足球运动的主要手段。英国许多精英球员的发现与挖掘大都来自社区足球活动。社区足球不仅为俱乐部输送大量青少年球员，也为俱乐部融入当地、募集资金、提升俱乐部形象、培养球迷等方面起到了不可替代的作用。

求解式(2)，得：

国内标准贯入试验常用的钻杆φ50、φ42钻杆，根据《钻探用无缝钢管》(GB/T 9848-2008)的5.1.1的相关条款[11]，钻杆的理论计算公式[12]：

Fr(t)=z·V(t)

(3)

式中pr为钻杆密度，cr为弹性波在钻杆内的传播速度。

例(1):“Judge, do I understand you to say that man is not guilty that murdered my husband without any cause before my own eyes and my little children’s, and that all has been done to him that ever justice and the law can do?”

根据线弹性理论，假设：

 

式中γ为粘土的重度(取19.3 kN/m3)，H为深度。

运用上式进行理论计算，在不考虑接头以及钻杆的尺寸以及阻抗变化的前提下，一个完整的钻杆上的冲击力随时间变化的曲线特征十分明显(图6)。落锤对垫板的冲击力，作用时间短，落锤速度随时间变化快，属于典型的动力荷载。同时发现标准贯入试验的锤垫的材料对试验会产生一定的影响，锤垫材料的不同会影响落锤与锤垫的冲击时间，也同样会影响冲击过程中的能量传递，这些都会影响标准贯入试验的准确性。钻杆的材料一般为碳钢，包括碳素结构钢(Q235)和优质碳素结构钢(45型)，由于材料的不同的，材料的性质也有差异(表6)[9]。

  

图6 理论计算时间-冲击力Fig.6 Theoretical calculation of time - impact force

 

表6 不同材质的钻杆性质Table 6 Properties of drill rods made of different materials

  

碳钢型号弹性模量E(MPa)泊松比v密度ρ(g/cm3)Q2352100.287.85452060.287.8550mn2000.37.85

由表6可见，不同材质的弹性模量以及泊松比的不同，从而计算出不同材质的冲击力与时间的关系(图7)。

  

图7 不同材质的钻杆时间-冲击力Fig.7 Calculation of time - impact force of drill rods made of different materials

综上分析，标准贯入试验在刚开始的时刻会产生一极大值的应力，然后冲击力会随时间呈现双曲线形递减规律。因为贯入器是空心的，在受到冲击力的作用下，将会有一部分土体被挤压进标准贯入器，在贯入过程中，贯入器同时会对端部和周围土体产生挤压作用和剪切作用。即使是自由自动落锤，由于冲击力变化的原因，传递给触探杆的锤击能量也会有很大的波动情况，对于不同的设备、不同的操作水平，锤击的能量的波动会更大，这对标准贯入试验锤击数会产生较大的影响。同时在生产实践中由于钻杆材质不同，导致冲击力的变化和波动也会更大，从而影响试验的准确性。

3.2 深度差异

随着试验深度的变化，土体中的应力也随之会发生变化。土力学中假设土体是均匀的半无限体，而且假设天然地面是一个无限大的水平面。当土体中任意一点在某一平面上的剪应力达到土的抗剪强度时，就会发生剪切破坏，该点处于极限平衡状态。

在粘性土中有如下公式[10]：

σ1=σ3·tg2(π/4+φ/2)+2·c·tg(π/4+φ/2)

(7)

式中σ1为最大主应力，σ3为水平应力，φ为内摩擦角，c为粘聚力。

在深度H处的平面上，竖向应力即自重应力，有下列公式：

服务情境下，一线员工实施顾客导向型偏离的动力因素一直是学者们的研究重点，已有研究从不同视角和层面探讨了顾客导向型偏离的动力机制。

σ=γ·H

(8)

式中E为弹性模量。

通过计算，可以得到不同深度下土体中受到的压力(表7)。

σ3=K0·σ

(9)

式中K0为土的静止侧压力系数，

K0=υ/(1-υ)

(10)

式中υ为粘土泊松比(硬塑可取0.3)，即K0=0.43。

水平上应力公式为：

综上所述，不管是民族音乐，抑或是传统音乐，对其进行研究的核心思想就是希望通过研究进而更好的促进音乐的进步和发展，只有发现和寻找到不同音乐研究之间的影响，才能更好的将不同类型的音乐以及所代表的不同文化进行更好的交流和融合，从而实现音乐总体上的发展进步。

由表7可见，发现在土体中随着深度的增大，土中的应力σ、σ1、σ3也会随之有明显的增大。在标准贯入试验贯入过程中，贯入器同时会对端部和周围土体产生挤压作用和剪切作用。由于土体中应力的增大，会导致贯入器的贯入难度增大，从而使试验的锤击数会变大，影响最后得到地基承载力的结果。

 

表7 不同深度下土压力Table 7 Soil pressure at different depths

  

深度(m)σ(kPa)σ1(kPa)σ3(kPa)c(kPa)φ(°)119.376.148.3057.3912.62238.669.7516.6054.4214.54357.966.2424.9031.006.10477.2116.7733.2059.666.33596.5102.6041.5064.8411.816115.8137.3449.7959.324.55

3.3 钻杆差异

（3）立法管理。政府和相关部门必须依靠法治实现水资源的统一管理，并将这种水资源管理作为管理的一种新模式，与此同时立法部门和执法部门具有与实现统一管理相适应的法律制度和执法制度。

质量/m=(外径-壁厚)×壁厚×0.2466

(11)

式(1)中N为标准贯入试验锤击数；μ为平均值；σ为标准差。

 

表8 钻杆性质表(φ50-φ42)Table 8 Properties of the drill rods(φ50-φ42)

  

钻杆外径(mm)内径(mm)壁厚(mm)质量/m(kg)φ505038.85.66.13φ4242325.04.56

在处理标准贯入试验结果需要进行杆长修正。

2.1 连作障碍严重 连作会使土壤养分严重失调[3]，产生次生盐渍化和酸化，土壤微生物种群失调，土传病害和虫害增加，导致作物产量降低，品质变劣[4]。自20世纪80年代至今，渭河流域韭菜种植已有30多年的历史，许多地块已连续种植多年。由于极少采取休耕、倒茬等农业措施，产量已由以前的6万kg/hm2下降到现在的3.75～4.50万kg/hm2，减产25%以上；原来较少发生的病害如韭菜疫病、灰霉病也开始发生，严重影响着渭河流域韭菜产业的可持续发展。

N=αN1

(12)

以弹性杆件弹性波动理论为基础，得到杆长修正系数α[13]。

播娘蒿、荠菜、猪秧秧混生的旱茬麦田可选锐超麦（氟氯吡啶酯·双氟）单用，但牛繁缕、荠菜、猪秧秧混生的稻茬麦田则必须加入氯氟吡氧乙酸（阔封、使它隆等）才能取得好的防效。也可用双氟磺草胺与唑嘧磺草胺混用。

α=1-exp(-4m/M)

(13)

式中m为杆件的质量，M为锤的质量。

本研究收集的100例患者中，术后有21例产生尿潴留，占21%。对患者麻醉方式、麻醉药量、术中补液、术后镇痛等进行单因素分析，术后尿潴留组与非尿潴留组差异具有统计学意义（P＜0.05），见表1。

计算得到不同试验深度下的杆长修正系数(表9)(注：《建筑地基基础设计规范》(GBJ7-89)规定当试验深度大于3m需要进行杆长修正)。

 

表9 杆长修正系数Table 9 Correction factors of drill rod length

  

杆长(m)φ42φ5040.680.7950.760.8560.820.9070.870.9380.900.9590.920.97

由表8和表9可见，单位长度每米φ50钻杆比φ42钻杆质量和侧面积都大。因为钻杆直径的增大，杆件的质量也会增大，会影响最后标准贯入试验的锤击数的大小。钻杆在标贯试验中起传递落锤锤击能量的作用，用φ50钻杆代替φ42钻杆进行标贯试验，因为φ50钻杆直径的变大，钻杆质量的变大，在进行标准贯入试验时，锤击的动能在钻杆长度范围内的能量损耗也会相应增大，从碰撞过程能量守恒方面来考虑，冲击的能量在传递到钻杆底端贯入器上的时候，会有一定程度的减小，导致标准贯入器贯入土层的能力降低，标准贯入试验的锤击数偏大，从而导致计算出来的地基承载力偏大。本次试验使用的是φ50钻杆，但在工程实践中通常会使用φ42钻杆，这会造成标准贯入试验的结果有差异。

4 标准贯入试验的影响因素

标准贯入试验本身也具有一定局限性，实验设备、钻进方式、人为操作、土体均匀程度等因素都对试验结果有一定程度的影响[14-15]。

(1)试验设备：导向杆的倾斜会增加穿心锤在下锤时的阻力，触探杆的偏斜同样也会增加杆与钻孔孔壁的摩擦，从而减少锤击的能量，这都对试验的锤击数产生很大的影响，从而影响试验的准确性。

(2)钻进方式：本次试验中笔者们是采用回转钻进成孔的方式，试验过程分为全芯取样和下标准贯入器进行试验两个阶段，首先采用全芯取样方式回转钻进到预定距离，再下贯入器试验，这种钻进方式会使孔底的粘土层密实度增加，使锤击数的准确性受到影响。

(3)人为操作：根据相关的规范和经验，控制落锤下落的速度和高度是很有必要的。落锤的速度应该最好控制在30次/min，高度在实际操作过程中，因落锤的速度较难控制，充满随机性和偶然性。试验过程中，落锤是否保持在0.76m自由下落，同时在下探杆和贯入器过程中，会有冲击孔底的现象，会对试验结果产生影响。

(4)土体均匀程度：是很重要的影响因素。不均匀分布的红粘土，性质会有很大的差异，红粘土中含有砂砾或碎石等，都会对标准贯入试验的锤击数的确定有影响。试验结果分析方面，由于土体本身的不均匀性及各向异性，一般需要考虑剔除一些异常数据，这亦将带来结果不准确性。

壮拳不仅是壮人生存斗争的工具，更是狂欢时刻“手之舞之足之蹈之”的娱神娱人之手段。壮人有着自己独特的事关宗教信仰的民俗和节庆活动，如“三月三”歌节、牛魂节、蚂拐节、中元节等壮族特有的节庆以及节庆中的民俗体育活动无不体现着对天神、雷神、牛神、蛙神、“布洛陀”、祖先、大树等信仰中的“自然崇拜、鬼魂崇拜、祖先崇拜、英雄崇拜、图腾崇拜、动植物崇拜”[12]，神祗众多，信仰繁杂。

5 结论

通过标准贯入试验与平板载荷试验的对比试验，分析两个试验计算出的红粘土地基承载力之间的差异，从试验原理、不同深度下的土压力差异以及钻杆因素3个方面分析产生的承载力差异的原因，讨论造成标准贯入试验差异的因素。

(1)将标准贯入试验结果与平板载荷试验得出的地基承载力特征值进行比较，发现标准贯入试验的结果与平板载荷试验存在差异。

(2)分析产生差异的原因，包括试验过程中冲击力的波动造成的能量损失，发现钻杆材料的性质差异会影响冲击力的变化和传递，随着试验深度的增加，导致钻杆在土体中受力的增大，锤击数也随着增大，从而影响试验结果的准确性；钻杆直径的变大造成钻杆质量和横截面积的增大，使修正计算出来的锤击数增大，导致计算出来的地基承载力会产生差异。

(3)影响标准贯入试验结果的因素还包括试验设备、人为操作、钻进方式等，要求工程实践中，严格按规范操作，减少偶然的误差，提高试验的准确性。

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