1、原位测试技术在碳质页岩中的应用摘要：标准贯入试验是一种国际通用的原位测试方法，通过在碳质页岩中进行标准贯入试验，经数理统计得出的试验成果，说明在碳质页岩中进行标准贯入试验研究是可行的。 关键词：标准贯入试验 数理统计 碳质页岩 中图分类号：S611 文献标识码： A 1.前言 原位测试技术包括载荷试验、十字板剪切试验、静力触探试验、圆锥动力触探试验、标准贯入试验、旁压试验等。本文中主要研究的是标准贯入试验在碳质页岩中的应用。 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
2、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。我国从上世纪七十年代初开始大规模普遍使用 SPT，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。 该技术在国内多用于砂类土和粘性土范围，在碳质页岩中的应用则很少。在深圳市宝荷高速公路跨龙岗河桥勘察工程，把 SPT 应用到碳质页岩的研究中，并取得了很好的效果。 2.在碳质页岩中进行 SPT 的由来 龙岗桥的地质环境为湘中测水组的砂、页岩互层地层，
3、是早石炭世晚期海退时形成滨海沼泽而发育形成的一套海陆交互相煤系地层。砂岩、碳质页岩互层在遭受长期风化营力作用下，形成了夹层风化及由上而下风化不均的残积土和风化岩。因为在外观形态上风化岩和残积土很相近，而且野外地质人员往往根据肉眼判别碳质页岩及其残积土，出于安全考虑，所以地质人员会把碳质页岩定得很厚，这样与实际情况会有一定出入。在 SPT 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。由于基岩埋深较深，设计单位提出是否能把桩基置于碳质页岩中。鉴于上述原因，为了
4、准确的划分碳质页岩及其残积土，故而把 SPT 引入到碳质页岩的研究中。 3.试验原则及操作 为了能真实、准确研究岩石的性质，制定以下试验原则： （1）受设备性能和操作熟练程度的控制，保持贯入速度控制在 510秒/击。 （2）按试验标准要求，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，要保持孔底干净不扰动。（3）遇到碳质页岩及其残积土必须进行试验，这样可减少实验数据的离散性和增大实验样本容量。 （4）先取样然后进行 SPT（简称一对一取样） ，减少岩土参数随深度的变异性和与土工
5、试验结果对比。 （5）严格按照 SPT 规范和上述试验原则要求，结合岩芯钻探，由野外地质人员对 SPT 取样进行野外现场鉴定。在龙岗桥工程勘察中，对碳质页岩及其残积土共计进行了 130 次标贯，土工试验取样 100 组，其中一对一取样 82 组。下面就对这 82 组具有关联的土样的土工试验结果与SPT 数据进行分析。 4.测试资料的整理、分析 岩石随风化程度的加剧，其孔隙比势必增大，强度和弹性模量将明显降低。 （1）对所有实测标贯击数 N按公式 N= N进行修正。本文后面提到的标贯击数皆为经杆长修正后的标贯击数。杆长修正系数按表 1 进行取值，区间值按内插法进行取值。 表 1 SPT 杆长修正
6、系数表 图 1 Ne 散点图 （3）对三个散点密集区进行标准贯入击数与土工试验成果进行数理统计。因为是按一对一取样的方法取样，所以试样的岩土参数的变异特征应为均一型，即 0.3。在统计过程中剔除了部分异常值，并结合野外现场对标贯取样的地质鉴定进行综合对比分析。统计分析成果见表 2。从表 2 中空隙比 e 和野外鉴定，可以确定 A 区、B 区分别为碳质页岩风化形成的残积土、强风化岩。那么划分碳质页岩风化形成的残积土和强风化岩的定性指标基本可以确定为 N=30。因此，在龙岗桥工程勘察中，按N30 为残积土；30N50 为强风化岩。以此标准划分整个工区后，区内强风化碳质页岩的顶板均有不同程度的提高，
7、平均每桩 2.15m。通过划分碳质页岩风化形成的残积土和强风化岩以 N=30 作为标准，然后直接利用表 2 的标贯击数估算桩基的桩周极限侧摩阻力和桩端极限端阻力。利用表 2 中的液性指数 IL 查建筑桩基础规范 （JGJ94-94）予估桩基的桩周极限侧摩阻力和桩端极限端阻力和利用施默特曼提出的予估桩基的桩周极限侧摩阻力和桩端极限端阻力的经验表（表 3）进行估算和。 表 3 利用标贯击数 N 估算桩基的桩周极限侧摩阻力（qs）和桩端极限端阻力（qp） 利用上述两种方法进行予估后的估算值见表 4，发现利用施默特曼的予估表估算的极限侧摩阻力值（qs）比查规范的估算值小,且予估表估算的桩端极限端阻力（
8、qp）比查规范的估算值大。但考虑把强风化碳质页岩类比为液性指数 0.25IL0.5 的粘土具有较多的安全储备，就采用了查规范所得的予估值。由于桩长皆大于 15m，且全部为端承摩檫桩，桩端承力应多作安全储备，故桩端极限端阻力取小值。于是向设计单位提供查规范所得的岩土参数。并说明桩端可置于强风化碳质页岩中，同时提高了强风化碳质页岩的顶板界限。 表 4 利用两种方法确定的桩周极限侧摩阻力（qs）和桩端极限端阻力（qp）对比表 5.设计与施工 根据勘察单位提供的岩土参数进行设计验算，对比设计单位提出的承载力要求，验算结果完全满足设计要求。因为砂岩埋深较深，所以在业主、监理、设计、勘察、施工五方共同参加
9、的验桩会议上有 22 根桩的桩端持力层选择置于强风化碳质页岩中，这样既缩短了原设计桩长，也为工程节省了资金。 6.工程回访 龙岗桥建成后，经过多年的运行，桩基沉降已达稳定，运行状况良好。沉降观测资料表明：桥基的沉降值在设计范围内，桥基是可靠的、安全的。龙岗桥的正常运行说明勘察成果满足设计要求，把 SPT 应用到碳质页岩中的研究是可行的、成功的。 7.结束语 （1）龙岗桥的正常运行，证明利用 SPT 来划分碳质页岩风化带可行的。对于确定地基持力层，充分利用风化岩具有现实意义。 （2）SPT 方法本身的粗糙性，使其不能准确的确定桩周极限侧摩阻力和桩端极限端阻力，且这方面的经验很少。望各位同仁在软岩的研究中多尝试使用该试验方法，以积累利用 SPT 确定软岩的桩周极限侧摩阻力和桩端极限端阻力的经验。 参考文献： 1中华人民共和国标准：岩土工程勘察规范 （GB500212001） 2中华人民共和国水利部：工程岩体分级标准 （JGJ72-2004） 3中华人民共和国水利部：土工试验方法标准 （GB/T50123-1999） 4中华人民共和国行业标准：土工试验规程 （SL237-1999） 5陈希哲编著.土力学与地基基础.第三版.北京：清华大学出版社，1998.
