1、浅析标准贯入试验在各国应用的差异及其能量传递效率的问题【摘要】标准贯入试验是国内外岩土试验中使用最广泛的原位测试技术之一。本文简要介绍了该试验的发展过程，以及一些国家的典型试验方法，并阐述了其差异。纵然各个国家的试验方法不同，但是人们最终关注的是落锤的能量传递效率问题。 【关键词】标准贯入试验；原位试验；落锤；能量传递效率 中图分类号：R318.03 文献标识码：A 文章编号： Abstract: The standard penetration test has been a widely applied in-situ test all over the world. The paper
2、presents a brief history of its development procedure, and compares the difference between some countries that have conducted the typical test methods. Although different countries conduct different methods, researchers always concentrate on the energy ratio passed from hammer to the rod. Keyword: s
3、tandard penetration test; in-situ test; hammer; energy ratio 前言： 近年来各国对标准贯入试验的应用也越来越广泛、技术越来越纯熟。然而，各个国家对标准贯入试验所采用的落锤、落距、能量传递效率、钻杆以及贯入器等是不同的，所以学者们提出了多种基于能量传递效率对标准贯入锤击数 N 进行修正的方法。 一、标准贯入试验 自从人们开始重视砂土液化给国民经济带来的损失之后，对标准贯入试验的研究就成为了各国学者们的重点研究项目，并逐渐成为世界各地使用最广泛的土的抗液化强度的原位测试方法。该方法是将63.5kg（140 磅）的落锤，沿着导杆自由下落 7
4、60mm（30 英寸） ，通过钻杆将一标准贯入器击入土体 300mm（12 英寸） ，记录此时的锤击数 N。然而由于各个国家的具体试验方法不同，落锤通过钻杆传到贯入器的能量大小无法保持一致，范围在 40%到 90%的理论上落锤自由落体所产生的能量。产生如此之大的能量传递差别，主要是由于提升及放下落锤的方法不同，以及其他一些影响贯入阻力的因素。 当标准贯入试验刚开始在美国以及其他一些国家实施时，落锤是通过绳索和滑轮进行起落的，到现在这种方法仍是一种主流的试验方法。当落锤被提升至 760mm 的高度时，试验人员随即将绳索与滑轮脱离，落锤经过自由落体运动直接砸到钻杆顶部固定的铁砧上。由于绳索与滑轮之
5、间的摩擦力无法避免，所以落锤无法完成完全的自由落体运动。所以落锤实际传递的能量取决于试验人员的操作技术以及绳索在滑轮上缠绕的圈数，提升落锤时绳索缠绕的圈数越多，释放落锤时绳索产生的摩擦力越大，落锤传递的能量也就越小。 为了消除滑轮以及绳索带来的能量损失，各国学者们发明了另一种起锤及落锤装置，利用大型机械起锤，再利用脱扣装置落锤，称之为自由落锤法。虽然该方法尽可能大的消除了滑轮及绳索的摩擦带来的能量损失，但是钻杆上端的铁砧也会带来一定能能量损失，所以自由落锤法同样不能传递理论上自由落体所传递的能量。 二、标准贯入试验在美国的应用 美国标准贯入试验所使用的落锤主要有两种，一种是安全锤，一种是穿心锤
6、，安全锤长度更长、横截面积较小；穿心锤长度略短、更截面积较大。美国地区应用较广的起锤落锤装置是滑轮装置，即使使用相同的落锤方式，这两种落锤所传递的能量还是不同的。相同试验条件下，长度较长的安全锤的能量传递效率要不长度较短的穿心锤的效率更高。Kovacs 对美国 56 个钻机及不同的试验人员进行的标准贯入试验进行统计，得出当绳索在滑轮上缠绕两圈时，安全锤的平均能量传递效率为 61%，穿心锤的平均能量传递效率为 45%；同时也说明用穿心锤所做标准贯入试验所得出的标准贯入锤击数 N 要比安全锤所做的试验大 30%-35%。 三、标准贯入试验在日本的应用 根据 Yoshimi 和 Tokimatsu
7、的统计，标准贯入试验在日本主要有三种不同的起落锤方式：自由落锤法，绳索-滑轮法以及改进的绳索-滑轮法，改进的绳索-滑轮法即使绳索与滑轮分部地分离以减小能量损失。根据现场资料统计，利用绳索-滑轮法所进行的标准贯入试验所得的标准贯入锤击数 N 要比自由落锤法所得的 N 值要大 13%。许多学者曾对不同起落锤法所传递的能量效率进行定量统计，然而不同学者对此得出了不同的结论。Nishizawa 发现绳索-滑轮法的能量传递效率为 63%-72%,自由落锤法的能量传递效率为 80%-90%。Decker、Holtz 和 Kovacs 利用美国制造的日本落锤进行自由落锤法试验，得出落锤的平均传递效率为 76
8、%。近年来又有一些学者对现场试验资料进行整理，得出绳索-滑轮法的平均能量传递效率为 80%，自由落锤法的能量传递效率为 67%。由于日本的标准贯入试验利用了较小的铁砧以及横截面较小的落锤和滑轮，所以其能量传递效率普遍高于美国的标准贯入试验。 四、标准贯入试验在中国的应用 唐山大地震之前，中国的标准贯入试验都是用人工的起落锤方法，人们采用人工方式将落锤释放及抬升到特定高度。后来自由落锤法才引入中国并得到了较广的应用，并引入了 Pilcon 锤。根据对唐山大地震的砂土标准贯入试验的资料，Pilcon 锤与中国之前所使用的落锤的能量传递效率基本相同，平均为 60%。根据现场资料显示人工起落锤的方法要
9、比机械自由落锤法的能量传递效率低 20%，更比绳索-滑轮法的能量传递效率低 50%。 五、结论 标准贯入试验作为一种经典的原位测试方法，以及在世界上应用了几十年了，但具体的试验方法在各国还存在差异。 （一）美国的标准贯入试验主要使用穿心锤与安全锤两种落锤，采用自由落锤法与绳索-滑轮法两种方式起落锤；其能量传递效率各自不同，其平均值大致在 45%-60%。 （二）日本的标准贯入试验使用的是横截面更小的穿心锤，采用自由落锤法、绳索-滑轮法以及改进的绳索-滑轮法三种方式起落锤；其能量传递效率的平均值在 63%-90%不等。 （三）中国的标准贯入试验使用的是 Pilcon 锤，采用人工落锤法与自由落锤
10、法两种起落锤方式；能量传递效率在 60%左右。 【参考文献】 1中华人民共和国建设部. 建筑抗震设计规范（GB50011-2010）. 北京：中国建筑工业出版社，2010. 2中华人民共和国建设部. 岩土工程勘察规范（GB50021-2001）. 北京：中国建筑工业出版社，2001. 3Skempton, A. W. Standard Penetration Test Procedures and The Efforts In Sands of Overburden Pressure, Relative Density, Particle Size, Ageing and Over Consolidation. J Geotechnique，1986， 36（3） ，425-477. 4Kovacs, W. D., and Salomone, L. A. Field Evaluation of SPT Energy, Equipment and Methods in Japan Compared with the SPT in the United States. J National Bureau of Standards, U.S. Dept. of Commence, Aug. 1984.
