標準貫入試驗N值應用之彙整(一)


標準貫入試驗N值 為大地工程應用最廣且最為經濟之調查手段之一

在大地工程之地質鑽探中,標準貫入試驗N值原係用於研判地層之軟弱或緊密程度,可說是應用最廣、資料最豐富且最為經濟之調查手段之一。

一般基礎設計分析之正規方法,係先於工程範圍內進行鑽探、取樣及試驗,取得所需之地層強度及物理參數經研判後做為設計之依據,然而諸多地層狀況如礫石層、深層之不擾動土樣或極緊密砂土層等並無法很順利地取得試體。同時,地質鑽探係屬隨機取樣,通常受限於經費之考量下,全面的取樣、試驗來獲得地層參數資料並不容易。因此,標準貫入試驗N值在地層調查中便顯得重要。同時,自1948年Terzaghi & Peck 提出N值與砂性土壤之相對密度、容許承載力;N值與黏土強度、容許承載力等間之關係以來,已累積相當多的資料可供大地工程設計之參考。因此,以下乃彙整一些在設計考量上較為常用之關係式。

一、標準貫入試驗

本試驗方式乃於鑽桿上端連接附裝有鐵砧之滑桿,將63.5 kg之夯錘套入滑桿內,使夯錘自由落下,打擊鐵砧。夯錘用麻繩吊取,落錘高度76.2cm,夯擊取樣器使之入土30.48cm時所需之錘數,即為標準貫入試驗之打擊數N值。開始夯擊取樣之前,首先夯擊入土15.24cm後再以每15.24cm計數一次,分別記錄,直到擊入土中30.48cm或擊數達到100為止。

二、地層研判

工程規劃或初設階段,引用工區鄰近地質鑽探資料之標準貫入試驗N值來研判地層鬆軟程度,甚至利用N值來判定承載層之深度。Terzaghi & Peck 提出黏性土壤N值與單壓強度之關係如表1所示。另砂性土壤N值與相對密度之關係如表2所示。

表1 黏性土壤N值與單壓強度之關係

標準貫入試驗

判    別

單壓強度

N值

q(ft/ft2)

<2

極軟弱 (Very Soft)

<0.25

2~4

軟弱 (Soft)

0.25~0.50

4~8

中等  (Medium)

0.50~1.00

8~15

堅硬 (Stiff)

1.00~2.00

15~30

極堅硬 (Very Stiff)

2.00~4.00

>30

堅實 (Hard)

>4.00

 

表2   砂性土壤N值與相對密度之關係

標準貫入試驗

判    別

相對密度Dr

N值

(Terzaghi & Peck)

(Gibbs & Holtz)

0~4

極疏鬆 (Very Loose)

<0.20

4~10

疏鬆 (Loose)

0.20~0.40

10~30

中等  (Medium)

0.40~0.60

30~50

緊密 (Dense)

0.60~0.80

15~30

極緊密(Very Dense )

0.80~1.00

 

 

三、土壤物理性質與N值之關係

利用N值推估土壤物理性質之關係,可分為下列數點來說明。

(1)土壤單位重與N值之關係

在黏土地層中,標準貫入試驗不僅與粘土組構、黏土組成礦物有關,亦與沈積之應力歷史有關,因而N值與黏性土層之單位重並無明顯之規律可循。對於砂性土壤之單位重與N值關係可參考圖1所示之關係曲線,惟不論黏土或砂土地層之單位重,大致上約介於1.65~2. tf/m3 之間。因此,在無相關之資料可供分析使用時,只要採用在此範圍內之數值,對分析結果之影響均不大。

654-2-1

圖1 砂性土壤之單位重與N值關係

(2)相對密度Dr與N值之關係

砂土地層中,相對密度代表土層之鬆緊程度,Meyerhof(1957)提出N值與Dr之關係式為654-2-2 。其中;p為有效覆土壓力。

(3)塑性指數(Ip)與N值之關係

雖黏土地層之單位重與N值並無明顯之規律可循,然而若有一可參考之範圍值來推估單壓強度(qu)值時,亦不失為方法之一。圖2為654-2-3關係圖,顯示當Ip值愈大時,N/qu值愈小,亦隱含著在相同N值下Ip值愈大,qu值愈大。

654-2-4

四、土壤力學強度參數與N值之關係

土壤力學強度參數包括c值與ψ角,其與N值之關係經驗公式不勝枚舉,通常僅用於做為初步分析之概略值。

(1)黏土不排水剪力強度654-2-10與N值之關係

設計分析時之黏土強度大都以不排水剪力強度為主,最早係Terzaghi & Peck 提出黏性土壤N值與單壓強度(qu)之關係,而大崎(1959)建議654-2-5;日本道路協會—軟弱地盤對策指針(1977)建議654-2-6。目前,較普遍被採用的黏土不排水剪力強度654-2-10與N值之經驗公式為654-2-7

(2)砂性土壤摩擦角ψ與N值之關係

土壤力學之剪力強度654-2-8中,主要參數為c值與ψ角。因此,在砂質土壤地層進行初步設計分析時,可考慮c=0而直接以ψ角來評估土壤強度。ψ角與N值之關係如圖3所示,其中土壤顆粒形狀及分布情形為:Dunham(a)屬角狀顆粒分佈良好;Dunham(b)屬圓狀顆粒分佈良好或角狀顆粒分佈均勻;Dunham(c)屬圓狀顆粒分佈均勻。

圖3 砂性土壤摩擦角ψ與N值關係

654-2-9

 

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