THÍ NGHIỆM XUYÊN TIÊU CHUẨN SPT – NHỮNG VẤN ĐỀ CƠ BẢN

Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT là một trong những thí nghiệm cơ bản của công tác khảo sát địa chất công trình, xuất hiện ở hầu hết nhiệm vụ khảo sát địa chất.

 

1. Giới thiệu về thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT)

Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT là thí nghiệm xuyên động được triển khai trong hố khoan, được dùng làm cơ sở để phân loại những lớp đất đá, xác lập độ chặt của đất loại cát, trạng thái của đất loại sét, xác lập vị trí lớp đất đặt mũi cọc, đo lường và thống kê năng lực chịu tải của cọc, cũng như phong cách thiết kế móng nông … Thí nghiệm này còn được dùng để xác lập chiều sâu dừng khảo sát, nhìn nhận năng lực hoá lỏng của đất loại cát bão hoà nước .

Năm 1902, Công ty C.R. Gow thí nghiệm SPT đầu tiên với ống mẫu đường kính 1 inch (xấp xỉ 2,54 cm), quả tạ để đập SPT nặng 50 kg. Đến năm 1922, thí nghiệm SPT bắt đầu được thực hiện rộng rãi ở Bắc Mỹ khi công ty Gow sát nhập vào công ty Raymond Concrete Pile. Năm 1927, Terzaghi đã đề xuất thí nghiệm SPT được chuẩn hóa như hiện nay ( ống lấy mẫu đường kính 2 inch, quả tạ 63,5kg). Năm 1948, Terzaghi và Peck mô tả chi tiết thí nghiệm SPT trong cuốn sách “ Cơ học đất-Lý thuyết và Thực tiễn”. Từ đó cho đến những năm 1995/1996, SPT trở thành thí nghiệm phổ thông nhất ở Bắc Mỹ. Tuy nhiên, tất cả các nhà khoa học ở Bắc Mỹ đều cho rằng, đây là thí nghiệm bị các nhà thầu lạm dụng nhất (theo nghĩa, nhẽ ra nên kết hợp cùng thí nghiệm CPT, hoặc DMT hoặc thí nghệm khác, thì vì quen thuộc và có sẵn thiết bị, người ta lại chỉ tiến hành thí nghiệm SPT). Ngày nay các nước Châu Âu ít sử dụng phương pháp này, nhưng các nước Bắc Mỹ vẫn dùng rộng rãi SPT

Phương pháp thí nghiệm này thường được vận dụng cho nhiều khu công trình khảo sát thiết kế xây dựng vì một số ít ưu điểm : thiết bị đơn thuần, thao tác và ghi chép diễn giải tác dụng khá thuận tiện, dùng cho nhiều nền đất và độ sâu khảo sát, ngân sách thấp …

2. Một số định nghĩa và thuật ngữ

Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (Standard Penetration Test), SPT: là một trong các phương pháp khảo sát địa chất công trình phục vụ xây dựng các công trình khác nhau. Thí nghiệm được tiến hành bằng cách đóng một mũi xuyên có hình dạng ống mẫu vào trong đất từ đáy một lõ khoan đã được thi công phù hợp cho thí nghiệm. Quy cách mũi xuyên, thiết bị và năng lượng đóng đã được quy định. Số búa cần thiết để đóng mũi xuyên vào đất ở các khoảng  độ sâu xác định được ghi lại và chỉnh lý. Đất chứa trong ống mẫu được quan sát, mô tả, bảo quản và thí nghiệm như mẫu đất xáo động.

Sức kháng xuyên tiêu chuẩn (Standard Penetration resistance), Nspt: Số búa cần thiết để đóng mũi xuyên vào trong đất nguyên trạng 30 cm với quy cách thiết bị và phương pháp thì nghiệm quy định.

3. Nội dung thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT)

3.1. Mục đích

Thí nghiệm dùng để nhìn nhận :
– Sức chịu tải của đất nền
– Độ chặt tương đối của nền đất cát
– Trạng thái của đất loại sét
– Độ bền nén một trục ( qu ) của đất sét
– Kết hợp lấy mẫu để phân loại đất

3.2. Nguyên lý thí nghiệm

Thí nghiệm sử dụng một ống mẫu thành mỏng mảnh với đường kính ngoài 51 mm, đường kính trong 35 mm, và chiều dài 650 mm. Ống mẫu này được đưa đến đáy lỗ khoan sau đó dùng búa trượt có khối lượng 63,5 kg cho rơi tự do từ khoảng cách 760 mm. Việc đóng ống mẫu được chia làm ba nhịp, mỗi nhịp đóng sâu 150 mm tổng số 450 mm, người ta sẽ tính số búa trong mỗi nhịp và chỉ ghi nhận tổng số búa trong hai nhịp cuối và hay gọi số này là ” giá trị N ” .
Trong trường hợp sau 50 búa đầu mà ống mẫu chưa cắm hết 150 mm thì người ta chỉ ghi nhận 50 giá trị này. Số búa phản ảnh độ chặt của nền đất và được dùng để thống kê giám sát trong địa kỹ thuật .

3.3. Dụng cụ thí nghiệm

– Ống mẫu : đường kính ngoài 50,8 mm, đường kính trong 34,9 mm, chiều dài ống chẻ : 609 mm, chiều dài mũi đóng là 57,1 mm .
– Tạ có khối lượng 63,5 kg, rơi tự do trên đế nện .
– Đế nện .
– Cần trượt xu thế .

3.4. Trình tự thí nghiệm

– Bước 1 : Khoan tạo lỗ đến độ sâu dự tính thí nghiệm, vét sạch đáy, hạ ống mẫu SPT và lắp ráp đế nện, cần, tạ …
– Bước 2 : vạch lên cần đóng 3 khoảng chừng, mỗi khoảng chừng 15 cm ( tổng chiều sâu đóng 45 cm ) .
– Bước 3 : Cho tạ rơi tự do ở độ cao 76 cm, đếm và ghi số tạ đóng cho từng khoảng chừng 15 cm .
– Bước 4 : lấy chỉ số tạ đóng của 30 cm sau cuối làm chỉ số SPT .
Khoảng cách thí nghiệm SPT thường thì từ 1 – 3 m, tùy theo độ như nhau của đất nền .

3.5. Hiệu chỉnh số đọc:

Sức kháng xuyên ( N ) nhờ vào vào nguồn năng lượng có ích của búa và chiều sâu của điểm thí nghiệm, do đó sau khi thí nghiệm xong cần phải hiệu chỉnh số đọc khi thí nghiệm .
Năng lượng toàn phần do búa rơi là : E = 63,5 * 0,76 ≈ 48.3 kg. m
Tuy nhiên, nguồn năng lượng E này không trọn vẹn truyền tới ống lẫy mẫu, mà nó còn mất mát nguồn năng lượng xảy ra ở những phần sau :
– Mất mát nguồn năng lượng do ma sát giữa búa rơi và trục hướng dẫn, ma sát giữa dây kéo với ròng rọc
– Mất mát nguồn năng lượng do người thí nghiệm ( loại búa kéo dây qua ròng rọc ) : Khi thả dây để búa rơi, người thí nghiệm không thả tự do mà vẫn hơi níu dây lại ( sợ văng dây, gây nguy hại … )
– Mất mát nguồn năng lượng do ma sát giữa đất lỗ khoan với cần xuyên
Ở những nước đang tăng trưởng, thiết bị SPT thông dụng vẫn là loại nhẫn ( donut ), sử dụng dây kéo trên ròng rọc. Với loại này ở những nước tiên tiến và phát triển, nguồn năng lượng hiệu suất cao là 45 % – 65 %. Tại Nước Ta, tất cả chúng ta chưa có thống kê, nhưng để bảo đảm an toàn, hoàn toàn có thể tạm lấy nguồn năng lượng có ích từ 30 % đến 55 %
Năng lượng hiệu suất cao ( % ) của 1 số ít thiết bị SPT

Loại SPT	Loại nhẫn ( donut )		Loại bảo đảm an toàn ( safety )
	Dây + Ròng rọc	Tự động	Dây + Ròng rọc	Tự động
Bắc Mỹ	45		70-80	80-100
Nhật	67	78
Anh			50	60

Ngoài ra, cùng một loại đất, nếu N60 = 10 tại chiều sâu 1 m, thì tại chiều sâu 30 m hoàn toàn có thể, N60 = 20. Đó là do tại 30 m, áp lực đè nén ngang lớn hơn rất nhiều so với 1 m, do đó cần phải đập nhiều nhát đập hơnDo đó, phải chuẩn hóa N về một giá trị có cùng nguồn năng lượng hiệu suất cao. Ở những nước tiên tiến và phát triển, người ta coi 60 % là nguồn năng lượng có ích trung bình. Vì vậy thường quy đổi N về N60 ( 60 % nguồn năng lượng hữu dụng )
Như vậy, ta cần hiệu chỉnh theo 2 thông số chuẩn hóa dưới đây :
N ’ 60 = N60 * CN = N * CE * CN
Trong đó :
CE = EH / 60 ; với CE là thông số hiệu suất cao và EH là nguồn năng lượng hiệu suất cao có thực của thiết bị
60 – Năng lượng hiệu suất cao tiêu chuẩn ( 60 % )
Ở nước ta, hoàn toàn có thể lấy CE = 0,5 ÷ 0,9
CN – Hệ số độ sâu. Hệ số này được nhiều tác giả yêu cầu như sau :
Liao và Whitman ( 1986 ) : CN = ( 0,9576 / σ ’ vo ) 0,5
Peck ( 1974 ) : CN = 0,77 * log ( 20/1, 05 / σ ’ vo )
Skempton ( 1986 ) : CN = 2 / ( 1 + σ ’ vo )
Ở đây, σ ’ vo là ứng suất hữu hiệu theo phương thẳng đứng ( bar )

4. Tương quan giữa các chỉ tiêu cơ lý của đất và kết quả SPT

4.1. Đánh giá một số chỉ tiêu cơ lý của đất dựa vào kết quả SPT

– Đánh giá độ chặt tương đối của đất rời dựa trên hiệu quả SPT :
Terzaghi và Peck ( 1967 ) tiên phong đưa ra đối sánh tương quan Dr – N ( với Dr là độ chặt tương đối và N là số đọc SPT thô, chưa hiệu chỉnh )

N	0 ÷ 4	4 ÷ 10	10 ÷ 30	30 ÷ 50	> 50
Dr ( % )	0 ÷ 15	15 ÷ 35	35 ÷ 65	65 ÷ 85	85 ÷ 100
Trạng thái	Rât rời	Rời	Chặt vừa	Chặt	Rất chặt

– Đánh giá trạng thái của đất dính dựa trên tác dụng SPT
Szechy và Varga ( 1978 ) đưa ra tương quna giữa độ sệt ( B ) và chỉ số N60, tuy nhiên độ đáng tin cậy của bảng này không cao lắm, vì những đất có độ nhạy cảm khác nhau sẽ có đối sánh tương quan khác đi

N60		2-8	5-15	15-30	> 30
B	> 0 ÷ 0,5	0,25 ÷ 0,5	0 ÷ 0,25	– 0,5 ÷ 0
Trạng thái	Mềm	Dẻo cứng	Nửa cứng	Cứng	Rất rắn

– Đánh giá tính biến dạng của đất dựa trên hiệu quả SPT
+ Đánh giá mô đun biến dạng của cát dựa trên hiệu quả SPT
Ohya và tập sự ( 1982 ) cho rằng, trải qua hiệu quả thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn, ta hoàn toàn có thể sơ bộ dự báo mô đun biến dạng như sau :
E = k. N60 ` ( bar )
Trong đó : k = 5 với đất cát lẫn bụi, sét ;
k = 10 với đất cát sạch, cố kết thường
k = 15 với đất cát sạch, quá cố kết
+ Đánh giá mô đun đàn hồi tức thời của sét dựa trên hiệu quả SPT
Ohya và tập sự ( 1982 ) cho rằng hoàn toàn có thể tạm tính mô đun đàn hồi tức thời :
Eu ≈ ( 6 đến 50 ) * N600, 63 ( bar )
Giá trị trung bình là : Eu ≈ 19,3 * N600, 63
+ Đánh giá mô đun biến dạng của sét dựa trên hiệu quả SPT
Stroud ( 19740 đề xuất kiến nghị cách ước tính mô đun biến dạng không nở hông như sau :
M = 4,1 * N60 nếu Ip ≥ 30 ( chỉ số dẻo )
M = ( 8,6 – 0,15 Ip ) * N60 nếu Ip + Đánh giá mô đun cắt của đất dựa trên kết quả SPT

Worth và tập sự ( 1979 ) cho rằng mô đun cắt tức thời Gmax ( để thống kê giám sát kháng chấn ) hoàn toàn có thể tạm tính
Gmax ≈ ( 60 ÷ 350 ) N600, 77 ( bar )
Giá trị trung bình là Gmax ≈ 120 N600, 77
Mô đun cắt ( dưới tải trọng tĩnh vĩnh viễn ) thường thì chỉ bằng 5 % – 10 % mô đun cắt cực lớn Gmax
+ Đánh giá sức kháng cắt của đất cát dựa trên tác dụng SPT
Cách tính của Peck và công sự :
φ ≈ 54 – 27,6034 e-0, 14N60 ’
Cách tính của Schmertmann
φ ≈ arctg [ N60 / ( 12,2 + 20,3 σ ’ vo ) ] 0,34
Ta có bảng đối sánh tương quan giữa N và φ

N	0 ÷ 4	4 ÷ 10	10 ÷ 30	30 ÷ 50	> 50
Theo Peck và tập sự		28 ÷ 30	30 ÷ 36	34 ÷ 41	> 41
Theo Mayerhof		30 ÷ 35	35 ÷ 40	40 ÷ 45	> 45
Độ chặt tương đối	Rất rời	Rời	Chặt vừa	Chặt	Rất chặt

+ Đánh giá sức kháng cắt của đất sét dựa trên hiệu quả SPT
Các quan hệ giữa sức chống cắt không thoát nước Su và thí nghiệm SPT thường có độ an toàn và đáng tin cậy thấp. Trong đó, hai quan hệ phổ cập là :
Terzaghi và Peck ( 1976 ) : Su = 0,06 * N60 ( bar )
Hara ( 1974 ) : Su = 0,29 * N600, 72 ( bar )
Nên quan tâm rằng, đối sánh tương quan N và Su nhờ vào vào rất nhiều yếu tố khác, ví dụ như tính nhạy cảm của đất sét .
+ Đánh giá năng lực biến loãng của đất dựa trên hiệu quả SPT
Dựa vào những số liệu tích lũy và thống kê, Seed và De Alba đã thiết lập nên mối đối sánh tương quan giữa N ’ 60 với năng lực biến loãng của đất rời. Kết quả đưa ra được đồ thị tương quan giữa 2 đại lượng là : N ’ 60 và tỷ số của τ1 / σ ’ vo ; ta thấy cùng với giá trị N ’ 60, đất tốt hơn ( có năng lực kháng chấn cao hơn ) là đất có hàm lượng hạt mịn nhiều hơn trong cấp phối của cát .

4.2. Đánh giá một số chỉ tiêu cơ lý của đất dựa vào kết quả SPT theo tiêu chuẩn hiện hành tại Việt Nam (TCVN (9351-2012)

– Quan hệ giữa sức kháng xuyên tiêu chuẩn NSPT và sức kháng xuyên tĩnh đầu mũi qc

Thứ tự	Loại đất	Tỷ số qc / NSPT
1	Sét	2
2	Sét pha	3
3	Cát hạt mịn	4
4	Cát hạt trung, thô	5 ÷ 6
5	Cát hạt trung lẫn sạn sỏi	> 8

Từ mối quan hệ trên, ta hoàn toàn có thể xây dựng biểu đồ mối đối sánh tương quan giữa tỷ số qc / NSPT và thành phần hạt của mẫu đất
– Đánh giá một số ít chỉ tiêu cơ lý của đất theo tác dụng SPT
+ Đối với đất rời :

Trạng thái	Dr (%)	NSPT	φ  ( ͦ )
Xốp			25,00 ÷ 30,00
Chặt vừa	30 ÷ 60	10 ÷ 30	30,00 ÷ 32,30
Chặt	60 ÷ 80	30 ÷ 50	32,30 ÷ 40,00
Rất chặt	> 80	> 50	40,00 ÷ 45,00

Quan hệ giữa góc ma sát trong và sức kháng xuyên tiêu chuẩn, hoàn toàn có thể như sau :
φ = ( 12 + NSPT ) 0,5 + a
Mô đun biến dạng E ( MPa ) :
E = [ a + c ( NSPT + 6 ) ] / 10
Trong đó : a là thông số, được lấy bằng 40 khi NSPT > 15 ; lấy bằn 0 khi NSPT

NSPT

Độ sệt

qu, MPa

Chảy 2 ÷ 4 Dẻo – chảy 0,025 ÷ 0,050 4 ÷ 8 Dẻo 0,050 ÷ 0,100 8 ÷ 10 Cứng 0,100 ÷ 0,200 15 ÷ 30 Rất cứng 0,200 ÷ 0,400 > 30 Rắn > 0,400

5. Tính toán móng theo kết quả SPT

– Ứng dụng trực tiếp tác dụng SPT vào phong cách thiết kế móng nông
+ Đánh giá sức chịu tải của nền dựa trên hiệu quả SPT
+ Dự báo độ lún dựa trên hiệu quả SPT
– Ứng dụng vào dự báo sức chịu tải của cọc
– TCVN 9351 – 2012 đưa ra một số ít công thức tìm hiểu thêm sau :
+ Móng nông : Sức mang tải được cho phép của móng băng trên đất hạt rời hoàn toàn có thể tính theo công thức
σ = a * NSPT / 10
trong đó : a được lấy bằng 1 so với đất không bão hòa ; lấy bằng 2/3 so với đất bão hòa
+ Móng cọc : Công thức tổng quát thống kê giám sát sức mang tải được cho phép của móng cọc theo tác dụng SPT hoàn toàn có thể lấy theo ý kiến đề nghị của Bộ Xây dựng Nhật
Q = [ αNAAp + ( 0,2 NSLS + CLc ) πD ] / 3
Trong đó : Q. là sức mang tải được cho phép của cọc ( T, tấn )
Ap là tiết diện cọc ( mét vuông )
D là đường kính cọc ( m )
Ls là chiều dài đoạn cọc nằm trong đất cát ( m )
Lc là chiều dài đoạn cọc nằm trong đất sét ( m )
NA là giá trị NSPT của đất dưới mũi cọc
NS là giá trị NSPT của đất cát bên thân cọc
C là lực dính của đất sét bên thân cọc ( T / mét vuông )
α nhờ vào vào giải pháp xây đắp, α = 30 với cọc bê tông cốt thép, đóng hoặc khoan dẫn, α = 15 với ọc khoan nhồi

6. Nhận xét về thí nghiệm SPT

– Theo Kulhawy và Trautmann ( 1996 ) và nhiều tác giả khác, trong tổng thể những thí nghiệm hiện trường, thí nghiệm SPT là thí nghiệm có độ đáng tin cậy kém nhất. Các chỉ tiêu ước tính từ thí nghiệm SPT thường cũng có độ an toàn và đáng tin cậy thấp .
– Thí nghiệm SPT dễ làm, thuận tiện, vì triển khai ngay trong hố khoan thăm dò, phối hợp lấy mẫu không nguyên dạng dùng miêu tả và thí nghiệm phân loại đất, thí nghiệm thực thi được ở độ sâu đủ lớn. Ngân sách chi tiêu cho thí nghiệm không quá đắt ; Thí nghiệm hoàn toàn có thể triển khai với hầu hết những loại đất. ( có lợi thế so với những thì nghiệm hiejn trường khác )

– Số đo sức kháng xuyên tiêu chuẩn NSPT cung cấp được thông số cần thiết để tính toán nhiều chỉ tiêu cơ lý; đặc biệt phù hợp với những ứng dụng ước tính sức chịu tải, ước tính chỉ tiêu kháng cắt. Tuy nhiên do sai số và độ tin cậy thấp nên lưu ý sử dụng thông số này cho phù hợp.

– Việc hiệu chỉnh và xử lí sai số của hiệu quả NSPT đã giúp nâng cao độ an toàn và đáng tin cậy của thí nghiệm hơn. Những nâng cấp cải tiến mới của thí nghiệm, đó là SPT-T ( Standard Penetration Test with Torque ), sau khi đếm số nhát đập N, người ta xoắn cần và lấy ống mẫu, từ đó đo được lực ma sát giữa đất và thành ống mẫu ( thiết bị cần quay và hộp đo biến dạng chuyên sử dụng ). Như vậy, ta có thêm được một thông số kỹ thuật của đất nền .
– Tựu chung lại, để có được hiệu quả khảo sát đúng chuẩn và tương thích Giao hàng cho công tác làm việc phong cách thiết kế và giải pháp xử lí nền móng ; thì không hề sử dụng đơn lẻ những thì nghiệm hiện trường như thí nghiệm Xuyên tiêu chuẩn SPT được, cần tích hợp thí nghiệm SPT với những thí nghiệm hiện trường khác, để thu được hiệu quả và thông số kỹ thuật đúng mực nhất và có độ đáng tin cậy cao .
Tác giả : KS Nguyễn Việt Phương