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 thực hiện trong hố khoan, được dùng làm cơ sở để phân chia các lớp đất đá, xác định độ chặt của đất loại cát, trạng thái của đất loại sét, xác định vị trí lớp đất đặt mũi cọc, tính toán khả năng chịu tải của cọc, cũng như thiết kế móng nông… Thí nghiệm này còn được dùng để xác định chiều sâu dừng khảo sát, đánh giá khả năng 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 áp dụng cho nhiều công trình khảo sát xây dựng vì một số ưu điểm: thiết bị đơn giản, thao tác và ghi chép diễn giải kết quả khá dễ dàng, dùng cho nhiều nền đất và độ sâu khảo sát, chi phí 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 đánh giá:
– 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 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 cộng 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 tính toán trong địa kỹ thuật.
3.3. Dụng cụ thí nghiệm
– Ống mẫu: đường kính ngoài 50,8mm, đường kính trong 34,9mm, chiều dài ống chẻ: 609mm, chiều dài mũi đóng là 57,1mm.
– Tạ có trọng lượng 63,5kg, rơi tự do trên đế nện.
– Đế nện.
– Cần trượt định hướng.
3.4. Trình tự thí nghiệm
– Bước 1: Khoan tạo lỗ đến độ sâu dự định thí nghiệm, vét sạch đáy, hạ ống mẫu SPT và lắp đặt đế nện, cần, tạ…
– Bước 2: vạch lên cần đóng 3 khoảng, mỗi khoảng 15cm (tổng chiều sâu đóng 45cm).
– Bước 3: Cho tạ rơi tự do ở độ cao 76cm, đếm và ghi số tạ đóng cho từng khoảng 15cm.
– Bước 4: lấy chỉ số tạ đóng của 30cm cuối cùng làm chỉ số SPT.
Khoảng cách thí nghiệm SPT thông thường từ 1 – 3m, tùy theo độ đồng nhất của đất nền.
3.5. Hiệu chỉnh số đọc:
Sức kháng xuyên (N) phụ thuộc vào năng lượng hữu 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, năng lượng E này không hoàn toàn truyền tới ống lẫy mẫu, mà nó còn mất mát năng lượng xảy ra ở các phần sau:
– Mất mát năng lượng do ma sát giữa búa rơi và trục hướng dẫn, ma sát giữa dây kéo với ròng rọc
– Mất mát 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 hiểm…)
– Mất mát năng lượng do ma sát giữa đất lỗ khoan với cần xuyên
Ở các nước đang phát triển, thiết bị SPT phổ biến vẫn là loại nhẫn (donut), sử dụng dây kéo trên ròng rọc. Với loại này ở các nước tiên tiến, năng lượng hiệu quả là 45%-65%. Tại Việt Nam, chúng ta chưa có thống kê, nhưng để an toàn, có thể tạm lấy năng lượng hữu ích từ 30% đến 55%
Năng lượng hiệu quả (%) của một số thiết bị SPT
Loại SPT
Loại nhẫn (donut)
Loại 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 1m, thì tại chiều sâu 30m có thể, N60=20. Đó là do tại 30m, áp lực ngang lớn hơn rất nhiều so với 1m, cho nên cần phải đập nhiều nhát đập hơnDo đó, phải chuẩn hóa N về một giá trị có cùng năng lượng hiệu quả. Ở các nước tiên tiến, người ta coi 60% là năng lượng hữu ích trung bình. Vì vậy thường quy đổi N về N60 (60% năng lượng hữu ích)
Như vậy, ta cần hiệu chỉnh theo 2 hệ số chuẩn hóa dưới đây:
N’60 = N60*CN = N*CE*CN
Trong đó:
CE = EH/60; với CE là hệ số hiệu quả và EH là năng lượng hiệu quả có thực của thiết bị
60 – Năng lượng hiệu quả tiêu chuẩn (60%)
Ở nước ta, có thể lấy CE = 0,5÷0,9
CN – Hệ số độ sâu. Hệ số này được nhiều tác giả kiến nghị 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 kết quả SPT:
Terzaghi và Peck (1967) đầu tiên đưa ra 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 kết quả SPT
Szechy và Varga ( 1978) đưa ra tương quna giữa độ sệt (B) và chỉ số N60, tuy nhiên độ tin cậy của bảng này không cao lắm, vì các đất có độ nhạy cảm khác nhau sẽ có tương quan khác đi
N60
<2
2-8
5-15
15-30
>30
B
>0÷0,5
0,25÷0,5
0÷0,25
-0,5÷0
<-0,5
Trạng thái
Mềm
Dẻo cứng
Nửa cứng
Cứng
Rất rắn
– Đánh giá tính biến dạng của đất dựa trên kết quả SPT
+ Đánh giá mô đun biến dạng của cát dựa trên kết quả SPT
Ohya và cộng sự (1982) cho rằng, thông qua kết quả thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn, ta 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 kết quả SPT
Ohya và cộng sự (1982) cho rằng 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 kết quả SPT
Stroud (19740 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 – 0,15Ip)*N60 nếu Ip < 30
+ Đánh giá mô đun cắt của đất dựa trên kết quả SPT
Worth và cộng sự (1979) cho rằng mô đun cắt tức thời Gmax (để tính toán kháng chấn) 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 lâu dài) thông thường chỉ bằng 5%-10% mô đun cắt cực đại Gmax
+ Đánh giá sức kháng cắt của đất cát dựa trên kết quả 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 tương quan giữa N và φ
N
0÷4
4÷10
10÷30
30÷50
>50
Theo Peck và cộng sự
< 28
28÷30
30÷36
34÷41
>41
Theo Mayerhof
< 30
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 kết quả SPT
Các quan hệ giữa sức chống cắt không thoát nước Su và thí nghiệm SPT thường có độ tin cậy thấp. Trong đó, hai quan hệ phổ biến là:
Terzaghi và Peck (1976): Su= 0,06*N60 (bar)
Hara (1974): Su = 0,29*N600,72 (bar)
Nên lưu ý rằng, tương quan N và Su phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố khác, ví dụ như tính nhạy cảm của đất sét.
+ Đánh giá khả năng biến loãng của đất dựa trên kết quả SPT
Dựa vào các số liệu thu thập và thống kê, Seed và De Alba đã thiết lập nên mối tương quan giữa N’60 với khả năng biến loãng của đất rời. Kết quả đưa ra được đồ thị liên 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 khả năng 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 có thể thành lập biểu đồ mối tương quan giữa tỷ số qc/NSPT và thành phần hạt của mẫu đất
– Đánh giá một số chỉ tiêu cơ lý của đất theo kết quả SPT
+ Đối với đất rời:
Trạng thái
Dr (%)
NSPT
φ ( ͦ )
Xốp
<30
<10
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, 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 hệ số, được lấy bằng 40 khi NSPT> 15; lấy bằn 0 khi NSPT<15
c là hệ số, được lấy phụ thuộc vào loại đất:
+ c = 3,0 với đất loại sét;
+ c = 3,5 với đất cát mịn;
+ c = 4,5 với đất cát trung;
+ c = 7,0 với đất cát thô;
+ c = 10,0 với đất cát lẫn sỏi sạn
+ c = 12,0 với đất sạn sỏi lẫn cát
+ Đối với đất dính:
Quan hệ giữa NSPT với độ sệt và độ bền nén có nở hông (qu)
NSPT
Độ sệt
qu, MPa
<2
Chảy
<0,025
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 kết quả SPT vào thiết kế móng nông
+ Đánh giá sức chịu tải của nền dựa trên kết quả SPT
+ Dự báo độ lún dựa trên kết quả SPT
– Ứng dụng vào dự báo sức chịu tải của cọc
– TCVN 9351-2012 đưa ra một số công thức tham khảo sau:
+ Móng nông: Sức mang tải cho phép của móng băng trên đất hạt rời có thể tính theo công thức
σ = a*NSPT/10
trong đó: a được lấy bằng 1 đối với đất không bão hòa; lấy bằng 2/3 đối với đất bão hòa
+ Móng cọc: Công thức tổng quát tính toán sức mang tải cho phép của móng cọc theo kết quả SPT có thể lấy theo đề nghị của Bộ Xây dựng Nhật
Q = [αNAAp + (0,2NSLS + CLc)πD]/3
Trong đó: Q là sức mang tải cho phép của cọc (T, tấn)
Ap là tiết diện cọc (m2)
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/m2)
α phụ thuộc vào phương pháp thi công, 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 tất cả các thí nghiệm hiện trường, thí nghiệm SPT là thí nghiệm có độ tin cậy kém nhất. Các chỉ tiêu ước tính từ thí nghiệm SPT thường cũng có độ tin cậy thấp.
– Thí nghiệm SPT dễ làm, thuận tiện, vì thực hiện ngay trong hố khoan thăm dò, kết hợp lấy mẫu không nguyên dạng dùng mô tả và thí nghiệm phân loại đất, thí nghiệm thực hiện được ở độ sâu đủ lớn. Chi phí cho thí nghiệm không quá đắt; Thí nghiệm có thể thực hiện với hầu hết các loại đất.( có ưu thế so với các 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 kết quả NSPT đã giúp nâng cao độ tin cậy của thí nghiệm hơn. Những 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 dụng). Như vậy, ta có thêm được một thông số của đất nền.
– Tựu chung lại, để có được kết quả khảo sát chính xác và phù hợp phục vụ cho công tác thiết kế và giải pháp xử lí nền móng; thì không thể sử dụng đơn lẻ các thì nghiệm hiện trường như thí nghiệm Xuyên tiêu chuẩn SPT được, cần kết hợp thí nghiệm SPT với các thí nghiệm hiện trường khác, để thu được kết quả và thông số chính xác nhất và có độ tin cậy cao.
Tác giả: KS Nguyễn Việt Phương
