Thí Nghiệm Xuyên Tiêu Chuẩn (SPT): Tổng Quan, Ứng Dụng và Tối Ưu trong Khảo Sát Địa Chất Công Trình

Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT) là một trong những phương pháp khảo sát địa chất công trình quan trọng và phổ biến, đóng vai trò thiết yếu trong việc đánh giá đặc tính nền đất cho các công trình xây dựng tại Việt Nam.

Ảnh minh họa thí nghiệm SPT

Mục Lục

1 1. Thí Nghiệm Xuyên Tiêu Chuẩn (SPT) Là Gì?
2 2. Các Định Nghĩa và Thuật Ngữ Quan Trọng
3 3. Quy Trình Thí Nghiệm Xuyên Tiêu Chuẩn (SPT)
4 4. Mối Tương Quan Giữa Chỉ Tiêu Cơ Lý Của Đất và Kết Quả SPT
- 4.1 4.1. Đánh Giá Chỉ Tiêu Cơ Lý Dựa Trên Kết Quả SPT
- 4.2 4.2. Đánh Giá Chỉ Tiêu Cơ Lý Theo TCVN 9351-2012
5 5. Ứng Dụng Kết Quả SPT Trong Tính Toán Móng
6 6. Nhận Xét và Đánh Giá Chung Về Thí Nghiệm SPT

1. Thí Nghiệm Xuyên Tiêu Chuẩn (SPT) Là Gì?

Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT – Standard Penetration Test) là một thí nghiệm xuyên động được thực hiện trong hố khoan. Mục đích chính của SPT là để:

Phân chia các lớp đất đá: Xác định ranh giới và đặc điểm của các lớp đất khác nhau dưới lòng đất.
Xác định độ chặt của đất loại cát: Đánh giá mức độ nén chặt của đất cát, ảnh hưởng đến khả năng chịu tải.
Xác định trạng thái của đất loại sét: Xác định độ cứng, độ dẻo của đất sét, từ đó dự đoán khả năng biến dạng.
Xác định vị trí lớp đất đặt mũi cọc: Tìm kiếm lớp đất đủ khả năng chịu tải để đặt móng cọc, đảm bảo sự ổn định của công trình.
Tính toán khả năng chịu tải của cọc và thiết kế móng nông: Cung cấp thông tin cần thiết để tính toán sức chịu tải của móng, từ đó thiết kế móng phù hợp.
Xác định chiều sâu dừng khảo sát: Quyết định độ sâu cần thiết của quá trình khảo sát địa chất.
Đánh giá khả năng hóa lỏng của đất loại cát bão hòa nước: Dự đoán nguy cơ mất ổn định của đất cát khi chịu tác động của động đất hoặc tải trọng động.

Lịch sử phát triển của SPT:

1902: Thí nghiệm SPT đầu tiên được thực hiện bởi Công ty C.R. Gow với ống mẫu đường kính 1 inch và quả tạ 50 kg.
1922: SPT bắt đầu được sử dụng rộng rãi ở Bắc Mỹ sau khi công ty Gow sát nhập vào công ty Raymond Concrete Pile.
1927: Karl Terzaghi đề xuất chuẩn hóa thí nghiệm SPT với ống lấy mẫu đường kính 2 inch và quả tạ 63,5 kg.
1948: Terzaghi và Peck mô tả chi tiết thí nghiệm SPT trong cuốn sách “Cơ học đất – Lý thuyết và Thực tiễn,” đánh dấu bước ngoặt quan trọng trong việc phổ biến SPT.
1995/1996: SPT trở thành thí nghiệm phổ biến nhất ở Bắc Mỹ, mặc dù các nhà khoa học khuyến cáo nên kết hợp với các thí nghiệm khác như CPT (thí nghiệm xuyên tĩnh) hoặc DMT (thí nghiệm giãn nở).

Ngày nay, các nước châu Âu ít sử dụng SPT hơn, nhưng phương pháp này vẫn được áp dụng rộng rãi ở Bắc Mỹ và nhiều quốc gia khác, trong đó có Việt Nam, nhờ vào tính đơn giản, chi phí thấp và khả năng áp dụng cho nhiều loại nền đất.

2. Các Định Nghĩa và Thuật Ngữ Quan Trọng

Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT): Phương pháp khảo sát địa chất công trình sử dụng mũi xuyên hình ống mẫu đóng vào đất từ đáy hố khoan.
Sức kháng xuyên tiêu chuẩn (N_SPT): Số búa cần thiết để đóng mũi xuyên vào đất nguyên trạng 30 cm theo quy định. Giá trị N_SPT là chỉ số quan trọng để đánh giá đặc tính cơ học của đất.

3. Quy Trình Thí Nghiệm Xuyên Tiêu Chuẩn (SPT)

3.1. Mục Đích Thí Nghiệm

Đánh giá sức chịu tải của đất nền.
Xác định độ chặt tương đối của đất cát.
Xác định trạng thái của đất sét.
Ước tính độ bền nén một trục (q_u) của đất sét.
Thu thập mẫu đất để phân loại và thí nghiệm trong phòng.

3.2. Nguyên Lý Thí Nghiệm

Ống mẫu thành mỏng (đường kính ngoài 51 mm, đường kính trong 35 mm, chiều dài 650 mm) được hạ xuống đáy lỗ khoan. Búa trượt có khối lượng 63,5 kg được thả rơi tự do từ độ cao 760 mm để đóng ống mẫu vào đất. Quá trình đóng được chia thành ba nhịp, mỗi nhịp 150 mm (tổng cộng 450 mm). Số búa cần thiết cho mỗi nhịp được ghi lại, và tổng số búa của hai nhịp cuối được gọi là “giá trị N”. Nếu sau 50 búa mà ống mẫu chưa cắm hết 150 mm, thì giá trị N được ghi nhận là 50. Giá trị N phản ánh độ chặt của nền đất và được sử dụng trong các tính toán địa kỹ thuật.

3.3. Dụng Cụ Thí Nghiệm

Ống mẫu SPT tiêu chuẩn
Tạ có trọng lượng 63,5 kg
Đế nện
Cần trượt định hướng

3.4. Trình Tự Thí Nghiệm

Khoan tạo lỗ đến độ sâu dự định, vét sạch đáy, hạ ống mẫu SPT và lắp đặt thiết bị.
Vạch lên cần đóng 3 khoảng, mỗi khoảng 15 cm (tổng chiều sâu đóng 45 cm).
Cho tạ rơi tự do từ độ cao 76 cm, đếm và ghi số tạ đóng cho từng khoảng 15 cm.
Lấy chỉ số tạ đóng của 30 cm cuối cùng làm chỉ số SPT (N_SPT).

Khoảng cách giữa các lần thí nghiệm SPT thường từ 1 đến 3 mét, tùy thuộc vào độ đồng nhất của đất nền.

3.5. Hiệu Chỉnh Số Đọc NSPT

Sức kháng xuyên (N_SPT) phụ thuộc vào năng lượng hữu ích của búa và chiều sâu của điểm thí nghiệm. Do đó, cần hiệu chỉnh số đọc sau khi thí nghiệm.

Các yếu tố ảnh hưởng đến năng lượng:

Ma sát giữa búa rơi và trục hướng dẫn.
Ma sát giữa dây kéo và ròng rọc (đối với thiết bị sử dụng dây kéo).
Thao tác của người thí nghiệm (ví dụ, việc giữ dây khi thả búa).
Ma sát giữa đất và cần xuyên.

Do đó, cần chuẩn hóa N_SPT về một giá trị có cùng năng lượng hiệu quả. Ở các nước tiên tiến, 60% được coi là năng lượng hữu ích trung bình, vì vậy thường quy đổi N về N₆₀.

Công thức hiệu chỉnh:

N’₆₀ = N_SPT C_N = N C_E * C_N

Trong đó:

C_E = E_H/60: Hệ số hiệu quả, với E_H là năng lượng hiệu quả thực tế của thiết bị. Ở Việt Nam, có thể lấy C_E = 0,5 ÷ 0,9.
C_N: Hệ số độ sâu, được tính theo các công thức khác nhau (Liao và Whitman, Peck, Skempton), phụ thuộc vào ứng suất hữu hiệu theo phương thẳng đứng (σ’_vo).

4. Mối Tương Quan Giữa Chỉ Tiêu Cơ Lý Của Đất và Kết Quả SPT

4.1. Đánh Giá Chỉ Tiêu Cơ Lý Dựa Trên Kết Quả SPT

Đánh giá độ chặt tương đối của đất rời: Sử dụng các bảng tương quan giữa N_SPT và độ chặt tương đối (D_r) do Terzaghi và Peck (1967) đề xuất.
Đánh giá trạng thái của đất dính: Sử dụng các bảng tương quan giữa N₆₀ và độ sệt (B) do Szechy và Varga (1978) đề xuất. Lưu ý rằng độ tin cậy của các bảng này không cao do sự khác biệt về độ nhạy cảm của các loại đất.
Đánh giá tính biến dạng của đất:
- Mô đun biến dạng của cát: E = k.N₆₀ (bar), với k phụ thuộc vào loại cát (cát lẫn bụi sét, cát sạch cố kết thường, cát sạch quá cố kết).
- Mô đun đàn hồi tức thời của sét: E_u ≈ (6 đến 50) * N₆₀^0,63 (bar).
- Mô đun biến dạng của sét: M = 4,1 N₆₀ (nếu I_p ≥ 30) hoặc M = (8,6 – 0,15I_p) N₆₀ (nếu I_p < 30).
- Mô đun cắt của đất: G_max ≈ (60÷350) N₆₀^0,77 (bar).
Đánh giá sức kháng cắt của đất:
- Đất cát: Sử dụng các công thức của Peck và Schmertmann để tính góc ma sát trong (φ) dựa trên N₆₀.
- Đất sét: Sử dụng các công thức của Terzaghi và Peck hoặc Hara để tính sức chống cắt không thoát nước (S_u) dựa trên N₆₀. Lưu ý rằng tương quan giữa N_SPT và S_u phụ thuộc vào nhiều yếu tố, như tính nhạy cảm của đất sét.
Đánh giá khả năng biến loãng của đất: Dựa vào mối tương quan giữa N’₆₀ và tỷ số τ₁/σ’_vo do Seed và De Alba thiết lập.

4.2. Đánh Giá Chỉ Tiêu Cơ Lý Theo TCVN 9351-2012

Quan hệ giữa sức kháng xuyên tiêu chuẩn N_SPT và sức kháng xuyên tĩnh đầu mũi q_c: Bảng tương quan giữa tỷ số q_c/N_SPT và loại đất (sét, sét pha, cát mịn, cát trung/thô, cát trung lẫn sạn sỏi).
Đánh giá một số chỉ tiêu cơ lý của đất theo kết quả SPT:
- Đối với đất rời: Bảng tương quan giữa trạng thái, độ chặt tương đối (D_r), N_SPT, và góc ma sát trong (φ). Công thức tính góc ma sát trong: φ = (12+N_SPT)^0,5 + a. Công thức tính mô đun biến dạng E (MPa): E = [a +c (N_SPT +6)]/10, với a và c là các hệ số phụ thuộc vào N_SPT và loại đất.
- Đối với đất dính: Bảng tương quan giữa N_SPT, độ sệt và độ bền nén có nở hông (q_u).

5. Ứng Dụng Kết Quả SPT Trong Tính Toán Móng

Ứng dụng trực tiếp kết quả SPT vào thiết kế móng nông: Đánh giá sức chịu tải của nền và dự báo độ lún dựa trên kết quả SPT.
Ứng dụng vào dự báo sức chịu tải của cọc: Sử dụng các công thức thực nghiệm dựa trên N_SPT để ước tính sức chịu tải của cọc.
Theo TCVN 9351-2012:
- Móng nông: Sức mang tải cho phép của móng băng trên đất hạt rời có thể tính theo công thức σ = a*N_SPT/10, với a = 1 (đất không bão hòa) hoặc a = 2/3 (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.

6. Nhận Xét và Đánh Giá Chung Về Thí Nghiệm SPT

SPT là thí nghiệm hiện trường có độ tin cậy thấp nhất trong số các thí nghiệm địa kỹ thuật (Kulhawy và Trautmann, 1996).
Tuy nhiên, SPT vẫn được sử dụng rộng rãi do tính đơn giản, chi phí thấp và khả năng thực hiện ở độ sâu lớn.
SPT dễ thực hiện, 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.
N_SPT cung cấp 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, cần lưu ý đến sai số và độ tin cậy thấp.
Việc hiệu chỉnh và xử lý sai số của kết quả N_SPT đã giúp nâng cao độ tin cậy của thí nghiệm.
Các cải tiến mới như SPT-T (Standard Penetration Test with Torque) giúp thu thập thêm thông tin về đặc tính của đất nền.
Để có được kết quả khảo sát chính xác và phù hợp, cần kết hợp SPT với các thí nghiệm hiện trường và thí nghiệm trong phòng khác để thu được kết quả và thông số chính xác nhất và có độ tin cậy cao.