Hướng dẫn sử dụng số liệu thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn

Khái niệm - Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn, viết tắt là SPT theo từ tiếng anh – Standard Penetration Test là một trong các phương pháp thí nghiệm xuyên tại hiện trường nhằm cung câ

I Khái quát về thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT 1

1 Khái niệm 1

2 Mục đích của thí nghiệm SPT 1

3 Thiết bị và dụng cụ thí nghiệm (xem hình 1, 2) 2

II Trình tự thí nghiệm 5

III Xử lý kết quả thí nghiệm 6

IV Sử dụng kết quả SPT cho các mục đích sau 6

1 Đối với đất rời 6

2 Đối với đất dính 7

3 Tính sức chịu tải của cọc theo kết quả xuyên tiêu chuẩn (Trích Phụ lục C, TCXD 205:1998, Hà Nội, 1998) 7

V Những lưu ý khi sử dụng kết quả thí nghiệm SPT 8

VI Ví dụ 9 PHỤ LỤC

TÀI LIỆU THAM KHẢO

HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM XUYÊN TIÊU

CHUẨN (STANDARD PENETRATION TEST - SPT)

I Khái quát về thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT

1 Khái niệm

- Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn, viết tắt là SPT theo từ tiếng anh – Standard

Penetration Test là một trong các phương pháp thí nghiệm xuyên tại hiện trường nhằm

cung cấp thông tin về đặc tính cơ lý của đất nền phục vụ các công trình khác nhau

- Thí nghiệm được tiến hành bằng cách đóng một mũi xuyên có dạng hình ống mẫu vào trong đất từ đáy một lỗ 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 trong ống mẫu được quan sát, mô tả, bảo quản và thí nghiệm như mẫu đất xáo động

- Sức kháng xuyên SPT, viết tắt là N (đối với tài liệu này), là số búa cần thiết để đóng mũi xuyên vào trong đất nguyên trạng 30cm

- Sử dụng khi khảo sát địa chất công trình trong điều kiện địa tầng phức tạp, phân bố luân phiên các lớp đất dính và đất rời hoặc bao gồm chủ yếu các lớp đất rời với độ chặt, thành phần hạt khác nhau

Trong bài tham luận này quy trình thí nghiệm được thực hiện theo tiêu chuẩn Viêt Nam TCVN 9351 - 2012

2 Mục đích của thí nghiệm SPT

Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT) được tiến hành trong suốt quá trình khoan khảo sát Kết quả thí nghiệm là giá trị N (số búa) dùng để đánh giá các thông số sau của đất nền:

- Độ chặt tương đối của đất loại cát

- Trạng thái đất loại sét

- Độ bền của đất loại sét ở trạng thái ứng suất một trục

- Cung cấp chỉ số N để dùng tính toán thiết kế móng cọc

- Lấy mẫu rời dùng để thí nghiệm xác định 1 số chỉ tiêu vật lý (độ ẩm, trọng lượng riêng, thành phần hạt,…)

Ưu điểm của thí nghiệm SPT là thiết bị đơn giản, thao tác, ghi chép và xử lý kết quả dễ dàng, dùng cho nhiều loại nền đất, kết hợp lấy mẫu đất và có khả năng thực

hiện thí nghiệm ở độ sâu lớn đối với đất rời không thể thực hiện lấy mẫu nguyên dạng, thông số thí nghiệm SPT dùng để tính toán sức chịu tải của đất nền

Nhược điểm của thí nghiệm SPT là đường kính nhỏ nên không thể đủ kích thước mẫu cho thí nghiệm cắt và nén

Thí nghiệm này được sử dụng nhằm cung cấp số liệu cho thiết kế móng sâu công trình

3 Thiết bị và dụng cụ thí nghiệm (xem hình 1, 2)

1/ Ống mẫu tách đôi (phần thân): có đường kính trong φ = (38 ± 1.5)mm, đường kính ngoài φ = (51 ± 1.5)mm, chiều dài L = (450 ÷ 750)mm bao gồm ren ngoài ở 2 đầu

2/ Lưỡi vát (phần mũi): Chiều dài L = (25 ÷ 75)mm không bao gồm ren trong để nối ống mẫu, đường kính ngoài φ = (51 ± 1.5)mm, đường kính trong φ = (35 ± 0.15)mm, bề dày lưỡi vát D = (2.5 ± 0.25)mm, gốc vát lưỡi cắt G = 160 ÷ 230 3/ Đầu nối (phần đầu): Chiều dài L = 152mm không bao gồm ren trong để nối với ống mẫu và cần khoan, đường kính ngoài φ = (51 ± 1.5)mm, đường kính trong φ = 35mm Tại đây có viên bi, lỗ thoát hơi (φ = 13mm) để giữ chân không bên trong đầu xuyên, hạn chế tụt mẫu trong quá trình nâng hạn mũi xuyên và để thoát hơi, nước trong quá trình xuyên

4/ Búa (hay quả tạ): Trọng lượng G = (63,5 ± 1.0) kg

5/ Cần trượt định hướng: Ren ngoài để nối vào cần khoan, mặt bích (đế nện) dày để khống chế búa rơi tự do ở độ cao (76 ± 2.5) cm

Thiết bị và dụng cụ được sản xuất bằng thép tốt, không bị biến dạng khi va đập

1 Ống mẫu tách đôi

2 Lưỡi vát

3 Đầu nối

Hình 1: Bộ đầu xuyên tiêu chuẩn SPT

5 Cần trượt định hướng

4 Tạ nặng 63.5 kg

Hình 2: Bộ dụng cụ thí nghiệm SPT bao gồm bộ búa đóng, cần đóng và ống xuyên

II Trình tự thí nghiệm

Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn tiến hành đồng thời với khoan khảo sát địa chất công trình Tùy thuộc mức độ phức tạp của cấu trúc địa chất (mức độ phân chia các lớp đất) mà trong mỗi khoảng độ sâu từ 1 - 3m (trung bình 1,5m) thực hiện đóng SPT một lần, trình tự thí nghiệm như sau:

- Rửa sạch đáy lỗ khoan (công tác lấy mẫu nguyên dạng đã thực hiện trước đó), lắp ống xuyên vào cần đóng Ống xuyên được đưa đến đáy lỗ khoan sau quá trình nối các cần đóng bởi các ren nối, đồng thời xác định lại độ sâu thí nghiệm

- Chọn điểm chuẩn, dùng búa đóng sâu vào trong đất 450mm so với điểm chuẩn đó và được chia làm 3 lần mỗi lần ngập 150mm Ghi số nhát búa của 3 lần ngập, số nhát búa của 2 lần cuối (30cm) là sức kháng xuyên tiêu chuẩn (hay giá trị N) Không tính số nhát búa lần đầu bởi các lý do sau:

+ Đáy lỗ khoan không sạch (vẫn còn mùn khoan) do quá trình nâng hạ bộ

cụ thí nghiệm hoặc vệ sinh không sạch trước khi thí nghiệm

+ Kết cấu lớp đất mỏng ở đáy lỗ khoan đã bị phá hủy

- Lấy ống xuyên lên, đồng thời lấy mẫu lưu hay có thể lấy mẫu không nguyên trạng để phân tích chỉ tiêu vật lý

Trong trường hợp lớp đất thí nghiệm đóng 50 búa đầu mà ống xuyên chưa cắm hết 150 mm thì người ta chỉ ghi nhận N > 50 (đối với đất cát) Trường hợp đóng 30 búa đầu mà ống mẫu chưa cắm hết 150 mm thì người ta chỉ ghi nhận N > 30 (đối với đất loại sét) Trong những lớp đất này, tùy theo yêu cầu của thiết kế mà chúng ta có thể lấy độ xuyên sâu (cm) của ống xuyên ở giá trị N = 50 hoặc N = 30

Số búa N phản ảnh độ chặt (đối với đất rời) và trạng thái (đối với đất dẻo) của đất nền và được dùng để tính toán nền móng công trình Thông thường kết hợp khoan lấy mẫu địa chất công trình và thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn tại cùng một vị trí

Trong quá trình thí nghiệm xác định chiều sâu mực nước dưới đất đảm bảo luôn lớn hơn mực nước ngầm Đối với kỹ sư giám sát thí nghiệm SPT cần chú ý đến: khoảng đo 150mm của thí nghiệm, tốc độ đóng búa và đầu ren nối giữa các cần khoan

Vì đây là các nguyên nhân thường dẫn đến sai số trong thí nghiệm SPT

٭ Một số hình ảnh thí nghiệm SPT (xem phụ lục C)

III Xử lý kết quả thí nghiệm

Trong đất cát hạt mịn, số lần đóng búa cần thiết để hạ ống mẫu tiêu chuẩn xuống độ sâu 30 cm cuối có thể thay đổi tùy thuộc vào độ sâu mực nước ngầm Nếu N

là số nhát búa thực hiện để hạ ống mẫu xuống 30 cm cuối ở độ sâu dưới mực nước ngầm trong đất cát hạt mịn thì giá trị N' cần được hiệu chỉnh theo công thức sau của Terzaghi và Pek :

N' = 15 + ½( N - 15)

Hiệu chỉnh theo độ sâu:

N' = N + 35/(7 + γh)h)

Trong đó:

N : chỉ số búa đóng thực tế

N' : chỉ số búa hiệu chỉnh

h : chiều sâu thí nghiệm (m)

γh) : dung trọng (T/m³) trên mực nước ngầm Dưới mực nước ngầm sử dụng γh)' đẩy nổi

Khi lập cột địa tầng lỗ khoan địa chất công trình có thí nghiệm SPT, tiến hành

vẽ biểu đồ biến đổi giá trị N theo chiều sâu thí nghiệm

IV Sử dụng kết quả SPT cho các mục đích sau

- Phân chia địa tầng, phát hiện các lớp kẹp, các thấu kính đất hạt rời, phân biệt đất hạt rời với chế độ chặt khác nhau theo diện và theo chiều sâu, xác định định chiều sâu dừng khảo sát

1 Đối với đất rời

- Đánh giá độ chặt tương đối, góc ma sát trong và Module biến dạng của đất rời rạc không kết dính (Trích Phụ lục E, tr.16, TCVN 9351:2012, Hà Nội, 2012).

Giá trị N (số

búa)

Độ chặt tương đối của cát

Độ chặt tương đối (%)

Góc ma sát trong φ ( 0 )

- Xác định module biến dạng E0 (Mpa) (Trích Phụ lục E, tr.16-17, TCVN

9351:2012, Hà Nội, 2012).

Trong đó:

a là hệ số, được lấy bằng 40 khi N > 15; lấy bằng 0 khi N < 15

c là hệ số, được lấy phụ thuộc vào loại đất:

+ 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 sạn sỏi

+ c = 12.0 với đất sạn sỏi lẫn cát

2 Đối với đất dính

- Xác định độ sệt và độ bền nén có nở hông theo SPT (Trích Phụ lục E, tr.17, TCVN 9351:2012, Hà Nội, 2012).

Giá trị N (số búa) Độ sệt Độ bền nén có nở hông

q u (Mpa)

3 Tính sức chịu tải của cọc theo kết quả xuyên tiêu chuẩn (Trích Phụ lục C, TCXD 205:1998, Hà Nội, 1998).

a Sức chịu tải cực hạn của cọc trong đất rời tính theo công thức của Meyerhof (1956)

Qu = K1NAp + K2NtbAs

Trong đó:

N: chỉ số SPT trung bình trong khoảng 1d dưới mũi cọc và 4d trên mũi cọc, trong đó d là kích thước cạnh tiết diện hoặc đường kính tiết diện cọc

Ap: Diện tích tiết diện mũi cọc, m2

Ntb: chỉ số SPT trung bình dọc thân cọc trong phạm vi lớp đất rời

As: Diện tích mặt bên cọc trong phạm vi lớp đất rời, m2

K1: hệ số, lấy bằng 400 cho cọc đóng và bằng 120 cho cọc khoan nhồi

Hệ số an toàn áp dụng khi tính toán sức chịu tải của cọc theo xuyên tiêu chuẩn lấy bằng 2.5 ÷ 3.0

b Sức chịu tải cực hạn của cọc tính theo công thức Nhật Bản

Qa = {αNαNNaAp + (0.2NsLs + CLc)πd}/3d}/3

Trong đó:

Na: chỉ số SPT của đất dưới mũi cọc

Ns: chỉ số SPT của đất cát bên thân cọc

Ls: chiều dài đoạn cọc nằm trong đất cát, m

Lc: chiều dài đoạn cọc nằm trong đất sét, m

αN: hệ số, phụ thuộc vào phương pháp thi công

+ Cọc bê tông cốt thép thi công bằng phương pháp đóng: αN = 30

+ Cọc khoan nhồi: αN = 30

V Những lưu ý khi sử dụng kết quả thí nghiệm SPT

- Thí nghiệm SPT dễ thực hiện, có thể thực hiện được ở độ sâu lớn, chí phí thấp

- Phương pháp thí nghiệm là phương pháp động nên phù hợp với biện pháp thi công cọc bằng phương pháp cọc đứng

- Đối với đất dính xen kẹp đất rời, thí nghiệm SPT cho kết quả chính xác hơn thí nghiệm trong phòng

- Đối với đất rời sức chịu tải của đất nền tính bằng kết quả thí nghiệm SPT chính xác hơn thí nghiệm trong phòng

- Những công trình có tải trọng lớn móng công trình cần đặt sâu trong đất nền, công tác khảo sát nên có thí nghiệm SPT

- Hiện nay kết quả thí nghiệm SPT thể hiện trong các báo cáo khảo sát thường chưa hiệu chỉnh nên trong khi dùng số liệu SPT để tính toán cần hiệu chỉnh trước khi dùng Đối với đất rời công tác tính toán sức chịu tải nên dùng kết quả thí nghiệm SPT để tính

- Đối với những khu vực khảo sát trong lớp đất dính thường xen kẹp đất rời (những nơi như Bến Tre, Sóc Trăng, Đồng Tháp, Vĩnh Long trong tầng sét dẻo mềm, sét dẻo cứng thường xen kẹp cát mịn) cần có khối lượng thí nghiệm SPT

VI Ví dụ

Ví dụ sau đây phân biệt sự khác nhau về giá trị độ sệt B giữa thí nghiệm xuyên

tiêu chuẩn (SPT) ở hiện trường và thí nghiệm trong phòng Tại công trình: Cống kiểm

soát triều Vàm Thuật (xem phụ lục C hình ảnh)

- Vị trí hố khoan TKVT2 (Xem phụ lục A và phụ lục B – hố khoan TKVT2)

+ Tại độ sâu 20.8 ÷ 21.45m, mẫu nguyên dạng ND7 hố khoan TKVT2, địa tầng sét pha Kết quả thí nghiệm trong phòng độ sệt B = 0.41 – trạng thái của đất là dẻo cứng, trong khi đó số búa SPT hiện trường N = 17 – trạng thái của đất là nửa cứng

- Vị trí hố khoan TKVT5(Xem phụ lục A và phụ lục B – hố khoan TKVT5)

+ Tại độ sâu 29.8 ÷ 30.45m, mẫu nguyên dạng ND10 hố khoan TKVT5, địa tầng

sét pha Kết quả thí nghiệm trong phòng độ sệt B < 0 – trạng thái của đất là cứng, trong khi đó số búa SPT hiện trường N = 17 – trạng thái của đất là nửa cứng

PHỤ LỤC

Hình 1: Đang thực hiện thí nghiệm SPT

Hình 2: Đang thực hiện thí nghiệm SPT

Hình 3: Mở ống mẫu SPT sau khi thực hiện thí nghiệm

Tài liệu tham khảo

[1.] TCVN 9351 : 2012 Đất xây dựng – phương pháp thí nghiệm hiện trường – thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT), Hà Nội, 2012

[2.] Bùi Trường Sơn, Địa chất công trình, Đại học Quốc gia Tp HCM, 2009

[3.] Trần Thanh Giám, Địa kỹ thuật thực hành, Nhà xuất bản xây dựng Hà Nội, 2000 [4.] Trần Văn Việt, Cẩm nang dùng cho kỹ sư địa kĩ thuật, Nhà xuất bản xây dựng Hà Nội, 2004

[5.] Nguyễn Văn Thông, Bài tập cơ học đất, Nhà xuất bản giáo dục, 2011

[6.] Võ Ngọc Hải, Báo cáo khảo sát địa chất, Công ty Tư Vấn & CGCN – Trường ĐH Thủy Lợi – CN Miền Nam, 2012

Hình 4: Mở ống mẫu SPT sau khi thực hiện thí nghiệm