THÍ NGHIỆM XUYÊN TIÊU CHUẨN SPT

THÍ NGHIỆM XUYÊN TIÊU CHUẨN SPT - NHỮNG VẤN ĐỀ CƠ BẢN
(nctk.edu.vn)

Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT là một trong những thí nghiệm cơ bản của cơng tác
khảo sát địa chất cơng 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 tốn khả năng chịu


tải của cọc, cũng như thiết kế móng nơng… 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 hồ nước.
Năm 1902, Cơng 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 thơng 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 cơng 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 cơng trình phục vụ xây dựng các cơng trình khác nhau. Thí
nghiệm được tiến hành bằng cách đóng một mũi xun 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 ngồi 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 tốn
trong địa kỹ thuật.
3.3. Dụng cụ thí nghiệm
- Ống mẫu: đường kính ngồi 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 tồn phần do búa rơi là: E=63,5*0,76 ≈ 48.3 kg.m
Tuy nhiên, năng lượng E này khơng hồn tồn truyền tới ống lẫy mẫu, mà nó cịn 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 khơng 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 tồn, có thể tạm lấy năng lượng
hữu ích từ 30% đến 55%

Năng lượng hiệu quả (%) của một số thiết bị SPT
Loại nhẫn (donut)
Loại an tồn (safety)
Loại SPT
Dây + Rịng rọc
Tự động
Dây + Rịng rọc
Tự động
Bắc Mỹ
45
70-80
80-100
Nhật
67
78
60
Anh
50
Ngồi ra, cùng một loại đất, nếu N 60=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 D r – N ( với Dr là độ chặt tương đối
và N là số đọc SPT thô, chưa hiệu chỉnh)


N
Dr (%)
Trạng thái

0÷4
0÷15
Rât rời

4÷10
15÷35
Rời

10÷30
35÷65
Chặt vừa

30÷50
65÷85
Chặt

>50
85÷100
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 N 60, tuy nhiên độ
tin cậy của bảng này khơng 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, thơng qua kết quả thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn, ta có
thể sơ bộ dự báo mơ 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 mơ 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 mơ 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 mơ đun cắt tức thời G max (để tính tốn kháng chấn) có
thể tạm tính
Gmax ≈ (60÷350) N600,77 (bar)
Giá trị trung bình là
Gmax ≈ 120 N600,77
Mơ 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 cơng 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
< 28
28÷30
30÷36
34÷41
>41
sự
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 khơng thốt nước S u 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 S u 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, thơ
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 q c/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
Mơ đun biến dạng E (MPa):
E = [a +c (NSPT +6)]/10

Trong đó: a là hệ số, được lấy bằng 40 khi N SPT> 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 hơng (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 tốn móng theo kết quả SPT
- Ứng dụng trực tiếp kết quả SPT vào thiết kế móng nơng


+ 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 nơng: Sức mang tải cho phép của móng băng trên đất hạt rời có thể tính theo
cơng thức
σ = a*NSPT/10
trong đó: a được lấy bằng 1 đối với đất khơng bão hịa; lấy bằng 2/3 đối với đất bão hịa
+ Móng cọc: Cơng thức tổng qt tính tốn 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 tơng 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 dị, kết hợp
lấy mẫu khơng ngun dạng dùng mơ tả và thí nghiệm phân loại đất, thí nghiệm thực
hiện được ở độ sâu đủ lớn. Chi phí cho thí nghiệm khơng q 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 N SPT cung cấp được thông số cần thiết để tính tốn
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 N SPT 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 thơng số của đất nền.
- Tựu chung lại, để có được kết quả khảo sát chính xác và phù hợp phục vụ cho cơng
tác thiết kế và giải pháp xử lí nền móng; thì khơng 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 thơng số chính xác nhất và
có độ tin cậy cao.
Tác giả: KS Nguyễn Việt Phương