Nghiên cứu sức chống cắt của đất bằng các thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT), xuyên tĩnh có đo áp lực nước lỗ rỗng (CPTU) và ứng dụng trong phân tích ổn định nền đường đắp trên đất yếu

NGHIÊN CỨU SỨC CHỐNG CẮT CỦA ĐẤT
BẰNG CÁC THÍ NGHIỆM XUYÊN TIÊU CHUẨN (SPT),
XUYÊN TĨNH CÓ ĐO ÁP LỰC NƯỚC LỖ RỖNG (CPTU)
VÀ ỨNG DỤNG TRONG PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH
NỀN ĐƯỜNG ĐẮP TRÊN ĐẤT YẾU
NGUYỄN THÁI LINH, NGUYỄN ĐỨC MẠNH*

Study on shear strength of soil by standard penetration test (SPT) and
piezocone penetration test (CPTu) and application in stabilization
analysis of embankments on soft soil.
Abstract: The paper presents the determination of shear strength and
undrained shear strength of the ground by results standard penetration
test (SPT) and, piezocone penetration test (CPTu) at Ha Dong - Hanoi.
From this, the undrained shear strength is used for stability analysis of
embankment on soft soil.
Keyword: Standard penetration test (SPT), piezocone penetration test
(CPTu), undrained shear strength, stability, embankment.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ *
Sức chống cắt (SCC) của đất nói chung và
sức chống cắt không thoát nƣớc nói riêng là
tham số cơ bản sử dụng để phân tích ổn định
trƣợt sâu nền đƣờng đắp trên đất yếu SCC
thƣờng đƣợc xác định trực tiếp từ mẫu đất trong
phòng cũng có thể xác định trực tiếp hay gián
tiếp từ các thí nghiệm hiện trƣờng
Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (Standard
Penetration Test - SPT) và thí nghiệm xuyên
tĩnh có đo áp lực nƣớc lỗ rỗng (Piezocone
Penetration Test - CPTu) đƣợc nhiều tác giả
trong và ngoài nƣớc sử dụng để nghiên cứu
SCC của các loại đất khác nhau thông qua các

tƣơng quan thực nghiệm Các nghiên cứu này
đều khẳng định rằng việc xác định SCC từ kết
quả thí nghiệm SPT và CPTu có độ tin cậy dễ
tiến hành nhanh và thuận tiện [1,2,5,6,7,8,11].
Trong khi đó tiêu chuẩn hiện hành (22TCN
*

Bộ môn Địa kỹ thuật, khoa Công trình,
Đại học Giao thông Vận tải.
E-mail:
E-mail:

12

262-2000) ở nƣớc ta thƣờng yêu cầu xác định
sức chống cắt không thoát nƣớc của các lớp đất
yếu bằng thí nghiệm cắt cánh hiện trƣờng phục
vụ phân tích ổn định khi thiết kế nền đắp trên
đất yếu
Vấn đề đặt ra là có thể sử dụng thông số
SCC không thoát nƣớc xác định theo kết quả
SPT hay CPTu thay thế cho thí nghiệm cắt cánh
hiện trƣờng để phân tích ổn định nền đắp trên
đất yếu ở điều kiện nƣớc ta đƣợc hay không? Từ
kết quả nghiên cứu thực nghiệm công trình cụ
thể tại Hà Đông - Hà Nội sử dụng các tƣơng
quan đã có của một số tác giả ngoài nƣớc bài
báo xác định tƣơng quan hợp l để xác định
SCC không thoát nƣớc qua kết quả SPT và
CPTu phục vụ việc phân tích ổn định nền đƣờng

đắp trên đất yếu
2. SỨC CHỐNG CẮT CỦA ĐẤT THEO
KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM SPT VÀ CPTu
2.1. Theo kết quả SPT
Hiện có nhiều tƣơng quan cho phép xác định
SCC của đất rời và đất dính bằng kết quả SPT
Với đất cát tiêu biểu có [1 7 8 11]:
ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2017


Công thức Peck Hanson và Thornburn
(1974),
 54 – 27,6034e-0 014N‟60
(1)
Hay công thức Schmertmann (1975)
arctg[N60/(12,2+20,3 ‟vo)]0,34
(2)
Còn Meyerhof (1956) sử dụng bảng tra sau:
Bảng 1. Góc ma sát trong của đất rời
theo kết quả SPT (Meyerhof, 1956)
N
0 - 4 4 - 10
 (độ) < 30 30 - 35

10 - 30 30 - 50 > 50
35 - 40 40 - 45 > 45

Trong đó:
N‟60 = N × CE× CN
(3)

N‟60 là chỉ số SPT chuẩn hóa về 60% năng
lƣợng hữu ích;
N là chỉ số SPT;
CE là hệ số hiệu quả phụ thuộc vào thiết bị
thí nghiệm Ở nƣớc ta đƣợc khuyến nghị lấy CE
= 0,5 – 0,9 [1,7,8];
CN là hệ số độ sâu có thể xác định C N bằng
một trong những quan hệ của:
Liao và Whitman (1986),
CN = (0,9576/‟vo)0,5
(4)
Peck (1974),
CN = 0,77 log(19,2/‟vo)
(5)
Skempton (1986),
CN = 2/(1+‟vo)
(6)
‟vo là ứng suất hữu hiệu do trọng lƣợng bản
thân lớp đất theo phƣơng đứng (kg/cm2).
Với đất sét bão hòa nƣớc sức chống cắt
không thoát nƣớc có nhiều tác giả đề cập điển
hình nhƣ [1 2 3 5 6 9 10]:
Công thức Sower (1979)
Su= 100N/a
(7)
Trong đó:
a = 10 với đất sét
a = 15 với đất sét pha
ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2017

a = 20 với đất cát pha
Với Terzaghi và Peck (1967)
Su = 0,06 N60
(8)
Còn theo Hara (1974),
Su = 0,29N600,72
(9)
2.2. Theo kết quả CPTu
Trong thí nghiệm CPTu sẽ đo đƣợc sức
kháng mũi qc ma sát thành đơn vị fs và áp lực
nƣớc lỗ rỗng u nhờ những bộ chuyển tín hiệu
riêng biệt Trong thiết bị CPTu sức kháng mũi
qc không phải áp lực thực tác dụng lên mũi côn
qT, vì thế có thể tính:
qT = qc + uT (1-a)
(10)
trong đó: uT là áp lực nƣớc lỗ rỗng đo tại
vòng đá thấm ở đầu mũi xuyên; a là tỷ số tiết
diện ngang giữa trục và đáy mũi xuyên a =
0,8 – 0,82.
Khi nghiên cứu về sức chống cắt không thoát
nƣớc của đất yếu (Su) bằng CPTu có thể sử
dụng một trong các công thức Vésic (1975)
Senneset (1985), Aas và nnk (1986), Konrad và
Law (1987), Teh và Houlsby (1991), Yu và nnk
(2000) hay Su và Liao (2002) [2,3,5,6]
Với đất cát SCC theo CPTu có một số quan
hệ nhƣ:
Công thức của Roberson và Campanella
(1983),

 arctg [0,1 + 0,38.log (qT/‟vo)]
(11)
Công thức Kulhawy và Mayne (1990)
 17,6 + 11log(qT)
(12)
Theo Meyerhof (1956) sử dụng bảng 2
Bảng 2. Góc ma sát trong của đất rời theo
kết quả CPTu (Meyerhof, 1956)
120 >
200 200
< 30 30 -35 35 - 40 40 - 45 > 45

qc (kPa) < 20 20 - 40 40 - 120
 (độ)

Với đất dính sức chống cắt không thoát nƣớc
theo CPTu có thể sử dụng quan hệ sau [4 ]:
Công thức Keaveny và Michell (1986)
13


Su = (qT - ‟vo)/Nk
(13)
Với Nk là hệ số hiệu chỉnh Nk = 15 – 20.
Công thức Li (2011)
Su = 0,063(qT - ‟vo) – 1,91
(14)
Theo Viện xây dựng Sichuan – Trung Quốc
(2014):
Su = 0,0543(qT - ‟vo) + 4,8

(15)
3. NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH TRƢỢT SÂU
NỀN ĐƢỜNG ĐẮP TRÊN ĐẤT YẾU BẰNG
KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM SPT VÀ CPTU
3.1. Vị trí nghiên cứu
Sử dụng kết quả nghiên cứu từ công trình
đƣờng trục phía nam tỉnh Hà Tây (cũ) nay thuộc
địa phận Quận Hà Đông thành phố Hà Nội
nhóm nghiên cứu thực hiện công tác khoan thăm
dò thí nghiệm mẫu đất trong phòng thí nghiệm
xuyên tiêu chuẩn thí nghiệm cắt cánh trong lỗ
khoan và thí nghiệm xuyên tĩnh có đo áp lực
nƣớc lỗ rỗng với 04 mặt cắt ngang nghiên cứu
bao gồm 08 lỗ khoan khảo sát địa chất và 03
điểm xuyên CPTu cho đoạn tuyến dài hơn 6km
Địa tầng của mặt cắt lựa chọn nghiên cứu ngoài
lớp kết cấu áo đƣờng và đất đắp nền đƣờng có
các lớp đất nền tự nhiên là sét dẻo cao - dẻo mềm
(lớp 2a) phía dƣới là lớp bụi dẻo cao - dẻo chảy
(lớp 2b), lớp sét bụi dẻo cao xen kẹp cát dẻo
mềm (lớp 2c) dƣới cùng là lớp cát chặt vừa.
Mực nƣớc ngầm ngang mặt đất. Các lớp đất 2a,
2b và 2c đƣợc xem là ít thuận lợi cho xây dựng
đƣờng ô tô đắp trên nó – đất yếu là đối tƣợng
chính đƣợc phân tích trong nghiên cứu này.

Một số thông số cơ bản của các lớp đất nền
trong mặt cắt nghiên cứu nhƣ bảng 3.
3.2. Đặc điểm sức chống cắt không thoát
nƣớc của đất theo kết quả SPT và CPTu

trong phạm vi nghiên cứu
Thí nghiệm SPT và CPTu đƣợc thực hiện tại
công trình nghiên cứu đƣờng trục phía Nam Hà
Tây (cũ) dùng các hàm tƣơng quan thực
nghiệm tại mục 2 xác định đƣợc thông số sức
chống cắt các lớp đất 2a 2b và 2c mặt cắt
nghiên cứu
* Với thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn
Các hình 1, 2, 3 và 4 cho thấy, sức chống cắt
không thoát nƣớc (Su) xác định bằng N60, theo
Sower, Terzaghi và Peck, hay Hara rất khác
nhau. Su xác định qua SPT theo công thức Hara
cho các lớp đất 2a, 2b và 2c là lớn nhất, còn
theo Sower là bé hơn cả.
So sánh với thí nghiệm cắt cánh hiện trƣờng
(bảng 3, hình 4), Su tính theo Sower nhỏ hơn từ
16% đến 19% theo Hara cao hơn từ 7% đến
18% trong khi độ chênh lệch này với công thức
của Terzaghi và Peck chỉ là 3%.

Bảng 3. Thông số cơ bản các lớp đất nền
Lớp
2a
2b
2c
3

Chiều dày
Su *
 (kN/m3)

lớp đất (m)
(kPa)
1,2 – 1,8
17,4
31,0
0,9 – 1.0
15,4
28,6
3,3 – 5,0
17,64
26,6
2,0 – 3,0
17,72
-

* Su từ thí nghiệm cắt cánh hiện trƣờng
**  xác định theo TCVN 9351:2012
14

**
(độ)
30,1
Hình 1. Su xác định qua N60 của lớp đất 2a
ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2017


sự khác biệt không lớn (lệch nhau 4%-10%)
(hình 5).

Hình 2. Su xác định qua N60 của lớp đất 2b

Hình 5.  xác định qua N60 của lớp đất 3

Hình 3. Su xác định qua N60 của lớp đất 2c

* Với thí nghiệm xuyên tĩnh có đo áp lực
nước lỗ rỗng
Sức chống cắt không thoát nƣớc (Su) các lớp
đất 2a 2b 2c xác định bằng kết quả thí nghiệm
CPTu theo các công thức Li, Keaveny và
Michell, hay Viện xây dựng Sichuan có sự khác
biệt (hình 6, 7, 8). Khi so sánh Su xác định theo
CPTu với cắt cánh hiện trƣờng (hình 9), Su theo
Keaveny và Michell thấp hơn so với thí nghiệm
cắt cánh từ 1% đến 15% trong khi đó Su theo
công thức Viện xây dựng Sichuan cao hơn Su từ
cắt cánh 6-12% Đối với công thức liên hệ của
Li cho kết quả độ lệch nhỏ nhất, khoảng 3,5%.

Hình 4. So sánh Su xác định theo N60 với Su từ
cắt cánh hiện trường
Với lớp đất cát (lớp đất số 3), góc ma sát
trong  xác định qua N60 theo các công thức
Meyerhof, Peck và Schmertmann cho kết quả có
ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2017

Hình 6. Su xác định qua qT của lớp đất 2a
15

các tác giả khác nhau có sự chênh lệch không
lớn (2,5 - 9 4%) (hình 10) Trƣờng hợp này,
công thức liên hệ của Meyerhof cho giá trị góc
ma sát trong của đất cát bé nhất.

Hình 7. Su xác định qua qT của lớp đất 2b

Hình 10.  xác định theo CPTu của lớp 3

Hình 8. Su xác định qua qT của lớp đất 2c

Hình 9. So sánh Su xác định theo qT với Su từ cắt
cánh hiện trường các lớp đất
Trƣờng hợp đất cát (lớp 3), góc ma sát trong
() xác định theo các công thức 10, 11 và bảng
2. Kết quả nghiên cứu cho thấy,  xác định theo
16

3.3. Phân tích ổn định trƣợt sâu nền
đƣờng đắp trên đất yếu khi sử dụng sức
chống cắt không thoát nƣớc theo kết quả
SPT và CPTu
Sử dụng mặt cắt địa chất gồm các lớp đất nền
nhƣ bảng 3 phân tích ổn định nền đƣờng đắp
cao từ 3 5m đến 6m với bề rộng mặt đƣờng
40m xét ở 3 trƣờng hợp:
- Trƣờng hợp 1 (TH1): Sử dụng Su của các lớp
đất 2a 2b 2c từ thí nghiệm cắt cánh hiện trƣờng
và  lớp 3 lấy theo TCVN 9351:2012 (bảng 3)
- Trƣờng hợp 2 (TH2): Sử dụng Su xác định

qua chỉ số SPT theo công thức của Terzaghi và
Peck, và  lớp 3 lấy theo công thức Peck (hình
1, 2, 3, 5).
- Trƣờng hợp 3 (TH3): Sử dụng Su xác định
qua kết quả CPTu theo công thức của Li, và 
lớp đất 3 lấy theo quan hệ Meyerhof (hình
6,7,8,10).
Sử dụng phần mềm Geostudio 2007 mô đun
Slope/W, phân tích ổn định trƣợt sâu khi nền
đắp cao 3,5m; 4m; 4,5m; 5m; 5,5m và 6m.
Kết quả phân tích ổn định cho các trƣờng
hợp và các điều kiện khác nhau đƣợc thể hiện
tại bảng 4.
ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2017


Bảng 4. Hệ số ổn định trƣợt sâu nền đƣờng
đắp trên đất yếu các trƣờng hợp nghiên cứu
Hệ số ổn định (Fs)
TH
Hđắp(m)
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
6,0

TH1

TH2

TH3

2,31
1,99
1,77
1,61
1,47
1,36

2,31
2,00
1,79
1,64
1,51
1,39

2,29
1,99
1,79
1,61
1,49
1,37

Bảng 4 cho thấy, ở trƣờng hợp cụ thể, cùng
tải trọng tác dụng (cùng chiều cao đắp), hệ số ổn
định trƣợt (Fs) gần tƣơng đƣơng nhau (độ chênh
lệch < 2,7%) khi sử dụng thông số sức chống
cắt không thoát nƣớc xác định qua chỉ số SPT

theo công thức Terzaghi và Peck xác định qua
kết quả CPTu theo công thức Li và theo kết quả
thí nghiệm cắt cánh hiện trƣờng.
Khi chiều cao đắp nền tăng hệ số ổn định
trƣợt giảm tuyến tính tƣơng ứng mỗi trƣờng hợp
xem xét (bảng 4).
4. KẾT LUẬN
Sức chống cắt không thoát nƣớc (Su) các lớp đất
dính mềm yếu (trạng thái dẻo mềm – dẻo chảy) xác
định thông qua các kết quả thí nghiệm xuyên tiêu
chuẩn (SPT) bằng công thức Terzaghi và Peck, hay
xuyên tĩnh có đo áp lực nƣớc lỗ rỗng (CPTu) theo
công thức Li có thể sử dụng để thay thế kết quả thí
nghiệm cắt cánh hiện trƣờng khi phân tích ổn định
trƣợt sâu nền đƣờng đắp trên đất yếu
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Vũ Công Ngữ, Nguyễn Thái (2006), "Thí
nghiệm đất hiện trường và ứng dụng trong phân
tích nền móng", Nxb KH&KT, Hà Nội.
[2]. Fernando Schnaid (2006), "Piezocone
Penetration Tests CPTu", Universidade Federal

do Rio Grande do Sul, Brazil.
[3]. Hara, A., Ohta, T., Niwa, M., Tanaka, S.,
and Banno, T. (1974), “Shear modulus and
shear strength of cohesive soils”, Soils and
Foundation., 14(3), 1-12.
[4]. Li, Z.M (2011), "Soft soil foundation
reinforcement with quality control", Beijing China Building Industry Press.
[5].

Geotechnical
Research
Group
Department of Civil Engineering, "Manual On
Interpretation Of Seismic Piezocone Test Data
For Geotechnical Design (2001). Practical
Applications of the Cone Penetration Test", The
University of British Columbia. USA. 235pp.
[6]. United States Department of Agriculture
Natural Resources Conservation Service (2012),
National Engineering Handbook.
[7]. Liao, S.S.C and Whitman, R.V (1986),
"Overburden Correction Factors for SPT in
Sand", Journal of Geotechnical Engineering,
A.S.C.E., v. 112:3, p. 373-377.
[8]. Skempton (1986), "Standard Penetration
Test Procedures and the Effects in Sands of
Overburden Pressure, Relative Density, Particle
Size,
Aging
and
Overconsolidation",
Geotechnique, v. 36:3, p. 425-447.
[9]. Sowers, G.B. and Sowers, G.F. (1970),
"Introductory Soil Mechanics and Foundations",
Third Edition, The MacMillan Co., New York.
[10]. Peck, R., Hanson,W., and Thornburn
(1974), "Foundation Engineering Handbook",
Wiley, London.
[11]. Terzaghi, K. and Peck, R.B. (1967),

"Soil Mechanics in Engineering Practice", John
Wiley, NewYork. 729.
[12]. TCVN 9351:2012 - Thí nghiệm xuyên
tiêu chuẩn SPT
[13]. TCVN 9846:2013 - Quy trình thí nghiệm
xuyên tĩnh có đo áp lực nƣớc lỗ rỗng (CPTu)
[14]. 22TCN 262:2000 - Quy trình khảo sát
nền đƣờng ô tô đắp trên đất yếu

Người phản biện: PGS.TS. TRẦN MẠNH LIỄU
ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2017

17