Chuẩn hóa số đọc từ số liệu tại hiện trường của thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn–SPT

biến ở Bắc Mỹ. Ở nước ta, nhiều năm về trước và hiện nay, SPT cũng được sử dụng rộng rãi, thường kết hợp trong quá trình khoan khảo sát địa chất công trình – áp dụng theo tiêu chuẩn TCVN 9351:2012. Với công tác thí nghiệm SPT tại hiện trường thường kết hợp với quá trình khoan khảo sát địa chất công trình nên sự chuẩn hóa (hiệu chỉnh) số liệu N thực tế tại hiện trường sang số liệu N thích hợp phục vụ cho mục đích tính toán là điều cần thiết. Từ khóa Thí nghiệm, xuyên tiêu chuẩn SPT, chuẩn hóa số liệu 1. Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn Hay thường được viết tắt là SPT (Standard Penetration Test) là một thí nghiệm xuyên tại hiện trường nhằm đo đạc các tính chất địa kỹ thuật của đất. 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... 1.1. Mục đích Dùng để dự tính, 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 1.2. Nguyên lý thí nghiệm Thí nghiệm sử dụng một ống mẫu thành mỏng với đường kính ngoài 50 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. Thông báo Khoa học và Công nghệ Information of Science and Technology Số 1/2017 No. 1/2017 44 1.3. 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. Hình 1.1. Búa đóng SPT Hình 1.2. Mũi SPT 1.4. 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. 2. Chuẩn hóa số liệu Khi có được số búa N đóng thực tế tại hiện trường, thì vấn đề cần đặt ra là có nên sử dụng trực tiếp số búa đóng thực tế N hay cần hiểu chỉnh nó để đưa vào ứng dụng trong việc dự tính, đánh giá như mục 1.1 đã nêu. Theo các nhà khoa học cho rằng, SPT là một trong những loại hình thí nghiệm hiện trường có sự sai số bởi một số nguyên nhân sau: - Yếu tố vị trí độ sâu thí nghiệm và mực nước dưới đất cũng ảnh hưởng đến chỉ số N thực tế. - Khi thí nghiệm thả rơi búa tự do, thì năng lượng toàn phần do búa rơi là: E = 63,5kg x 0,76m. Tuy nhiên, năng lượng E này không hoàn toàn chuyển tới đầu xuyên SPT mà có sự mất mát năng lượng, có thể do: + Mất mát năng lượng do ma sát giữa búa rơi với trục dẫn hướng, ma sát giữa dây kéo với ròng rọc. + Mất mát năng lượng do người thí nghiệm hay thiết bị (thiết bị quá cũ, không chuẩn xác trong thao tác,), đôi khi vì nguyên nhân này mà năng lượng có thể mất đến hơn 20%. + Mất mát năng lượng do ma sát giữa đất lỗ khoan và cần khoan, v.v Vậy số liệu N thực tế tại hiện trường chưa phải là số liệu cuối cùng để đưa vào áp dụng cho mục đích tính toán mà cần phải hiệu chỉnh (chuẩn hóa số liệu) để đưa ra thông số N thích hợp cho mục đích tính toán và những hiệu chỉnh sau cần áp dụng: - Hiệu chỉnh cát mịn lẫn bụi theo Terzaghi và Peck: N’ = 15 + 0,5(N-15) (N’- chỉ số búa hiệu chỉnh; N- chỉ số búa thực tế). - Hiệu chỉnh theo độ sâu: γh7 35 NN'   (h– độ sâu thí nghiệm; - dung trọng nếu dưới mực nước sử dụng dung trọng đẩy nổi đn). - Hiệu chỉnh nước dưới đất: N’ = 0,5N + 7,5 - Hiệu chỉnh theo sự mất mát năng lượng búa (Vũ công Ngữ và Nguyễn Thái – 2002): Với sự mất mát các năng lượng như trên nên năng lượng hiệu quả thực tế chỉ đạt 30÷65% (tùy thiết bị sử dụng và vị trí độ sâu tiến hành loại hình thí nghiệm trên) và để có sự thống nhất trong việc chuẩn hóa số liệu thì người ta xem 60% như là năng lượng hữu ích trung bình và lúc này thường quy đổi N thực tế về N60 (60% năng lượng hữu ích). Ví dụ: như có số liệu SPT tại hiện trường là N = 20 lúc này nếu lấy 60% năng lượng hữu ích thì giá trị thực của SPT là N = 20 . 60/100 = 12 và lúc này giá trị N thực giảm đi nhiều so với giá trị N tại hiện trường khi chưa chuẩn hóa theo năng lượng. Thông báo Khoa học và Công nghệ Information of Science and Technology Số 1/2017 No. 1/2017 45 Sau đây là bảng tham khảo năng lượng hiệu quả (%) ứng với một số thiết bị SPT Bảng 1.1. Năng lượng hiệu quả (%) của một số thiết bị SPT. Loại SPT Loại dẫn (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, N60 = 10 tại 1m, thì tại 30m, N60 có thể lên tới 20. Vì lúc này tại 30m, áp lực ngang lớn hơn rất nhiều so với tại 1m nên cần phải đập nhiều nhát búa hơn. Do đo, ta cần chuẩn hóa N60 theo các hệ số sau: N’60 = N60 x CN = N x CE x CN Trong đó: CE – hệ số hiệu quả: 60 E C hE  (Bên cạnh đó, ở nước ta thường tạm lấy CE = 0,5 ÷ 0,9, nếu thiết bị tiên tiến hơn thì có thể lấy cao hơn). CN – hệ số độ sâu, có thể lấy như sau: Liao & Whitman (1986): CN = (0,9576/’vo)0,5. Peck (1974): CN = 0,77.log(20/1,05/’vo) Skempton (1986): CN = 2/(1 + ’vo) (với ’vo - ứng suất hữu hiệu theo phương đứng). Ngoài ra, Bowles (1996) còn đề nghị các hệ số khác (2, 3, 4), + 2 = min (1; 0,03L + 0,7) (với L chiều cần). + 3 = 1 với ống lấy mẫu không có lớp lót; + 3 = 0,9 với ống lấy mẫu có lớp lót, đất cát rời; + 3 = 0,8 với ống lấy mẫ ucó lớp lót, đất sét hay cát chặt. + 4 = 1 nếu hố khoan có đường kính 60 ÷ 120mm; + 4 = 1,05 nếu hố khoan có đường kính150mm; + 4 = 1,15 nếu hố khoan có đường kính 200mm. Những hệ số 2, 3, 4 tuy không quan trọng so với CN và CE nhưng cũng được xem xét nếu trong trường hợp cần thiết. 3. Kết quả thí nghiệm Khi số liệu N thực tế được chuẩn hóa (hiệu chỉnh) hợp lý theo từng trường hợp cụ thể như đã nêu ở mục 2, việc lập biểu đồ thể hiện kết quả giá trị N là điều cần thiết (hình 1.3). Thông báo Khoa học và Công nghệ Information of Science and Technology Số 1/2017 No. 1/2017 46 Hình 1.3. Biểu đồ thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn – SPT (N). . §é s©u (m) Tªn líp §é s©u líp (m) BÒ dµy (m) H×nh trô Sè hiÖu vµ ®é s©u mÉu M« t¶ ®Êt THÝ NGHI£M XUY£N TI£U CHU¢N (SPT) k 1 2 3 4 5 6 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 16,0 18,0 20,0 22,0 24,0 26,0 28,0 30,0 32,0 34,0 36,0 38,0 40,0 14,0 1,3 3,2 5,0 9,0 15,0 25,0 40,0 1 ,3 1 ,9 1 ,8 4 ,0 6 ,0 1 0 1 5 ,0 HK1-1 1,8 - 2,0 HK1-3 5,8 - 6,0 HK1-4 7,8 - 8,0 HK1-5 9,8 - 10,0 HK1-6 11,8 - 12,0 HK1-7 13,8 - 14,0 HK1-8 15,8 - 16,0 HK1-9 17,8 - 18,0 HK1-10 19,8 - 20,0 HK1-11 21,8 - 22,0 HK1-12 23,8 - 24,0 HK1-13 25,8 - 26,0 HK1-14 27,8 - 28,0 HK1-15 29,8 - 30,0 HK1-16 31,8 - 32,0 HK1-17 33,8 - 34,0 HK1-18 35,8 - 36,0 HK1-19 37,8 - 38,0 HK1-20 39,8 - 40 HK1-2 3,8 - 4,0 Líp k: Xµ bÇn san lÊp Líp 1: SÐt pha nÆng, mµu n©u vµng - x¸m xanh, tr¹ng th¸i dÎo mÒm Líp 2: SÐt pha lÉn s¹n sái laterit, mµu n©u ®á, tr¹ng th¸i n÷a Líp 3: SÐt pha, mµu n©u vµng - n©u ®á - x¸m xanh, tr¹ng th¸i dÎo cøng Líp 4: SÐt mµu n©u vµng - n©u ®á - n©u hång, tr¹ng th¸i dÎo Líp 5: SÐt pha nÆng, mµu x¸m ghi, tr¹ng th¸i dÎo mÒm Líp 6: C¸t pha, mµu n©u vµng - x¸m vµng, ®«i chç lÉn sái th¹ch 15 15 15 N cmcmcm 2 3 3 6 6 2 3 5 8 8 4 6 8 14 5 6 7 13 5 7 8 15 4 5 7 12 5 6 7 13 2 3 5 8 2 3 3 6 2 2 3 5 2 3 4 7 3 4 9 13 7 12 17 29 9 13 21 34 8 14 24 38 8 13 22 35 7 12 18 30 8 13 19 32 7 11 20 31 8 12 21 33 14 13 15 12 13 8 6 5 7 13 29 34 38 35 30 32 31 33 100 20 30 40 50 Sè hiÖu vµ ®é s©u SPT SPT1 2,0 - 2,45 SPT2 4,0 - 4,45 SPT3 6,0 - 6,45 SPT4 8,0 - 8,45 SPT5 10,0 - 10,45 SPT6 12,0 - 12,45 SPT7 14,0 - 14,45 SPT8 16,0 - 16,45 SPT9 18,0 - 18,45 SPT10 20,0 - 20,45 SPT11 22,0 - 22,45 SPT12 24,0 - 24,45 SPT13 26,0 - 26,45 SPT14 28,0 - 28,45 SPT15 30,0 - 30,45 SPT16 32,0 - 32,45 SPT17 34,0 - 34,45 SPT18 36,0 - 36,45 SPT19 38,0 - 38,45 SPT20 40,0 - 40,45 Thông báo Khoa học và Công nghệ Information of Science and Technology Số 1/2017 No. 1/2017 47 Từ biểu đồ thể hiện giá trị N trên, có thể ứng dụng vào các mục đích tính toán như đã nêu mục 1.1. 4. Kết luận Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (Standard Penetration Test – SPT) là một phương pháp thí nghiệm tại hiện trường và hiện nay loại hình thí nghiệm này khá phổ biến ở nhiều nước trên thế giới. Ngay cả ở nước ta thì hầu như những hạng mục khoan khảo sát địa chất xây dựng nào cũng kết hợp thí nghiệm SPT. Vậy, số liệu thí nghiệm SPT– N thực tế tại hiện trường chưa thực sự là số liệu ứng dụng cho mục đích tính toàn mà cần phải chuẩn hóa (hiệu chỉnh) số liệu thích hợp tương ứng theo từng trường hợp cụ thể của nền đất, cũng như thiết bị khảo sát (như là hiệu chỉnh theo mực nước dưới đất, độ sâu, năng lượng búa,) mà đã được nêu cụ thể mục 2, để có được số liệu N thích hợp phục vụ cho mục đích tính toán. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Tiêu chuẩn quốc gia, 2012. TCVN9351: 2012, NXB Bộ xây dựng. [2]. Vũ Công Ngữ, Nguyễn Thái (2002). Thí nghiệm đất hiện trường và ứng dụng trong phân tích nền móng, NXB Khoa học và kỹ thuật. [3]. Trần Văn Việt (2008). Cẩm nang dùng cho kỹ sư địa kỹ thuật, NXB Xây dựng. [4]. Vũ Công Ngữ, Nguyễn Văn Dũng (2001) . Cơ học đất, NXB Khoa học và kỹ thuật. [5]. Bùi Trường Sơn (2009). Địa chất công trình, NXB Đại học quốc gia TP.HCM. [6]. Nguyễn Hồng Đức (2000). Cơ sở địa chất công trình và địa chất thuỷ văn công trình, NXB Xây dựng, Hà Nội. [7]. R. Whitlow, 1996. Cơ học đất (dịch), NXB Giáo dục, Hà Nội