Nghiên cứu thí nghiệm xuyên động trong phòng thí nghiệm (Dynamic Cone Penetration - DCP), đánh giá sức chịu tải của đất cát với các độ chặt khác nhau sử dụng cho nền đất đắp trong thi công nền đường

doi.org/10.64588/jc.03.02.2026

Ngày nhận bài: 02/01/2026; Ngày sửa bài: 12/01/2026; Ngày chấp nhận đăng: 23/01/2026

Tóm tắt

Nghiên cứu này trình bày kết quả thí nghiệm xuyên động (Dynamic Cone Penetration - DCP) trong phòng thí nghiệm nhằm đánh giá ảnh hưởng của mức độ chặt đến sức chịu tải quy ước R₀ của cát. Các thí nghiệm được thực hiện trên mẫu cát với 4 mức độ chặt K80, K85, K90 và K95 trong khuôn thí nghiệm quy mô lớn. Quan hệ giữa sức chịu tải quy ước và độ sâu được phân tích trên cơ sở các thí nghiệm lặp lại.

Kết quả cho thấy R₀ tăng theo độ sâu và tăng rõ rệt khi mức độ chặt của cát được nâng cao. Ở các mức độ chặt thấp, R₀ nhỏ và phân tán, trong khi tại K90 - K95, R₀ lớn hơn và các đường cong R₀ - độ sâu ổn định, có độ lặp tốt. Phương trình tương quan giữa độ chặt và sức chịu tải quy ước: R₀ = 4,97(1 - e^-4,16(K-80)) khẳng định vai trò của mức độ đầm chặt đối với sức chịu tải của nền cát và cho thấy khả năng ứng dụng thí nghiệm DCP trong đánh giá chất lượng nền cát đắp.

Từ khóa: Địa kỹ thuật; xuyên động (DCP); nền đất yếu.

Abstract

This study presents laboratory dynamic cone penetration (DCP) test results to evaluate the influence of compaction degree on the conventional bearing capacity R₀ of sand. The tests were conducted on sand specimens prepared at four compaction levels, namely K80, K85, K90 and K95, using a large-scale testing mold. The relationship between the conventional bearing capacity R₀ and penetration depth was analyzed based on repeated DCP tests.

The results indicate that R₀ increases with depth and shows a pronounced increase as the degree of compaction is enhanced. At lower compaction levels, R₀ values are relatively small and exhibit significant scatter, whereas at higher compaction levels (K90 - K95), larger R₀ values are obtained and the R₀ - depth profiles become more stable with good repeatability. Correlation relationship between soil compaction level and conventional bearing capacity: R₀ = 4,97(1 - e^-4,16(K-80)) confirms the critical role of compaction degree in governing the bearing capacity of sand fills and demonstrates the potential applicability of DCP testing for assessing the quality of compacted sand foundations.

Keywords: Geotechnics; Dynamic cone penetration (DCP); soft ground.

1. Đặt vấn đề

Độ chặt, cường độ chống cắt hay sức chịu tải là những những tính chất kỹ thuật thiết yếu của đất, giúp trong việc thiết kế móng, đập, tường chắn, đê… Cát là vật liệu tự nhiên khá phổ biến tại Việt Nam và được đưa vào lĩnh vực xây dựng bởi nhiều nguồn khác nhau [1].

Thí nghiệm xuyên động (Dynamic Cone Penetration - DCP) đã được sử dụng trong nghiên cứu này để dự đoán các đặc tính kỹ thuật của cát vì việc lấy mẫu cát nguyên trạng là khó khăn, đặc biệt khi gặp loại đất cát lỏng hoặc ngập nước. Việc sử dụng thí nghiệm này có lợi thế quan trọng bởi thiết bị DCP cho khả năng cung cấp một bản ghi liên tục về độ bền tương đối của đất theo chiều sâu [2]. Ngoài ra, thí nghiệm xuyên động được nổi bật bởi tính kinh tế và sự đơn giản trong vận hành, cũng như khả năng cung cấp kết quả có thể lặp lại và đánh giá đặc tính nhanh chóng cho giá trị tương tự như những thí nghiệm thông dụng khác như thí nghiệm xuyên tĩnh CPT và thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT [3].

Một số ứng dụng kết quả DCP bao gồm mối tương quan với mô-đun đàn hồi hồi phục, chỉ số chịu tải (CBR), cường độ nén không giới hạn và cường độ cắt, cũng như việc sử dụng nó trong kiểm soát chất lượng đầm nén vật liệu san lấp và đánh giá hiệu suất của các lớp mặt đường [4]. Ngoài ra, một số tương quan DCP-CBR đã được phát triển cho các vật liệu khác nhau trong phòng thí nghiệm và thực địa theo nhiều nghiên cứu [5, 6, 7, 8, 9].

Mohammadi và cộng sự [10] đã phát triển các mối quan hệ giữa chỉ số xuyên động, tỷ trọng tương đối, mô-đun đàn hồi, mô-đun cắt, mô-đun phản ứng nền và góc ma sát của đất, sử dụng khuôn có đường kính 700 mm và chiều cao 700 mm và tiến hành các thí nghiệm DCP và PLT trên đất, với hệ số xác định cao (hơn 90%).

Mục tiêu chính của nghiên cứu này là đánh giá khả năng sử dụng thử nghiệm xuyên động (DCP) để đánh giá các đặc tính kỹ thuật của đất cát tại Việt Nam ở các độ chặt khác nhau. Hơn nữa, nghiên cứu này nhằm mục đích phát triển mối tương quan giữa các đặc tính kỹ thuật của cát như độ ẩm, độ chặt hay góc ma sát trong với chỉ số sức kháng cắt, sức chịu tải.

2. Tiến hành thí nghiệm  

2.1. Vật liệu

Cát được sử dụng trong cuộc nghiên cứu này được lấy từ mỏ cát vật liệu xây dựng tại Hà Nội, nguồn vật liệu cát sông từ các tỉnh phía Bắc như tỉnh Phú Thọ. Cát hạt trung, có màu vàng nhạt và có không đồng nhất về thành phần hạt theo hệ thống phân loại AASHTO. Khối lượng thể tích đơn vị ướt đất cát ở độ ẩm tối ưu (ASTM D 4253) là 1,85 g/cm³ và khối lượng thể tích đơn vị ướt đất cát ở độ ẩm khô tối ưu (ASTM D 4254) là 1,49 g/cm³.

2.2. Quy trình kiểm soát độ chặt

Việc đạt được độ chặt yêu cầu là một nhiệm vụ đầy thách thức trong nghiên cứu này. Để tiến hành thí nghiệm thuận lợi, một số thử nghiệm sơ bộ đã được tiến hành để xác định cách thức thích hợp và chính xác nhất đạt được độ chặt yêu cầu. Các độ chặt đất cát khác nhau đã được hiệu chuẩn trong một khuôn nhỏ (đường kính 750 mm và chiều cao 450 mm) thông qua một số lần thử nghiệm. Sau đó, các độ chặt yêu cầu được thực hiện trong khuôn quy mô lớn (đường kính 800 mm và chiều cao 1.500 mm) và tiến hành thí nghiệm xuyên động DCP.

Buồng chứa đất được sử dụng trong nghiên cứu này là một ống thép được gia công bằng tấm thép lá có độ dày 0,2 mm, tấm thép được tạo hình thành hình trụ tròn, gia cố xung quanh bên ngoài bằng hệ thống thanh sắt vuông đặc 10*10, hàn nối dạng ô vuông 150*150 mm. Kích thước buồng chứa đất cát đường kính 800 mm và chiều cao 1.500 mm (Hình 1).

Kỹ thuật chính để các lớp cát đạt được độ chặt thiết kế theo yêu cầu bằng các bước sau. Buồng chứa chia thành 5 lớp, mỗi lớp dày 300 mm. Trộn đều khối đất cát đã được tính toán sau khi thử nghiệm trên khuôn nhỏ với nước để đạt độ ẩm yêu cầu của mỗi lớp. Đất được cho vào buồng chứa bằng xô và sử dụng máy đầm tay thực hiện sao cho chiều dày của mẫu đất về đúng vạch 300 mm đã chia sẵn trong buồng chứa.

2.3. Quy trình thí nghiệm

Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả đã thực hiện 12 thí nghiệm xuyên động DCP với 4 độ chặt khác nhau của cát trong buồng chứa đất cát có tổng chiều sâu thâm nhập là 1.300 mm. Tức là, ba thí nghiệm DCP cho mỗi độ chặt (K80, K85, K90, và K95). Giá trị chỉ số DCP được tính bằng cách chia tổng độ sâu thâm nhập tính bằng mm cho số lần gõ (mm/lần gõ) và được báo cáo cho mỗi mẫu.

3. Kết quả và thảo luận

Theo SNip 448-72[11], sức kháng xuyên động được xác định qua số búa cần thiết (n) để đẩy mũi xuyên đi vào đất một độ sâu nhất định (s =10 cm). Cường độ sức kháng xuyên động giả định (N) và sức kháng xuyên động đơn vị (q_d) được xác định theo các biểu thức (1) và (2).

Trong đó:

n - Số nhát búa cần thiết để đưa mũi xuyên đi được một khoảng s (thường s= 10 cm);

α - Hệ số hiệu chỉnh ma sát, tra theo bảng tra;

β - Hệ số hiệu chỉnh trọng lượng cần, tra theo bảng tra.

Trong đó:

∏_o - Hệ số xét đến ảnh hưởng của thiết bị và chiều cao rơi búa (bằng 30 kG/cm với loại nhẹ, 110 kG/cm với loại trung bình, 280 kG/cm với loại nặng);

m - Khối lượng búa, kg;

m’ - Khối lượng của thiết bị tác động lên đầu xuyên, kg;

e - Hệ số phục hồi năng lượng đàn hồi: e = 0,56;

Φ - Hệ số xét đến ảnh hưởng của ma sát giữa cần và đất, xác định theo bảng tra.

Theo TCXD 112:1984 và EN ISO 22476-3 [12], sức kháng xuyên động q_d được tính theo công thức được gọi là công thức Hà Lan (Sanglerat 1972; Cassan 1988):

Trong đó: A - Diện tích tiết diện ngang của mũi côn. Kết quả thí nghiệm DCP được biểu diễn trên biểu đồ q_d hoặc n theo độ sâu.

Theo nghiên cứu của nhóm tác giả, các kết quả sau khi tiến hành thí nghiệm tại phòng thí nghiệm Trường Đại học Mỏ - Địa chất, hiệu chỉnh và xử lý như sau:

a) Đất cát có độ chặt K80

Bảng 1. Biểu thí nghiệm xuyên động DCP trong đất cát, độ chặt K80

b) Đất cát có độ chặt K85

Bảng 2. Biểu thí nghiệm xuyên động DCP trong đất cát, độ chặt K85

c) Đất cát có độ chặt K90

Bảng 3. Biểu thí nghiệm xuyên động DCP trong đất cát, độ chặt K90

d) Đất cát có độ chặt K95

Bảng 4. Biểu thí nghiệm xuyên động DCP trong đất cát, độ chặt K95

Kết quả thí nghiệm xuyên động DCP cho thấy mức độ chặt của cát có ảnh hưởng rõ rệt đến sự biến thiên của sức chịu tải quy ước R₀ theo chiều sâu. Đối với tất cả các trường hợp khảo sát, R₀ có xu hướng tăng dần theo độ sâu. Tuy nhiên, giá trị tuyệt đối và mức độ ổn định của R₀ phụ thuộc chặt chẽ vào mức độ đầm chặt của cát.

Ở mức độ chặt K80, giá trị R₀ tương đối nhỏ và phân tán giữa các lần thí nghiệm, phản ánh trạng thái cát rời đến chặt trung bình với sức kháng xuyên thấp. Khi mức độ chặt tăng lên K85, giá trị R₀ tăng rõ rệt và sự khác biệt giữa các kết quả thí nghiệm giảm, cho thấy độ đồng nhất của nền cát được cải thiện. Đối với K90, các đường cong quan hệ giữa sức chịu tải quy ước R₀ và độ sâu đầm nén thể hiện xu hướng biến thiên ổn định và có độ lặp cao, đặc trưng cho trạng thái cát đầm chặt tốt. Ở mức độ chặt cao nhất K95, R₀ đạt giá trị lớn nhất trên toàn bộ chiều sâu khảo sát, mặc dù vẫn xuất hiện dao động cục bộ do hiện tượng khóa hạt và ảnh hưởng điều kiện biên.

Dựa trên dữ liệu thí nghiệm trung bình theo chiều sâu ổn định (0,6 - 1,3 m), nhóm nghiên cứu xây dựng công thức tương quan công thức hồi quy phi tuyến dạng tiệm cận quan hệ giữa độ chặt và sức chịu tải quy ước như sau:

R₀ = 4,97(1 - e^-4,16(K-80))

Trong đó:

- R₀ - sức chịu tải quy ước (kG/cm²);

- K - Độ chặt (%);

- R_0,max ≈ 5,0 kG/cm²: Giá trị giới hạn tiệm cận;

- Hệ số α = 4,16: Phản ánh tốc độ tăng nhanh của sức chịu tải khi tăng độ chặt.

Kết quả thí nghiệm cho thấy chỉ số xuyên động và sức chịu tải quy ước R₀ phụ thuộc chặt chẽ vào độ chặt của cát.

Khi K ≥ 90%, mối quan hệ R₀ - độ sâu trở nên ổn định và tuyến tính hơn, phù hợp cho việc:

- Hiệu chỉnh quan hệ DCP - sức chịu tải;

- Ứng dụng trong thiết kế nền đường và nền móng nông.

Biểu đồ K95 thể hiện giới hạn trên về hiệu quả tăng độ chặt, gợi ý rằng: Việc tăng độ chặt quá cao cần cân nhắc giữa lợi ích chịu tải và chi phí thi công.

Quan hệ không tuyến tính, thể hiện rõ hiện tượng bão hòa sức chịu tải của cát khi K ≥ 90%. Việc tăng độ chặt từ K80 đến K85 làm R₀ tăng mạnh. Khi K > 90%, hiệu quả tăng sức chịu tải giảm rõ rệt đến phù hợp với cơ chế khóa hạt và giới hạn tái sắp xếp hạt cát. Công thức thiết lập phù hợp cho phân tích kinh tế - kỹ thuật nền đường.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] EN ISO 22476-3. Geotechnical investigation and testing - Field testing. Part 2: Dynamic probing test, 2005.
[2] Burnham, T. R. and Johnson, D. In-Situ Foundation Characterization Using the Dynamic Cone Penetrometer. Report MN-93/05, Minnesota Department of Transportation, Maplewood, 1993.
[3] Salgado, R. and Yoon, S. Dynamic Cone Penetration Test (DCPT) for Subgrade Assessment. FHWA/IN/JTRP-2002/30, Purdue University, West Lafayette, IN, 2003.
[4] Amini, F. Potential Applications of Dynamic and Static Cone Penetrometers in MDOT Pavement Design and Construction. Final Report, Mississippi Department of Transportation, USA, 2003.
[5] Ese, D., Myre, J., Noss, P. and Vaernes, E. The Use of Dynamic Cone Penetrometer (DCP) for Road Strengthening Design in Norway. Proceeddings, 4th International Conference, Bearing Capacity of Roads and Airfields, Minneapolis: 3-22, 1994.
[6] Gabr, M., Hopkins, K., Coonse, J. and Hearne, T. DCP Criteria for Performance Evaluation of Pavement Layers. Journal of Performance of Constructed Facilities, ASCE, 14(4), 141-148, 2000.
[7] Harison, J. A. Correlation of CBR and Dynamic Cone Penetrometer Strength Measurement of Soils. Institution of Civil Engineers Proceedings, London, 16(2), 130-136, 1986.
[8] Harison, J. A. In Situ CBR Determination by DCP Testing Using a Laboratory-Based Correlation. Australian Road Research, 19(4), 313-317, 1989.
[9] Smith, R. B. and Pratt, D. N. A Field Study of In Situ California Bearing Ratio and Dynamic Cone Penetrometer Testing for Subgrade Investigation. Australian Road Research, 13(4), 285-293, 1983.
[10] Mohammadi, S. D., Nikoudel, M. R., Rahimi, H. and Khamehchiyan, M. Application of the Dynamic Cone Penetrometer (DCP) for Determination of the Engineering Parameters of Sandy Soils. Engineering Geology, 101, 195-203, 2008.
[11] ASTM D6951-03. Sử dụng thiết bị chùy xuyên động (DCP) cho mặt đường có chiều sâu không lớn.
[12] TCXD 112:1984. Hướng dẫn thực hành khảo sát đất xây dựng bằng thiết bị mới - thí nghiệm xuyên động.