Chương 1 giới thiệu tổng quan về tình hình nghiên cứu phá hủy nền do động đất và các vấn đề liên quan đến hóa lỏng nền do động đất trên thế giới và trong nƣớc, nhằm cung cấp các thông tin tổng quát về đối tƣợng nghiên cứu của luận án, quy trình chuẩn tiến hành các nhiệm vụ nghiên cứu đánh giá phá hủy nền cho một khu vực xác định. Chương 2 tiến hành phân loại nền đất khu vực nội thành thành phố Hà Nội theo tài liệu địa chất công trình và địa vật lý. Kết quả phân loại nền đất khu vực nghiên cứu s là cơ sở đánh giá hiệu ứng khuếch đại nền, phục vụ trực tiếp cho đánh giá phá hủy nền tiếp theo. Chương 3 giới thiệu chi tiết phƣơng pháp và kết quả nghiên cứu đánh giá định tính khả năng nhạy cảm hóa lỏng nền vùng Hà Nội khi có động đất xảy ra 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com trong tƣơng lai bao gồm hai phần: phần thứ nhất giới thiệu phƣơng pháp mới cho phép tổng hợp các đặc điểm địa chất và địa mạo trong đánh giá khả năng nhạy cảm hóa lỏng nền.
Phần thứ hai là ứng dụng phƣơng pháp để đánh giá khả năng nhạy cảm hóa lỏng nền khu vực thành phố Hà Nội. Xây dựng bản đồ khả năng nhạy cảm hóa lỏng nền do động đất dựa vào các đặc điểm địa chất và địa mạo từ đó đƣa ra đánh giá định tính về mức độ nhạy cảm hóa lỏng nền của các vi phân vùng trong khu vực thành phố Hà Nội. Chương 4 trình bày chi tiết hệ phƣơng pháp và kết quả nghiên cứu đánh giá định lƣợng nguy hiểm hóa lỏng nền do động đất cho vùng nội thành thành phố Hà Nội trong các động đất kịch bản, gồm hai phần: phần thứ nhất trình bày hệ phƣơng pháp đánh giá định lƣợng nguy hiểm hóa lỏng nền trong động đất đã bổ sung các phƣơng pháp và kỹ thuật mới nhƣ chỉ số khả năng hóa lỏng nền, xác suất thống kê kết hợp bảng chỉ tiêu tiêu chuẩn mức độ nguy hiểm hóa lỏng nền. Phần thứ hai là áp dụng phƣơng pháp đánh giá định lƣợng nguy hiểm hóa lỏng nền vùng nội thành thành phố Hà Nội trong các động đất kịch bản.
Các bản đồ nguy hiểm hóa lỏng nền vùng nội thành thành phố Hà Nội đƣợc thành lập. Kết quả của luận án được công bố trong: 1) Hội nghị khoa học quốc tế về Vật lý Địa cầu-Hợp tác và phát triển bền vững, 14-17/11/2012, Hà Nội. 2) Hội nghị Khoa học Khoa Vật lý 2016, 29/10/2016, Hà Nội. 3) Đăng 03 bài báo trên Tạp chí Các Khoa học về Trái đất đƣợc liệt kê trong danh mục công trình công bố của tác giả.
6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU PHÁ HỦY NỀN DO ĐỘNG ĐẤT VÀ CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN HÓA LỎNG NỀN 1. Tình hình nghiên cứu phá hủy nền do động đất 1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới Thuật ngữ phá hủy nền đã đƣợc Mogami & Kubo, 1953 lần đầu tiên đƣa ra, theo đó khả năng phá hủy nền đƣợc biểu hiện qua các dạng tai biến đƣợc coi là hệ quả trực tiếp của động đất mạnh tại khu vực nghiên cứu nhƣ phá hủy bề mặt, trƣợt lở nền và hóa lỏng nền [74].
Mặc dù phá hủy nền là một trong những chủ đề thú vị nhƣng phức tạp và gây nhiều tranh cãi trong giới chuyên gia động đất. Chỉ sau những ảnh hƣởng tàn phá của nó ở Alaska (Mỹ) và Niigata (Nhật Bản) do động đất cùng xảy ra năm 1964 với độ lớn lần lƣợt M=9.5 mới thực sự thu hút sự chú ý của các nhà khoa học địa chấn trên thế giới. Cả hai trận động đất đều là những ví dụ điển hình về những thiệt hại do phá hủy nền gây ra, bao gồm sự phá hủy nền đất, phá hủy cầu và nền móng các tòa nhà và sự trôi nổi các công trình bị chôn vùi [74]. Kể từ đó hàng trăm nhà nghiên cứu trên thế giới đã nghiên cứu mối nguy hiểm này.
Trên khắp thế giới đặc biệt là ở khu vực đô thị, việc thiết kế xây dựng các công trình hiện đại có khả năng chống chịu tác động của các hiện tƣợng phá hủy nền bắt đầu đƣợc quan tâm. Nhìn chung, có hai hƣớng nghiên cứu phá hủy nền đƣợc thực hiện rộng rãi từ trƣớc đến nay. Hƣớng nghiên cứu đầu tiên dựa trên bản đồ phá hủy nền lịch sử, bản đồ này chỉ ra nơi mà phá hủy nền đã xảy ra trong các trận động đất đã qua, chỉ ra khu vực đƣợc biết là đã xảy ra sự phá hủy nền. Ngoài ra kiểu bản đồ này còn cung cấp các bảng thông tin bao gồm thông tin về kiểu phá hủy nền, đánh giá chính xác vị trí và mô tả các thông tin từ các báo cáo và các nghiên cứu hiện trƣờng, ngoài ra nó còn bao gồm cả các hình ảnh phá hủy nền, và một số các công bố ở đây từ thời gian bắt đầu xảy ra động đất.
Các mục tiêu chính của những nghiên cứu loại này là để xác định: (a) Bản chất và mức độ của các kiểu phá hủy nền khác nhau (trƣợt lở, 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com cát sủi, lún và chuyển động ngang gây bởi hóa lỏng) gây ra bởi các trận động đất lịch sử; (b) Thiết lập các mối quan hệ giữa sự phân bố của các kiểu phá hủy nền với độ lớn động đất (M), chấn tâm, đứt gãy, địa chất và địa hình; c) Thiết lập các tiêu chuẩn kháng chấn phù hợp với thực tế và các tiêu chí phân loại nền theo các tham số rung động nền (cƣờng độ chấn động do động đất gây ra trên bề mặt hay PGA). Các mối liên hệ phát triển từ các nghiên cứu này chỉ ra độ lớn tối thiểu của trận động đất gây ra phá hủy nền (Earthquake Induced Ground Failures - EIGF) trong khu vực [57]. Các ghi chép lịch sử dẫn đến giả thiết là trong những trận động đất lớn trong tƣơng lai, phá hủy nền s chắc chắn xảy ra ở những nơi có đặc điểm địa chất tƣơng tự. Nếu những nơi này lại là các thành phố thì mức độ thiệt hại càng tăng cao khi mà dân số và sự đô thị hóa tăng nhanh.
Các thông tin chi tiết về các phá hủy nền do động đất gây ra, bao gồm vị trí, địa hình, thủy văn và đặc điểm địa chất còn là các yếu tố cần thiết để đánh giá phân loại và phạm vi nguy hiểm phá hủy nền cũng nhƣ xây dựng các kế hoạch ứng phó [34]. Cũng chính từ các nghiên cứu lịch sử này các nhà khoa học đã rút ra đƣợc một số nhận định nhƣ độ tuổi của các trầm tích là một yếu tố quan trọng để xem xét khi đánh giá tính nhạy cảm hóa lỏng. Trầm tích trẻ Holocen và các vùng đất đắp nhân tạo đặc biệt dễ bị tổn thƣơng với hóa lỏng [120, 122], đồng thời ngƣời ta thƣờng sử dụng giả thiết đơn giản hóa là vùng địa chấn địa phƣơng có ngƣỡng độ lớn động đất lớn hơn 5 hoặc có cƣờng độ chấn động lớn hơn 7 có thể xảy ra hiện tƣợng phá hủy nền [73, 75, 76, 121]. Trong hƣớng nghiên cứu thứ hai, một bản đồ nguy hiểm phá hủy nền phân chia vùng nghiên cứu thành các khu vực có mức độ nguy hiểm phá hủy nền khác nhau đƣợc thành lập.
Nhiều nhà nghiên cứu đã thực hiện kết hợp cả hai hƣớng nghiên cứu này. Obermeier (1989) đã thực hiện một nghiên cứu dựa trên những trận động đất lịch sử đối với các trận động đất New Madrid trong hai năm 1811-1812 ở các vùng Arkansas, Thổ Nhĩ Kỳ, Missouri & Tennessee. Youd & Hoose (1978), Youd Wieczorek (1982), và Youd et al., (1985) đã thực hiện các nghiên cứu kiểu tƣơng tự cho động đất San Francisco 1906; trận động đất ở Imperial Valley, 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com California năm 1979; động đất Borah Peak, Idaho năm 1983. Nhiều nhà nghiên cứu đã áp dụng thành công khái niệm bản đồ nguy hiểm phá hủy nền với các hiện tƣợng trƣợt lở và hóa lỏng nền.
Điều này đã đƣợc thực hiện bằng các phƣơng pháp khác nhau đó là: 1) Phƣơng pháp Hazus đƣợc phát triển bởi Cục quản lý các tình trạng khẩn cấp liên bang Mỹ (Federal Emergency Management Agency - FEMA), nghiên cứu phá hủy nền đƣợc thực hiện dựa trên việc đánh giá mức tối đa các khu vực nhạy cảm với hóa lỏng, trƣợt lở nền theo dữ liệu hiện có về tiêu chuẩn địa chất và tiêu chí địa mạo, cấp độ phân vùng phá hủy nền loại này đƣợc gọi là phân vùng cấp I, trên cơ sở đó đánh giá xác suất hóa lỏng nền. Thực tế là phƣơng pháp này đƣợc sử dụng rất rộng rãi vì nó đáp ứng cả hai tiêu chí chuẩn hóa và đơn giản. Phƣơng pháp này không đòi hỏi khối lƣợng quá lớn về dữ liệu và phân tích, cũng không đòi hỏi bất kỳ tài liệu lỗ khoan nào, đây vừa là ƣu điểm cũng là nhƣợc điểm của phƣơng pháp [39]. Ngày nay phƣơng pháp này vẫn là chủ đề nghiên cứu và tiếp tục tìm hiểu trong các nghiên cứu đánh giá hóa lỏng nền đặc biệt với những khu vực đô thị [54].
2) Phƣơng pháp phân tích sử dụng số liệu địa kỹ thuật tại chỗ [99] cho kết quả là hệ số an toàn kháng hóa lỏng của các lớp đất nền (FS), các chỉ số khả năng hóa lỏng (Liquefaction Potential Index - LPI) và nguy hiểm hóa lỏng nền theo xác suất (Probabilistic Liquefaction Hazard - PLH) dựa trên phép đo SPT, CPT hoặc Vs tại một vị trí cụ thể. Phép đo thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (Standard Penetration Test - SPT) là một thí nghiệm xuyên động học thực nghiệm đƣợc phát triển ở Mỹ trong những năm 1920 và thƣờng đƣợc thực hiện trong các đƣờng ống có đƣờng kính từ 50 đến 100 mm. Thí nghiệm này thƣờng đƣợc sử dụng nhiều nhất trong khảo nghiệm tại chỗ đặc biệt đối với các loại đất cố kết kém, không thể lấy mẫu một cách dễ dàng. Thí nghiệm này thƣờng hay đƣợc sử dụng để xác định mật độ tƣơng đối, khả năng chịu tải và góc kháng trƣợt của đất cố kết kém.
Thí nghiệm đƣợc thực hiện bằng cách sử dụng một ống mẫu tròn rỗng có đƣờng kính ngoài 50 mm, đƣờng kính bên trong 35 mm và chiều dài khoảng 65 mm [49]. Có nhiều cách khác nhau để thả búa ở các quốc gia khác nhau. Tuy nhiên, lỗ 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com khoan phải đƣợc làm sạch đến độ sâu yêu cầu trƣớc khi việc đóng búa đƣợc thực hiện và phải đƣợc chú ý để đảm bảo rằng các vật liệu đƣợc kiểm tra không bị xáo trộn.