Chương 1: Tổng quan về công tác nghiên cứu, đánh giá ảnh hưởng của điều kiện nền lên đao động động đất trên thế giới và Việt Nam. Chương 2: Điều kiện tự nhiên khu vực Hà Nội và phương pháp nghiên cứu áp dụng trong luận án Chương 3: Đánh giá ảnh hưởng của điều kiện nền lên dao động động đất tại Hà Nội: Nghiên cứu cụ thé cho mặt cắt tiêu biểu Kết quả công bố Tác giả của luận án là tác giả chính của 3 công trình có ý nghĩa khoa học và thực tiễn, gồm: 1 bài báo đăng trong tap chí khoa học chuyên ngành quốc tế; 2 bài báo đăng trên tạp chí khoa học chuyên ngành quốc gia uy tín. TONG QUAN VE CÔNG TÁC NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ ANH HUONG CUA DIEU KIỆN NEN LEN DAO DONG DONG DAT TREN THE GIOI VA VIET NAM 1. Giới thiệu Khi một trận động đất xảy ra, các rung động địa chấn đồng thời được sinh ra và truyền đi trong lòng đất.
Rung động tại các lớp đất gần bề mặt trái đất do động đất gây ra được gọi tắt là rung động nén trong động đất. Dạng rung động nay có thé gây phá hủy các công trình xây dựng, gây sóng thần, gây trượt lở đất, hóa lỏng nền đất. Rung động nên trong động đất mạnh vi vậy thường gây nhiều tôn thất to lớn cả về con người cũng như tài sản, tùy thuộc vào biên độ, tần số của rung động. Các tham số rung động nền như vậy phụ thuộc vào độ lớn, cơ cấu chấn tiêu của động đất, khoảng cách từ vi trí động đất phát sinh tới vi trí quan sát và điều kiện địa chất đặc biệt gần mặt đất (gọi tắt là điều kiện nền) vị trí quan sát.
Trong một số trường hợp đã được ghi nhận, điều kiện nền đã tác động mạnh tới các rung động nền do động đất sinh ra, làm chúng bị biến đổi thành các rung động mạnh hơn với chu kỳ dai hon. | PGA=170 crn¿s” Fo SCT | PGA=35 cm¿3” -Fo epicenter (Nguồn: Semblat J., 2009 [147]) 16 Đã có rất nhiều các nghiên cứu trên thế giới về phản ứng của nền đất khi động đất xảy ra. Hai ví dụ nổi tiếng cho hiện tượng này xảy ra ở thành phố México năm 1985 và ở Đài Loan năm 1999. Ở thành phố México, bên dưới vùng trung tâm thành phố là các trầm tích bùn sét hồ ao rất xốp.
Điều kiện này đã dẫn tới những khuếch đại rất lớn khi xảy ra động đất. Điển hình là năm 1985 trận động đất mạnh 8,1 Richter (M,) xảy ra ở Michoacan cách thành phố khoảng 400 nhưng đã gây những tác động khiến 317 ngôi nhà cao tầng bị phá hủy, 10 nghìn người chết và bị thương với tổng thiệt hại lên tới khoảng 4 tỉ đô la Hoa Kì (Anderson và nnk. Vi du thứ 2 la động dat Chi Chi 6 Dai Loan nam 1999. Độ lớn động đất tại chấn tâm là M, = 7,6; M, = 7,3 và cách thành phố Đài Bắc khoảng 160 km.
Về lí thuyết nó chỉ có thé gây chan động không vượt qua cấp 6 nhưng thực tế cường độ ghi nhận được ở Dai Bắc là cấp 8 và phi nhận ở các trạm địa chấn trong và xung quanh bồn trũng Đài Bắc cho thấy dao động thuộc loại chu ky dài (Shin T. Nguyên nhân của những biến đổi nay là do điều kiện nền địa phương. Trong nhiều thập kỉ qua vấn đề này đã được quan tâm nghiên cứu bởi nhiều chuyên gia trên thé giới (Brady A., 2016 [163]) và ở Việt Nam (Nguyễn Dinh Xuyên và nnk., 1996 [29]; Nguyễn Hồng Phuong, 2002 [14]; Phạm Dinh Nguyên, 2002 [10]; Lê Tử Sơn, 2003 [17]; Nguyễn Ngọc Thủy và nnk., 2004 [21]; Trịnh Việt Bắc và nnk., 2011 [2]; Nguyễn Công Thăng và Phạm Đình Nguyên, 2012 [20]; Lê Huy Minh và nnk. Rất nhiều cách tiếp cận đã được đưa ra: phương pháp đánh giá dựa trên quan sát trường chan động, phương pháp sử dụng số liệu vi địa chan, phương pháp sử dụng số liệu dao động yếu, phương pháp sử dụng số liệu dao động mạnh, phương pháp giải bài toán truyền sóng 1D hay phương pháp giải bài toán truyền sóng trong môi trường 3D có kết hợp với mô phỏng.
Trong luận án 17 này chúng tôi sẽ đi chỉ tiết về các phương pháp đã và đang được áp dụng trên thế giới cũng như đang áp dụng ở Việt Nam. Các phương pháp đánh giá ảnh hưởng của điều kiện nền lên dao động động dat mạnh 1. Các phương pháp thực nghiệm 1. Phương pháp dựa trên quan sát mức độ phá huy và trường chan động của động dat Bằng việc khảo sát số liệu thiệt hại do động đất gây ra tại một thành phố có thể cho phép phân chia thành phố đó thành những đới có mức độ nguy hiểm địa chân khác nhau.
Phương pháp này đã được áp dụng từ những năm đầu của thế kỉ 20 tại Nhật Bản. Imamura năm 1913 đã sử dụng những kết quả quan sát thiệt hại ở thành phố Tokyo gây ra bởi trận động đất năm 1855 kết hợp với bản đồ địa hình ông đã xây dựng nên bản đồ phân vùng địa chấn cho thành phố (Midorikawa S. Công tác khảo sát chi tiết phạm vi trường chan động gây ra bởi động đất cũng đã giúp vi phân vùng động đất cho nhiều khu vực trên thế giới (Lastrico R. Dù có những khó khăn trong việc chuyên đổi số liệu cường độ chan động tới các thông số thiết kế định lượng hoặc thiếu số liệu chi tiết về mức độ phá hủy của những trận động đất lớn cho những khu vực mong muốn song ngày nay phương pháp vẫn được sử dụng ở nhiều nơi như Nhật Bản, México, Chile, Peru, Italia, Hy Lạp hay Pháp.
Những nghiên cứu gần đây ở Châu Au (Hill M., 2008 [94], Trung Quốc (Zhao B., 2009 [177]), Tây Ban Nha (Romão X., 2019 [116]) đã cung cấp nhiều thông tin hữu ích cho việc xây dựng và phân loại tổn thương trong các trận động dat. Phương pháp quan sát trường chắn động cũng đã trở thành điểm khởi đầu cho nhiều phương pháp dự đoán, đánh giá động đất ngày nay. Phương pháp sử dụng số liệu vi địa chan Vi dia chan là thuật ngữ được sử dung biểu thị các đao động của nền đất gây ra bởi môi trường tự nhiên hay các nhiễu xung quanh như gió, sóng biển, giao thông, nhà máy công nghiệp. các dao động này được ghi bởi các máy địa chan có độ nhạy cao.
Phổ vi địa chan là phương pháp thô nhất, chủ yếu là xác định các tan số ở các biên độ cực đại qua phổ trung bình của sóng vi dia chan thuần túy. Các nhà khoa học Nhật Bản cho rang các đặc trưng phổ của dao động vi địa chan cho thay một vai quan hệ với điều kiện địa chất nền. Vi dụ một chu kỳ trội của sóng vi địa chan nhỏ hơn 0,2 s là một chỉ số của dat khá ran hay đá, trong khi đó các chu kỳ dai hơn chỉ ra các trầm tích dày hơn và xốp hơn. Các tần số tại các biên độ cực đại này cũng đã được giải thích là có quan hệ với các tần số cộng hưởng cơ bản của khu vực khảo sát.
Các khảo sát thực nghiệm tại các vi trí như thành phố México trên Hình 1., 1988 [112]), Los Angeles (Yamanaka H., 1993 [175]), Đài Bắc (Wen K., 2012 [169]) và ở nhiều vị trí khác tại Nhật Bản đã đưa ra những bằng chứng rõ rệt cho nhận định trên.5 5 Chu ky tự nhiên thu từ dữ liệu dao động mạnh (s) Hình 1. Chu kỳ tự nhiên được tính từ phổ vi địa chấn va chu kỳ dao động tự nhiên thu được từ số liệu dao động mạnh (Nguồn: Lermo J., 1988 [112]) 19 Ảnh hưởng của điều kiện nền tại một vị trí nghiên cứu được xác định qua tỷ sỐ phổ của các băng vi dia chấn nhận được ở vị trí nghiên cứu và vi trí tham khảo. Ở đây vi trí tham khảo cần năm đủ gần So với vị trí nghiên cứu dé đảm bao sự khác biệt giữa các vị trí chỉ là đo điều kiện nền mà không phải do sự khác biệt của nguồn nhiễu hay đường truyền. Ngoài ra, vị trí tham khảo cần nằm trên nền đá gốc nằm ngang chưa bị phong hóa.
Tỷ số phổ H/V (được viết tắt là HVSR hay còn gọi là kĩ thuật Nakamura): là ty số phổ Fourier giữa thành phần nằm ngang và thành phan thang đứng của các sóng vi địa chân. Nakamura cho rằng tỷ số H/V cho phép đánh giá phản ứng nền đất đối với các sóng S và đưa ra những kết quả tin cậy không chỉ về các tần số cộng hưởng mà còn về độ khuếch đại tương ứng. Điều này dựa trên giả định rằng sóng vi địa chan, vi dụ như sóng Rayleigh lan truyền trong một lớp đơn (lớp đất xốp) nam trên nửa không gian phía trên đá gốc [129]. Trong miền tần số, dao động vi địa chấn như vậy có thể biểu diễn qua 4 loại phô biên độ: phổ biên độ thành phan thắng đứng, thành phần nằm ngang của dao động tại bề mặt của lớp đất [V«(w), H,(w)] và phổ biên độ của thành phần thang đứng và thành phần nằm ngang tại bề mặt của đá gốc [V.2) ở đây Sy là hiệu ứng của điều kiện nền địa phương.
Chính từ công thức trên ông cho răng ảnh hưởng của điều kiện nền có thé được xác định bởi ty số phổ biên độ giữa thành phan năm ngang và thành phan thăng đứng của dao động vi địa chấn. Các kết quả tương tự cũng được Kazuoh Seo và nhiêu người khác chỉ ra trong nghiên cứu về sóng vi địa chân ở bon trting Fukui 20 ở Nhật Ban năm 2000 (Seo K. Cho tới nay, kĩ thuật Nakamura được đánh giá là một trong những phương pháp rẻ nhất, phù hợp nhất cho những tính toán khá tin cậy về các tần số cơ bản của các trầm tích xốp. Năm 2019 Nakamura đã nhận xét bổ sung rằng “Phương pháp Nakamura không chỉ sử dụng ty sé phổ H/V ở mặt đất dé ước tinh tần số cộng hưởng và hệ số khuếch đại của lớp bề mặt mà cũng sử dụng tỷ số phổ H/V ở đỉnh của tòa nhà để ước tính tần số cộng hưởng và hệ số khuếch đại của tòa nhà và mặt đất.
Trong quá trình phát triển, phương pháp vi địa chấn đã được chia thành 2 nhóm: nhóm sử dụng một trạm thu (nguyên lý đã được trình bày ở trên) được xem là công cụ tiêu chuan dé tinh chu kỳ dao động tự nhiên và nhóm sử dụng nhiều trạm thu được gọi là phương pháp hiệu chỉnh không gian (phương pháp SPAC). Phương pháp SPAC được đề xuất bởi tác giả Aki K. năm 1957 [35] và được các tác giả Henstridge J., 2012 [88] phát triển thêm.