Luận Văn Thạc Sĩ: Khả Năng Hóa Lỏng Nền Đê Hữu Hồng Hà Nội Khi Chịu Tải Trọng Động Đất

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu nghiên cứu khả năng hóa lỏng nền đê hữu hồng khu vực hà nội khi chịu tác dụng của tải trọng động đất, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề

• Tác giả: Nguyễn Văn Minh
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Hồng Nam
• Trường học: Học viện Khoa học và Công nghệ
• Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy
• Đề tài: Nghiên cứu khả năng hóa lỏng nền đê Hữu Hồng khu vực Hà Nội khi chịu tác dụng của tải trọng động đất
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 0.1. Tính cấp thiết của Đề tài
• 0.2. Mục đích nghiên cứu
• 0.3. Nội dung nghiên cứu
• 0.4. Đối tượng nghiên cứu
• 0.5. Phương pháp nghiên cứu
• 0.6. Các kết quả dự kiến đạt được
• 1. CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ HÓA LỎNG ĐÊ SÔNG
• 1.1. Khái quát về hóa lỏng nền đê sông do động đất trên thế giới
• 1.2. Định nghĩa về động đất
• 1.3. Các đặc trưng cơ bản của động đất
• 1.4. Hiện tượng hóa lỏng nền đê sông trên thế giới
• 1.5. Khái quát về hệ thống đê sông Hồng và lịch sử động đất tại khu vực Hà Nội
• 1.5.1. Đặc điểm sông Hồng
• 1.5.2. Đặc điểm địa hình, địa chất đê sông Hồng khu vực Hà Nội
• 1.5.3. Động đất ở Việt Nam. Lịch sử động đất tại khu vực Hà Nội
• 1.6. Một số vấn đề cần nghiên cứu
• 1.7. Tóm tắt chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT HÓA LỎNG
• 2.1. Cơ sở lý thuyết hóa lỏng nền do động đất
• 2.2. Khái quát về hiện tượng hóa lỏng
• 2.3. Cơ chế hình thành hóa lỏng
• 2.4. Các tiêu chí đánh giá tính nhạy hóa lỏng của đất
• 2.5. Các phương pháp đánh giá hóa lỏng nền
• 2.5.1. Quy trình đơn giản của Seed và Idriss (1971)
• 2.5.2. Tỉ số kháng chu kỳ CRR (Cyclic Resistance Ratio)
• 2.5.3. Tính CRR theo sức kháng xuyên côn CPT
• 2.5.4. Tỉ số ứng suất chu kỳ CSR (Cyclic Stress Ratio)
• 2.5.5. Hệ số an toàn chống hóa lỏng FS (Factor of Safety)
• 2.6. Phương pháp số tính toán khả năng hóa lỏng nền
• 2.6.1. Giới thiệu về phần mềm Geo - Slope
• 2.6.2. Cơ sở lý thuyết của phần mềm Seep/w
• 2.6.3. Cơ sở lý thuyết của Quake/w. Trình tự tính toán
• 2.7. Tóm tắt chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀO TÍNH TOÁN HÓA LỎNG CHO CÔNG TRÌNH ĐÊ HÀ NỘI
• 3.1. Giới thiệu về công trình đê Hà Nội
• 3.2. Đánh giá tính nhạy hóa lỏng đê hữu Hồng đoạn Tiên Tân- Thanh Trì
• 3.2.1. Khái quát về đê hữu Hồng đoạn Tiên Tân- Thanh Trì
• 3.2.2. Đánh giá tính nhạy hóa lỏng của đất rời
• 3.2.3. Đánh giá tính nhạy hóa lỏng của đất dính
• 3.3. Đánh giá tính nhạy hóa lỏng đê hữu Hồng đoạn K73+500-K74+100 theo quy trình đơn giản Seed và Idriss (1971)
• 3.3.1. Các tài liệu tính toán
• 3.3.2. Vị trí tính toán
• 3.3.3. Kết quả tính toán hóa lỏng đánh giá tính nhạy hóa lỏng đê hữu Hồng đoạn K73+500-K74+100 theo quy trình đơn giản Seed và Idriss (1971)
• 3.3.4. Đánh giá khả năng hóa lỏng nền theo quy trình đơn giản Seed và Idriss (1971)
• 3.4. Kết quả tính toán khả năng hóa lỏng đê hữu Hồng đoạn K73+500-K74+100 theo phương pháp phần tử hữu hạn Quake/w 2007
• 3.4.1. Kết quả tính toán hóa lỏng mặt cắt 1-1 tại KM73+750
• 3.4.2. Kết quả tính khả năng hóa lỏng của các mặt cắt bằng phần mềm Quake/w
• 3.4.3. Đánh giá khả năng hóa lỏng nền theo phương pháp phần tử hữu hạn, sử dụng phần mềm Quake/w 2007
• 3.5. Giải pháp thiết kế kháng hóa lỏng tăng cường ổn định đê khi có động đất
• 3.5.1. Mục đích và giải pháp
• 3.5.2. Cọc đất xi măng
• 3.6. Tóm tắt chương 3
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC TÍNH TOÁN

Tóm tắt

I. Nền đê Hữu Hồng và hiện tượng hóa lỏng

Nền đê Hữu Hồng là một trong những công trình quan trọng bảo vệ thành phố Hà Nội. Hiện tượng hóa lỏng nền đê xảy ra khi đất bão hòa nước mất độ bền do tác động của động đất, dẫn đến sự mất ổn định của công trình. Nghiên cứu này tập trung vào việc đánh giá khả năng hóa lỏng của nền đê dưới tác động của động đất, đặc biệt là tại khu vực Hà Nội. Các yếu tố như địa chất, địa hình, và mực nước ngầm được xem xét để phân tích nguy cơ hóa lỏng.

1.1. Đặc điểm địa chất và địa hình

Nền đê Hữu Hồng được hình thành từ các lớp đất bồi tích, chủ yếu là cát và sét. Các lớp cát dày dễ bị hóa lỏng khi có động đất mạnh. Địa hình khu vực Hà Nội có sự biến đổi phức tạp do hoạt động kiến tạo, tạo ra các tầng đất yếu và thông nước. Sự hiện diện của các tầng cát pha và cát bụi làm tăng nguy cơ hóa lỏng. Nghiên cứu này sử dụng các phương pháp phân tích địa kỹ thuật để đánh giá tính nhạy hóa lỏng của đất nền đê.

1.2. Tác động của động đất

Động đất là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng hóa lỏng. Hà Nội nằm trong vùng có nguy cơ động đất cấp 8, với các trận động đất mạnh có thể đạt 6.1-6.5 độ Richter. Các đứt gãy sâu như sông Hồng và sông Chảy ảnh hưởng trực tiếp đến nền đê. Nghiên cứu này phân tích tác động của động đất đến khả năng hóa lỏng, sử dụng các mô hình động đất và phương pháp tính toán phần tử hữu hạn.

II. Phương pháp nghiên cứu và đánh giá

Nghiên cứu sử dụng các phương pháp phân tích địa kỹ thuật và phương pháp số để đánh giá khả năng hóa lỏng của nền đê. Các phương pháp bao gồm quy trình đơn giản của Seed và Idriss (1971) và phần mềm Quake/w 2007. Các yếu tố như tỉ số kháng chu kỳ (CRR), tỉ số ứng suất chu kỳ (CSR), và hệ số an toàn (FS) được tính toán để xác định nguy cơ hóa lỏng.

2.1. Quy trình Seed và Idriss

Quy trình đơn giản của Seed và Idriss (1971) là phương pháp phổ biến để đánh giá khả năng hóa lỏng. Phương pháp này dựa trên việc so sánh giữa CRR và CSR để xác định hệ số an toàn. Nghiên cứu áp dụng quy trình này để đánh giá tính nhạy hóa lỏng của đất nền đê tại các đoạn Tiên Tân và Thanh Trì. Kết quả cho thấy các đoạn đê có nguy cơ hóa lỏng cao khi có động đất mạnh.

2.2. Phương pháp phần tử hữu hạn

Phần mềm Quake/w 2007 được sử dụng để mô phỏng tác động của động đất đến nền đê. Phương pháp này cho phép phân tích chi tiết sự phân bố ứng suất và biến dạng trong đất. Kết quả mô phỏng cho thấy các vị trí có nguy cơ hóa lỏng cao, đặc biệt là tại các lớp cát dày. Phương pháp này cũng giúp đề xuất các giải pháp thiết kế kháng hóa lỏng.

III. Giải pháp và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu đề xuất các giải pháp thiết kế kháng hóa lỏng để tăng cường ổn định cho nền đê. Các giải pháp bao gồm sử dụng cọc đất xi măng và cải thiện điều kiện địa chất. Các giải pháp này được áp dụng thực tế tại các đoạn đê có nguy cơ hóa lỏng cao, giúp giảm thiểu thiệt hại do động đất gây ra.

3.1. Cọc đất xi măng

Cọc đất xi măng là một trong những giải pháp hiệu quả để tăng cường độ bền của nền đê. Cọc được thi công bằng cách trộn đất với xi măng, tạo ra một lớp đất cứng có khả năng chống lại hiện tượng hóa lỏng. Nghiên cứu đề xuất sử dụng cọc đất xi măng tại các đoạn đê có nguy cơ hóa lỏng cao, đặc biệt là tại các lớp cát dày.

3.2. Cải thiện điều kiện địa chất

Cải thiện điều kiện địa chất là một giải pháp quan trọng để giảm nguy cơ hóa lỏng. Các biện pháp bao gồm gia cố nền đê bằng vật liệu có độ bền cao và kiểm soát mực nước ngầm. Nghiên cứu đề xuất các biện pháp cải thiện địa chất tại các đoạn đê xung yếu, giúp tăng cường ổn định và an toàn cho công trình.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Hiện tượng hóa lỏng nền đê do động đất là một trong những nguyên nhân chính gây mất ổn định và hư hại nghiêm trọng cho các công trình đê điều, đặc biệt tại các khu vực đồng bằng châu thổ có nền đất bở rời và mực nước ngầm cao. Tại Việt Nam, đặc biệt là khu vực Hà Nội, với hệ thống đê hữu Hồng dài hơn 113 km và nằm trong vùng động đất cấp 8 theo bản đồ phân vùng động đất quốc gia, nguy cơ hóa lỏng nền đê khi chịu tác động của tải trọng động đất là vấn đề cấp thiết cần được nghiên cứu. Theo ước tính, Hà Nội có thể chịu động đất mạnh tới 6,1 - 6,5 độ Richter với độ sâu chấn tiêu 15-20 km, liên quan đến hoạt động đứt gãy sâu sông Hồng và sông Chảy.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là đánh giá khả năng hóa lỏng nền đê hữu Hồng khu vực Hà Nội khi chịu tác động của tải trọng động đất, đồng thời đề xuất các giải pháp kỹ thuật nhằm tăng cường ổn định đê trong điều kiện động đất mạnh. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các đoạn đê hữu Hồng từ Tiên Tân đến Thanh Trì, dựa trên số liệu khảo sát hiện trường, thí nghiệm và mô phỏng số. Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp cơ sở khoa học cho công tác thiết kế, gia cố và quản lý đê điều nhằm giảm thiểu rủi ro thiên tai, bảo vệ an toàn cho hơn 6,45 triệu dân cư và các công trình trọng điểm tại thủ đô.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về hiện tượng hóa lỏng nền đất do động đất, bao gồm:

• Lý thuyết hóa lỏng nền đất: Hiện tượng xảy ra khi áp lực nước lỗ rỗng trong đất bão hòa tăng đột ngột do tải trọng động đất, làm giảm ứng suất hiệu quả và mất liên kết giữa các hạt đất, khiến đất chuyển trạng thái từ rắn sang lỏng. Hai cơ chế chính là hóa lỏng dạng dòng chảy và hóa lỏng do tính lưu động chu kỳ.

• Tiêu chí đánh giá tính nhạy hóa lỏng: Dựa trên các thông số địa chất như thành phần hạt, độ sâu mực nước ngầm, giá trị SPT (Standard Penetration Test) hiệu chỉnh (N1)60, và các chỉ số kháng chu kỳ CRR (Cyclic Resistance Ratio) và ứng suất chu kỳ CSR (Cyclic Stress Ratio).

• Mô hình tính toán hóa lỏng: Áp dụng quy trình đơn giản của Seed và Idriss (1971) để đánh giá khả năng hóa lỏng dựa trên số liệu SPT và các hệ số hiệu chỉnh. Đồng thời sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn với phần mềm Geo-Studio 2007 (cụ thể là Quake/w 2007) để mô phỏng ứng xử động đất và khả năng hóa lỏng nền đê.

Các khái niệm chính bao gồm: gia tốc đỉnh nền (PGA), hệ số an toàn chống hóa lỏng (FS), tỷ số kháng chu kỳ CRR, tỷ số ứng suất chu kỳ CSR, và các đặc trưng động đất như độ lớn mô men Mw, cường độ động đất, và tần suất động đất.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu nghiên cứu bao gồm số liệu khảo sát hiện trường tại các đoạn đê hữu Hồng, kết quả thí nghiệm SPT, CPT, và các tài liệu địa chất, địa chấn liên quan đến khu vực Hà Nội. Phương pháp phân tích kết hợp:

• Phân tích lý thuyết: Áp dụng quy trình đơn giản Seed và Idriss (1971) để tính toán tỷ số kháng chu kỳ CRR và tỷ số ứng suất chu kỳ CSR, từ đó xác định hệ số an toàn chống hóa lỏng FS.

• Phương pháp số: Sử dụng phần mềm Geo-Studio 2007, trong đó Quake/w 2007 được dùng để mô phỏng ứng xử động đất và khả năng hóa lỏng nền đê dựa trên mô hình phần tử hữu hạn. Phần mềm Seep/w được dùng để tính toán dòng thấm và xác định mực nước ngầm trong đê.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2015-2017, bao gồm thu thập số liệu, phân tích lý thuyết, mô phỏng số và đề xuất giải pháp kỹ thuật.

Cỡ mẫu khảo sát gồm nhiều điểm lấy mẫu đất tại các vị trí xung yếu của đê hữu Hồng đoạn Tiên Tân - Thanh Trì, với các phép thử SPT và CPT được thực hiện theo tiêu chuẩn ASTM D1586-99. Phương pháp chọn mẫu đảm bảo đại diện cho các loại đất nền khác nhau trong khu vực nghiên cứu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Tính nhạy hóa lỏng của đất nền đê hữu Hồng: Kết quả thí nghiệm SPT hiệu chỉnh (N1)60 tại các điểm khảo sát dao động trong khoảng 10-25, cho thấy nhiều lớp đất cát pha và cát bụi có khả năng hóa lỏng cao. Đặc biệt, các lớp đất có hàm lượng hạt mịn dưới 15% có tỷ lệ kháng chu kỳ CRR thấp, dễ bị hóa lỏng khi chịu tải trọng động đất với gia tốc đỉnh nền amax từ 0,2g đến 0,5g.

2. Ảnh hưởng của mực nước ngầm: Mực nước ngầm cao làm tăng áp lực nước lỗ rỗng, giảm hệ số an toàn chống hóa lỏng FS. Các trường hợp tính toán với mực nước báo động 3 cho thấy FS giảm trung bình 15-20% so với mực nước hiện trạng, làm tăng nguy cơ hóa lỏng nền đê.

3. Kết quả mô phỏng phần tử hữu hạn Quake/w: Phân tích các mặt cắt tại vị trí KM73+750, KM73+900 và KM74+100 cho thấy hệ số an toàn chống hóa lỏng FS có xu hướng giảm sâu theo chiều sâu, đặc biệt tại các lớp cát pha dày từ 3-5 m. Tại vị trí KM73+750, FS giảm xuống dưới 1,0 ở độ sâu 5-7 m khi giả định động đất với chu kỳ 2475 năm, cho thấy khả năng hóa lỏng cao.

4. So sánh với các nghiên cứu quốc tế: Kết quả tương đồng với các trường hợp đê sông tại Nhật Bản như đê Tokachi và đê Kobe, nơi hóa lỏng nền gây ra thiệt hại nghiêm trọng. Tỷ lệ kháng chu kỳ CRR và hệ số an toàn FS tại Hà Nội tương đương hoặc thấp hơn, cảnh báo mức độ rủi ro cao.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến khả năng hóa lỏng cao của nền đê hữu Hồng là do đặc điểm địa chất với các lớp cát pha, cát bụi dày, mực nước ngầm cao và hoạt động kiến tạo đứt gãy sâu sông Hồng gây ra động đất có cường độ trung bình đến mạnh. Sự gia tăng áp lực nước lỗ rỗng trong đất bão hòa làm giảm ứng suất hiệu quả, dẫn đến mất liên kết hạt đất và hiện tượng hóa lỏng.

So với các nghiên cứu trước đây, luận văn đã bổ sung số liệu khảo sát thực tế và áp dụng mô hình phần tử hữu hạn hiện đại, cho phép đánh giá chính xác hơn về phân bố không gian và chiều sâu của vùng có nguy cơ hóa lỏng. Biểu đồ kết quả tính toán hệ số an toàn FS theo độ sâu và vị trí được trình bày rõ ràng, giúp nhận diện các điểm yếu trong nền đê.

Ý nghĩa của kết quả nghiên cứu là cung cấp cơ sở khoa học để thiết kế các giải pháp gia cố nền đê, đồng thời cảnh báo các cơ quan quản lý về nguy cơ mất an toàn đê khi xảy ra động đất mạnh, từ đó nâng cao hiệu quả phòng chống thiên tai.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tăng cường khảo sát địa chất và địa chấn định kỳ: Thực hiện các đợt khảo sát SPT, CPT và đo mực nước ngầm định kỳ tại các đoạn đê xung yếu nhằm cập nhật dữ liệu chính xác, phục vụ đánh giá khả năng hóa lỏng nền. Chủ thể thực hiện: Ban quản lý đê điều Hà Nội; Thời gian: hàng năm.

2. Áp dụng giải pháp gia cố cọc đất xi măng: Thiết kế và thi công cọc đất xi măng tại các vị trí có nguy cơ hóa lỏng cao để tăng cường độ cứng và ổn định nền đê, giảm thiểu biến dạng do động đất. Chủ thể thực hiện: Các đơn vị thi công xây dựng công trình thủy lợi; Thời gian: 2-3 năm.

3. Xây dựng hệ thống cảnh báo sớm động đất và hóa lỏng: Lắp đặt các cảm biến gia tốc và áp lực nước lỗ rỗng để giám sát biến động nền đê trong thời gian thực, cảnh báo kịp thời khi có nguy cơ hóa lỏng. Chủ thể thực hiện: Viện Vật lý Địa cầu, Sở Khoa học và Công nghệ Hà Nội; Thời gian: 1-2 năm.

4. Rà soát và cập nhật tiêu chuẩn thiết kế đê điều: Bổ sung các quy định về đánh giá khả năng hóa lỏng nền trong tiêu chuẩn xây dựng đê điều, áp dụng các phương pháp tính toán hiện đại như phần tử hữu hạn để đảm bảo an toàn công trình. Chủ thể thực hiện: Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, Bộ Xây dựng; Thời gian: 3 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các kỹ sư thiết kế và thi công công trình thủy lợi: Nắm bắt các phương pháp đánh giá và giải pháp gia cố nền đê để áp dụng trong thiết kế và thi công, giảm thiểu rủi ro do hóa lỏng.

2. Cơ quan quản lý đê điều và phòng chống thiên tai: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng kế hoạch quản lý, giám sát và ứng phó kịp thời với nguy cơ động đất và hóa lỏng nền.

3. Nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành xây dựng công trình thủy lợi, địa kỹ thuật: Tham khảo các lý thuyết, phương pháp phân tích và mô phỏng hiện đại trong nghiên cứu hiện tượng hóa lỏng nền đất.

4. Các nhà hoạch định chính sách và lập quy chuẩn xây dựng: Căn cứ vào kết quả nghiên cứu để cập nhật tiêu chuẩn, quy định về an toàn công trình đê điều trong vùng động đất.

Câu hỏi thường gặp

1. Hóa lỏng nền đê là gì và tại sao nó nguy hiểm?
   Hóa lỏng nền đê là hiện tượng đất bão hòa nước mất liên kết hạt do áp lực nước lỗ rỗng tăng khi có động đất, làm đất chuyển sang trạng thái lỏng như chất lỏng. Điều này gây mất ổn định, sụt lún và phá hủy công trình đê, đe dọa an toàn dân cư.

2. Phương pháp nào được sử dụng để đánh giá khả năng hóa lỏng nền đê?
   Phương pháp phổ biến là quy trình đơn giản của Seed và Idriss (1971) dựa trên số liệu SPT hiệu chỉnh, kết hợp với mô phỏng phần tử hữu hạn bằng phần mềm Quake/w để phân tích ứng xử động đất và hóa lỏng nền.

3. Yếu tố nào ảnh hưởng lớn nhất đến khả năng hóa lỏng nền đê?
   Các yếu tố chính gồm thành phần đất (đất cát pha, cát bụi dễ hóa lỏng), mực nước ngầm cao, cường độ và thời gian động đất, cũng như đặc điểm địa chất và kiến tạo vùng đê.

4. Giải pháp kỹ thuật nào hiệu quả để phòng chống hóa lỏng nền đê?
   Gia cố nền bằng cọc đất xi măng, kiểm soát mực nước ngầm, xây dựng hệ thống cảnh báo sớm và cập nhật tiêu chuẩn thiết kế là các giải pháp hiệu quả được đề xuất.

5. Tại sao cần sử dụng mô phỏng phần tử hữu hạn trong nghiên cứu hóa lỏng?
   Mô phỏng phần tử hữu hạn giúp mô hình hóa chính xác phân bố ứng suất, biến dạng và áp lực nước lỗ rỗng trong nền đê dưới tác động động đất, từ đó đánh giá khả năng hóa lỏng và đề xuất giải pháp gia cố phù hợp.

Kết luận

• Động đất có thể gây ra hiện tượng hóa lỏng nền đê hữu Hồng khu vực Hà Nội, làm giảm hệ số an toàn chống hóa lỏng FS xuống dưới 1 tại nhiều vị trí xung yếu.
• Đặc điểm địa chất với các lớp cát pha, cát bụi dày và mực nước ngầm cao là nguyên nhân chính làm tăng nguy cơ hóa lỏng.
• Phương pháp kết hợp quy trình Seed và Idriss với mô phỏng phần tử hữu hạn Quake/w cho kết quả đánh giá khả năng hóa lỏng chính xác và chi tiết theo chiều sâu.
• Đề xuất các giải pháp gia cố kỹ thuật như cọc đất xi măng, giám sát mực nước ngầm và cảnh báo sớm nhằm tăng cường ổn định đê khi có động đất.
• Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học quan trọng cho công tác thiết kế, quản lý và phòng chống thiên tai tại khu vực đê hữu Hồng, góp phần bảo vệ an toàn cho thủ đô Hà Nội.

Hành động tiếp theo: Triển khai khảo sát bổ sung, áp dụng giải pháp gia cố tại các đoạn đê xung yếu và xây dựng hệ thống cảnh báo sớm để giảm thiểu rủi ro thiên tai. Các cơ quan quản lý và đơn vị thi công cần phối hợp chặt chẽ để thực hiện các khuyến nghị này.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ HÓA LỎNG ĐÊ SÔNG 1. Khái quát về hóa lỏng nền đê sông do động đất trên thế giới 1. Định nghĩa về động đất Động đất (Earthquake, Shock, quake, seism, macroseism) là một chuyển động hay rung đột ngột trong vỏ quả đất sinh ra do sự giải phòng tức thời năng lượng biến dạng được tích lũy dần từ trước. Có nhiều nguyên nhân gây ra động đất như kiến tạo mảng, nủi lửa phun trào, đứt gãy nội khối, tương tác giữa nước với khối đất đá trong vở quả đất, và do con người gây ra như nổ sâu trong lòng đất (tác nhân nguồn gốc hóa học hay hạt nhân), hoặc do xây dựng các hồ chứa lớn làm mất cân bằng tự nhiên của khối đất đá.

Tuy nhiên giải thích mới và thuyết phục hơn cả hiện nay về nguyên nhân động đất là do sự trôi dạt lục địa và kiến tạo mảng kích thích nủi lửa hoạt động. Động đất có thể làm hư hại công trình do: lực quán tính, làm thay đổi các tính chất cơ lí của khối đất đá như hóa mềm - hóa lỏng, sự đứt gãy do chuyển vị, sự hình thành các sóng nước lớn ở biển hay các hồ chứa. Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn chỉ xét đến hiện tượng hóa lỏng, một trong những tác hại lớn nhất do động đất gây ra đối với đất rời bão hòa nước. Các đặc trưng cơ bản của động đất 1.

Chấn tâm, chấn tiêu và sóng động đất Trong một trận động đất người ta đưa ra khái niệm chấn tiêu và chấn tâm. + Chấn tiêu là vị trí nằm trong thạch quyển, nơi xảy ra sự phá hủy và bức xạ các sóng địa chấn. + Chấn tâm là hình chiếu theo phương đứng của chấn tiêu lên mặt đất. + Khoảng cách từ chấn tiêu đến chấn tâm được gọi là độ sâu chấn tiêu (H).

Khoảng cách từ chấn tiêu và chấn tâm đến điểm quan trắc được gọi tương ứng là tiêu cự hoặc khoảng cách chấn tiêu (R) và tâm cự hoặc khoảng cách chấn tâm (ΔL) Hình 1. 5 Tùy thuộc vào độ sâu của chấn tiêu (H) mà động đất có thể được phân thành các loại: • Động đất nông H < 70km • Động đất trung bình H = 70 - 300 km • Động đất sâu H > 300km) Các trận động đất mạnh thường xảy ra ở độ sâu H = 30 - 100km Hình 1.1: Sơ đồ thông số vị trí của một trận động đất Hình 1.2: Sơ đồ truyền sóng động đất + Sóng động đất: Có ba loại sóng đàn hồi: Sóng ngang, sóng dọc và sóng mặt được truyền từ chấn tiêu tạo nên chấn động cảm nhận được là nguyên nhân gây hư hại công trình, tạo lực quán tính làm thay đổi các tính chất của đất đá như hóa mềm lỏng gây sạt 6 lở khối đất đá hay các công trình nhà xưởng, cầu cống, chảy nổ và sóng thần làm chết nhiều sinh mạng. Trong ba loại sóng nóng chỉ có hai loại truyền trong khối đất đá gọi là sóng khối có tên gọi sóng P (Primary Wave - sóng dọc) và sóng S (Secondary Wave - sóng ngang). Người ta đã lập được quan hệ tương quan giữa độ dài chấn tiêu và magnitud cúa một trận động đất.

Trong phạm vi toàn cầu: log L = 0,67 M - 2,94 [ Well, and Copersmith, 1994] Tại Việt Nam: log L = 0,5 M - 1,06 ± 0,3 [ N.Đ Xuyên, 1997] Căn cứ sự truyền sóng P và S từ chấn tiêu đến trạm quan sát cũng có thể lập biểu thức định vị sơ bộ vị trí của chấn tiêu: T = t - to = R/v (1.1) Trong đó: t 0 - thời điểm phát sinh động đất; t - thời điểm ghi được sóng địa chấn đầu tiên ở trạm quan sát; R – khoảng cách chấn tiêu; v – vận tốc truyền sóng địa chấn. Trong động đất gần, xem mặt đất như phẳng, R có thể xác định theo tọa độ không gian φ, λ, h còn trạm địa chấn có tọa độ φ 0 , λ 0 , do vậy R = (ϕ − ϕ0 ) + ( λ − λ0 ). 2 2 Vì vậy phương trình (1.1) có dạng sau gồm 4 ẩn số: T =t − t0 = (ϕ − ϕ0 ) + ( λ − λ0 ) + h 2 / v 2 2 a. Sóng P Sóng P là sóng sơ cấp (sóng nén, sóng dọc) gây nén - dãn nở liên tục môi trường sóng truyền qua, theo phương truyền sóng.

Nó lan truyền được trong vật rắn cũng như như lỏng (dung nham núi lửa và nước), hạt sóng truyền theo phương song song với phương truyền song và sóng S - sóng thứ cấp (sóng cắt, sóng ngang) truyền theo phương vuông góc với phương truyền sóng. Tốc độ truyền sóng P lớn hơn tôc độ truyền sóng S và có tác dụng tăng áp lực nước lỗ rỗng dư gây hóa mềm, hóa lỏng khối đất đá.3: Biến dạng gây ra do sóng khối (a) Sóng P (b) Sóng S (Bolt, 1993) b. Sóng S Sóng S là sóng thứ cấp chuyển động theo phương vuông góc với phương truyền của sóng và cắt khối đá trên mặt bên, có tốc độ truyền sóng chậm hơn sóng P và không truyền được trong môi trường lỏng (dung nham, nước). Trong một trận động đất xảy ra trước tiên người ta cảm nhận thấy sóng P, sau đó ít lâu sóng S mới tới và nó sẽ làm hư hại công trình.

Sóng mặt Sóng mặt (Surface Wave) là loại sóng thứ ba của sóng động đất. Sóng mặt hình thành do sóng khối tương tác với bề mặt hay các lớp mặt của quả đất. Khi sóng mặt truyền trên mặt đất, biên độ sóng giảm dần theo chiều sâu. Sóng mặt được tạo nên bởi tương tác giữa các sóng khối với bề mặt hoặc các lớp mặt trên bề mặt của trái đất.

Sóng mặt chỉ chuyển động dọc theo mặt đất với tốc độ chậm hơn sóng khối và biên độ giảm theo hàm mũ theo chiều sâu. Sóng này tương tự các gợn sóng trên mặt hồ nên chuyển động của sóng phần lớn ngoài mặt đất.4: Biến dạng gây ra do sóng mặt (a) Sóng Rayleigh (b) Sóng Love (Bolt, 1993) 8 1. Các đặc trưng cơ bản của động đất a. Cường độ và độ lớn của động đất Có hai cách chủ yếu để đánh giá độ mạnh của động đất là cường độ dựa trên mức tàn phá về nhà cửa công trình và cảm nhận - phản ứng của con người và độ lớn của trận động đất dựa trên năng lượng thoát ra từ động đất đó.

Cường độ động đất (I) được xây dựng trên chứng cứ lịch sử phá hoại quan sát được về nhà công trình và phản ứng của con người để lập ra một thang bậc định tính về hậu quả của các trận động đất đã xảy ra trước khi có các dụng cụ đo chính xác. Độ lớn của động đất –M Độ lớn động đất là một chuẩn định lượng về năng lượng thoát ra của một trận động đất thể hiện trên biên độ cực đại của chấn đồ, do Richter đưa ra sử dụng đầu tiên từ 1935 để phân hạng động đất ở nam California và được gọi là “thang độ lớn động đất richter” (độ Richter). Ngày nay người ta sử dụng các thang độ lớn cơ bản sau để phân hạng động đất về độ lớn. Tuỳ thuộc vào các sóng địa chấn được sử dụng ta có độ lớn địa phương (local magnitude) M L , độ lớn theo sóng mặt (Surface ware magnitude) Ms, độ lớn theo sóng khối (body wave magnitude) M b , độ lớn theo moment địa chấn (moment magnitude) M w.

 Độ lớn địa phương M L (độ Richter) Thang độ lớn của Richter được xây dựng dựa trên giả thiết được minh chứng qua một số quan sát ở Nhật bản và California rằng các đường tắt dần theo khoảng cách của logarit biên độ pha cực đại ghi được trong các trận động đất mạnh yếu khác nhau thì song song với nhau, nghĩa là khoảng cách giữa hai đường cong tắt dần không thay đổi theo khoảng cách chấn tâm. Vậy nếu lấy đường tắt dần pha cực đại trong một trận động đất nào đó làm chuẩn rồi tính khoảng cách từ các đường tắt dần trong các trận động đất quan sát tới đường đó ta sẽ được đại lượng để so sánh độ lớn của các trận động đất khác nhau. Richter gọi đại lượng đó là độ lớn (Magnitude), ký hiệu là M L. Độ Richter được định nghĩa là logarit cơ số 10 của tỷ số giữa biên độ cực đại A của các sóng địa chấn do động đất gây ra (đo theo phương ngang) và biên độ cực đại A 0 9 của các sóng địa chấn tương tự của một trận động đất chuẩn theo Richter (1935, 1958).

A = M log= logA − log A0 (1.2) A0 Trong đó A là biên độ lớn nhất của dao động đo bằng µm trên thành phần nằm ngang của băng ghi động đất bằng máy địa chấn Wood - Anderson (máy địa chấn chu kỳ ngắn dùng ở California thời ấy, có chu kỳ riêng T 0 = 0,8 sec, hệ số tắt dần η = 0,8 và độ khuếch đại lớn nhất V max = 2800 m/s) ở khoảng cách Δ =100 km; log A o là đường tắt dần chuẩn - đường tắt dần pha cực đại trong động đất có M = 0. Để cho mọi trận động đất ghi nhận được vào thời gian ấy đều có M ≥ 0, Richter đồng nhất trận động đất M = 0 với trận động đất yếu nhất mà máy Wood - Anderson còn ghi được ở California thời bấy giờ. Thang này được Richter áp dụng đầu tiên ở California được lập cho các trận động đất chấn tiêu nông. Đối với các khu vực khác, muốn xác định M L cần phải xây dựng đường chuẩn logAo.(Δ) riêng vì đường tắt dần pha cực đại có thể thay đổi từ khu vực này sang khu vực khác.5: Sơ đồ định nghĩa magnitud địa phương theo Richter Đường log Ao của Richter cho động đất nông ở nam California biểu thị gần đúng bằng công thức: log A0 = 5,12 − 2,56.3) A o đo bằng µm, Δ - bằng km, và 10 < Δ < 600km.

Như vậy công thức Richter xác định magnitud của động đất ở California là: 10 = M L log A + 2,56.4) Ở khoảng cách Δ = 100km, log Ao = 0, Ao = 1µm và M = log A. Cho nên cũng có thể xác định độ lớn động đất bằng logarit cơ số 10 của biên độ pha cực đại đo được bằng µm trên băng ghi động đất bằng máy địa chấn Wood - Anderson. Vì độ khuếch đại của máy bằng 2800, nên biên độ dao động của nền đất sẽ nhỏ hơn biên độ đo được trên băng ghi 2800 lần và công thức tính magnitude động đất sẽ là: = M L log A + 2,56.