Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ "Nghiên cứu ước lượng hiệu ứng nền đất khu vực nội thành thành phố Hà Nội và lân cận" do nghiên cứu sinh Nguyễn Tiến Hùng thực hiện năm 2023 tại Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, thuộc chuyên ngành Vật lý địa cầu (mã số 9 44 01 11), dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Nguyễn Hồng Phương và TS. Nguyễn Lê Minh.

Tính cấp thiết của luận án xuất phát từ thực tiễn địa lý - đô thị và địa chấn của thủ đô Hà Nội. Theo đồ án quy hoạch chung đến năm 2030 và tầm nhìn đến năm 2050, thành phố Hà Nội có quy mô dân số xấp xỉ 8,5 triệu người, gồm một khu đô thị trung tâm cùng 5 khu đô thị vệ tinh (Hòa Lạc, Sơn Tây, Xuân Mai, Phú Xuyên và Sóc Sơn). Khu vực trung tâm tập trung mật độ dân cư cao, nhiều công trình trọng điểm và nhà cao tầng. Về địa chất, Hà Nội nằm trên đới đứt gãy Sông Hồng (RRF) dài hơn 1000 km theo phương Tây Bắc - Đông Nam, bao gồm ba nhánh đứt gãy chính: Sông Hồng, Sông Chảy và Sông Lô. Trong đó, đứt gãy Sông Chảy cắt ngang qua trung tâm thành phố có độ nguy hiểm động đất cao nhất với tốc độ chuyển dịch ngang trung bình hiện nay đạt 2,7 ± 1,6 mm/năm. Các nghiên cứu trước đây chỉ ra cường độ chấn động tại Hà Nội có thể đạt cấp VIII theo thang MSK-64. Mặc dù các trận động đất mạnh ghi nhận trong lịch sử xảy ra vào các năm 1277, 1278 và 1285 (cấp VII - VIII MSK-64), Hà Nội vẫn thường xuyên chịu rung chấn từ các trận động đất xa. Lớp phủ trầm tích Đệ tứ bồi tích bởi sông Hồng và sông Đuống dày hàng trăm mét với thành phần chủ yếu là bùn, sét và cát hạt nhỏ phân lớp nằm ngang làm khuếch đại biên độ sóng động đất và gây hiện tượng cộng hưởng công trình.

Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định là: các nghiên cứu trước đây tại Việt Nam và Hà Nội chủ yếu tập trung vào sự thay đổi gia tốc đỉnh (PGA) gây ra bởi nguồn phát sinh động đất hoặc mô phỏng kịch bản cực đoan trên nền đá cứng ($V_{S30} = 800$ m/s hoặc 1100 m/s), xác định chu kỳ trội ($T_0$) hoặc tần số trội ($F_0$) thưa thớt, hoặc phân loại nền đất theo mô tả thạch học địa chất công trình. Nghiên cứu định lượng sự khuếch đại dao động nền đất địa phương và phân loại nền đất đồng bộ theo vận tốc sóng ngang trung bình trong 30 m trên cùng ($V_{S30}$) cho toàn bộ khu vực nội thành và vùng phụ cận chưa được giải quyết đầy đủ.

Mục tiêu của luận án là làm rõ mức độ khuếch đại sóng động đất tại mặt đất (bề mặt lớp phủ) khu vực nội thành thành phố Hà Nội và lân cận chủ yếu do điều kiện nền đất địa phương, phục vụ công tác lập quy hoạch và thiết kế công trình chịu động đất.

Để đạt được mục tiêu, 4 nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được đánh số trong văn bản gồm:

  1. Thu thập, cập nhật và tổng hợp số liệu, tài liệu đo dao động vi địa chấn (DĐVĐC) và địa chất công trình (ĐCCT);
  2. Đo bổ sung số liệu DĐVĐC một trạm theo các tuyến mặt cắt ĐCCT, dải dọc sông Hồng - sông Đuống, các quận nội thành còn lại và vùng phía Nam;
  3. Nghiên cứu, hoàn thiện quy trình đánh giá hiệu ứng nền đất (HƯNĐ) bằng kỹ thuật đo DĐVĐC;
  4. Xác định hệ số khuếch đại dao động các loại nền khu vực nội thành thành phố Hà Nội và lân cận.

Đối tượng nghiên cứu là nền đất địa phương khu vực nội thành thành phố Hà Nội và lân cận cùng mối liên quan của chúng đến sự khuếch đại sóng động đất.

Phạm vi nghiên cứu về không gian bao gồm 12 quận nội thành (Ba Đình, Bắc Từ Liêm, Cầu Giấy, Đống Đa, Hai Bà Trưng, Hà Đông, Hoàn Kiếm, Hoàng Mai, Long Biên, Nam Từ Liêm, Tây Hồ, Thanh Xuân) và 4 huyện ngoại thành kế cận (Đông Anh, Gia Lâm, Sóc Sơn, Thanh Trì), với tổng diện tích khảo sát khoảng 1000 km². Phạm vi dữ liệu dựa trên mạng lưới 834 điểm đo dao động vi địa chấn một trạm (kế thừa và đo bổ sung) kết hợp các tài liệu lỗ khoan địa chất công trình và các điểm đo mảng vi địa chấn.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan lịch sử nghiên cứu quốc tế ghi nhận các mốc quan sát thực nghiệm về hiệu ứng nền đất từ nghiên cứu của Milne (1898) khi phát hiện dao động ngang trạm đo trên đất yếu lớn hơn từ 5 đến 10 lần trạm trên đá cứng; động đất Michoacan năm 1985 tại Mexico ghi nhận biên độ sóng tại bồn trầm tích vùng hồ (trạm SCT) lớn hơn từ 8 đến 50 lần so với trạm trên đá cứng (Caleta de Campos, Teacalco, UNAM); Sandra và Ralph (1989) chứng minh gia tốc đỉnh (PGA) tại mặt lớp phủ lớn hơn khoảng 5 lần so với trong đá cứng. Anderson (1996) đề xuất dùng vận tốc sóng ngang ($V_S$) các lớp trên cùng để phân loại nền đất, sau đó Dobry (2000) chuẩn hóa hệ thống phân loại 5 nhóm A, B, C, D, E dựa trên chỉ số $V_{S30}$. Bên cạnh đó, tác giả điểm lại các nghiên cứu thiết lập hàm tương quan thực nghiệm giữa vận tốc sóng ngang ($V_S$) và số nhát đập xuyên tiêu chuẩn ($N_{SPT}$): Ohsaki và Iwasaki (1973), Imai (1977), Ohta và Goto (1978), Imai và Tonouchi (1982), Lee (1990), Yokota và cộng sự (1991), Athanasopoulos (1995), Jafari và cộng sự (2002), Hasancebi và Ulusay (2007), Hanumanthrao và Ramana (2008), Uma và cộng sự (2010), Tsiambaos và Sabatakakis (2011), Anbazhagan và cộng sự (2012), Fauzi và cộng sự (2014), Kirar và cộng sự (2016), Shukla và Solanki (2020).

Tại Việt Nam, các nghiên cứu vĩ mô ghi nhận ảnh hưởng nền đất qua các trận động đất Điện Biên (1935), Vĩnh Phúc (1958), Bắc Giang (1961), Tuần Giáo (1983) và rõ nét nhất là động đất Điện Biên năm 2001 ($M_S = 5,3$) làm 50-80% công trình trong thung lũng đất yếu bị hư hại nặng. Tại khu vực Hà Nội, tác giả tổng kết các công trình chính:

  • Nhóm nghiên cứu địa chất công trình (Nguyễn Khanh, Hoàng Ngọc Kỷ, Đoàn Thế Tường, Phạm Văn Tỵ, Ngô Quang Toàn, Nguyễn Đức Đại do Nguyễn Huy Phương tổng hợp năm 2004) thành lập các bản đồ địa chất, cấu trúc nền và phân chia 26 loại đất theo thạch học;
  • Nhóm nghiên cứu địa chấn (Nguyễn Đình Xuyên năm 1964, 1973, 1978) lập bản đồ phân vùng nhỏ động đất Hà Nội tỷ lệ 1:50.000 bằng phương pháp độ cứng địa chấn;
  • Lê Tử Sơn và cộng sự (1990) đo 50 điểm vi địa chấn tại 4 khu đất thuộc 7 quận/huyện, xác định cấp chấn động VII cho đất Pleistocen và VIII cho đất Holocen;
  • Đề tài giai đoạn 1992-1994 (Viện Kỹ thuật xây dựng và Viện Vật lý địa cầu) đo vận tốc sóng dọc ($V_P$) và tính dao động cho 15 loại đất bằng chương trình SHAKE;
  • Nguyễn Ngọc Thủy (1997) phân vùng nhỏ động đất Hà Nội tỷ lệ 1:25.000 thành 3 vùng chấn động VII, VIII và VIII-IX (MSK-64);
  • Đề tài giai đoạn 2003-2004 mở rộng khảo sát Sóc Sơn và bãi sông Hồng - sông Đuống, thu thập 58 giá trị $T_0$ bằng máy K2/SS-1;
  • Tuladhar và cộng sự (2004) đo 63 điểm vi địa chấn một trạm, ghi nhận $T_0 = 0,4 - 1,2$ s ($F_0 = 0,8 - 2,5$ Hz) ở vùng đồng bằng;
  • Hợp tác Nghị định thư Việt Nam - Đài Loan giai đoạn 2012-2014 thực hiện 244 điểm đo vi địa chấn bằng máy Samtac (tập trung 136 điểm tại Đống Đa và Thanh Xuân);
  • Đề tài Sở Xây dựng Hà Nội năm 2015 đo 162 điểm vi địa chấn và 6 tuyến $V_S$ bằng máy GEODE-24 kênh tại Hà Đông và Hòa Lạc;
  • Bùi Thị Nhung (2017) phân loại nền đất D, E, F theo NEHRP (1997) từ 117 lỗ khoan và 40 giá trị $V_{S30}$;
  • Phạm Thế Truyền (2020) đánh giá rủi ro động đất 5 quận trung tâm bằng kịch bản cực đoan;
  • Tran Ngoc Long và cộng sự (2021) dùng phần mềm DEEPSOIL tính hệ số khuếch đại nền C tại Quảng trường Ba Đình là 1,95 và 2,07;
  • Giang Kien Trung và cộng sự (2022) mô phỏng DEEPSOIL cho 18 lỗ khoan theo tuyến Tây - Đông.

Khoảng trống luận án giải quyết: Khắc phục sự tản mạn và thiếu đồng bộ của các nghiên cứu trước bằng cách xây dựng quy trình tích hợp mô phỏng tỷ số phổ H/V bằng thuật toán di truyền trên mạng lưới 834 điểm đo thực tế, tính toán 816 giá trị $V_{S30}$ chuẩn hóa, phân vùng nền đất theo tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 và định lượng hệ số khuếch đại nền đất ($K$) dựa trên hàm suy giảm chấn động Campbell và Bozorgnia (2008).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án sử dụng tổ hợp phương pháp định lượng và xử lý số liệu địa chấn thực nghiệm:

  1. Khái niệm và kỹ thuật đo dao động vi địa chấn: Dao động vi địa chấn là dao động tự nhiên của mặt đất với biên độ dịch chuyển từ $10^{-7}$ đến $10^{-5}$ m sinh ra do hoạt động tự nhiên và nhân sinh. Ba kỹ thuật đo được phân tích gồm: kỹ thuật điểm tựa cổ điển (tính tỷ số biên độ giữa trạm đo và trạm chuẩn trên đá cứng theo thời gian $t = 30$ s); kỹ thuật đo mảng (sử dụng mảng tam giác đồng tâm $R_1, R_2$ và kỹ thuật phổ mật độ năng lượng tần số - số sóng F-K của Capon, 1969); kỹ thuật đo một trạm phân tích tỷ số phổ H/V theo Nakamura (1989). Tỷ số phổ Fourier H/V được tính theo công thức: $$HVSR = \frac{\sqrt{(F_{NS}^2 + F_{EW}^2) / 2}}{F_Z}$$ trong đó $F_{NS}, F_{EW}, F_Z$ lần lượt là phổ Fourier của các thành phần dao động Bắc - Nam, Đông - Tây và thẳng đứng.

  2. Lý thuyết sóng dừng và tần số trội trong môi trường phân lớp: Sóng vi địa chấn tại mặt đất được coi là sự giao thoa của sóng dừng truyền từ ranh giới các lớp đất lên mặt tự do. Tần số sóng thỏa mãn điều kiện cực đại biên độ: $$f = (2k + 1)\frac{V}{4h}$$ Với $k = 0$, ta có tần số trội cơ bản $F_0 = V / 4h$.

  3. Mối tương quan giữa tần số trội $F_0$ và chiều dày lớp phủ nông $D$: Dựa trên mô hình của Seht và Wohlenberg (1999), với vận tốc sóng ngang tăng theo độ sâu $V(z) = V_0(z/z_0)^x$, tích phân thời gian truyền sóng cho mối tương quan hàm mũ: $$D = a \cdot F_0^b$$ trong đó $a = [V_0(1 - x) / 4]^{1 / (1 - x)}$ và $b = -1 / (1 - x)$.

  4. Kỹ thuật ma trận chuyển đổi sóng SH và thuật toán di truyền (GA):

  • Sử dụng lý thuyết truyền sóng ngang SH trong môi trường $n$ lớp song song, đồng nhất và đàn hồi của Haskell (1953, 1960). Ma trận truyền dẫn mô tả quan hệ giữa ứng suất trượt, vận tốc hạt tại ranh giới các lớp để tính tỷ số biên độ sóng mặt đất so với sóng tới trong nền đá cứng.
  • Thuật toán di truyền (Holland, 1975) được dùng để nghịch đảo cấu trúc vận tốc sóng ngang 1 chiều ($V_{S1D}$) từ đường cong HVSR thực nghiệm. Hàm tương quan mục tiêu (fitness) kết hợp 80% hệ số tương quan tuyến tính ($r$) của hình dạng phổ và 20% mức độ trùng khớp của tần số đỉnh trội: $$fitness = 0,8 \cdot r + 0,2 \cdot \left(1 - \frac{|F_{SH} - F_{HV}|}{F_{HV}}\right)$$ trong đó $F_{SH}$ là tần số trội từ hàm chuyển đổi SH lý thuyết và $F_{HV}$ là tần số trội thực nghiệm.

  1. Hàm suy giảm chấn động và hệ số khuếch đại dao động nền: Sử dụng hàm suy giảm Campbell và Bozorgnia (2008) (CB08) để tính toán dao động nền theo phương ngang tại mặt đá cứng ($GMR$, ứng với $V_{S30} = 800$ m/s) và tại bề mặt lớp phủ ($GMS$, ứng với $V_{S30}$ thực tế). Hệ số khuếch đại dao động nền ($K$) được xác định bằng tỷ số: $$K = \frac{GMS}{GMR}$$

  2. Tiêu chuẩn phân loại nền đất: Áp dụng Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 9386:2012 (tương đương Eurocode 8):

  • Loại A: $V_{S30} > 800$ m/s;
  • Loại B: $V_{S30} = 360 - 800$ m/s;
  • Loại C: $V_{S30} = 180 - 360$ m/s;
  • Loại D: $V_{S30} < 180$ m/s;
  • Loại E: Bề mặt là lớp phù sa có $V_S < 100$ m/s dày trên 10 m.
  1. Nguồn số liệu thực tế: Mạng lưới 834 điểm đo vi địa chấn một trạm ghi bằng máy Samtac (đầu đo VSE315D, VSE355EV) và máy K2 (đầu đo SS-1); số liệu đo mảng vi địa chấn; tài liệu địa chất công trình từ các lỗ khoan thăm dò, thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn ($N_{SPT}$) và đo vận tốc sóng trong lỗ khoan.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan tình hình nghiên cứu và điều kiện nền đất khu vực nghiên cứu

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở khoa học về hiệu ứng nền đất trên thế giới và Việt Nam, đồng thời tổng hợp chi tiết điều kiện tự nhiên khu vực nội thành Hà Nội và 4 huyện phụ cận:

  • Địa hình chia 3 bậc: Vùng núi thấp ở phía Bắc huyện Sóc Sơn (độ cao 270 - 374 m, đỉnh An Lôm cao 462 m, sườn dốc $10^\circ - 30^\circ$ cấu tạo bởi đá lục nguyên phun trào phong hóa); Vùng gò đồi chuyển tiếp dải hẹp ở chân núi Sóc Sơn; Vùng đồng bằng chiếm 90% diện tích nghiêng dần về phía Đông Nam, gồm đồng bằng cao (6 - 15 m, phân bố tại Đông Anh, Sóc Sơn, Cổ Nhuế - Xuân Đỉnh) và đồng bằng thấp (2 - 6 m, phân bố ở trung tâm và phía Nam). Hệ thống sông chính gồm sông Hồng (đoạn chảy qua dài khoảng 20 km theo hướng Tây Bắc - Đông Nam) và sông Đuống.
  • Cấu trúc địa chất công trình: Đá gốc (cuội kết, sỏi sạn kết, cát bột kết) lộ tại Sóc Sơn và chìm sâu dần về phía Nam, đạt độ sâu hơn 100 m tại quận Hoàng Mai và Long Biên. Lớp phủ Đệ tứ gồm 5 hệ tầng trầm tích từ trẻ đến già:
    1. Hệ tầng Thái Bình: Trầm tích trẻ nhất, phân bố rộng ở đồng bằng thấp và ven sông suối, gồm bột sét lẫn mùn thực vật, cát hạt nhỏ, dày vài chục mét;
    2. Hệ tầng Hải Hưng: Phân bố nhỏ ở các quận trung tâm, gồm bùn, than bùn, sét bột chứa mùn thực vật, chiều dày hàng chục mét (đây là tầng đất yếu nhất);
    3. Hệ tầng Vĩnh Phúc: Phân bố rộng ở đồng bằng cao, gồm sét bột, cát pha sét, cát vàng xây dựng, dày vài chục mét;
    4. Hệ tầng Hà Nội: Phát lộ ở gò đồi, gồm cát hạt thô, sỏi sạn, cuội tảng nghiêng về phía Nam, dày vài chục mét;
    5. Hệ tầng Lệ Chi: Không lộ trên mặt, nằm ở độ sâu 45 - 69,5 m trong lỗ khoan, gồm cuội, sỏi, cát, ít sét, dày trên 20 m.
  • Dưới góc độ địa chất công trình trong phạm vi 60 m bề mặt, đất nền khu vực được phân chia thành 26 loại đất theo thạch học và trạng thái cơ lý (Bảng 1.2 trong luận án).

Chương 2. Phương pháp nghiên cứu hiệu ứng nền đất

Chương này thiết lập khung giải tích và cơ sở toán học cho toàn bộ các bước tính toán trong luận án:

  • Phân tích bản chất dao động vi địa chấn, so sánh ưu nhược điểm của đo điểm tựa, đo mảng F-K và đo một trạm HVSR. Xác nhận đo một trạm theo phương pháp Nakamura triệt tiêu hiệu quả ảnh hưởng của nguồn nhiễu cục bộ và trích xuất ổn định tần số cộng hưởng $F_0$;
  • Xây dựng mô hình giải tích 3 lớp và hệ phương trình sóng dừng để giải bài toán tần số riêng của lớp phủ trầm tích;
  • Thiết lập cơ sở lý thuyết ma trận Haskell (1953, 1960) cho sóng ngang SH truyền qua môi trường $n$ lớp đàn hồi song song;
  • Xây dựng thuật toán di truyền (GA) để nghịch đảo tự động mô hình $V_{S1D}$ từ phổ HVSR, xác định cấu trúc hàm thích nghi (fitness) gồm 2 thành phần (80% tương quan phổ và 20% sai số tần số trội);
  • Ứng dụng hàm suy giảm chấn động thực nghiệm CB08 để tính toán dao động nền theo phương ngang tại mặt đá cứng ($GMR$) và mặt lớp phủ ($GMS$), từ đó xác định hệ số khuếch đại dao động nền $K$;
  • Trình bày hệ thống tiêu chí phân loại nền theo TCVN 9386:2012 / Eurocode 8 và phương pháp tính sai số tương đối ($Err$).

Chương 3. Nguồn số liệu và các quy trình minh giải

Chương 3 trình bày chi tiết về thiết bị, nguồn số liệu thực địa, quy trình kiểm định độ tin cậy và sơ đồ khối các bước minh giải:

  • Thiết bị đo: Máy ghi Samtac (sử dụng cảm biến 3 thành phần gia tốc/vận tốc VSE315D và VSE355EV), máy K2 (đầu đo SS-1) và máy địa chấn đa kênh GEODE-24 kênh;
  • Cơ sở dữ liệu: 834 điểm đo dao động vi địa chấn một trạm bao phủ 12 quận và 4 huyện; các trạm đo mảng; các lỗ khoan địa chất công trình và vị trí đo thí nghiệm vận tốc sóng ngang trực tiếp;
  • Kiểm tra độ ổn định và sai số:
    • Tiến hành các phép đo lặp lại theo thời gian tại cùng một vị trí nhằm đánh giá tính ổn định của giá trị tần số trội $F_0$ và biên độ $A_0$;
    • Thực hiện 84 phép đo đồng thời tại 12 điểm kiểm tra bằng 7 bộ máy Samtac trong các năm 2009, 2012 và 2013 (Bảng 3.1 và 3.2), chứng minh sai số thiết bị nhỏ và đảm bảo tính đồng nhất giữa các máy ghi;
    • Đối chiếu chiều dày lớp phủ nông ($D$) xác định qua lỗ khoan địa chất công trình với chiều dày ước lượng qua vi địa chấn;
  • Quy trình minh giải chuẩn hóa: Xây dựng 7 sơ đồ khối quy trình gồm: quy trình xây dựng biểu đồ H/V; quy trình đánh giá các đặc trưng dao động vi địa chấn ($F_0$, dạng phổ, dải tần đặc biệt); quy trình xác lập quan hệ $F_0 - D$; quy trình xây dựng mô hình khởi tạo các lớp đất gần bề mặt (11 loại đất) và các lớp đá sâu; quy trình nghịch đảo GA tìm mô hình $V_{S1D}$ tối ưu; quy trình thành lập sơ đồ phân loại nền đất; quy trình xác định hệ số khuếch đại dao động nền $K$.

Chương 4. Đặc điểm dao động vi địa chấn khu vực nội thành thành phố Hà Nội và lân cận

Chương 4 công bố kết quả xử lý thực nghiệm từ mạng lưới 834 trạm đo vi địa chấn một trạm:

  • Phân loại hình dạng biểu đồ H/V: Xác định các dạng biểu đồ phổ biến gồm dạng 1 đỉnh nhọn rõ rệt (phản ánh ranh giới thạch học tương phản cao giữa lớp phủ mềm và đá cứng bên dưới), dạng đa đỉnh (phản ánh môi trường phân lớp phức tạp với nhiều mặt ranh giới cản trở âm), và dạng đỉnh tù/phẳng (xuất hiện ở vùng núi hoặc vùng đá gốc lộ gần mặt đất);
  • Phân vùng tần số trội $F_0$: Giá trị $F_0$ biến thiên rõ rệt từ vùng núi/gò đồi xuống đồng bằng. Vùng đồng bằng cao và chân núi có tần số trội cao ($F_0 > 2,0$ Hz), trong khi vùng đồng bằng thấp, trũng ven sông và phía Nam thành phố có tần số trội thấp ($F_0$ dao động từ 0,5 đến 1,5 Hz), tương ứng với các lớp trầm tích Đệ tứ dày;
  • Phân tích miền tần số đặc biệt: Khảo sát các dải tần nhạy cảm ảnh hưởng trực tiếp đến chu kỳ dao động riêng của các công trình xây dựng thấp tầng, trung tầng và cao tầng tại Hà Nội;
  • Xây dựng quan hệ thực nghiệm giữa $F_0$ và chiều dày lớp phủ $D$: Từ số liệu kết hợp tại các điểm đo cạnh lỗ khoan địa chất công trình, tác giả thiết lập phương trình hồi quy tương quan thực nghiệm chuyên biệt cho khu vực nghiên cứu: $$D = a \cdot F_0^b$$
  • Thành lập tập bản đồ và mặt cắt địa chấn: Xây dựng các tuyến mặt cắt phân bố chiều dày lớp phủ nông 2D và sơ đồ phân vùng chiều dày lớp phủ nông khu vực nội thành thành phố Hà Nội và phụ cận. Chiều dày lớp phủ nông tăng từ vài mét ở chân núi Sóc Sơn lên trên 80 - 100 m tại vùng trũng Nam Hà Nội (quận Hoàng Mai, Thanh Trì).

Chương 5. Hiệu ứng nền đất khu vực nội thành thành phố Hà Nội và lân cận

Chương 5 là chương kết quả cốt lõi của luận án, tích hợp mô phỏng nghịch đảo và đánh giá định lượng hiệu ứng khuếch đại nền đất:

  • Xây dựng mô hình vận tốc khởi tạo: Xác định tham số ban đầu ($V_S$, mật độ, bề dày) cho 11 loại đất chính gần bề mặt (Bảng 5.1 và 5.2) từ số liệu địa chất công trình và vận tốc sóng ngang đo mảng, cùng tham số các lớp đá sâu (Bảng 5.3, 5.4, 5.5, 5.6);
  • Nghịch đảo GA biểu đồ cấu trúc $V_{S1D}$: Xử lý mô phỏng thành công cho 816 điểm đo vi địa chấn. Kết quả cho thấy sự tương thích cao giữa hàm chuyển đổi sóng SH tổng hợp và biểu đồ tỷ số phổ H/V thực tế; sơ đồ phân vùng hệ số tương quan đạt giá trị cao trên toàn diện tích nghiên cứu;
  • Thành lập sơ đồ phân vùng $V_{S30}$ và phân loại nền đất:
    • Tính toán 816 giá trị $V_{S30}$ tại các điểm đo, phân bố từ dưới 180 m/s đến trên 800 m/s;
    • Phân loại nền đất theo tiêu chuẩn TCVN 9386:2012: Khu vực nghiên cứu gồm 3 loại nền đất chính là B, C và D (không có loại nền A tại vùng đồng bằng trầm tích). Nền loại B phân bố ở vùng đồi núi Sóc Sơn và rìa đồng bằng cao; Nền loại C chiếm diện tích lớn ở vùng đồng bằng cao Đông Anh, Cổ Nhuế và một phần trung tâm; Nền loại D tập trung ở các vùng đồng bằng thấp trũng, dải đất yếu ven sông Hồng, sông Đuống và khu vực phía Nam (Hoàng Mai, Thanh Trì, Hai Bà Trưng);
  • Tính toán khuếch đại dao động nền theo 3 kịch bản động đất:
    • Thiết lập tham số 3 kịch bản động đất phát sinh từ đới đứt gãy Sông Chảy và vùng lân cận với các giả định độ sâu chấn tiêu khác nhau (Bảng 5.7);
    • Ứng dụng hàm suy giảm chấn động CB08 tính giá trị dao động nền ngang trên đá cứng ($GMR$), tại mặt lớp phủ ($GMS$) và hệ số khuếch đại dao động nền $K$;
    • Phân tích tương quan giữa hệ số khuếch đại $K$ và giá trị $V_{S30}$ cho từng kịch bản;
    • Tổng hợp hệ số khuếch đại dao động nền trung bình đại diện cho từng loại nền đất B, C, D khu vực nội thành Hà Nội (Bảng 5.8).

Bảng tổng hợp đặc điểm phân loại nền đất và hệ số khuếch đại dao động nền khu vực nội thành Hà Nội và lân cận theo TCVN 9386:2012 trong luận án:

Loại nền đất Phạm vi vận tốc $V_{S30}$ (m/s) Đặc điểm phân bố không gian chính tại khu vực nghiên cứu Hệ số khuếch đại dao động nền ($K$)
Nền B $360 - 800$ Vùng gò đồi, chân núi Sóc Sơn, rìa phía Bắc đồng bằng cao Nhỏ nhất trong 3 loại nền tại khu vực nghiên cứu
Nền C $180 - 360$ Phần lớn huyện Đông Anh, Sóc Sơn (đồng bằng), một phần quận Bắc Từ Liêm, Cầu Giấy, Tây Hồ Trung bình, khuếch đại rõ rệt so với đá cứng
Nền D $< 180$ Đồng bằng thấp, dải đất ven sông Hồng, sông Đuống, các quận Đống Đa, Thanh Xuân, Hoàng Mai, huyện Thanh Trì Lớn nhất, nguy cơ khuếch đại dao động và chấn động cực đại

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án tự xác định các đóng góp mới về mặt lý thuyết và thực tiễn:

  1. Đóng góp về khoa học:

    • Làm rõ mối liên quan định lượng giữa các đặc trưng dao động vi địa chấn (hình dạng phổ H/V, tần số trội $F_0$) với cấu trúc địa chất công trình và chiều dày trầm tích Đệ tứ khu vực nội thành Hà Nội và phụ cận;
    • Hoàn thiện và chuẩn hóa quy trình công nghệ kết hợp đo đạc vi địa chấn một trạm mật độ dày với thuật toán di truyền (GA) để nghịch đảo cấu trúc vận tốc sóng ngang 1D ($V_{S1D}$) và xác định $V_{S30}$, cung cấp phương pháp tiếp cận kinh tế và khả thi cao đối với các đô thị đông dân cư nơi việc khoan thăm dò sâu bị hạn chế.

  2. Đóng góp về thực tiễn:

    • Cung cấp bộ cơ sở dữ liệu số bao gồm 834 điểm đo dao động vi địa chấn một trạm, 816 giá trị $V_{S30}$ chuẩn hóa, các giá trị tần số trội $F_0$ và chiều dày lớp phủ nông $D$;
    • Xây dựng hệ thống các bản đồ chuyên đề tỷ lệ chi tiết: Bản đồ phân bố và phân vùng tần số trội $F_0$; Bản đồ phân vùng chiều dày lớp phủ nông $D$; Bản đồ phân vùng vận tốc sóng ngang $V_{S30}$; Bản đồ phân loại nền đất theo tiêu chuẩn quốc gia TCVN 9386:2012; Bản đồ phân vùng hệ số khuếch đại dao động nền $K$ tương ứng với các kịch bản động đất nguồn Sông Chảy;
    • Định lượng giá trị hệ số khuếch đại nền thực tế cho các nhóm đất nền B, C và D tại Hà Nội, cung cấp cơ sở đối chứng với hệ số nền tiêu chuẩn trong quy chuẩn thiết kế kháng chấn hiện hành.

  3. Kiến nghị và giải pháp đề xuất:

    • Đề xuất các cơ quan quản lý đô thị và xây dựng áp dụng hệ thống bản đồ phân loại nền đất và hệ số khuếch đại dao động nền của luận án trong công tác quy hoạch không gian đô thị, cấp phép xây dựng các công trình cao tầng và công trình trọng điểm tại Hà Nội;
    • Kiến nghị sử dụng các kết quả thực nghiệm của luận án để hiệu chỉnh, cập nhật các tham số nền đất trong Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 9386:2012 cho phù hợp với điều kiện địa chất công trình đặc thù của Hà Nội;
    • Khuyến nghị tiếp tục duy trì và mở rộng mạng lưới quan trắc vi địa chấn định kỳ để theo dõi sự biến đổi đặc tính động học của nền đất dưới tác động của quá trình đô thị hóa và khai thác nước ngầm.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án gắn liền với các giả định lý thuyết và phạm vi số liệu được tác giả nêu rõ:

  • Mô hình nghịch đảo vận tốc sóng ngang SH và tỷ số phổ H/V dựa trên giả định môi trường phân lớp song song, đồng nhất và đẳng hướng (mô hình 1D Haskell), chưa xem xét đầy đủ các hiệu ứng 2D hoặc 3D phức tạp như hiệu ứng rìa bồn trũng trầm tích, sự tán xạ sóng do biến đổi địa hình cục bộ hoặc giao thoa đa hướng;
  • Ứng xử biến dạng của các lớp đất nền được khảo sát trong miền biến dạng đàn hồi nhỏ (tín hiệu vi địa chấn), chưa phản ánh đầy đủ đặc tính phi tuyến của đất yếu khi chịu chấn động động đất rất mạnh;
  • Phạm vi nghiên cứu mới bao phủ 12 quận nội thành và 4 huyện phụ cận (khoảng 1000 km²), chưa mở rộng khảo sát đồng bộ tới toàn bộ 5 đô thị vệ tinh theo quy hoạch tổng thể (Hòa Lạc, Sơn Tây, Xuân Mai, Phú Xuyên và phần còn lại của Sóc Sơn).

Hướng nghiên cứu tiếp:

  • Nghiên cứu mở rộng mạng lưới đo vi địa chấn và xác định $V_{S30}$ cho toàn bộ các khu đô thị vệ tinh của Hà Nội;
  • Ứng dụng mô hình số 2D và 3D để mô phỏng hiệu ứng bồn trũng trầm tích Hà Nội dưới tác động của các trận động đất giả định;
  • Khảo sát ứng xử phi tuyến của các tầng bùn sét yếu (hệ tầng Hải Hưng, Thái Bình) dưới tác động của trường rung động mạnh kết hợp đánh giá nguy cơ hóa lỏng cát.

Giá trị tham khảo

Luận án mang giá trị tham khảo chuyên môn cho các nhóm đối tượng:

  • Kỹ sư xây dựng và tư vấn thiết kế công trình: Cung cấp thông số phân loại nền đất theo TCVN 9386:2012 và hệ số khuếch đại sóng thực tế cho từng khu vực cụ thể thuộc 12 quận nội thành và 4 huyện ngoại thành, hỗ trợ tính toán tải trọng động đất và chu kỳ dao động riêng tránh hiện tượng cộng hưởng công trình - nền đất;
  • Các nhà quy hoạch đô thị và cơ quan quản lý nhà nước: Sử dụng tập bản đồ phân vùng chiều dày trầm tích, phân loại nền đất và hệ số khuếch đại dao động nền làm tài liệu tham chiếu trong lập quy hoạch sử dụng đất, quản lý chiều cao công trình và xây dựng phương án giảm thiểu rủi ro thảm họa động đất cho thành phố Hà Nội;
  • Nghiên cứu sinh, giảng viên và chuyên gia ngành Địa vật lý, Địa kỹ thuật: Cung cấp tài liệu tham khảo hoàn chỉnh về quy trình kết hợp đo đạc vi địa chấn một trạm (HVSR) với thuật toán di truyền (GA) và quan hệ thực nghiệm $F_0 - D$, phục vụ giảng dạy và triển khai các nghiên cứu vi phân vùng động đất đô thị tại các địa phương khác.

Câu hỏi thường gặp

1. Đới đứt gãy nào chạy qua khu vực nghiên cứu có mức độ nguy hiểm động đất cao nhất và tốc độ chuyển dịch hiện nay là bao nhiêu?
Đới đứt gãy chạy qua khu vực nghiên cứu có nguy cơ nguy hiểm động đất cao nhất là đứt gãy Sông Chảy, cắt ngang qua vùng trung tâm thành phố Hà Nội, với tốc độ chuyển dịch ngang trung bình trong giai đoạn hiện nay đạt 2,7 ± 1,6 mm/năm.

2. Luận án đã thu thập và xử lý bao nhiêu điểm đo dao động vi địa chấn một trạm và tính toán được bao nhiêu giá trị $V_{S30}$?
Luận án đã thu thập, đo bổ sung và xử lý tổng cộng 834 điểm đo dao động vi địa chấn một trạm. Từ số liệu này, tác giả đã mô phỏng và tính toán thành công 816 giá trị vận tốc sóng ngang trung bình trong 30 m trên cùng ($V_{S30}$) bằng kỹ thuật thuật toán di truyền (GA).

3. Hàm mục tiêu (fitness) trong thuật toán di truyền được tác giả thiết lập với tỷ trọng các thành phần như thế nào?
Hàm mục tiêu được xây dựng với tỷ trọng gồm 80% cho hệ số tương quan tuyến tính ($r$) giữa biểu đồ sóng SH chuyển đổi lý thuyết và biểu đồ HVSR thực nghiệm, và 20% cho mức độ trùng khớp giữa tần số đỉnh trội lý thuyết ($F_{SH}$) và tần số đỉnh trội thực nghiệm ($F_{HV}$).

4. Theo tiêu chuẩn TCVN 9386:2012, nền đất khu vực nội thành Hà Nội và phụ cận được phân chia thành những loại nền nào?
Khu vực nghiên cứu được phân chia thành 3 loại nền đất chính là loại B ($V_{S30} = 360 - 800$ m/s), loại C ($V_{S30} = 180 - 360$ m/s) và loại D ($V_{S30} < 180$ m/s). Nền loại A ($V_{S30} > 800$ m/s) không xuất hiện ở vùng đồng bằng trầm tích mà chỉ có ở vùng núi đá lộ phía Bắc huyện Sóc Sơn.

5. Lớp phủ trầm tích Đệ tứ tại khu vực nghiên cứu gồm những hệ tầng nào và tầng nào có tính chất cơ lý yếu nhất?
Lớp phủ Đệ tứ gồm 5 hệ tầng từ trẻ đến già: Thái Bình, Hải Hưng, Vĩnh Phúc, Hà Nội và Lệ Chi. Trong đó, hệ tầng Hải Hưng (thành phần chủ yếu là bùn sét, than bùn, sét bột chứa tàn tích thực vật ở trạng thái dẻo chảy đến chảy) là tầng đất yếu nhất.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của Nguyễn Tiến Hùng đã giải quyết bài toán định lượng hiệu ứng nền đất và phân loại đất nền kháng chấn tại khu vực nội thành thành phố Hà Nội và 4 huyện phụ cận dựa trên mạng lưới 834 trạm đo vi địa chấn và thuật toán di truyền. Công trình đã làm rõ quy luật biến thiên của tần số trội, chiều dày lớp phủ trầm tích Đệ tứ và vận tốc sóng ngang $V_{S30}$, chỉ ra rằng nền đất khu vực nghiên cứu thuộc các loại B, C và D theo tiêu chuẩn TCVN 9386:2012. Kết quả tính toán hệ số khuếch đại dao động nền $K$ theo các kịch bản động đất nguồn Sông Chảy cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm phục vụ công tác lập quy hoạch đô thị và thiết kế công trình chịu động đất nhằm giảm thiểu rủi ro thiên tai cho thủ đô Hà Nội.