Tổng quan nghiên cứu

Động đất là hiện tượng tự nhiên xảy ra phổ biến trên Trái Đất, với hàng nghìn trận động đất nhỏ và vừa mỗi năm, trong đó một số trận động đất mạnh có thể gây thiệt hại nghiêm trọng về cơ sở vật chất và con người. Tại Việt Nam, đặc biệt là khu vực Hà Nội, các trận động đất mạnh cấp VII, VIII theo thang MSK-64 đã từng xảy ra trong lịch sử như các năm 1277, 1278, 1285, và các trận động đất gần đây có cường độ khoảng 6,75 đến 6,8 độ Richter. Chu kỳ lặp lại động đất mạnh tại Hà Nội được ước tính khoảng 1100 năm, với trận động đất mạnh cuối cùng cách đây hơn 700 năm.

Hệ thống đê Hữu Hồng, đoạn qua Hà Nội (từ K73+500 đến K74+100), có vai trò đặc biệt quan trọng trong việc bảo vệ an toàn cho thủ đô. Tuy nhiên, nền đất cát tại khu vực này có nguy cơ cao bị hóa lỏng khi chịu tác động của tải trọng động đất mạnh, gây mất ổn định công trình đê, dẫn đến nguy cơ sạt lở, lún và hư hỏng nghiêm trọng. Trước tình hình biến đổi khí hậu, nước biển dâng và sự gia tăng các trận động đất vừa và nhỏ, việc nghiên cứu khả năng hóa lỏng của đất nền đê Hữu Hồng là cấp thiết nhằm đảm bảo an toàn công trình và vùng hạ du.

Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá khả năng hóa lỏng của đất nền đê Hữu Hồng đoạn qua Hà Nội khi chịu tải trọng động đất mạnh, xác định các đặc trưng biến dạng và hóa lỏng của đất nền, mô phỏng khả năng hóa lỏng và đề xuất các giải pháp ổn định công trình. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào lớp đất cát bão hòa nước phân bố dưới mặt chân đê với chiều dày khoảng 40m. Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học trong việc làm sáng tỏ cơ chế hóa lỏng đất nền dưới tác động động đất, đồng thời có giá trị thực tiễn trong quản lý an toàn đê điều và thiết kế công trình chống hóa lỏng.

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 đất nền dưới tác động của tải trọng động đất, bao gồm:

  • Cơ chế hình thành hóa lỏng: Khi đất cát bão hòa nước chịu ứng suất cắt theo chu kỳ do động đất, áp lực nước lỗ rỗng tăng lên nhanh chóng trong điều kiện không thoát nước, làm giảm ứng suất hiệu quả và gây mất liên kết giữa các hạt đất, dẫn đến hiện tượng hóa lỏng.

  • Tiêu chí đánh giá khả năng hóa lỏng: Sử dụng các chỉ tiêu như hệ số rỗng, tỷ số ứng suất chu kỳ (CSR), sức kháng xuyên tiêu chuẩn (SPT-N), và các đường cong hóa lỏng được xác định từ thí nghiệm 3 trục động.

  • Mô hình mô phỏng phần tử hữu hạn (FEM): Áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn để mô phỏng quá trình hóa lỏng và biến dạng của đất nền đê dưới tác động của tải trọng động đất, sử dụng phần mềm chuyên dụng Quake/AW.

  • Các khái niệm chính: Mô đun Young, hệ số giảm chấn, áp lực nước lỗ rỗng dư, hệ số an toàn hóa lỏng (FS), biến dạng dọc trục, và các đặc trưng biến dạng động của đất nền.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết, thực nghiệm và mô phỏng số:

  • Nguồn dữ liệu: Số liệu khảo sát địa chất hiện trường tại đoạn đê Hữu Hồng (K73+500 - K74+100), kết quả thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT), thí nghiệm 3 trục động trên mẫu đất lấy từ thực địa.

  • Phương pháp phân tích: Đánh giá tính nhạy hóa lỏng dựa trên số liệu hiện trường; xác định đặc trưng biến dạng và hóa lỏng đất nền qua thí nghiệm 3 trục động; mô phỏng khả năng hóa lỏng và biến dạng đê bằng phương pháp phần tử hữu hạn.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mẫu đất cát bão hòa nước được lấy từ các vị trí khảo sát trọng điểm trên đoạn đê nghiên cứu, đảm bảo đại diện cho điều kiện địa chất thực tế. Cỡ mẫu thí nghiệm được thiết kế phù hợp với tiêu chuẩn thí nghiệm 3 trục động.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2019, bao gồm giai đoạn thu thập số liệu hiện trường, thí nghiệm trong phòng, phân tích dữ liệu và mô phỏng số, kết hợp với đánh giá và đề xuất giải pháp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đặc trưng địa chất và tính nhạy hóa lỏng của đất nền đê Hữu Hồng: Đoạn đê nghiên cứu có lớp đất cát bão hòa nước với chiều dày phân bố khoảng 40m, có hệ số rỗng cao và thành phần hạt nằm trong vùng dễ hóa lỏng. Kết quả đánh giá cho thấy khoảng 35-40% mẫu đất có tính nhạy hóa lỏng cao, đặc biệt tại các vị trí có lớp cát xốp và ít kết dính.

  2. Kết quả thí nghiệm 3 trục động: Mô đun Young chuẩn hóa của đất nền giảm từ khoảng 200 kPa xuống còn 100 kPa khi biến dạng dọc trục tăng lên 5%, hệ số giảm chấn tăng từ 0,05 lên 0,15 tương ứng với biến dạng cắt tăng. Đường cong hóa lỏng cho thấy số vòng lặp gây hóa lỏng giảm khi biên độ ứng suất tăng, với khoảng 10-20 vòng lặp ứng suất chu kỳ là đủ để kích hoạt hóa lỏng ở điều kiện áp suất buồng hiệu quả 100 kPa.

  3. Mô phỏng khả năng hóa lỏng và biến dạng đê: Mô phỏng FEM cho thấy tại vị trí K73+750, hệ số an toàn hóa lỏng giảm xuống dưới 1 khi chịu tải trọng động đất với gia tốc nền cực đại (PGA) khoảng 0,08g, dẫn đến nguy cơ hóa lỏng và mất ổn định mái đê. Biến dạng ngang tại nút quan trọng có thể đạt tới 15 cm trong thời gian động đất, gây nguy hiểm cho kết cấu đê.

  4. Ảnh hưởng của mực nước lũ: Mô phỏng cho thấy khi mực nước lũ tăng cao, áp lực nước lỗ rỗng dư trong đất nền tăng lên, làm giảm sức kháng hóa lỏng và tăng nguy cơ hóa lỏng đất nền đê. So sánh các kịch bản cho thấy mực nước lũ cao có thể làm giảm hệ số an toàn hóa lỏng thêm khoảng 10-15%.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiện tượng hóa lỏng là do đất cát bão hòa nước có hệ số rỗng lớn, chịu tác động của tải trọng động đất mạnh với chu kỳ ứng suất lặp lại đủ lớn, làm tăng áp lực nước lỗ rỗng dư và giảm ứng suất hiệu quả. Kết quả thí nghiệm và mô phỏng phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về cơ chế hóa lỏng đất nền cát. So sánh với các nghiên cứu trong nước cho thấy tính nhạy hóa lỏng của đất nền đê Hữu Hồng tương đối cao do đặc điểm địa chất phức tạp và lịch sử hình thành lâu đời.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ đường cong hóa lỏng, quan hệ mô đun Young và biến dạng, hệ số giảm chấn theo biến dạng, cũng như bảng tổng hợp hệ số an toàn hóa lỏng theo chiều sâu và các kịch bản tải trọng động đất. Các kết quả này cung cấp cơ sở khoa học để đánh giá nguy cơ hóa lỏng và thiết kế các giải pháp ổn định đê.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường gia cố nền đất cát bằng biện pháp làm chặt: Áp dụng kỹ thuật đầm nén, cọc cát hoặc cọc xi măng để giảm hệ số rỗng và tăng sức kháng hóa lỏng, nhằm nâng cao hệ số an toàn hóa lỏng lên trên 1,2. Thời gian thực hiện dự kiến trong vòng 2-3 năm, do các đơn vị quản lý đê điều phối hợp thực hiện.

  2. Thiết lập hệ thống giếng thoát nước và giếng cọc cuội sỏi: Giảm áp lực nước lỗ rỗng dư trong đất nền bằng cách thoát nước hiệu quả, hạn chế nguy cơ hóa lỏng khi có động đất và mực nước lũ cao. Giải pháp này cần được triển khai đồng bộ trong vòng 1-2 năm tại các vị trí trọng yếu.

  3. Sử dụng phương pháp phụt vữa và trộn sâu (cọc xi măng - đất): Tăng cường độ cứng và sức kháng của đất nền, đặc biệt tại các vị trí có lớp đất yếu sâu. Thời gian thi công khoảng 2 năm, ưu tiên các đoạn đê có nguy cơ hóa lỏng cao.

  4. Cải tiến thiết kế kết cấu đê và nâng cao công tác giám sát: Áp dụng các tiêu chuẩn thiết kế chống hóa lỏng mới, kết hợp theo dõi biến dạng và áp lực nước lỗ rỗng trong quá trình vận hành đê để kịp thời xử lý sự cố. Chủ thể thực hiện là các cơ quan quản lý đê điều và đơn vị tư vấn thiết kế, với kế hoạch dài hạn từ 3-5 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Địa kỹ thuật xây dựng: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết, phương pháp thí nghiệm và mô phỏng hiện đại về hóa lỏng đất nền, giúp nâng cao kiến thức chuyên sâu và ứng dụng thực tiễn.

  2. Cơ quan quản lý đê điều và phòng chống thiên tai: Thông tin về khả năng hóa lỏng và các giải pháp ổn định đê giúp hoạch định chính sách, quản lý rủi ro và nâng cao an toàn công trình đê điều.

  3. Các kỹ sư thiết kế và thi công công trình thủy lợi, giao thông: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu thực nghiệm và mô phỏng để thiết kế các công trình chịu tải trọng động đất, đặc biệt là các công trình xây dựng trên nền đất cát dễ hóa lỏng.

  4. Các nhà hoạch định chính sách về biến đổi khí hậu và phát triển bền vững: Luận văn góp phần đánh giá tác động của biến đổi khí hậu và động đất đến hệ thống đê điều, từ đó đề xuất các giải pháp thích ứng và giảm thiểu rủi ro thiên tai.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hóa lỏng đất nền là gì và tại sao nó nguy hiểm?
    Hóa lỏng là hiện tượng đất nền mất khả năng chịu tải do áp lực nước lỗ rỗng tăng lên khi chịu tải trọng động đất, làm đất chuyển sang trạng thái giống chất lỏng. Hiện tượng này gây mất ổn định công trình, dẫn đến sụt lún, trượt và hư hỏng nghiêm trọng.

  2. Đoạn đê Hữu Hồng có nguy cơ hóa lỏng cao không?
    Theo nghiên cứu, khoảng 35-40% mẫu đất nền đê Hữu Hồng có tính nhạy hóa lỏng cao do đặc điểm địa chất là đất cát bão hòa nước với hệ số rỗng lớn, đặc biệt tại các vị trí có lớp cát xốp dày.

  3. Phương pháp nào được sử dụng để đánh giá khả năng hóa lỏng?
    Nghiên cứu sử dụng kết hợp phương pháp đánh giá hiện trường (SPT, CPT), thí nghiệm 3 trục động trong phòng thí nghiệm và mô phỏng số bằng phần tử hữu hạn để đánh giá khả năng hóa lỏng và biến dạng đất nền.

  4. Các giải pháp ổn định đê chống hóa lỏng hiệu quả là gì?
    Các giải pháp gồm làm chặt đất nền, xây dựng hệ thống thoát nước, sử dụng cọc xi măng - đất, cọc cát, và cải tiến thiết kế kết cấu đê. Những biện pháp này đã được áp dụng thành công tại nhiều công trình trong và ngoài nước.

  5. Ảnh hưởng của biến đổi khí hậu đến khả năng hóa lỏng như thế nào?
    Biến đổi khí hậu làm tăng mực nước lũ và áp lực nước lỗ rỗng trong đất nền, làm giảm sức kháng hóa lỏng và tăng nguy cơ hóa lỏng đất nền đê khi có động đất, đòi hỏi phải có các giải pháp thích ứng phù hợp.

Kết luận

  • Đoạn đê Hữu Hồng qua Hà Nội có nền đất cát bão hòa nước với tính nhạy hóa lỏng cao, đặc biệt dưới tác động của tải trọng động đất mạnh và mực nước lũ cao.
  • Thí nghiệm 3 trục động và mô phỏng phần tử hữu hạn đã xác định được các đặc trưng biến dạng và khả năng hóa lỏng của đất nền, cung cấp cơ sở khoa học cho đánh giá an toàn đê.
  • Hệ số an toàn hóa lỏng tại một số vị trí có thể giảm dưới 1 khi chịu động đất mạnh, gây nguy cơ mất ổn định mái đê và biến dạng lớn.
  • Đề xuất các giải pháp làm chặt đất, thoát nước, sử dụng cọc xi măng - đất và cải tiến thiết kế kết cấu nhằm nâng cao độ ổn định và giảm thiểu nguy cơ hóa lỏng.
  • Nghiên cứu có thể được tiếp tục mở rộng với các kịch bản tải trọng động đất đa dạng và điều kiện mực nước khác nhau, đồng thời áp dụng cho các đoạn đê khác trong hệ thống đê điều quốc gia.

Luận văn là tài liệu tham khảo quan trọng cho các nhà nghiên cứu, kỹ sư và cơ quan quản lý trong lĩnh vực địa kỹ thuật xây dựng và phòng chống thiên tai. Để đảm bảo an toàn công trình đê điều, cần triển khai các giải pháp ổn định nền đất theo khuyến nghị nghiên cứu trong thời gian sớm nhất.