CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HÓA LỎNG DO ĐỘNG ĐẤT 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước 1.1 Khái quát về động đất Theo Robert Bates và Julia Jackson, (1987)[1], động đất là một chuyển động hay rung động đột ngột trong vỏ quả đất sinh ra do sự giải phóng tức thời năng lượng, biến dạng được tích lũy dần từ trước. Có nhiều nguyên nhân gây ra động đất như: do kiến tạo, do đứt gãy, do làm hồ chứa nước lớn, do nổ, do sụt lở…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 núi lửa hoạt động. Từ những số đọc sóng động đất tại các biểu đồ địa chấn của các trạm quan trắc có thể tính ra được vị trí trung tâm (chấn tiêu) của một trận động đất (Hình 1. Đê đập Chấn tâm Mặt đất – Khoảng cách chấn tâm h – Độ sâu chấn tiêu R – Khoảng cách chấn tiêu Chấn tiêu Hình 1.
Sơ đồ thông số vị trí của một trận động đất Mức độ nghiêm trọng của một trận động đất được miêu tả bởi cả độ lớn và cường độ động đất. Độ lớn động đất (ký hiệu M) là đại lượng đặc trưng cho mức năng lượng mà trận động đất phát và truyền ra không gian xung quanh dưới dạng sóng đàn hồi (QĐ46/2014/QĐ-TTg)[2]. Một số thang đo độ lớn động đất phổ biến là thang mô men (MW), thang Richter (ML), thang độ lớn sóng bề mặt (MS)…Động đất được phân thành các loại: vi động đất (M < 2,0), động đất yếu (2,0 < M < 3,9), động đất nhẹ (4,0 < M < 4,9), động đất trung bình (5,0 < M < 5,9), động đất mạnh (6,0 < M < 6,9), động đất rất mạnh (7,0 < M < 7,9) và động đất hủy diệt (M > 8,0) [2]. 5 Cường độ chấn động trên bề mặt (ký hiệu I) là đại lượng biểu thị khả năng rung động do một trận động đất gây ra trên mặt đất và được đánh giá qua mức độ tác động của nó đối với nhà cửa, công trình, mặt đất, đồ vật, con người.
Một số thang cường độ động đất phổ biến là thang MSK-64 có 12 cấp, thang MMI có 12 cấp, thang JMA của cơ quan khí tượng Nhật Bản có 8 cấp. Đánh giá khả năng rung động nền hay độ nguy hiểm động đất cho một khu vực hay công trình phải đưa ra được các thông số của trận động đất như gia tốc nền cực đại PGA, phổ phản ứng của gia tốc nền SA, băng gia tốc…Theo TCVN 9386-2012[3], bảng chuyển đổi tương đương từ đỉnh gia tốc nền sang cấp động đất của thang MSK- 64 và thang MM được thể hiện trong Bảng 1. Theo giá trị gia tốc nền, động đất mạnh là động đất có a > 0,08g, khi đó phải tính toán cấu tạo kháng chấn. Bảng chuyển đổi từ đỉnh gia tốc nền sang cấp động đất Thang MSK-64 Thang MM Cấp động đất Đỉnh gia tốc nền, a(g) Cấp động đất Đỉnh gia tốc nền, a(g) V 0,012-0,03 V 0,03-0,04 VI > 0,03-0,06 VI 0,06-0,07 VII > 0,06 VII 0,10-0,15 VIII > 0,12-0,24 VIII 0,25-0,30 IX > 0,24-0,48 IX 0,50-0,55 X > 0,48 X > 0,6 Việt Nam nằm trong địa mảng Á - Âu nên nguồn gây động đất đều trực tiếp do đứt gẫy nội mảng, do vậy điều kiện phát sinh và đặc điểm động đất tại Việt nam đều bắt nguồn từ bình đồ kiến tạo trên lãnh thổ Việt Nam.
Các vùng có nguy cơ xảy ra động đất từ 6,0 – 7,0 độ Richter ở Việt Nam gồm: đới đứt gãy trên hệ thống sông Hồng, sông Chảy; đới đứt gãy Lai Châu – Điện Biên; đới sông Mã, Sơn La, sông Đà; đới Cao Bằng, Tiên Yên; đới Rào Nậy – sông Cả; đới Đakrông – Huế; đới Trường Sơn; đới sông Ba; đới ven biển miền Trung.Ngoài những vùng này, trên lãnh thổ Việt Nam còn có khoảng 30 khu vực có nguy cơ động đất xấp xỉ 5,0 độ Richter. Theo Nguyễn Đình Xuyên và Trần Văn Thắng, (2005)[4] trước Kainozoi, quá trình vận động kiến tạo đã hình thành trên lãnh thổ Việt Nam và lân cận. Các đơn vị kiến 6 tạo chính theo bản đồ địa chấn kiến tạo là cơ sở cho phân vùng động đất trên lãnh thổ Việt Nam (Hình 1. Bản đồ phân vùng động đất lãnh thổ Việt Nam trong tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn đã được thành lập trên cơ sở các kết quả nghiên cứu quy luật biểu hiện động đất trên lãnh thổ Việt Nam.
Dựa theo tương quan giữa động đất và bình đồ phân vùng kiến tạo địa động lực hiện đại, từ đó tìm ra quy luật phân bố động đất trong không gian và theo thời gian, quy luật lặp lại động đất và mối liên quan giữa các đặc trưng động lực như chiều dài, chiều rộng, chấn tiêu động đất với quy luật lan truyền chấn động (cấp động đất, gia tốc dao động nền…). Nhờ vào bản đồ, ta có thể biết được thời điểm động đất lặp lại trong 1000 năm và 500 năm. Theo bản đồ này, Việt Nam có tất cả 30 khu vực có thể phát sinh động đất. Mức độ chấn động của động đất nằm trong khoảng từ 5,5 - 6,8 độ Richter [3].
Hà Nội nằm trong vùng đứt gãy sông Hồng - sông Chảy, nơi đã xảy ra các trận động đất mạnh cấp VII, cấp VIII (thang MSK-64) vào các năm 1277, 1278, 1285. Hiện Hà Nội đang trong thời kỳ yên tĩnh nhưng trong tương lai hoạt động động đất có thể tăng lên và động đất mạnh có thể xảy ra. Ngoài ra, Hà Nội còn phải chịu tác động của động đất mạnh xảy ra ở những vùng đứt gãy lân cận như đứt gãy sông Lô, Đông Triều, Sơn La. Nguyễn Hồng Phương và Phạm Thế Truyền, (2014)[5] công bố tập bản đồ xác suất nguy hiểm động đất lãnh thổ Việt Nam và khu vực biển đông trên cơ sở cập nhật danh mục động đất và các thông tin địa chấn kiến tạo, địa động lực khu vực Đông Nam Á đến năm 2014.
Theo tập bản đồ này, trên lãnh thổ Việt Nam rung động nền mạnh nhất quan sát thấy tại khu vực Tây Bắc đất nước, tập trung trên hai vùng nguồn Điện Biên - Lai Châu và Sơn La. Đặc biệt đối với chu kỳ lặp lại khoảng 10000 năm, các giá trị rung động nền tại hai vùng nguồn nêu trên tương đương với cường độ chấn động trên bề mặt cấp IX theo thang MSK-64. Ngoài hai vùng chấn động mạnh nhất nêu trên, trên lãnh thổ Việt Nam còn quan sát thấy khu vực sông Hồng – sông Chảy là vùng nguồn có rung động mạnh tới cấp VIII (thang MSK-64). Bản đồ địa chấn kiến tạo lãnh thổ Việt Nam [4] 8 1.2 Tình hình nghiên cứu hóa lỏng do động đất trên thế giới 1.1 Khái quát về hóa lỏng Hóa lỏng là một trong những hiện tượng quan trọng, phức tạp, thú vị và gây tranh cãi nhiều nhất trong nghiên cứu động đất (Kramer, 1996)[6].
Hóa lỏng thường xảy ra trong nền đất cát rời khi động đất hoặc chịu tác động của tải trọng động. Trong thực tế hiện tượng hóa lỏng xảy ra chủ yếu do động đất. Trong khi động đất, tác dụng của ứng suất cắt theo chu kỳ do các sóng cắt gây ra làm cát bị sụt lún, tăng áp lực nước lỗ rỗng trong cát. Khi chấn động xảy ra đủ nhanh, đất chịu tải không thoát nước, áp lực nước lỗ rỗng trong đất tăng nhanh.
Sự gia tăng áp lực nước lỗ rỗng khi chịu tải không thoát nước là dấu hiệu nhận biết hiện tượng hóa lỏng. Khi xảy ra hóa lỏng làm cho đất nền yếu dần theo thời gian, các hạt đất hầu như không liên kết với nhau và mất khả năng chống cắt vì thế sức chịu tải của nền giảm xuống làm cho công trình lún, trượt, mất ổn định. Nghiên cứu về hóa lỏng được thực hiện mạnh mẽ trên thế giới vào những năm 1960 sau thảm họa động đất kép ở Niigata và Alaska năm 1964, cả hai trận động đất này đều gây thiệt hại nặng nề do hiện tượng hóa lỏng đất.2 Các sự cố công trình do ảnh hưởng của hóa lỏng trong động đất Một trong những nguyên nhân gây phá hủy công trình nói chung và công trình thủy lợi nói riêng là hóa lỏng do động đất. Nhiều sự cố về đê, đập trên thế giới do hóa lỏng trong các trận động đất đã được nghiên cứu và công bố.
Hóa lỏng xảy ra làm cho nền đất yếu dần theo thời gian, các hạt đất gần như không liên kết với nhau làm mất khả năng chống cắt của đất vì thế sức chịu tải của nền giảm xuống làm cho công trình mất tính ổn định gây ra các hiện tượng trượt lở, lún…Trên thế giới đã có nhiều công trình chịu hậu quả nghiêm trọng do nền bị hóa lỏng trong các trận động đất. Dưới đây là một số hình ảnh về hậu quả hóa lỏng do động đất đối với công trình (Hình 1. Hóa lỏng đất gây sạt đường cao tốc ở phía tây của hồ Merced ở San Francisco trong trận động đất thành phố Daly năm 1957 (Ảnh chụp của M. Bonilla Trung tâm Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ) Hình 1.
Hóa lỏng đất gây trượt mái thượng lưu đập San Fernando hạ năm 1971 (Ảnh chụp của sở thông tin quốc gia về động đất, Trường đại học California) FS<1 Độ cao tính bằng feet Vùng hóa lỏng và áp lực nước lỗ rỗng cao Hình 1. Sơ đồ trượt mái đập San Fernando hạ năm 1971 (a): Mặt cắt ngang ban đầu (b): Mặt cắt ngang sau khi trượt (Castro và nnk, 1992)[7] 10 Hình 1. Hóa lỏng gây hư hỏng đê sông Yoshida trong trận động đất Miyagiken-oki năm 1978 (Sasaki và nnk, 2004)[8] Hình 1. Hóa lỏng trong đất trầm tích gần sông Pajaro trong trận động đất Loma Prieta năm 1989 (Ảnh chụp của S.Ellen, Trung tâm Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ) Hình 1.
Hóa lỏng gây hư hỏng đê sông Shiribeshi-Toshibetsu trong trận động đất Hokkaido-nansei-oki năm 1994 [8] 11 Hình 1. Sụp đổ đê sông Yodo năm 1995 do hóa lỏng nền trong động đất Kobe [8] (d) Hình 1. Hóa lỏng ở vùng ngoại ô thành phố Christchurch năm 2011 (Ảnh chụp của M. Cubrinovski, Đại học Canterbury) Sasaki và nnk, (2004)[8] đã cho thấy các sự cố đê sông trong hầ u hế t các trâ ̣n đô ̣ng đấ t lớn ta ̣i Nhâ ̣t Bản là do hóa lỏng đất nề n, điển hình như hư hỏng đê sông Yoshida trong trận động đất Miyagiken-oki năm 1978, hư hỏng đê sông Shiribeshi-Toshibetsu trong trận động đất Hokkaido-nansei-oki năm 1994, đê sông Yodo trong đô ̣ng đấ t Kobe năm 1995.
Sự kiện sụp đổ đê sông Yodo năm 1995 do hóa lỏng nền trong trận động đất Kobe đã dẫn tới những thay đổi trong thiết kế địa chấn đê sông tại Nhật Bản.