Nghiên cứu khả năng hóa lỏng nền đê hữu hồng khu vực hà nội khi chịu tác dụng của tải trọng động đất

Hóa lỏng do động đất có thể rất nguy hiểm, gây ra những hậu quả khôn lường đối với các công trình dân dụng các công trình thủy lợi như đê, đập, tường chắn....đã và đang được thi công tro

L ỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là Nguyễn Văn Minh

Học viên lớp cao học CH23C11

Chuyên ngành xây dựng công trình thủy khóa 2015- 2017

Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu khả năng hóa lỏng nền đê hữu Hồng

khu v ực Hà Nội khi chịu tác dụng của tải trọng động đất” là công trình nghiên cứu

của riêng tôi Những nội dung và kết quả trình bày trong luận văn là trung thực và chưa được người nào công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác

Tác giả

Nguyễn Văn Minh

L ỜI CẢM ƠN

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến PGS.TS Nguyễn Hồng Nam, người đã dành nhiều

thời gian hướng dẫn, vạch ra những định hướng khoa học cho luận văn và cung cấp các tài liệu cần thiết cho luận văn này

Tác giả xin cảm ơn các thầy, cô giáo ở khoa Công trình, các thầy cô giáo ở khoa Sau đại học đã tận tình giúp đỡ và truyền đạt kiến thức trong suốt thời gian tác giả học tập cũng như trong quá trình thực hiện luận văn này

Tác giả chân thành cảm ơn lãnh đạo cùng đồng nghiệp trong công ty Cổ phần Long

Mã và những người bạn và các thành viên lớp cao học CH23C11 đã động viên, tạo điều kiện, giúp đỡ, chỉ bảo, khích lệ, ủng hộ nhiệt tình trong suốt thời gian học và hoàn thành luận văn

Cuối cùng tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình và những người thân, đã luôn ủng hộ và động viên tác giả hoàn thành luận văn này

Tuy đã có những cố gắng nhất định, nhưng do hạn chế về kiến thức khoa học và kinh nghiệm thực tế của bản thân tác giả còn ít nên luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót Tác giả rất mong nhận được ý kiến đóng góp và trao đổi những vấn đề còn

tồn tại sẽ được tác giả nghiên cứu sâu hơn để góp phần đưa những kiến thức khoa học vào phục vụ sản xuất

Tác giả

Nguyễn Văn Minh

M ỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của Đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 3

3 Nội dung nghiên cứu 3

4 Đối tượng nghiên cứu 3

5 Phương pháp nghiên cứu 4

6 Các kết quả dự kiến đạt được 4

CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ HÓA LỎNG ĐÊ SÔNG 5

1.1 Khái quát về hóa lỏng nền đê sông do động đất trên thế giới 5

1.1.1 Định nghĩa về động đất 5

1.1.2 Các đặc trưng cơ bản của động đất 5

1.1.3 Hiện tượng hóa lỏng nền đê sông trên thế giới 16

1.2 Khái quát về hệ thống đê sông Hồng và lịch sử động đất tại khu vực Hà Nội 18

1.2.1 Đặc điểm sông Hồng 18

1.2.2 Đặc điểm địa hình, địa chất đê sông Hồng khu vực Hà Nội 19

1.2.3 Động đất ở Việt Nam 21

1.2.4 Lịch sử động đất tại khu vực Hà Nội 22

1.3 Một số vấn đề cần nghiên cứu 23

1.4 Tóm tắt chương 1 23

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT HÓA LỎNG 24

2.1 Cơ sở lý thuyết hóa lỏng nền do động đất 24

2.1.1 Khái quát về hiện tượng hóa lỏng 24

2.1.2 Cơ chế hình thành hóa lỏng 25

2.2 Các tiêu chí đánh giá tính nhạy hóa lỏng của đất 26

2.3 Các phương pháp đánh giá hóa lỏng nền 27

2.4 Quy trình đơn giản của Seed và Idriss (1971) 29

2.4.1 Tỉ số kháng chu kỳ CRR (Cyclic Resistance Ratio) 29

2.4.2 Tính CRR theo sức kháng xuyên côn CPT 33

2.4.3 Tỉ số ứng suất chu kỳ CSR (Cyclic Stress Ratio) 34

2.4.4 Hệ số an toàn chống hóa lỏng FS (Factor of Safety) 36

2.5 Phương pháp số tính toán khả năng hóa lỏng nền 37

2.5.1 Giới thiệu về phần mềm Geo - Slope 37

2.5.2 Cơ sở lý thuyết của phần mềm Seep/w 38

2.5.3 Cơ sở lý thuyết của Quake/w 39

2.5.4 Trình tự tính toán 44

2.6 Tóm tắt chương 2 46

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀO TÍNH TOÁN HÓA LỎNG CHO CÔNG TRÌNH ĐÊ HÀ NỘI 47

3.1 Giới thiệu về công trình đê hà Nội 47

3.2 Đánh giá tính nhạy hóa lỏng đê hữu Hồng đoạn Tiên Tân- Thanh Trì 47

3.2.1 Khái quát về đê hữu Hồng đoạn Tiên Tân- Thanh Trì 47

3.2.2 Đánh giá tính nhạy hóa lỏng của đất rời 50

3.2.3 Đánh giá tính nhạy hóa lỏng của đất dính 52

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) 56

3.3.1 Các tài liệu tính toán 56

3.3.2 Vị trí tính toán 58

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) 59

3.3.4 Đánh giá khả năng hóa lỏng nền theo quy trình đơn giản Seed và Idriss (1971) 60

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 61

3.4.1 Kết quả tính toán hóa lỏng mặt cắt 1-1 tại KM73+750 61

3.4.2 Kết quả tính khả năng hóa lỏng của các mặt cắt bằng phần mềm Quake/w 62

3.4.3 Đánh giá khả năng hóa lỏng nền theo phương pháp phần tử hữu hạn, sử dụng phần mềm Quake/w 2007 65

3.5 Giải pháp thiết kế kháng hóa lỏng tăng cường ổn định đê khi có động đất 65

3.5.1 Mục đích và giải pháp 65

3.5.2 Cọc đất xi măng 66

3.5.3 Cọc cát 67

3.6 Tóm tắt chương 3 68

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 70

1 KẾT LUẬN 70

2 KIẾN NGHỊ 71

3 HẠN CHẾ 71

4 HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 72

TÀI LIỆU THAM KHẢO 73

PHỤ LỤC TÍNH TOÁN 76

DANH M ỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Sơ đồ thông số vị trí của một trận động đất 6 Hình 1.2: Sơ đồ truyền sóng động đất 6

8

Hình 2.7: Các điều kiện giả thiết cho nguồn gốc của phương trình động đất CSR _ 35

Hình 3.6: Đồ thị giới hạn Atterberg dùng để đánh giá khả năng hóa lỏng của đất dính (Boulanger & Idriss - 2004) _ 54

Hình 3.7: K ết quả đánh giá khả năng hóa lỏng của đất dính đê hữu Hồng đoạn Tiên Tân- Thanh Trì _ 56 Hình 3.8: Băng gia tốc tại vị trí K73+750 với chu kỳ 475 năm 57 Hình 3.9: Băng gia tốc tại vị trí K73+750 với chu kỳ 2475 năm _ 57 Hình 3.10: Băng gia tốc tại vị trí K73+900 với chu kỳ 475 năm _ 57 Hình 3.11: Băng gia tốc tại vị trí K73+900 với chu kỳ 2475 năm 57 Hình 3.12: Băng gia tốc tại vị trí K74+100 với chu kỳ 475 năm _ 58 Hình 3.13: Băng gia tốc tại vị trí K74+100 với chu kỳ 2475 năm 58

DANH M ỤC CÁC BẢNG BIỂU

đo _ 14

DANH M ỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ

N60 Giá trị hiệu chỉnh giá trị N Cr Giá trị chỉnh sửa chiều dài hố

khoan

FS Hệ số an toàn chống hóa

thử nghiệm và áp lực quá tải

σv0 Ứng suất tổng theo phương

thẳng đứng, kPa

amax Gia tốc nền lớn nhất qc1 Giá trị hiệu chỉnh sức kháng mũi

côn CPT

MỞ ĐẦU

1 T ính cấp thiết của Đề tài

Động đất là một hiện tượng thiên nhiên gây nên những tai họa khủng khiếp đối với xã

hội loài người Đối với công trình, động đất có thể làm: mất ổn định (trượt mái), biến

dạng lớn (lún, nứt), xói ngầm, hóa lỏng … Trên thế giới đã từng xẩy ra rất nhiều trận động đất gây họa quả đặc biệt nghiêm trọng như: Trận động đất Great Kanto (Nhật

Bản, năm 1923 mạnh 7,9 độ Richter) làm hư hỏng hầu như toàn bộ Tokyo và con số người chết lên đến 142.000 người; động đất Kobe tại Nhật Bản năm 1995 mạnh 6.5 độ richter làm 7.000 người chết; trận động đất và sóng thần Tohoku 2011, sóng thần cao đến 38,9 m đã đánh vào Nhật Bản chỉ vài phút sau động đất, tại một vài nơi sóng thần

tiến vào đất liền 10 km, trận động đất và sóng thần đã gây ra nhiều thiệt hại nghiêm

trọng tại quốc gia này có 15.854 người thiệt mạng, 9.677 người bị thương và 3.155 người mất tích tại 18 tỉnh của Nhật Bản và hơn 125.000 công trình nhà ở, các cơ sở hạ

tầng bị hư hại hoặc phá hủy hoàn toàn.…

Lãnh thổ Việt Nam nằm ở vùng đất có cấu trúc địa chất - kiến tạo phức tạp, tuy không nằm trên các vành đai động đất - núi lửa hoạt động, nhưng cũng không phải

nằm trên vùng đất bền khó xảy ra động đất Các vùng có nguy cơ xảy ra động đất từ 6,0 -7,0 độ Richter ở Việt Nam gồm: đới đứt gẫy trên hệ thống sông Hồng, sông Chảy; đới đứt gẫy Lai Châu-Điện Biên; đới sông Mã, Sơn La, sông Đà (N.Đ Xuyên, 2004) Hóa lỏng là một vấn đề mới, hầu như chưa được xem xét khi thiết kế các công trình ở

Việt Nam Hóa lỏng do động đất có thể rất nguy hiểm, gây ra những hậu quả khôn lường đối với các công trình dân dụng các công trình thủy lợi như đê, đập, tường

chắn đã và đang được thi công trong vùng chịu ảnh hưởng của động đất ở nước ta như Điện Biên, Sơn La, Lai Châu, …

Hà Nội có vị trí địa lý - chính trị rất quan trọng đối với cả nước Đây là nơi tập kết nhân tài vật lực từ các tỉnh trong cả nước Nghị quyết 8 của Bộ Chính trị ngày 21/1/1983 đã

khẳng định “Hà Nội là trung tâm đầu não về chính trị, văn hóa, khoa học- kỹ thuật, đồng

thời là trung tâm lớn về kinh tế, một trung tâm giao dịch quốc tế của cả nước”

Hà Nội hiện có 20 tuyến đê chính với tổng chiều dài 469.913 km, trong đó: 37.709 km

đê hữu Hồng là đê cấp đặc biệt; 211.569 Km đê cấp I (hữu Hồng, tả Hồng, hữu Đuống,

tả Đáy); 67.464 km đê cấp II (hữu Đà, tả Đáy, La Thạch, Ngọc Tảo, tả Đuống); 87.325

km đê cấp III (Vân Cốc, Tiên Tân, Quang Lãng, Liên Trung, hữu Cầu, tả- hữu Cà Lồ); 65.846 Km đê cấp IV (tả Tích, tả Bùi, Đường 6 Chương Mỹ, Mỹ Hà) Ngoài ra còn có

23 tuyến đê bối với tổng chiều dài 73.350 km Đê sông Hồng có các đoạn sau đây:

• Tuyến đê hữu Hồng (Đê cấp I) từ: K0+000÷K117+850 (dài 113.700 Km)

• Tuyến đê tả Hồng (Đê cấp I) từ: K28+503÷K77+284 (dài 48.781 Km)

• Tuyến đê La Thạch (Đê cấp II): K0+000÷K6+500 (dài 6.500 Km)

• Tuyến đê Ngọc Tảo (Đê cấp II): K0+000÷K14+134 (dài 14.134Km)

• Tuyến đê Vân Cốc (Đê cấp III): K0+000÷K15+160 (dài 15.160 Km)

Theo bản đồ phân vùng động đất lãnh thổ Việt Nam, thành phố Hà Nội nằm trong vùng động đất cấp 8 Viện vật lý địa cầu thuộc Viện khoa học Việt Nam dự báo, Hà

Nội có thể xảy ra động đất mạnh tới 6,1 - 6,5 độ richter, ở độ sâu 15-20 km, liên quan

tới hoạt động của các đứt gãy sâu sông Hồng, sông Chảy Hoạt động kiến tạo vùng trũng sông Hồng rất đa dạng và phức tạp Các hệ thống đứt gãy sâu Sông Hồng, Sông

Chảy, Sông Lô và Vĩnh Ninh đều cắt qua đê hoặc ảnh hưởng trực tiếp đến đê Hoạt động kiến tạo lâu dài và liên tục gây ra sự chuyển dòng sông rất mãnh liệt và tác động làm biến đổi môi trường địa chất ven sông và nền đê Hoạt động kiến tạo làm thay đổi chiều dày tầng trầm tích bở rời, làm xuất hiện các tầng đất yếu và nhất là các tầng thông nước chủ yếu như cuội sỏi, cát hạt trung cho đến cát mịn Sự hình thành tầng cát pha, cát bụi do quá trình chuyển lòng sông đã làm gia tăng quá trình địa chất công trình động lực Hoạt động kiến tạo cũng tạo ra các địa hình đặc biệt của lũng sông và lân cận Các bãi giữa sông được hình thành do tốc độ chuyển dòng lớn với thành phần

thạch học rất phức tạp đã làm gia tăng quá trình nguy hiểm cho đê

Việc lựa chọn nghiên cứu khả năng hóa lỏng đê hữu Hồng, khu vực Hà Nội dựa vào các căn cứ sau:

+ Hệ thống đê điều Hà Nội có nhiệm vụ đặc biệt quan trọng bảo vệ thành phố Hà Nội, trung tâm kinh tế, văn hóa, chính trị lớn của đất nước với số dân 6.45 triệu người, đứng

thứ hai toàn quốc (Ban chỉ đạo tổng điều tra dân số và nhà ở trung ương năm 2010) + Hà Nội nằm trong vùng đứt gẫy sông Hồng- sông Chảy; trong lịch sử đã chịu các

trận động đất cấp 7, cấp 8 vào các năm 1277, 1278, 1285

+ Địa tầng nền đê có chứa lớp cát dày dễ bị hóa lỏng khi có động đất mạnh

+ Nhiều công trình lấy nước sẽ được xây dựng

Vì vậy đề tài “Nghiên cứu khả năng hóa lỏng nền đê hữu Hồng khu vực Hà Nội khi

ch ịu tác dụng của tải trọng động đất” là hết sức cần thiết có ý nghĩa thực tiễn cao

2 Mục đích nghiên cứu

+ Nghiên cứu ảnh hưởng các yếu tố chính như động đất, điều kiện địa chất, địa chất

thủy văn đến khả năng hóa lỏng nền đê sông Hồng

+ Đánh giá khả năng hóa lỏng các đoạn đê hữu sông Hồng thông qua số liệu khảo sát

hiện trường thu thập được

+ Đề xuất giải pháp phòng chống hóa lỏng tăng cường ổn định do ảnh hưởng của động đất mạnh

3 Nội dung nghiên cứu

+ Nghiên cứu tính nhạy hóa lỏng của đất nền đê hữu Hồng

+ Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố chính như động đất, loại đất, mực nước ngầm đến hóa lỏng của nền đê

+ Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng khác đến hóa lỏng của đất nền đê

+ Đánh giá khả năng hóa lỏng được đưa vào quy trình đơn giản của Seed and Idriss (1971) và phân tích phần tử hữu hạn với công trình đê thực tế

4 Đối tượng nghiên cứu

+ Đối tượng nghiên cứu: đê sông

+ Phạm vi nghiên cứu: nền đê hữu Hồng một số đoạn xung yếu thuộc địa phận thành phố Hà Nội từ Tiên Tân đến Thanh Trì

5 Phương pháp nghiên cứu

+ Sử dụng các phương pháp thống kê, thu thập, tổng hợp các tài liệu nghiên cứu khảo sát, thực nghiệm về hóa lỏng của các công trình đê sông trên thế giới và trong nước + Sử dụng các phương pháp tính toán lý thuyết quy trình đơn giản của Seed và Idriss (1971) và phương pháp số phần tử hữu hạn (phần mềm Quake/w 2007)

6 Các kết quả dự kiến đạt được

+ Đánh giá được tính nhạy hóa lỏng của một số đoạn nền đê hữu Hồng, khu vực thành phố Hà Nội

+ Dự báo được khả năng xảy ra hóa lỏng của đê hữu sông Hồng khi có động đất mạnh

xảy ra tại khu vực Hà Nội

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

1.1.1 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

1.1.2 Các đặc trưng cơ bản của 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 1.1

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

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: t0 - 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 φ0, λ0, do vậy ( ) (2 )2 2

và có tác dụng tăng áp lực nước lỗ rỗng dư gây hóa mềm, hóa lỏng khối đất đá

Hình 1.3: Biến dạng gây ra do sóng khối (a) Sóng P (b) Sóng S (Bolt, 1993)

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 (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

Biến dạng gây ra do sóng mặt (a) Sóng Rayleigh (b) Sóng Love (Bolt, 1993)

1.1.2.2 Các đặc trưng cơ bản 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 địa phương ML (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 ML

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 A0

của các sóng địa chấn tương tự của một trận động đất chuẩn theo Richter (1935, 1958)

0 0

A

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 T0= 0,8 sec, hệ số tắt dần η = 0,8 và

độ khuếch đại lớn nhất Vmax = 2800 m/s) ở khoảng cách Δ =100 km; log Ao 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

ML 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

Hình 1.5: 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 2, 56.log 5,12

L

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:

Thang ML tuy rất tiện ích nhưng không áp dụng được đối với động đất xa và ghi nhận

bằng các máy địa chấn khác, mặt khác cũng không phân biệt được các loại sóng khác nhau Tại các khoảng cách chấn tâm lớn ngoài 600 km ghi bằng máy địa chấn chu kỳ dài (chu kỳ riêng bằng khoảng 10÷15 giây), pha cực đại thuộc về sóng mặt, thường có chu kỳ 20 giây; tại khoảng cách chấn tiêu lớn sóng khối lại thường bị suy giảm và phân tán, do vậy thang MS thường được dùng dựa trên biên độ sóng mặt (Rayleigh -RW) có chu kỳ khoảng 20 giây MS được xác định theo biểu thức sau:

MS = log A20 + 1,66 log∆ + 2,0 (1.6) Trong đó: MS - thang độ lớn sóng mặt; A20 - chuyển vị nền lớn nhất, tính bằng micromet; ∆ - khoảng cách từ chấn tâm tới máy đo sóng động đất tính bằng độ (3600 theo vòng quanh trái đất) Vì thang MS dùng chuẩn là chuyển vị nền lớn nhất, nên có

thể dùng loại máy đo sóng địa chấn bất kỳ để xác định độ lớn sóng mặt Thang độ này

có thể dùng cho các trận động đất vừa tới lớn có độ sâu chấn tiêu nông (70 km) với khoảng cách chấn tâm tới máy đo lớn hơn 1000 km

Đối với động đất có chấn tiêu sâu, sóng mặt thường quá nhỏ không thể hiện rõ để có

thể đánh giá được, trong khi đó sóng dọc P phân biệt rõ ràng với các pha sóng khác và được ghi nhận tốt trên máy ghi sóng chuẩn quốc tế chu kỳ riêng xấp xỉ 1 giây Do vậy

sóng P thường được dùng để đánh giá độ lớn của động đất dựa trên biên độ của một số

ít chu kỳ đầu tiên ít chịu ảnh hưởng bởi độ sâu chấn tiêu (Bolt 1989) Độ lớn sóng

khối được xác định theo biểu thức sau:

Mb = logA - logT + 0,01∆ + 5,9 (1.7) Trong đó A- biên độ của sóng P, tính bằng micromet (µm), T - chu kỳ của sóng p (thường khoảng 1 giây) Thang Mb thường được dùng để mô tả các động đất nội

mảng

Các thang độ lớn nêu trên đều phụ thuộc nhiều vào tần số của sóng động đất, chúng có

thể tiến đến một giới hạn tại đó không còn phân biệt được độ lớn của động đất, hiện tượng đó được gọi là bão hòa, ví dụ ML bão hòa tại 6 ÷ 7, MS là 8 và Mb là 6 Ít chịu ảnh hưởng của hiện tượng bão hòa là Mm, vì hệ này được thiết lập theo momen địa

chấn, dùng trực tiếp các yếu tố gây phá hủy dọc theo đứt gẫy Thang này thường được dùng để xác định độ lớn của các trận động đất Bảng 1-1

Bảng 1-1: Tương quan xấp xỉ giữa MLvà gia tốc nền cực đại amax, độ dài rung động và

thang cấp của MMI tại vùng lân cận phá hoại đứt gẫy

ML

Đỉnh gia tốc nền

amax gần nơi phá hoại đứt gẫy

Khoảng thời gian chấn động gần nơi phá hoại đứt gẫy

Thang MMI gần nơi phá hoại đứt gẫy

Trong đó: S - diện tích mặt đứt đoạn tại chấn tiêu;

µ - momen cắt của đá, trung bình 3.1011

dyne/cm2 của đới thạch quyển;

D- biên độ dịch chuyển tương đối giữa hai cánh của mặt đứt đoạn trong chấn tiêu Momen động đất là đại lượng đặc trưng đúng hơn cả để đánh giá độ lớn của động đất

Năng lượng được giải phóng truyền ra không gian xung quanh dưới dạng sóng đàn hồi

gọi là năng lượng động đất ký hiệu là E Năng lượng động đất thường được xác định

bằng quan hệ tương quan giữa E và magnitude như sau (Gutenberg-Richter, 1956):

logE = 11,8 + 1,5Ms (1.9a) logE = 5,8 + 2,4Mb (1.9b) Trong đó E được hiểu là một biến thiên đơn vị của độ lớn tương ứng với một tăng

năng lượng bằng 101,5 hay 32-fold Như vậy thấy rằng một trận động đất cấp 5 sẽ chỉ thoát ra khoảng 0,001 lần năng lượng của trận động đất cấp 7 Kết hợp với cả phương trình (1.9) cho thấy năng lượng thoát ra trong một trận động đất tỷ lệ tuyến tính với

MS hoặc MW

Các đặc trưng dao động nền cần thiết để mô tả định lượng động đất Có nhiều thông số đặc trưng gồm biên độ sóng động đất, phổ tần suất và thời khoảng dao động sóng Dưới đây chỉ nêu một số đặc trưng:

động đất theo thời gian, gồm gia tốc, vận tốc và chuyển vị

Gia t ốc đỉnh (lớn nhất) phương ngang (PGA- amax) nhận được trực tiếp từ chấn đồ

là một đặc trưng cơ bản quyết định mức độ tác động của động đất Nó được dùng để đánh giá tác động của động đất lên nhà và công trình vì nó gây lực quán tính lớn

nhất gây hư hại công trình

Gia tốc đỉnh thường được dùng để tính tải trọng động đất đặt lên nhà và công trình theo phương pháp giả tĩnh theo biểu thức sau:

S = KCβ Q (1.10) Trong đó KC - hệ số địa chấn amax

Kc g

= , amax là gia tốc cực đại của dao động nền g- gia

tốc trọng trường bằng 980 cm/s2; β - hệ số động, là độ khuếch đại gia tốc bởi công trình tùy thuộc chu kỳ dao động riêng của nó; Kcβ chính là gia tốc cực đại của công trình tính bằng % g khi nền công trình dao động với gia tốc amax

Trong thực tế giá trị trung bình của gia tốc nền cực đại ở các khoảng cách chấn tâm và

độ lớn (magnitud) động đất thường được lập bằng đường cong thực nghiệm theo tất cả các số liệu quan sát được dưới dạng:

Trong đó A, B, C là các hệ số Phương trình 2.11 gọi là phương trình tắt dần gia tốc

nền.Cornell (1979) cho biểu thức tắt dần gia tốc nền như sau:

d Quan h ệ magnitude - tần suất

Tần suất động đất độ lớn M là số lần xảy ra động đất ấy trong 1 năm ở một vùng lãnh

thổ, ký hiệu là N*(M) Tần suất động đất N*(M) phụ thuộc vào độ lớn của động đất Quan hệ đó gọi là quan hệ magnitude - tần suất Nó biểu diễn sự phân bố tần suất động đất theo độ lớn Gutenberg và Richter đã nghiên cứu thiết lập tương quan thực nghiệm

giữa N*(M) và M và tìm được công thức biểu thị quan hệ magnitude - tần suất như sau

Hàng năm toàn bộ động đất trên hành tinh giải phóng ra một năng lượng khoảng 1025

ergs, tương đương với công của các nhà máy điện công suất 10 ÷ 100 triệu kilowatts Năng lượng đó bằng khoảng 0,001 năng lượng hàng năm sản sinh và ẩn chứa trong lòng trái đất 90% năng lượng động đất được giải phóng từ các trận động đất 7,0 độ Richter và mạnh hơn

hoạt động động đất và độ nguy hiểm động đất ở các vùng lãnh thổ

1.1.3 Hiện tượng hóa lỏng nền đê sông trên thế giới

Công trình nghiên cứu được dành cho các vấn đề liên quan đến hóa lỏng của đất bên trong đê còn rất ít Nhiều sự cố đê sông do hóa lỏng nền được quan sát trong hầu hết các trận động đất lớn tại Nhật Bản, ví dụ, các con đê Hachirogata thiệt hại bởi trận động đất Nihonkai–Chubu (1983), đê sông Kushiro bởi trận động đất Kushiro-oki (1993), đê sông Shiribesi-đến-Shibetsu bởi động đất Hokkaido-Nanseioki (1994), đê sông Yodo bởi động đất Kobe (1995), và các đê Nakaumi bởi động đất Tottoriken-Seibu (2000) Đặc biệt trong trận động đất Hyogoken-Nambu (Kobe) năm 1995, hóa

lỏng gây ra thiệt hại nặng nề đối với nhiều đê sông

Trong khi đó, vào năm 1993, trận động đất Kushiro-oki phía bắc của Nhật Bản và các con đê sông Kushiro đã bị hư hỏng Sự kiện đó đã thu hút sự chú ý của các kỹ sư từ khi những con đê bị hư hỏng đã được cấu tạo bởi một mỏ than bùn Nó được coi như

là bề mặt của các mỏ than bùn cao nén và tăng độ chống thấm (đặc biệt đối với một số khu vực Hokkaido) dưới con đê có phụ mặt trong một hình dạng lõm, tạo vùng bão hòa trong các con đê, và vùng đất ngập nước thuộc đê hóa lỏng trong suốt trận động đất Hơn nữa gần đây, hơn 2000 đê sông các loại bị hư hại bởi động đất ngoài khơi bờ

biển Thái Bình Dương của Toho-ku (Cục sông, Bộ đất đai, Hạ tầng và Giao thông vận

tải Nhật Bản, 2011) và một số lượng đáng kể của con đê không trong cơ chế này

Từ cuộc điều tra để phát hiện tổn thương, hư hỏng có các đặc điểm sau đây của các

phần bị hư hỏng nghiêm trọng đã được tìm thấy:

• (A) Có lớp than bùn tương đối dày ở trên mặt đất nền của đê

• (B) Chiều cao của đê bị thiệt hại là tương đối cao

• (C) Vật liệu xây dựng cho đê là đất cát

• (D) Dấu vết của cát sụt đã được tìm thấy ở gờ hoặc gần chân dốc, tuy nhiên số lượng cát sụt là không lớn

Những đặc tính của các phần bị hư hỏng rất giống với những đặc điểm báo cáo về thiệt

hại do trận động đất Tokachi-oki năm 1968 Than bùn ở khu vực này thường có hàm lượng nước lớn và có hệ số nén lớn

1.2 Khái qu át về hệ thống đê sông Hồng và lịch sử động đất tại khu vực Hà Nội

1.2.1 Đặc điểm sông Hồng

Sông Hồng có tổng chiều dài là 1.149 km bắt nguồn từ vùng núi thuộc huyện Nguy Sơn, tỉnh Vân Nam, Trung Quốc ở độ cao 1.776 m, chảy qua Việt Nam và đổ ra biển Đông Sông Hồng đoạn chảy trên đất Việt Nam dài 510 km, chảy qua tỉnh Lào Cai - Yên Bái - Phú Thọ - Hà Nội - Hà Nam - Hưng Yên

Đồng bằng sông Hồng trải rộng từ vĩ độ 21°34´B (huyện Lập Thạch) tới vùng bãi bồi khoảng 19°5´B (huyện Kim Sơn), từ 105°17´Đ (huyện Ba Vì) đến 107°7´Đ (trên đảo Cát Bà) Toàn vùng có diện tích: 15.000 km², chiếm 4,6% diện tích của cả nước Phía

bắc và đông bắc là Vùng Đông Bắc (Việt Nam), phía tây và tây nam là vùng Tây Bắc, phía đông là vịnh Bắc Bộ và phía nam vùng Bắc Trung Bộ Đồng bằng thấp dần từ Tây Bắc xuống Đông Nam, từ các thềm phù sa cổ 10-15 m xuống đến các bãi bồi 2-4

m ở trung tâm rồi các bãi triều hàng ngày còn ngập nước triều

Sông Hồng có lưu lượng nước bình quân hàng nǎm rất lớn, tới 2.640 m³/s (tại cửa sông) với tổng lượng nước chảy qua tới 83,5 tỷ m³, tuy nhiên lưu lượng nước phân bổ không đều Về mùa khô lưu lượng giảm chỉ còn khoảng 700 m³/s, nhưng vào cao điểm mùa mưa có thể đạt tới 30.000 m³/s Nước sông Hồng về mùa lũ có màu đỏ-hồng

do phù sa mà nó mang theo, đây cũng là nguồn gốc tên gọi của nó Lượng phù sa của sông Hồng rất lớn, trung bình khoảng 100 triệu tấn trên nǎm tức là gần 1,5 kg phù sa trên một mét khối nước Do lượng phù sa lớn mà lòng sông luôn bị lấp đầy khiến cho

lũ lụt thường xuyên xảy ra, vì thế mà từ lâu hai bên bờ sông người ta đã đắp lên những con đê to nhỏ để tránh lũ lụt ngăn nước

Sông Hồng góp phần quan trọng trong sinh hoạt đời sống cũng như trong sản xuất Phù sa giúp cho đồng ruộng thêm màu mỡ, đồng thời bồi đắp và mở rộng vùng châu thổ ở vùng duyên hải thuộc hai tỉnhThái Bình, Nam Định Nguồn cá bột của sông Hồng đã cung cấp giống đáng kể cho nghề nuôi cá nước ngọt ở đồng bằng Bắc Bộ

Hà Nội nằm trong khu vực Đồng bằng Bắc Bộ nên điều kiện khí hậu mang đặc trưng của khu vực Đồng bằng châu thổ sông Hồng: khí hậu nhiệt đới gió mùa, có gió mùa đông lạnh, mùa hè nóng ẩm mưa nhiều

• Mùa khô kéo dài từ tháng 10 đến tháng 4

• Mùa mưa kéo dài từ tháng 5 đến tháng 9

Hướng gió thống trị là gió Đông Bắc và gió Đông Nam, tốc độ gió cực đại là 20-25 m/s trong mùa mưa

1.2.2 Đặc điểm địa hình, địa chất đê sông Hồng khu vực Hà Nội

Thành phố Hà Nội hiện nay nằm trong khoảng không gian có tọa độ địa lý là như sau: theo chiều nam-bắc từ xã Hương Sơn (huyện Mỹ Đức) đến núi Ba Tường (huyện Sóc Sơn) là 200

34’- 21025’ vĩ độ bắc, theo chiều đông- tây từ xã Đức Hiệp (huyện Gia Lâm) đến xó Bất Bạt (huyện Ba Vỡ) là 105017’50” - 10601’50” kinh độ đông Phía bắc tiếp giáp với các tỉnh Thái Nguyên và Vĩnh Phúc, Bắc Giang, Bắc Ninh và Hưng Yên ở phía đông, Hà Nam ở phía nam, Hòa Bình ở phía tây-nam và Phú Thọ ở phía tây

Địa hình bãi bồi hiện đại chủ yếu phân bố ven sông và hiện nay đang tiếp tục diễn

ra bên ngoài đê, phần lớn được cấu tạo từ sét, sét pha đặc chắc Đây là các bãi nổi

giữa sông hình thành tại các nơi sông bị chuyển dòng mạnh Địa hình thuộc dạng sóng cát khá cao so với xung quanh

Địa hình trũng, đầm lầy phân bố rất nhiều nơi đặc biệt các nơi thuộc phía nam khu

vực dọc theo đê cả về thượng lưu lẫn hạ lưu nhiều hồ ao kéo dài hiện đang tồn tại ở Thanh Trì, Phú Xuyên, Thường Tín, Đông Anh, Phúc Thọ, Nhà nước đã chi rất nhiều tiền của để lấp các hồ ao ven đê song cũng chỉ được một số nơi trọng điểm

Hiện nay, sự san lấp tự phát bởi người dân không được quản lý chặt chẽ đã tạo ra lớp đất phủ bề mặt có kết cấu rất yếu

Các tạo thành trầm tích Đệ tứ trong khu vực Hà Nội đựơc hình thành từ nhiều nguồn

gốc, với những điều kiện môi trường địa chất khác nhau, bắt đầu từ thống Pleistoxen

sớm cho đến ngày nay (khoảng 1,8 triệu năm) Theo kết quả nghiên cứu của Đoàn địa

chất Hà Nội năm 1999, trầm tích Đệ tứ khu vực Hà Nội được phân chia địa tầng từ dưới lên như sau:

+ Th ống Pleistoxen sớm: Tầng Lệ Chi (aQ 1 lc)

+ Th ống Pleistoxen giữa và trung: Tầng Hà Nội (ap- aQ 1

chắc có lợi cho việc xây dựng công trình các loại khi lộ trên mặt

Mặt khác do quá trình đổi dòng sông Hồng nên hệ thống đê hiện tại vắt qua nhiều đoạn lòng sông cổ địa tầng nơi đây rất phức tạp Trên cơ sở tài liệu mô tả tổng hợp đầy đủ mặt

cắt địa tầng có tuổi từ đầu kỷ Đệ tứ đến nay của địa chất khu vực đê sông Hồng và vùng lân cận ta có thể thấy, đê Hà Nội được xây dựng trên các kiểu nền địa chất cơ bản sau: + Kiểu I Tầng sét – sét pha phủ trực tiếp trên tầng sét, sét pha cứng chắc

+ Kiểu II Tầng sét – sét pha phủ trên tầng cát pha, cát bụi, cát mịn, sau đó là tầng cát trung- thô và cuội sỏi

+ Kiểu III Tầng sét, sét pha phủ trực tiếp trên tầng cát mịn đến cuội sỏi;

+ Kiểu IV Tầng sét – sét pha phủ trên tầng cát pha, cát bụi, cát mịn, sau đó là tầng sét-sét pha, có thể là tầng bùn, dưới nữa là cuội sỏi

+ Kiểu V Tầng sét – sét pha phủ trên tầng bùn, sau đó là tầng cát thô, cuội sỏi

Các mô hình nền này được thể hiện ở một số mặt cắt đê dưới đây:

Kiểu II có một trường hợp đặc biệt đó là chiều dày tầng 1 bằng không hoặc rất nhỏ, nghĩa là lớp cát pha, cát bụi nằm gần lộ trên mặt đất Đây là mô hình rất nguy hiểm và

đã xảy ra vỡ đê năm 1986 ở Vân Cốc

Sau đây Hình 1.10 là hình ảnh của 5 mô hình nền bên trên Chiều dày của các lớp biến thiên do vậy mô hình này có thể trở thành mô hình khác Ví dụ ở mô hình IV, chiều

dày lớp cát pha cát bụi bằng không sẽ trở về mô hình I; Mô hình V có lớp bùn chiều dày bằng không trở thành mô hình III,

Mô hình I đại diện cho địa chất nền đê khu vực K1-K5 vùng Ba Vì, một số khu vực ở

Mê Linh và Từ Liêm Mô hình II đặc trưng cho khu vực Phúc Thọ, Đan Phượng và

một số nơi thuộc Đông Anh, Mê Linh, Thanh Trì, Gia Lâm và Long Biên Mô hình III đặc trưng cho một số khu vực thuộc Ba Vì, Sơn Tây, Đan Phượng Mô hình IV đặc trưng cho một số nơi thuộc Mê Linh, Ba Vì, Đan Phượng Mô hình V đặc trưng chủ

yếu cho vùng Phú Xuyên, một số nơi của Thường Tín

Hình 1.10: Mô hình nền đê sồng Hồng Hà Nội (Đoàn địa chất Hà Nội, 1999)

1.2.3 Động đất ở Việt Nam

Việt Nam nằm trong địa mảng Á- Âu nên nguồn gây động đất đều trực tiếp từ đứt gẫy

nội mảng, do vậy điều kiện phát sinh và đặc điểm động đất ở Việt Nam đều bắt nguồn

từ bình đồ kiến tạo trên lãnh thổ Việt Nam Các đứt gãy nguy hiểm ở Việt Nam: Các vùng có nguy cơ xảy ra động đất từ 6.0 đến 7.0 độ richter ở Việt Nam gồm đới đứt gãy trên hệ thống sông Hông, sông Chảy; đới đứt gãy Lai Châu - Điện Biên; đới sông Mã, sông Đà; đới Cao Bằng; Tiên Yên; đới Rào Nậy- sông Cả; đới Đăkrông- Huế; đới Trường Sơn; đới ven biển miền Trung (N.Đ Xuyên 2004)

Theo trung tâm địa lý Việt Nam, Viện khoa học Việt Nam (1992), trong vòng 100 năm

đã có 118 trận động đất xảy ra ở vùng Tây Bắc Ví dụ, năm 1935 động đất ở Điện Biên

với M= 6,75 ở độ sâu chấn tiêu h = 25km và cấp độ mạnh ở chấn tiêu đạt cấp 8- 9 (theo thang MSK - 64) gây nứt đất rộng 10- 15 km ở chân tấm và chấn động cấp 8 trên

1821, Lục yên 1954, Vùng Đông Triều: Mmax ≤6,0; h = 25- 30km, Iomax=7 (MSK - 64) Các vùng khác là Cao Bằng – Tiên Yên, Sông Lô, Mường La - Bắc Yên, Sông Đà, Lai Châu- Điện Biên, Mường Tè, Mường Nhé, Rào Nậy, A Lưới, Huế, Tam Kỳ - Phước Sơn, Hưng Nhượng - Tà Vi, Ba Tơ -Củng Sơn , Sông Ba, ven biển Bình Thuận, sông Hậu: Mmax ≤5,5, h = 10- 15 km, Iomax = 7 (MSK-64)

Như vậy ở Việt Nam có thể xảy ra các trận động đất với cường độ mạnh, mà hậu quả

của nó gây ra với công trình là sự hư hỏng, phá hoại, làm mất tính ổn định cho công trình Do đó việc nghiên cứu các ảnh hưởng của động đất là rất cần thiết

1.2.4 Lịch sử động đất tại khu vực Hà Nội

Hầu hết các con sông lớn khi hình thành đều liên quan chặt chẽ với hoạt động địa chất

kiến tạo và quá trình hoạt động của lòng sông sau này Khu vực đê sông Hồng thuộc địa phận Hà Nội nằm ở phía bắc, tây bắc và trung tâm vùng đồng bằng Bắc Bộ Hà

Nội nằm trọn trong đới Tây Nam và Trung tâm vùng trũng Hà Nội Giới hạn đới Tây Nam từ đứt gãy sông Hồng về phía tây và đới Trung Tâm nằm gọn trong giới hạn đứt gãy sông Hồng và đứt gãy sông Chảy

Theo tư liệu lịch sử ghi lại năm 1277 và 1285 vùng Hà Nội có động đất cấp VII, năm

1278 vùng Hà nội có động đất cấp VIII Theo tài liệu phân vùng động đất quốc gia thì vùng đê Tiên Tân- Thanh Trì nằm trong vùng động đất cấp VIII Nó không nằm trong vùng chấn tâm lớn, song nếu có động đất mạnh thì khả năng mất an toàn của đê là rất lớn

1.3 Một số vấn đề cần nghiên cứu

+ Nghiên cứu sự cố: Các điều kiện đất và địa hình dễ hóa lỏng, các kiểu thiệt hại và

cơ chế nguyên nhân, gia tốc động đất kích hoạt hóa lỏng, …

+ Đánh giá tiềm năng hóa lỏng: khảo sát hiện trường, thí nghiệm trong phòng về sức kháng hóa lỏng của đất, lấy mẫu cát rời nguyên dạng, …

+ Hậu quả hóa lỏng: Biến dạng dư và chuyển vị do hóa lỏng gây ra

+ Phân tích ứng xử động: Nghiên cứu ảnh hưởng tham số đối với bài toán hóa lỏng dự đoán biên độ, gia tốc, v.v… cùng với sự phát triển áp lực nước lỗ rỗng và giảm ứng

suất hiệu quả; mô đun chống cắt và cường độ chống cắt giảm theo thời gian và ảnh hưởng đến mô đun, độ cứng và các đặc tính biên độ

+ Đề xuất các giải pháp thiết kế ngăn chặn và giảm thiểu thiệt hại hóa lỏng do động đất gây ra

chứa và đê điều, gây sụt lún mặt đất, lún nền công trình, làm mất khả năng chịu tải của

nền, gây phá hủy nghiêm trọng công trình Tuy nhiên, hóa lỏng do động đất hầu như chưa được xem xét khi thiết kế các công trình thủy lợi tại Việt Nam Việt Nam ít xảy

ra những trận động đất lớn so với thế giới, tuy nhiên nguy cơ về khả năng hóa lỏng

nền khi động đất luôn tiềm ẩn bởi diện tích đồng bằng châu thổ và ven biển lớn và

cũng là nơi có trầm tích bở rời tuổi đệ tứ chiếm diện tích đáng kể

C HƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT HÓA LỎNG

2.1 Cơ sở lý thuyết hóa lỏng nền do động đất

2.1.1 Khái quát về hiện tượng hóa lỏng

Hóa lỏng đất là hiện tượng xảy ra khi đất bão hòa với nước ngầm, do sức gia tăng áp

lực nước trong các lỗ rỗng của đất Nền đất là một tập hợp với vô số các hạt đất riêng

rẽ, tiếp xúc với nhau Trọng lượng của các hạt nằm trên tạo ra lực liên kết giữa chúng,

nhờ đó nền đất có được kết cấu vững chắc Thông thường áp lực nước ngầm trong đất tương đối thấp Khi động đất xảy ra, chấn động mạnh trong khoảng thời gian cực ngắn làm áp lực nước tăng vọt Nước không đủ thời gian thoát ra “mắc kẹt” trong lòng đất,

lấp đầy khoảng không gian giữa các hạt đất, ngăn cản sự tiếp xúc của chúng với nhau

Do ma sát giữa các hạt đất giảm đột ngột nên mất đi sứ liên kết và hoạt động như một

chất lỏng nhớt

Theo giáo sư khoa học trái đất Mike Sandiford (ĐH Melbourne), hóa lỏng đất xảy ra khi chấn động làm rung chuyển khối nước ngầm trong khoảng 10- 20 mét dưới mặt đất Ngoài động đất, các hoạt động liên quan đến xây dựng như nổ mình cũng có thể làm tăng áp lực nước gây hóa lỏng đất

Hình 2.1: Kết cấu hạt đất khi xảy ra hiện tượng hóa lỏng

Nhưng không phải cứ có động đất là xảy ra hóa lỏng Hiện tượng này còn phụ thuộc nhiều yếu tố như niên đại đất, độ sâu mực nước ngầm, thành phần đất, đặc tính thoát nước, cường độ và thời gian động đất Loại đất có hàm lượng nước cao như đất sét

mềm, than bùn, đất cát, đất bazan được xem là loại đất yếu dễ hóa lỏng

Vì cần chất xúc tác là nước nên đất dễ hóa lỏng nhất ở khu vực: ven sông, hồ, vũng,

vịnh, đại dương Vùng đất thấp hơn mực nước biển, hoặc có nước ngầm gần mặt đất

Do đó, cảng và các khu vực ven cảng thường chịu ảnh hưởng lớn nhất khi đất hóa

lỏng Hệ thống đập, kè, cầu bắc qua sông cũng dễ bị hư hại và hiện tượng này không bao giờ xảy ra trong sa mạc bởi quá trình thiếu đi thành phần chủ yếu là nước

Hiện tượng hóa lỏng gây nên sự sụt lún mặt đất, lún nền công trình, làm mất khả năng

chịu tải của nền, gây phá hủy nghiêm trọng công trình Ví dụ ở Mỹ, vào năm 1811-

1812 riêng thành phố New Madrid đã có trên 200 trận động đất, trong đó nhiều trận có cường độ M = 7,6- 8,3; gây hóa lỏng nghiêm trọng đối với đất nền và phá hủy nhiều công trình Ở Việt Nam ít xảy ra những trận động đất lớn như trên thế giới, tuy nhiên nguy cơ về khả năng đất nền bị hóa lỏng là rất cao khi có động đất bởi nước ra có diện tích đồng bằng châu thổ và ven biển khá lớn Ở đó có trầm tích bở rời tuổi Đệ tứ chiếm

diện tích đáng kể nên tiềm ẩn khả năng hóa lỏng và cát chảy rất lớn

2.1.2 Cơ chế hình thành hóa lỏng

Phân loại cơ chế hóa lỏng: Có thể chia hóa lỏng thành hai dạng cơ bản là hóa lỏng

dạng dòng chảy và hóa lỏng do tính lưu động chu kì (Kramer, 1996)

Trong nền đất cát rời khi chịu tải trọng động trong điều kiện không thoát nước làm áp

lực nước lỗ rỗng gia tăng dẫn tới ứng suất hiểu quả giảm dần theo thời gian, tức là modun kháng cắt và cường độ chống cắt của cát giảm Hậu quả làm cho nền đất yếu dần theo thời gian cho tới khi đạt tới trạng thái giới hạn σ'

=0 thì các hạt đất thực sự nổi trong nước lỗ rỗng mà không có sự liên kết với các hạt xung quanh và dẫn tới cát bị hóa lỏng

Hóa lỏng dạng dòng chảy có thể xuất hiện khi ứng suất cắt tĩnh của khối đất lớn hơn cường độ chống cắt của đất ở trạng thái hóa lỏng Khi bị kích hoạt, biến dạng

lớn được tạo ra bởi hóa lỏng dạng dòng thực sự bị chi phối bởi các ứng suất cắt

tĩnh Các ứng suất động có thể đưa đất đến trạng thái không ổn định, tại đó cường

độ bị giảm cho phép các ứng suất tĩnh tạo ra sự phá hoại dạng dòng

Khi bị kích hoạt bởi tải trọng chu kì xảy ra trong các trầm tích với các ứng suất cắt tĩnh

nhỏ hơn cường độ chống cắt của đất thì đất có khả năng bị hóa lỏng Biến dạng do sự phá hoại lưu động chu kỳ phát triển tăng dần trong quá trình động đất Khác với hóa

lỏng dạng dòng, biến dạng do lưu động chu kỳ bị chi phối bởi cả ứng suất cắt động và tĩnh Các biến dạng này được gọi là lan truyền ngang, một hiện tượng phổ biến của lưu động chu kỳ, có thể xảy ra trên các nền dốc thoải hoặc nền bằng gần sông, hồ

Dựa trên kết quả những thí nghiệm khác, Seed và Lee (1966) cũng thấy rằng áp lực đẳng hướng càng nhỏ thì hóa lỏng càng dễ xảy ra, hay ở đây gọi là linh động chu kỳ Nói cách khác, sự gia tăng áp lực đẳng hướng hiệu quả sẽ làm giảm khả năng linh động chu kỳ của cát

2.2 Các tiêu chí đánh giá tính nhạy hóa lỏng của đất

Để tiến hành kiểm tra tiêu chí nhạy hóa lỏng, phải có số liệu địa chất, địa chấn Nếu không có các số liệu này, phải tiến hành khảo sát địa chất bổ sung Trong một phân tích

khả năng hóa lỏng nền, trước tiên cần kiểm tra tính nhạy hóa lỏng của đất nền dựa trên

một số kinh nghiệm thực tế từcác trận động đất đã xảy ra trong quá khứ và tần suất xuất

hiện hiện tượng hóa lỏng thực tế Các tiêu chí đánh giá khả năng nhạy hóa lỏng đất

 Tiêu chí về thành phần hạt (hình dạng, kích thước, cấp phối)

• Đất hạt thô:

+ Cát có tính nhạy hóa lỏng cao

+ Cuội sỏi cũng có thể hóa lỏng nếu phân bố dày và có lẫn đất hạt mịn

+ Đất hạt mịn (quan điểm hàm lượng hạt mịn tăng sẽ làm tăng sức kháng hóa lỏng)

• Đất bụi:

+ Bụi vô cơ giống như cát hạt rất mịn Bụi vô cơ có thể hóa lỏng nhưng có thể khó hơn + Bụi có tính dẻo giống sét nhiều hơn

+ Các hạt tròn dễ nhạy hóa lỏng hơn các hạt góc cạnh

+ Đất cấp phối tốt thì kém nhạy hóa lỏng

• Đất sét

Nhìn chung đất sét không có khả năng hóa lỏng Điều này không có nghĩa là một số

loại đất sét như sét nhạy sẽ không bị mất cường độ lớn khi chịu tải trọng chu kỳ

 Theo giá trị N-tương đương kết hợp theo gia tốc tương đương

 Đất bão hòa nước

 Đất chịu tải không thoát nước (nhanh), ví dụ tải trọng động đất hoặc nổ, đóng cọc

 Đất giảm thể thể tích khi chịu cắt

Ngoài ra còn có các tiêu chí khác như độ ẩm, giới hạn chảy, giá trị D60/D10,…

Đất không có khả năng hóa lỏng nếu thỏa mãn điều kiện sau:

+ Vận tốc sóng cắt Vs> 200-215 m/s dựa vào hàm lượng hạt mịn

+ Số nhát đập xuyên tiêu chuẩn SPT(N1)60 >30

2.3 Các phương pháp đánh giá hóa lỏng nền

Động đất gây ra các bất lợi cho ổn định công trình về kết cấu và nền; trong đó các ảnh hưởng tới nền như hóa lỏng, lún, sạt trượt …Đánh giá khả năng rung động nền hay độ nguy hiểm động đất cho một khu vực sẽ chỉ đưa ra một kết quả định lượng dưới dạng

một biểu đồ biểu thị phân bố không gian của một trong các thông số rung động nền (cường độ I, gia tốc nền cực đại amax, vận tốc hạt, phổ phản ứng của gia tốc nền), đại lượng thường được sử dụng nhiều nhất là gia tốc cực đại nền amax

 Phương pháp của Seed & nnk (1971) dựa vào việc so sánh sức kháng xuyên tiêu chuẩn (SPT- N) và tỷ số ứng suất cắt theo chu kỳ động đất cho cát và cát bụi ở

những vị trí xảy ra hóa lỏng và không hóa lỏng quan sát được trong động đất có cường

độ M= 7,5 để xác định tỷ số ứng suất cắt nhỏ nhất có thể gây ra hóa lỏng cho cát

 Phương pháp Iwasaki đây là phương pháp đã được Hội đường bộ Nhật Bản

chấp nhận năm 1990, trong đó Iwasaki và những người khác (1978, 1982) tổng hợp

kết quả hóa lỏng và không hóa lỏng gây ra trong 6 trận động đất ở Nhật Bản Từ các

mẫu nguyên trạng chất lượng cao lấy trên các vị trí khác nhau và được thí nghiệm trên máy ba trục theo chu kì động

 Phương pháp Tokimatsu và Yoshimi (1983) dựa trên việc liên kết các số liệu về hóa lỏng và không hóa lỏng xảy ra ở Nhật Bản và các nước khác khi có động đất, thí nghiệm 3 trục động các mẫu đất chất lượng cao, cùng với những thông số chính là giá

trị SPT và hàm lượng hạt nhỏ trong đất cát để đánh giá hóa lỏng

 Phương pháp mới (NJRA ) của Hội đường bộ Nhật Bản đề xuất năm 1996 dựa trên cơ sở phát triển công thức của Iwasaki T, có bổ sung một số yếu tố khác để phân tích khả năng hóa lỏng

 Phương pháp Quy phạm Xây dựng kháng chấn Trung Quốc (CBC) Đây là phương pháp được đơn giản hóa phát triển ở Trung Quốc từ 1989 Chủ yếu dựa vào chiều sâu, chiều dày của lớp cát, độ sâu ở mực nước ngầm và hàm lượng hạt sét để đánh giá hóa lỏng theo trị số SPT

 Phương pháp của Seed, 1995 với sự hiệu đính của ELRS (NCEER workshop on Evaluation of Liquefaction Resistance of Soils, 1996)

 Theo tiêu chuẩn TCVN: 375-2006, Các loại nền đất được mô tả bằng các mặt cắt địa tầng, các tham số cho trong Bảng 3.1 Các loại nền đất (trang 26), có thể được sử

dụng để kể đến ảnh hưởng của điều kiện nền đất tới tác động động đất Đối với các địa điểm có điều kiện nền đất thuộc một trong hai loại nền đặc biệt S1và S2 cần phải có nghiên cứu đặc biệt để xác định tác động động đất Đối với những loại nền này, đặc biệt

là đối với nền S2, cần phải xem xét khả năng phá huỷ nền khi chịu tác động động đất

 Phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng các phần mềm như Geoslope, Ansys, Wsliq, Slide…

2.4 Quy trình đơn giản của Seed và Idriss (1971)

Các công thức của Seed đều tính toán dựa trên các số liệu khảo sát địa chất tại hiện trường để đánh giá khả năng gây hóa lỏng tại đấy dựa trên các công thức kinh nghiệm,

dựa vào các đánh giá ban đầu này ta có thêm cơ sở để đánh giá chính xác hơn

2.4.1 Tỉ số kháng chu kỳ CRR (Cyclic Resistance Ratio)

CRR là tỉ số kháng chu kỳ của đất tại hiện trường, phương pháp phổ biến nhất được sử

dụng để xác định kháng hóa lỏng là sử dụng các dữ liệu thu được từ thử nghiệm xuyên tiêu chuẩn Những lợi thế của việc sử dụng các thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn để đánh giá hóa lỏng tiềm năng như sau:

chọn khác là cài đặt một Piezometer trong các lỗ khoan, sau đó có thể được sử dụng để giám sát mực nước ngầm theo thời gian

sử dụng trực quan để phân loại đất và ước tính % hạt mịn trong đất Ngoài ra, mẫu đất

có thể được trả lại phòng thí nghiệm, và xét nghiệm phân loại có thể được thực hiện để

tiếp tục đánh giá các hóa lỏng

Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn có thể được sử dụng cho tất cả các kiểu đất, nhưng SPT

cần phải chỉ được sử dụng cho những đất hạt thô, với cát sạch, cát rơi hoặc chảy ra từ

lấy mẫu khi lấy ra từ mặt đất Thông thường khi một lỗ khoan được khoan, nếu điều

kiện dưới bề mặt cho thấy một tầng cát và ống lấy mẫu đến lớp đất nào, thiết bị lấy

mẫu có thể được thay đổi nhanh chóng để thực hiện tiêu chuẩn kiểm tra thâm nhập Các thông số thử nghiệm như sau:

Lấy mẫu: theo tiêu chuẩn ASTM D 1586-99 (2000), mẫu SPT phải có một thùng bên trong đường kính D= 3,81cm, và một đường kính bên ngoài D= 5,08cm

Điều khiển búa: mẫu SPT được thúc đẩy vào trong cát bằng cách sử dụng một trọng lượng 63,5kg búa rơi xuống một khoảng cách 0,76 m

Điều khiển khoảng cách: mẫu SPT được đẩy xuống một đoạn là 45 cm, với số lượng được ghi cho mỗi 15cm

Giá trị N: SPT đo giá trị N Số búa cần thiết để đóng mũi xuyên vào đất ở các khoảng

độ sâu xác định được ghi lại và hiệu chỉnh là sự kháng xâm nhập của đất, bằng tổng số

của số lần hạ búa cần thiết để điều khiển SPT mẫu trong khoảng độ sâu 15 đến 45 cm

Lý do số lượng đánh cần thiết để điều khiển mẫu SPT sâu 15 cm đầu tiên không được tính bao gồm trong giá trị N là quá trình khoan thường làm rối loạn đất ở dưới cùng

của các lỗ khoan, và ở độ sâu 15 đến 45 cm được coi là có nhiều đại diện trong chỗ kháng thâm nhập của đất dạng hạt

Những sự sửa chữa có thể được ứng dụng vào sự thử những kết quả để bù cho những

thủ tục kiểm nghiệm (Skempton 1986):

N60= 1.67EmCbCrN (2.1)

Với :

+ N60: giá trị hiệu chỉnh hệ số N để sửa chữa cho các thủ tục thử nghiệm

+ Em: giá trị búa hiệu quả, thường lấy 0,6 cho một cái búa an toàn

+ Cb: giá trị chỉnh sửa lỗ khoan đường kính, lấy 1.0 cho các lỗ khoan là 65 - 115 mm, 1,05 cho đường kính 150 mm và 1,15 cho lỗ có đường kính 200 mm

+ Cr: giá trị điều chỉnh chiều dài , lấy 0,75 cho từ 0 đến 4 m cần khoan, 0,85 cho 4 đến 6

m cần khoan, 0,95 cho 6 đến 10 m của cần khoan, và 1,00 cho cần khoan vượt quá 10 m) + N: Số nhát búa SPT đo được cho 30cm cuối cùng

Để đánh giá kỹ thuật nhiều trận động đất, chẳng hạn như hóa lỏng, thử nghiệm xâm

nhập tiêu chuẩn giá trị N60 là chỉnh sửa cho hiệu quả theo ứng suất σ’

v0 Khi điều

chỉnh được áp dụng cho giá trị N60 cho hiệu quả theo ứng suất, những giá trị này được

gọi là (N1)60, công thức tính gồm có N60 và một hệ số điều chỉnh CN để tính giá trị (N1)60 Một cách khác để tính (N1)60:

(N1)60=CN.N60=(100/ σ’

v0)0,5.N60 (2.2)