NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN ỨNG XỬ CỦA ĐẬP ĐẤT DO TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT – ÁP DỤNG CHO ĐẬP ĐẤT CỦA THỦY ĐIỆN THƢỢNG KON TUM LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN ỨNG XỬ CỦA ĐẬP ĐẤT DO TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT – ÁP DỤNG CHO ĐẬP ĐẤT CỦA THỦY ĐIỆN THƢỢNG KON TUM Học viên: Nguyễn Thành Hưng Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình t

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

NGUYỄN THÀNH HƯNG

NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN ỨNG XỬ CỦA ĐẬP ĐẤT

DO TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT – ÁP DỤNG CHO ĐẬP ĐẤT CỦA THỦY ĐIỆN THƯỢNG KON TUM

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY

Đà Nẵng - Năm 2018

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

NGUYỄN THÀNH HƯNG

NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN ỨNG XỬ CỦA ĐẬP ĐẤT

DO TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT – ÁP DỤNG CHO ĐẬP ĐẤT CỦA THỦY ĐIỆN THƯỢNG KON TUM

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình thủy

Mã số: DDK 60580202

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 TS NGUYỄN VĂN HƯỚNG

Đà Nẵng - Năm 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác; riêng tài liệu tham khảo được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham

khảo đúng quy định

Tác giả luận văn

Nguyễn Thành Hƣng

MỤC LỤC

Trang

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 2

6 Cấu trúc luận văn 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3

1.1 Khái quát chung về động đất 3

1.1.1 Vị trí Trái Đất 3

1.1.2 Hình dạng và kích thước Trái Đất 3

1.1.3 Cấu trúc Trái Đất 3

1.1.3.1 Vỏ Trái Đất (Crust) 4

1.1.3.2 Lớp Manti (Mantle) 4

1.1.3.3 Nhân trái đất (Core) 5

1.1.4 Khái quát chung về động đất 5

1.1.4.1 Định nghĩa động đất 5

1.1.4.2 Nguyên nhân gây ra động đất 6

1.1.4.3 Sóng động đất (Seismic waves) 7

1.1.4.4 Các đặc trưng cơ bản của động đất 9

1.1.4.5 Cấp động đất 11

1.2 Đặc điểm của động đất 12

1.2.1 Đặc điểm chung của động đất 12

1.2.2 Đặc điểm động đất ở Việt Nam 12

1.2.3 Các trận động đất điển hình ở Việt Nam 13

1.2.4 Phân vùng động đất ở Việt Nam 15

1.3 Ảnh hưởng của động đất đến đập đất 16

1.4 Tổng quan về các nghiên cứu ảnh hưởng của động đất đến đập đất và các mô hình tính toán 17

1.4.1 Tổng quan về các nghiên cứu ảnh hưởng của động đất đến đập đất 17

1.4.2 Tổng quan về các mô hình tính toán động đất cho đập đất 19

1.5 Kết luận 20

CHƯƠNG 2

ỨNG XỬ CỦA ĐẬP ĐẤT DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA ĐỘNG ĐẤT 21

2.1 Đặt vấn đề 21

2.2 Phương pháp tính toán 21

2.2.1 Phương pháp tính toán tĩnh 21

2.2.2 Phương pháp tính toán động 22

2.2.2.1 Phương pháp giải tích 23

2.2.2.2 Phương pháp phổ ứng xử 23

2.2.2.3 Phương pháp phân tích theo lịch sử thời gian 27

2.2.2.4 Phương pháp tải trọng ngang thay thế 28

2.2.2.5 Phương pháp động lực 29

2.2.2.6 Phương pháp ngẫu nhiên 29

2.3 Hiện tượng hóa lỏng do động đất 30

2.3.1 Giới thiệu chung 30

2.3.2 Cơ chế hình thành hóa lỏng 32

2.3.2.1 Hóa lỏng dạng dòng chảy 32

2.3.2.2 Hóa lỏng do tính lưu động chu kỳ 32

2.3.3 Hóa lỏng nền 33

2.4 Phân tích lực động đất theo phương pháp phần tử hữu hạn 33

2.4.1 Khái quát chung về phương pháp PTHH 33

2.4.2 Nội dung cơ bản của phương pháp PTHH 34

2.4.3 Điểm chung ứng dụng phương pháp PTHH để gải bài toán kết cấu 35

2.4.3.1 Ẩn số của bài toán kết cấu 35

2.4.3.2 Điều kiện biên của bài toán 36

2.4.3.3 Các bước cơ bản giải bài toán theo phương pháp PTHH 36

2.4.3.4 Tiêu chuẩn tiếp cận tốt nhất giữa hàm xấp xỉ chuyển vị với hàm chuyển vị thực 37

2.4.4 Phân tích lực động đất theo phương pháp PTHH đối với đập đất 38

2.4.4.1 Sơ đồ tính toán 38

2.4.4.2 Hệ tọa độ, hàm nội suy 38

2.4.4.3 Phương trình cơ bản 42

2.4.4.4 Giải bài toán phụ thuộc vào thời gian 46

2.5 Kết luận 48

CHƯƠNG 3

ÁP DỤNG TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH CHO ĐẬP ĐẤT CỦA THỦY ĐIỆN

THƯỢNG KON TUM DO ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘNG ĐẤT 49

3.1 Thực tế phân tích động đất trong thiết kế đập đất ở Việt Nam 49

3.2 Hướng tiếp cận và mô phỏng quá trình tính toán của đề tài 50

3.3 Dữ liệu động đất và trường hợp tính toán 51

3.3.1 Phân vùng gia tốc nền 51

3.3.2 Đỉnh gia tốc nền 52

3.3.3 Gia tốc lịch sử thời gian 52

3.3.4 Trường hợp tính toán 55

3.4 Giới thiệu về Đập đất của Thủy điện thượng Kon Tum 55

3.4.1 Tổng quan về Dự án thủy điện thượng Kon Tum 55

3.4.2 Mô tả đập đất của công trình thủy điện thượng Kon Tum 55

3.4.3 Tài liệu địa chất nền và đất đắp đập 56

3.4.4 Kết quả tính toán theo hồ sơ thiết kế được duyệt 57

3.5 Kết quả nghiên cứu tính toán của đề tài 57

3.5.1 Kết quả bài toán phân tích thấm 58

3.5.2 Kết quả bài toán phân tích động đất 59

3.5.2.1 Kết quả bài toán tĩnh 59

3.5.2.2 Kết quả bài toán động 61

3.5.3 Kết quả tính toán ổn định 65

3.5.3.1 Kết quả tính toán ổn định - Bài toán tĩnh: 65

3.5.3.2 Kết quả tính toán ổn định - Bài toán động: 66

3.6 Đánh giá và phân tích kết quả 69

3.6.1 Khả năng hóa lỏng nền 69

3.6.2 Chuyển vị 70

3.6.3 Ổn định đập đất 70

3.7 Kết luận 71

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 72

1 Kết luận 72

2 Kiến nghị 72

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 73

NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN ỨNG XỬ CỦA ĐẬP ĐẤT

DO TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT – ÁP DỤNG CHO ĐẬP ĐẤT CỦA THỦY ĐIỆN THƢỢNG KON TUM

Học viên: Nguyễn Thành Hưng

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình thủy

Mã số: DDK 60580202 Khóa: 33 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm tắt - Nghiên cứu ảnh hưởng của động đất đến hệ số ổn định, khả năng hóa

lỏng nền, biến dạng, xói ngầm trong thiết kế đập đất là một vấn đề hết sức cần thiết Đặc biệt, trong lĩnh vực xây dựng công trình Thủy Lợi - Thủy Điện ở nước ta hiện nay thì vấn đề nghiên cứu ảnh hưởng của động đất đến công trình dường như chưa được quan tâm đúng mức Trong luận văn thạc sỹ này, tác giả ứng dụng Bộ phần mềm Geo-Slope bao gồm Seep/W, Quake/W và Slope/W để tính toán, nghiên cứu hệ số ổn định, khả năng hóa lỏng nền trong trường hợp xảy ra động đất cho công trình Thủy Điện thượng Kon Tum theo phương pháp lịch sử thời gian Kết quả nhận thấy phần mềm Geo-Slope cho phép tính toán hệ số ổn định và đánh giá khả năng hóa lỏng nền với độ chính xác đáp ứng được yêu cầu trong thực tế thiết kế và kiểm tra sự ổn định của đập đất trong trường hợp xảy ra động đất

Từ khóa: Đập đất; động đất; Hệ số ổn định; Thượng Kon Tum; hóa lỏng; biến

dạng; xói ngầm; phương pháp lịch sử thời gian

Abstract - Studying the effects of earthquakes on the stability coefficients,

liquefaction, deformation and erosion in earth dam design is a matter of great need Particularly, in the field of Building Irrigation - Hydropower Projects in our country today, the problem of studying the effects of earthquakes on the construction seems to

be not properly attention This master’s thesis, the author used to the Geo-Slope software package includes Seep/W, Quake/W and Slope/W to calculate, study the stability coefficient, the ability to liquefy the background in the case earthquake occurred for the Thuong Kon Tum Hydropower Project according to the time history method The results show that the Geo-Slope software allows calculating the stability coefficient and evaluating the floor liquefaction capability with the accuracy required

to actually design and test the stability of the dam in the case earthquake occurred

Key words: Earth dam; earthquake; stability coefficients; liquefaction;

deformation; erosion; the time history method

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Bảng so sánh thang động đất giữa thang Richter và thang MSK-64 12

Bảng 1.2 Động đất và dư chấn của trận động đất Tuần Giáo (Lai Châu) năm 1983 13

Bảng 1.3 Phân vùng phát sinh động đất mạnh trên lãnh thổ Việt Nam 15

Bảng 2.1 Tọa độ các nút 39

Bảng 2.2 Hàm nội suy cho phần tử tứ giác 39

Bảng 2.3 Hàm nội suy cho phần tử tam giác 40

Bảng 2.4 Đạo hàm hàm nội suy cho phần tử tứ giác 42

Bảng 2.5 Đạo hàm hàm nội suy cho phần tử tam giác 42

Bảng 3.1 Các thông số gia tốc nền (tỉnh Kon Tum) 52

Bảng 3.2 Trường hợp tính toán ổn định đập đất 55

Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật của đập đất của thủy điện thượng Kon Tum 55

Bảng 3.4 Ký hiệu, tên đới, đặc điểm chính của đất đá địa chất nền đập 56

Bảng 3.5 Các chỉ tiêu cơ lý của đất đá dùng trong tính toán 57

Bảng 3.6 Kết quả hệ số ổn định theo các bước thời gian Δt của đập đất của thủy điện thượng Kon Tum (Δt = 0.02 sec) 68

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, BIỂU ĐỒ

Hình 1.1 Vị trí Trái Đất trong hệ Mặt Trời 3

Hình 1.2 Cấu trúc Trái Đất 4

Hình 1.3 Chấn tiêu và Chấn tâm 5

Hình 1.4 Các mảng kiến tạo lớn của Thạch Quyển 6

Hình 1.5 Sóng khối (Body waves) và Sóng mặt (Surface waves) 8

Hình 1.6 Các loại sóng địa chấn 8

Hình 1.7 Bản đồ tâm chấn động đất 14

Hình 1.8 Vỡ đập đất Fujinuma 16

Hình 2.1 Sơ đồ tính - Phương pháp phổ ứng xử có một bậc tự do và n bậc tự do 24

Hình 2.2 Sơ đồ tính - Phương pháp phân tích theo lịch sử thời gian 27

Hình 2.3 Đất hóa lỏng 30

Hình 2.4 Sự phá vỡ hóa lỏng của đập Lower San Fernandosau trận động đất năm 1971 32

Hình 2.5 Biên tính toán theo phương pháp PTHH 34

Hình 2.6 Các loại phần tử 35

Hình 2.7 Điều kiện biên 36

Hình 2.8 Sơ đồ tính theo phương pháp PTHH 37

Hình 2.9 Sơ đồ tính lực động đất theo phương pháp PTHH đối với đập đất 38

Hình 2.10 Hệ tọa độ 38

Hình 2.11 Tải phân bố vuông góc và tiếp tuyến với cạnh của phần tử 45

Hình 3.1 Biểu đồ phân tích lực cột đất trong SLOPE/W 50

Hình 3.2 Sơ đồ mô phỏng quá trình tính toán của đề tài 50

Hình 3.3 Bản đồ phân vùng gia tốc nền lãnh thổ Việt Nam 51

Hình 3.4 Biểu đồ gia tốc động đất Điện Biên năm 2001 53

Hình 3.5 Biểu đồ gia tốc trận động đất Alkion năm 1981 53

Hình 3.6 Dữ liệu đầu vào cần thiết lập cho mô phỏng động đất bằng Geo-Slope 54

Hình 3.7 Biểu đồ gia tốc nền tính toán 54

Hình 3.8 Mặt cắt đập đại diện – Mặt cắt D8 56

Hình 3.9 Mô hình tính toán bài toán thấm 58

Hình 3.10 Kết quả áp lực nước lỗ rỗng (Pore-Water Presure) 58

Hình 3.11 Kết quả phân tích tổng cột nước (Total Head) 58

Hình 3.12 Kết quả Gradient thấm (XY-Gradients) 59

Hình 3.13 Kết quả ứng suất hiệu quả theo phương X (kPa) 59

Hình 3.14 Kết quả ứng suất hiệu quả theo phương Y (kPa) 60

Hình 3.15 Kết quả áp lực nước lỗ rỗng (kPa) 60

Hình 3.16 Kết quả tổng cột nước (m) 60

Hình 3.17 Kết quả ứng suất tổng theo phương Y (kPa) 61

Hình 3.18 Kết quả ứng suất hiệu quả theo phương X sau động đất (kPa) 61

Hình 3.19 Kết quả ứng suất hiệu quả theo phương Y sau động đất (kPa) 61

Hình 3.20 Kết quả áp lực nước lỗ rỗng sau trận động đất (kPa) 62

Hình 3.21 Kết quả vùng hóa lỏng nền tại thời điểm 2.0 giây 62

Hình 3.22 Kết quả vùng hóa lỏng nền tại thời điểm 2.2 giây 62

Hình 3.23 Kết quả vùng hóa lỏng nền tại thời điểm 11.6 giây 63

Hình 3.24 Kết quả vùng hóa lỏng nền tại thời điểm 20 giây 63

Hình 3.25 Điểm quan sát thứ 24 và 51 63

Hình 3.26 Biểu đồ chuyển vị theo phương X của điểm nút 24 và 51 64

Hình 3.27 Kết quả chuyển vị theo phương X(m) tại thời điểm 0.2 giây 64

Hình 3.28 Kết quả chuyển vị theo phương X(m) tại thời điểm 20 giây 64

Hình 3.29 Kết quả chuyển vị theo phương Y(m) tại thời điểm 0.2 giây 65

Hình 3.30 Kết quả chuyển vị theo phương Y(m) tại thời điểm 20 giây 65

Hình 3.31 Hệ số ổn định Kminmin = 1,416 (bài toán tĩnh) 66

Hình 3.32 Hệ số ổn định mái hạ lưu đập tại thời điểm t = 1.0 giây (K = 1,448) 66

Hình 3.33 Hệ số ổn định mái hạ lưu đập tại thời điểm t = 10 giây (K = 1,467) 67

Hình 3.34 Hệ số ổn định mái Hạ lưu đập tại thời điểm t = 20 giây (K = 1,444) 67

Hình 3.35 Biểu đồ thể hiện hệ số ổn định mái hạ lưu đập đất của thủy điện thượng Kon Tum theo phương pháp tĩnh và phương pháp động lực 69

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Nhiều thảm họa do động đất gây ra trên thế giới đã là những lời cảnh tỉnh cho chúng ta về sự mỏng manh của cuộc sống và sự non kém của khoa học kỹ thuật trong thiết kế công trình chịu động đất Thiệt hại, mất mát về sinh mạng và vật chất càng khiến cho động đất trở nên đáng sợ hơn [1]

Theo công bố của Viện Vật lý địa cầu Việt Nam, mặc dù Việt Nam nằm trong khu vực có động đất ở mức trung bình của thế giới song hàng ngày vẫn xảy ra động đất yếu do những đường đứt gãy kiến tạo địa tầng Khu vực tập trung nhiều động đất mạnh và thường xuyên nhất là đới Tây Bắc (từ Sơn La đến Thanh Hóa); tiếp theo là đới sông Hồng và sông Cả; ít xuất hiện là đới Cao Bằng - Quảng Ninh, Nam Quảng Trị Tính chu kỳ khoảng 5÷7 năm lại xảy ra trận động đất cường độ 4÷5 độ Richter, gây động đất cấp 6÷7 lên bề mặt khu vực tâm chấn [2] Trung bình khoảng 50 năm lại xảy ra động đất có cường độ 6÷6,8 độ Richter gây chấn động cấp 8÷9 trên bề mặt tại khu vực tâm chấn Khi động đất xảy ra xuất hiện các dịch chuyển từ một điểm nhất định và lan truyền nhanh chóng theo chiều dài đứt gãy dưới dạng sóng địa chấn Dưới ảnh hưởng của sóng địa chấn có thể làm hư hại công trình do hình thành các ứng xử động đất như: Lực quán tính, sự thay đổi các tính chất cơ lý của đất đá, hóa lỏng, sự chuyển vị do đứt gãy, trượt đất hay các chuyển động bề mặt khác

Động đất gây ra hậu quả vô cùng to lớn, nhưng nếu động đất gây vỡ đập của các hồ chứa nước thì hậu quả lại rất nghiêm trọng; đa số các hồ chứa nước, đập đất chiếm một tỷ lệ rất lớn; do vậy, việc tính toán ổn định đập đất là một trong những yêu cầu rất quan trọng trong nội dung thiết kế đập đất Sự ổn định của của đập đất phụ thuộc vào nhiều yếu tố: Cấu tạo kích thước mặt cắt ngang đập, địa chất nền đập, vật liệu đắp đập, áp lực thủy tĩnh, áp lực thủy động, áp lực sóng, áp lực động đất Tuy nhiên, trong thực tế tính toán ở nước ta hiện nay, người ta chưa chú ý đúng mức ảnh hưởng của lực động đất đến việc tính toán ổn định đập đất

Động đất có thể trực tiếp phá hỏng kết cấu và gây mất ổn định công trình hoặc gây ra những bất lợi mà từ đó làm mất ổn định công trình một cách từ từ theo thời gian Bên cạnh đó, khi xảy ra động đất, nền đất có thể xảy ra hiện tượng hóa lỏng làm thay đổi tính chất cơ lý của đất và ảnh hưởng đến ổn định tổng thể của công trình

Hiện tượng hóa lỏng làm cho đất giảm, thậm chí mất khả năng kháng cắt tạm thời; các hạt đất hầu như không liên kết với nhau và mất hết khả năng chống cắt, 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 [3] Do đó, việc nghiên cứu ảnh hưởng của động đất đến đập đất

là rất cấp thiết trong giai đoạn hiện nay và cả trong tương lai Vì vậy, đề tài luận văn

được chọn: “Nghiên cứu tính toán ứng xử của đập đất do tải trọng động đất – Áp

dụng cho đập đất của Thủy điện Thượng Kon Tum” là rất cần thiết

2 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng quan về ổn định đập đất

- Nghiên cứu ứng xử của đập đất khi có động đất

- Phân tích ổn định của đập đất chịu ảnh hưởng của động đất

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Đập đất

- Phạm vi nghiên cứu: Phân tích ổn định đập đất chịu tác động của động đất –

áp dụng cho đập đất của Thủy điện Thượng Kon Tum

4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp kế thừa

- Sử dụng mô hình mô phỏng

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Việc nghiên cứu ảnh hưởng của động đất đến đập đất là rất cần thiết và cấp thiết trong giai đoạn hiện nay và cả trong tương lai

Đề tài luận văn: “Nghiên cứu tính toán ứng xử của đập đất do tải trọng động

đất – Áp dụng cho đập đất của Thủy điện Thượng Kon Tum” sẽ đưa ra kiến nghị về

quan điểm tính toán động đất đối với đập đất phù hợp với thực tế và có tính khả thi trong điều kiện thiết kế đập đất ở Việt Nam

6 Cấu trúc luận văn

Cấu trúc luận văn gồm: Mở đầu, Chương 1, Chương 2, Chương 3, Kết luận và kiến nghị

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Ứng xử của đập đất dưới tác động của động đất

Chương 3: Áp dụng tính toán ổn định cho đập đất của thủy điện thượng Kon Tum do ảnh hưởng của động đất

Kết luận và kiến nghị

Vương Neptune:Sao Hải

Vương Pluto: Sao Diêm

Trái đất có bán kính gần bằng 6.378km, đường xích đạo có chiều dài 40.076km

và diện tích mặt cầu khoảng 510 triệu km2

1.1.3 Cấu trúc Trái Đất

Trái Đất là hành tinh có tỷ trọng lớn nhất trong hệ Mặt Trời, tỷ trọng trung bình của Trái Đất gấp khoảng 2 lần so với các hành tinh khác Hiểu biết hiện nay về cấu trúc bên trong của Trái Đất chủ yếu thông qua nghiên cứu sự lan truyền và thay đổi tốc

độ truyền sóng địa chấn khi động đất xảy ra

Từ ngoài vào trong, cấu trúc Trái Đất gồm 3 lớp (Hình 1.2):

- Lớp vỏ Trái Đất là phần nằm trên cùng, được chia thành hai kiểu chính:

+ Vỏ lục địa;

+ Vỏ đại dương

- Lớp Manti (Mantle) nằm dưới lớp vỏ Trái Đất

- Nhân Trái Đất được chia thành nhân ngoài và nhân trong

Hình 1.2 Cấu trúc Trái Đất

(Nguồn: https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Earth-cutaway-schematic-english.svg) 1.1.3.1 Vỏ Trái Đất (Crust)

Vỏ Trái Đất được cấu tạo chủ yếu bằng những vật chất cứng rắn, độ dày dao động từ 5km ở đại dương đến 70km ở lục địa Vỏ Trái Đất chiếm khoảng 15% về thể tích và khoảng 1% về trọng lượng của Trái Đất nhưng có vai trò rất quan trọng đối với thiên nhiên và đời sống con người

Vỏ Trái Đất được cấu tạo bởi các tầng đá khác nhau:

- Trên cùng là tầng đá trầm tích do các vật liệu vụn, nhỏ bị nén chặt tạo thành Tầng này không liên tục và có nơi dày, nơi mỏng Trong đá trầm tích tốc độ sóng dọc vào khoảng (4÷5)km/s

- Dưới lớp đá trầm tích là lớp Granit, tầng Granit gồm các loại đá nhẹ tạo nên như đá Granit và các loại đá có tính chất tương tự như đá Granit… được hình thành do vật chất nóng chảy ở dưới sâu của vỏ Trái Đất đông đặc lại Lớp vỏ lục địa được cấu tạo chủ yếu bằng Granit Bề dày của lớp Granit thay đổi từ khoảng 40km từ các thể núi tới khoảng 10km ở vùng đồng bằng, ở lòng đại dương lớp Granit không có Tốc độ sóng dọc trong lớp Granit từ (5,5÷6,5)km/s

- Bên dưới lớp Granit là lớp đá Bazan, tầng Bazan gồm các loại đá nặng hơn như đá Bazan và các loại đá có tính chất tương tự như đá Bazan… được hình thành do vật chất nóng chảy phun trào lên mặt đất rồi đông đặc lại Lớp vỏ đại dương cấu tạo chủ yếu bằng Badan Tốc độ sóng dọc trong lớp Bazan từ (6,5÷7,2)km/s

1.1.3.2 Lớp Manti (Mantle)

Dưới vỏ Trái Đất cho tới độ sâu 2.900km là lớp Manti (bao Manti) Lớp này gồm hai tầng chính; càng vào sâu, nhiệt độ và áp suất càng lớn nên trạng thái vật chất của bao Manti có sự thay đổi, quánh dẻo ở tầng trên và rắn ở tầng dưới

Vỏ Trái Đất và phần trên cùng của lớp Manti (đến độ sâu khoảng 100km) vật chất ở trạng thái cứng, người ta thường gộp vào và gọi chung là thạch quyển Thạch quyển di chuyển trên một lớp mềm, quánh dẻo - quyển mềm của bao Manti, như các mảng nổi trên mặt nước

Quyển mềm của bao Manti có ý nghĩa lớn đối với vỏ Trái Đất Đây là nơi tích

tụ và tiêu hao nguồn năng lượng bên trong, sinh ra các hoạt động kiến tạo làm thay đổi cấu trúc bề mặt Trái Đất như hình thành những dạng địa hình khác nhau, các hiện tượng động đất, núi lửa…

1.1.3.3 Nhân trái đất (Core)

Nhân Trái Đất là lớp trong cùng, dày khoảng 3.478km Ở đây, nhiệt độ và áp suất lớn hơn so với các lớp khác Thành phần vật chất chủ yếu của nhân Trái Đất là những kim loại nặng như Niken (Ni), Sắt (Fe) nên nhân Trái Đất còn được gọi là nhân Nife

- Từ độ sâu (2.900÷5.100)km là nhân ngoài, nhiệt độ vào khoảng 5.000oC, áp suất từ (1,3÷3,1).106 atm, vật chất tồn tại trong trạng thái lỏng (sóng ngang không đi qua được)

- Từ độ sâu (5.100÷6.378)km là nhân trong, áp suất từ (3,1÷3,5).106 atm, vật chất ở trạng thái rắn

1.1.4 Khái quát chung về động đất

Ghi chú:

Focus: Chấn tiêu Epicentre: Chấn

tâm Depth: Độ sâu chấn tiêu Surface rupture:

Vỡ bề mặt (mặt

đất)

Hình 1.3 Chấn tiêu và Chấn tâm

1.1.4.2 Nguyên nhân gây ra động đất

Động đất thường là kết quả của sự chuyển động của các phần hay những bộ phận đứt gãy trên vỏ của Trái Đất Tuy rất chậm, mặt đất vẫn luôn chuyển động và động đất xảy ra khi ứng suất cao hơn sức chịu đựng của thể chất Trái Đất Hầu hết động đất xảy ra tại các đường ranh giới của các mảng kiến tạo là các phần của thạch quyển Trái Đất Những trận động đất xảy ra tại ranh giới được gọi là động đất xuyên đĩa và những trận động đất xảy ra trong một đĩa (hiếm hơn) được gọi là động đất trong đĩa Nguyên nhân xảy ra động đất thường do các yếu tố sau:

- Nội sinh: Liên quan đến vận động phun trào núi lửa, vận động kiến tạo ở các đới hút chìm, các hoạt động đứt gãy, đá trong vỏ trái đất dưới sâu (≥ 5km) bị tẩm nước làm giảm ma sát dọc khe nứt biên giữa các khối đá gây ra chuyển dịch giữa chúng

- Ngoại sinh: Thiên thạch va chạm vào Trái Đất, các vụ trượt lở đất đá với khối lượng lớn, các hang động trong lòng đất bị sập, mưa bão

- Nhân sinh: Sự thay đổi điều kiện tự nhiên như xây dựng các hồ chứa nước lớn, khai thác mỏ gây ra động đất kích thích; hoạt động làm thay đổi ứng suất đất đá gần bề mặt hoặc áp suất chất lỏng, đặc biệt là các vụ thử hạt nhân dưới lòng đất và các

vụ nổ hạt nhân trên mặt đất Trong đó, sự hoạt động kiến tạo của trái đất (yếu tố nội sinh), đây là nguyên nhân chủ yếu gây ra các trận động đất Theo thống kê khoảng 95% các trận động đất xảy ra trên thế giới có liên quan trực tiếp đến sự hoạt động kiến tạo, động đất loại này giải phóng năng lượng lớn và tác động trên một diện rộng Sau đây nghiên cứu kỹ hơn về động đất do hoạt động kiến tạo

Theo thuyết kiến tạo, thạch quyển (vỏ trái đất) tuy bao trùm toàn bộ vỏ trái đất, nhưng không phải là một lớp liên hoàn mà có dạng kiến trúc phân mảng bỡi các vết đứt xuyên thủng Các vĩ mảng này chuyển động tương đối với nhau (di chuyển với tốc

độ khoảng (2÷5)cm/năm); hiện nay đang tồn tại 07 mảng kiến tạo lớn (Hình 1.4), bao gồm: Mảng Thái Bình Dương, mảng Ấn Độ - Ô-xtrây-li-a, mảng Âu – Á, mảng Phi, mảng Bắc Mĩ, mảng Nam Mĩ và mảng Nam Cực

Hình 1.4 Các mảng kiến tạo lớn của Thạch Quyển

(Nguồn: Bài 7: Thuyết kiến tạo mảng - SGK Địa Lý 10)

Các vĩ mảng lại được phân chia thành các mảng qua các vết đứt gãy nông hơn Dựa vào quan hệ chuyển động tương đối giữa các mảng, phân làm 05 loại chuyển động cơ bản sau:

- Chuyển động phân ly (hai mảng gần nhau tách dần ra)

- Chuyển động dũi ngầm (mảng nọ dũi xuống mảng kia)

- Chuyển động trườn (mảng nọ trườn lên mảng kia)

- Chuyển động va chạm đàn hồi (hai mảng gần nhau thỉnh thoảng va vào nhau rồi sau đó trở lại vị trí ban đầu)

- Chuyển động rúc đồng quy (hai mảng gần nhau châu đầu rúc xuống lớp phía dưới)

Trong quá trình chuyển động tương đối giữa các khối vật chất, người ta nhận thấy rằng: Sự chuyển động của các khối này không phải chỉ là các chuyển động cơ học đơn giản mà còn kèm theo sự tích lũy thế năng biến dạng, hoặc kèm theo sự chuyển hóa năng lượng từ trạng thái này (rắn) sang trạng thái khác (lỏng, khí, ) Diễn biến trên dẫn đến sự tích tụ năng lượng, sự tích tụ đó theo thời gian tạo ra tăng ứng suất ở từng vùng của trái đất Những ứng suất đó khi đạt tới cường độ giới hạn sẽ gây ra sự phá hoại tức thời ở từng vùng riêng biệt và gây ra động đất Trong các chuyển động trên thì chuyển động dũi ngầm và chuyển động trườn có tác dụng gây động đất mạnh hơn cả

1.1.4.3 Sóng động đất (Seismic waves)

Khi động đất xảy ra, năng lượng được giải phóng từ chấn tiêu sẽ được truyền ra môi trường xung quanh dưới dạng các sóng đàn hồi vật lý, đó là: Sóng khối và Sóng mặt Các sóng này do động đất gây ra nên được gọi là sóng động đất hay sóng địa chấn

- Sóng khối (Body waves): Khi động đất xảy ra, sóng khối (Hình 1.5) di chuyển

xuyên qua các lớp đất và truyền lên mặt đất Sóng khối có tần số cao hơn và vận tốc lan truyền từ tâm chấn nhanh hơn sóng mặt (Surface waves) Có hai dạng sóng khối chính là: Sóng dọc (Primary wave – P Wave) và sóng ngang (Secondary wave – S Wave)

+ Sóng dọc (P Wave): Sóng dọc (hay sóng sơ cấp) (Hình 1.6a) gây ra sự kéo

nén tuần hoàn làm các phần tử đất đá dao động theo chiều của sóng, vận tốc truyền sóng khoảng 6km/s; đây là sóng địa chấn có vận tốc nhanh nhất, vì thế nó được ghi nhận sớm nhất khi có động đất xảy ra (các sóng dọc truyền đến trạm quan trắc đầu tiên) Sóng dọc có thể di chuyển qua các lớp đá rắn và các lớp vật chất lỏng trong vỏ Trái Đất, như lớp: Mắc ma, nước biển hay nước ngầm Sóng dọc truyền theo phương dọc tương tự như sóng âm thanh Sóng dọc còn được gọi là sóng nén (compression wave) vì tác dụng đẩy và kéo lên lớp đất đá Hướng lan truyền của sóng dọc đặc trưng cho hướng phân tán năng lượng địa chấn

Hình 1.5 Sóng khối (Body waves) và Sóng mặt (Surface waves)

+ Sóng ngang (S Wave): Sóng ngang (Hình 1.6b) gây ra dao động tuần hoàn

làm các phần tử đất đá dao động theo phương vuông góc với phương truyền sóng, cắt khối đất đá theo mặt bên vuông góc với phương truyền sóng Tại gần mặt đất, sóng ngang (S) tạo cả chuyển động đứng (SV) và chuyển động ngang (SH) Vận tốc truyền sóng ngang khoảng 4km/s Vận tốc lan truyền của sóng ngang nhỏ hơn sóng dọc, do

đó sóng ngang được ghi nhận sau sóng dọc, và vì thế được gọi là sóng thứ cấp Sóng ngang chỉ có thể lan truyền trong lớp đá rắn mà không thể di chuyển qua các lớp vật chất lỏng (Chính tính chất này của sóng ngang giúp các nhà địa chấn khẳng định lớp

vỏ quả đất có chứa mắc ma)

- Sóng mặt (Surface waves): Sóng mặt (Hình 1.5) được tạo nên bỡi sự tương tác

giữa sóng khối với bề mặt hoặc các lớp bề mặt Trái Đất, chỉ truyền động dọc theo mặt đất với tốc độ chậm hơn sóng khối nhiều và biên độ giảm theo hàm mũ theo chiều sâu Sóng này tương tự các gợn sóng trên mặt hồ nên phần lớn chuyển động của sóng ở mặt đất (chỉ di chuyển trong lớp đất phía trên sát mặt đất) Hầu như sóng mặt mới là nguyên nhân chính gây ra phá hoại công trình trong các trận động đất Khi tâm chấn ở độ sâu lớn, thì cường độ sóng cũng như nguy cơ phá hoại do sóng này gây ra giảm Sóng mặt có hai loại là: Sóng Love (Love wave) và Sóng Rayleigh

+ Sóng Love (Love wave): Sóng Love (Hình 1.6c) là dạng sóng đầu tiên của

sóng mặt, được đặt tên theo nhà toán học người Anh A.E.H Love, là người đầu tiên đề xuất mô hình toán học cho kiểu sóng này vào năm 1911 Sóng Love lan truyền theo phương ngang và có tốc độ nhanh nhất trong các sóng mặt Sóng Love là nguyên nhân chủ yếu gây nên chuyển động ngang của bề mặt vỏ quả đất Sóng Love được tạo thành bỡi tương tác giữa sóng SH với mặt mềm yếu và chuyển động của nó tương tự như

SH, không có chuyển vị đứng, nó làm dịch chuyển mặt đất theo mặt phẳng ngang song song với mặt đất nhưng vuông góc với phương truyền sóng

+ Sóng Rayleigh (Rayleigh wave): Sóng Rayleigh (Hình 1.6d) là dạng thứ hai

của sóng mặt, được đặt theo tên của Lord Rayleigh, người đã dùng công thức toán học tiên đoán sự tồn tại của dạng sóng này vào năm 1885 Sóng Rayleigh cuộn tròn dọc theo mặt đất, tương tự như sóng nước cuộn trên mặt biển Vì thế, mặt đất bị di chuyển lên xuống, qua lại theo phương truyền của sóng này Phần lớn sự rung lắc cảm nhận được trong các trận động đất là từ sóng Rayleigh, với cường độ lớn hơn tất cả các dạng sóng địa chấn khác

Hiểu biết về sóng địa chấn giúp chúng ta hình dung rõ về cơ chế hoạt động và phá hoại của động đất gây ra đối với con người, nhà cửa, công trình, vật kiến trúc,

1.1.4.4 Các đặc trưng cơ bản của động đất

- Khái niệm: Độ Richter là đơn vị đo năng lượng động đất; cường độ chấn động

được đo bằng thang cường độ chấn động Năng lượng không thay đổi đối với mọi trận động đất, nhưng cường độ chấn động thay đổi từ vị trí này sang vị trí khác trong một

trận động đất Ví dụ: Động đất ở Vũng Tàu mạnh 5,5 độ Richter, gây nên chấn động mạnh cấp 5 ở Phan Thiết, chấn động mạnh cấp 4 ở thành phố Hồ Chí Minh

- Các đặc trưng cơ bản của động đất, gồm: Năng lượng động đất và Độ lớn

động đất

+ Năng lượng động đất (Earthquake energy): Là tổng năng lượng động đất

được giải phóng dưới dạng sóng đàn hồi: lgE = 11,8 + 1,5MS

Trong đó: E – Energy (Egy) (1 Erg = 10-7Nm) là năng lượng động đất;

MS – Độ lớn sóng mặt

+ Độ lớn động đất (Earthquake magnitude): Là số đo định lượng độ lớn của

một trận động đất hay năng lượng biến dạng được giải phóng trong một trận động đất dưới dạng sóng đàn hồi, được đo bằng quan trắc địa chấn Hiện dùng bốn loại thang độ lớn:

thang Richter, là thang đại lượng loga Trong những năm 1930, nhà địa chấn học California Charles F Richter đã nghĩ ra một thang đơn giản để mô tả kích cỡ của trận động đất ở phía Nam California – Mỹ ML thu được bằng cách đo biên độ dịch chuyển tối đa ghi lại trên một địa chấn kế Wood–Anderson xoắn ở một khoảng cách lên đến 600km từ tâm chấn trận động đất [5]

các đại lượng dựa trên các đặc trưng dao động của đất Tuy nhiên, khi tổng năng lượng giải thoát do động đất tăng, các đặc trưng trên không nhất thiết tăng theo cùng tỷ lệ tương ứng, nghĩa là đối với các trận động đất lớn thì các thang ML, MS và MB không nhạy cảm, nó bị bão hòa ở một giá trị nào đó; ML, MB bão hòa ở khoảng 6÷7 và MSbão hòa trên 8; do đó với các trận động đất lớn ta dùng MW để không bị bão hòa

1.1.4.5 Cấp động đất

Cấp động đất là đại lượng biểu thị cường độ chấn động mà nó gây ra trên mặt đất đối với nhà cửa, công trình, vật kiến trúc, con người và biến dạng mặt đất

Trên thế giới hiện nay tồn tại các thang phân cấp động đất như:

- Thang MSK-64 (Thang Medvedev-Sponheuer-Karnik): Thang MSK-64 còn

được biết đến như là MSK hay MSK-64, là một thang đo cường độ địa chấn diện rộng được sử dụng để đánh giá mức độ khốc liệt của sự rung động mặt đất trên cơ sở các tác động đã quan sát và ghi nhận trong khu vực xảy ra động đất

- Thang đo MM (Thang đo Mercalli): Thang đo MM là một loại thang để phân

loại các cơn động đất dựa trên những thiệt hại nhìn thấy được của chúng, thang MM

có 12 mức điển hình cho cường độ có thể được quan sát ở gần tâm chấn

- Thang địa chấn JMA: Là một thang địa chấn được sử dụng ở Nhật Bản và Đài

Loan để đo độ mạnh của các trận động đất, thang JMA có giá trị từ 0 đến 7, với 7 là cấp mạnh nhất

Ở Việt Nam dùng thang MSK-64 từ năm 1964 và ở nước ta có thể xảy ra động đất tới cấp 8

Phổ biến nhất hiện nay là cách phân loại cấp độ động đất theo thang Richter và thang MSK-64:

- Thang Richter dựa vào hàm logarit cơ số là 10 để xác định biên độ tối đa các rung chấn của Trái đất Mỗi độ của thang Richter biểu thị sự tăng giảm biên độ rung chấn theo hệ số 10 và tăng giảm về năng lượng phát sinh theo hệ số 32

- Thang MSK chú trọng nhiều hơn tới năng lượng huỷ diệt của động đất với sự tăng dần chứ không tới 32 lần như 1 độ Richter làm người ta dễ hình dung hơn Thang MSK-64 gồm 12 cấp, được Hội đồng địa chấn Châu Âu thông qua năm 1964 và áp dụng cả ở Ấn Độ, cụ thể như sau:

+ Cấp 1: Động đất không cảm thấy, chỉ có máy mới ghi nhận được

+ Cấp 2: Động đất ít cảm thấy (rất nhẹ) Trong những trường hợp riêng lẻ, chỉ

có người nào đang ở trạng thái yên tĩnh mới cảm thấy được

+ Cấp 3: Động đất yếu, ít người nhận biết được động đất Chấn động y như tạo

ra bởi một ô tô vận tải nhẹ chạy qua

+ Cấp 4: Động đất nhận thấy rõ Nhiều người nhận biết động đất

+ Cấp 5: Thức tỉnh Nhiều người ngủ bị tỉnh giấc, đồ vật treo đu đưa

+ Cấp 6: Đa số người cảm thấy động đất, nhà cửa bị rung nhẹ, lớp vữa bị rạn + Cấp 7: Hư hại nhà cửa Đa số người sợ hãi, nhiều người khó đứng vững, nứt

+ Cấp 11: Động đất gây thảm họa Nhà, cầu, đập nước và đường sắt bị hư hại

nặng, mặt đất bị biến dạng, vết nứt rộng, sụp đổ lớn ở núi

+ Cấp 12: Thay đổi địa hình Phá huỷ mọi công trình ở trên và dưới mặt đất,

thay đổi địa hình trên diện tích lớn, thay đổi cả dòng sông, nhìn thấy mặt đất nổi sóng

Nếu so sánh thang động đất giữa thang Richter và thang MSK-64 có thể tóm lược qua Bảng 1.1:

Bảng 1.1 Bảng so sánh thang động đất giữa thang Richter và thang MSK-64

1.2.1 Đặc điểm chung của động đất

Động đất xảy ra trong thời gian rất ngắn, gia tốc lớn; do đó, giải phóng năng lượng rất lớn, đột ngột gây dao động cho các kết cấu xây dựng và dẫn đến phá hủy công trình Thời gian để năng lượng giải thoát tại vùng chấn tiêu rất ngắn, tính bằng giây, nên động đất là một sự bùng nổ tức thời Bên ngoài vùng chấn tiêu các biến dạng của môi trường đất đá được truyền đi dưới dạng sóng đàn hồi và được gọi là sóng động đất Chịu tác động của sóng động đất, mặt đất sẽ rung động Biên độ của các rung động nói chung nhỏ cỡ phần mười milimet, chu kỳ rung động nằm trong khoảng 1/100 đến 100 giây

Động đất lớn có thể gây thiệt hại trầm trọng và gây tử vong bằng nhiều cách Động đất có thể gây ra lở đất, nứt đất, sóng thần, nước triều giả, vỡ đê - đập, hỏa hoạn,

hư hại công trình… Tuy nhiên, trong hầu hết các trận động đất, sự chuyển động của mặt đất gây ra nhiều thiệt hại nhất

Năng lực của động đất được trải dài trong một diện tích lớn và trong các trận động đất lớn có thể trải rộng trên toàn cầu Năng lượng động đất và dư chấn phát sinh tập trung chủ yếu trong khoảng thời gian ngắn; nhiều trận động đất, đặc biệt là những trận xảy ra dưới đáy biển, có thể gây ra sóng thần

1.2.2 Đặc điểm động đất ở Việt Nam

Các ghi chép lịch sử liên quan đến động đất ở Việt Nam còn sơ lược và chưa đầy đủ Bên cạnh đó, Việt Nam nằm trong khu vực có động đất ở mức trung bình của thế giới Năng lượng động đất và dư chấn phát sinh tập trung chủ yếu trong khoảng

thời gian ngắn, biểu đồ gia tốc theo thời gian phân bố chủ yếu những giây đầu tiên xảy

ra động đất, sau đó giảm dần nhanh cho đến khi kết thúc (Động đất ở Điện Biên năm 2001) Trong rất nhiều trường hợp, có rất nhiều trận động đất nhỏ hơn xảy ra trước hay sau lần động đất chính, những trận này được gọi là dư chấn; chẳng hạng trận động đất năm 1983 ở thị trấn Tuần Giáo (Lai Châu) có đến 07 lần dư chấn sau trận động đất như ở Bảng 1.2

Bảng 1.2 Động đất và dư chấn của trận động đất Tuần Giáo (Lai Châu) năm 1983

Ghi chú: ** Động đất, * Dư chấn

(Nguồn:

http://www.vncold.vn/Modules/CMS/Upload/10/TuLieu/150817/DongDatvn.pdf)

1.2.3 Các trận động đất điển hình ở Việt Nam

Trong lịch sử, các trận động đất ở Việt Nam, người ta ghi nhận đã xảy ra các trận động đất mạnh từ (5  6,8) độ Richter trong thế kỷ XX Theo các kết quả của một

dự án nghiên cứu của Viện Vật lý Địa cầu Việt Nam (VIG) [6] từ năm 114 tới năm

2003 sau công nguyên ở Việt Nam, bằng cách đo lường hoặc nghiên cứu qua các tài liệu lịch sử, người ta ghi nhận là có các trận động đất mạnh (3  6,8) độ Richter đã xảy

ra vào năm 1645 Sau đây là các trận động đất điển hình từ năm 1935 đến nay đã xảy

- Trận động đất ngày 07/01/2005 cách huyện Đô Lương về phía Bắc với cường

độ 4,7 độ Richter Trận động đất ngày 12/01/2005, xảy ra động đất cường độ 4,6 độ Richter ở Đô Lương gây chấn động cấp 7 ở Đăng Sơn

- Năm 2007 ở ngoài khơi Vũng Tàu - Phan Thiết có động đất 5,3 độ Richter; đầu năm 2011 cũng xảy ra một trận với cường độ 4,7 độ Richter

- Theo tin từ Viện Vật lý Địa cầu, đầu năm 2014, Việt Nam đã xảy ra 27 trận động đất có độ lớn từ (2,5÷4,7) độ Richter

- Từ ngày 22/12/2015 đến 02/01/2016, Việt Nam đã xảy ra 04 trận động đất nhẹ

ở Lai Châu, Điện Biên và Thừa Thiên - Huế; trong đó trận động đất mạnh nhất xảy ra

ở Điện Biên có cường độ 3,7 độ Richter

- Ngày 05/02/2017, một trận động đất có cường độ 2,8 độ Richter đã xảy ra tại huyện miền núi A Lưới thuộc tỉnh Thừa Thiên - Huế

- Ngày 08/01/2018, một trận động đất có cường độ 3,9 độ Richter đã xảy ra trên địa bàn tỉnh Điện Biên; tiếp theo đó, ngày 09/01/2018, trên địa bàn tỉnh Điện Biên đã xảy ra trận động đất với cường độ 4,3 độ Richter

- Theo tin từ Viện Vật lý Địa cầu, ngày 07/3/2018, một trận động đất có độ lớn 3,4 Richter đã xảy ra tại huyện Bắc Trà My, tỉnh Quảng Nam (Hình 1.7)

Hình 1.7 Bản đồ tâm chấn động đất

(Nguồn:

https://www.igp-vast.vn/index.php/vi/tin-dong-dat/item/620-thong-bao-tin-dong-dat-ngay-07-thang-03-nam-2018)

1.2.4 Phân vùng động đất ở Việt Nam

Dựa vào những đặc điểm địa chất kiến tạo và đặc trưng các mặt của các hệ đứt gãy, kích thước, độ sâu, cường độ, cơ chế hoạt động của các đứt gãy và khả năng phát sinh động đất, có thể xếp các đứt gãy ở Việt Nam thành 03 loại cơ bản với khả năng phát sinh động đất khác nhau: Loại một thuộc vùng Tây Bắc, có thể xảy ra động đất mạnh với chấn động tối đa có thể đến cấp 8÷9; loại hai, có thể gây động đất cấp 8 thuộc các đứt gãy sông Hồng, sông Chảy, sông Cả, khối Tây biển Đông; loại ba, có thể

có động đất với mức dự báo là chấn động cấp 7 thuộc các đứt gãy Cao Bằng, Tiên Yên, Đông Triều, sông Đà, duyên hải Trung Bộ và Nam Bộ Còn lại là các vùng nếu

có động đất cũng ở cấp độ nhẹ, cấp chấn động tối đa dưới cấp 7

Ở nước ta đã có thể dự báo nguy cơ động đất ở từng vùng Dự báo này được thể hiện trên bản đồ phân vùng động đất mà Viện Vật lý Địa cầu đã hoàn thành trong năm

2004 Theo đó, từ Bắc tới Nam, có tất cả 30 khu vực có thể phát sinh động đất mạnh (Bảng 1.3) Mức độ chấn động của động đất nằm trong khoảng từ (5,5÷6,8) độ Richter, tức có thể hư hại công trình từ nhẹ tới nặng

Bảng 1.3 Phân vùng phát sinh động đất mạnh trên lãnh thổ Việt Nam

Động đất max (độ Richter)

Động đất max (độ Richter)

1 Sơn La 6,8 16 Sông Mã - Fumâytun 6,5

2 Đông Triều 6,0 17 Sông Hồng - Sông Chảy 6,0

3 Sông Cả - Khe Bố 6,0 18 Rào Nạy 5,5

4 Cao Bằng - Tiên Yên 5,5 19 Đông Bắc Trũng Hà Nội 5,5

6 Phong Thổ - Than Uyên

Mường La - Chợ Bờ 5,5 21 Sông Đà 5,5

7 Mường Nhé 5,5 22 Hạ lưu sông Mã 5,5

8 Sông Hiếu 5,5 23 Khe Giữa - Vĩnh Linh 5,5

10 Đà Nẵng 5,5 25 Tam Kỳ - Phước Sơn 5,5

12 Ba Tơ - Củng Sơn 5,5 27 Kinh tuyến 109,5 5,5

13 Tuy Hòa - Củ Chi 5,5 28 Thuận Hải - Minh Hải 5,5

14 Vũng Tàu - Tôn Lê Sáp 5,5 29 Sông Hậu 5,5

* Ghi chú: Động đất max (cực đại) là động đất lớn nhất có thể xảy ra

(Nguồn:

http://www.vncold.vn/Modules/CMS/Upload/10/TuLieu/150817/DongDatvn.pdf)

1.3 Ảnh hưởng của động đất đến đập đất

Khi động đất xảy ra xuất hiện các dịch chuyển từ một điểm nhất định và lan truyền nhanh chóng theo chiều dài đứt gãy dưới dạng sóng địa chấn Dưới ảnh hưởng của sóng địa chấn có thể làm hư hại công trình do hình thành các ứng xử động đất như: Lực quán tính; sự thay đổi các tính chất cơ lý của các khối đất đá, hóa lỏng, sự chuyển

vị do đứt gãy, trượt đất, sự hình thành các sóng nước lớn trong hồ chứa nước

Do đập đất là một loại đập xây dựng bằng các loại vật liệu đất như: Á sét, sét, á cát, đất lẫn cuội sỏi, trên nền đất hay nền đá Do đó, khi xảy ra động đất có thể gây

hư hỏng đập dưới các dạng như sau:

- Nhất thời làm tăng các lực đứng và lực ngang làm cản trở sự ổn định của các hạt đất hay làm dịch chuyển cấu trúc đất gây nên sụt, lở, lún, nứt, gãy, trượt mái đập đất, vỡ đập do sóng nước tràn qua thân đập,

- Do sự rung lắc mà cấu trúc hạt đất bị sắp xếp lại chặt hơn dẫn đến hiện tượng

cố kết đất khô và đất bão hòa làm cho ứng suất trong thân đập thay đổi gây ra lún thân

và nền đập không đều

- Đối với cát bão hòa, do sự rung động mà áp lực kẽ rỗng có thể tăng lên, tại những nơi có áp lực đất bị kiềm chế có thể gây ra hiện tượng hóa dẻo hay hóa lỏng tạm thời Đây là một hiện tượng nguy hiểm vì nó gây giảm hay mất khả năng chống cắt của đất; do đó, nó có thể gây trượt mái đê, mái đập đất,

- Hình thành sóng nước lớn trong hồ, tác động trực tiếp vào mái thượng lưu đập gây mất ổn định đập và có nguy cơ xảy ra vỡ đập (động đất mạnh) Chẳng hạn trận động đất năm 2011 có cường độ 9.0 độ Richter xảy ra tại Tohoku, quận Fukushima, Nhật Bản gây vỡ đập đất Fujinuma (Hình 1.8)

Hình 1.8 Vỡ đập đất Fujinuma

(Nguồn: http://www.vncold.vn/En/Web/Content.aspx?distid=590)

1.4 Tổng quan về các nghiên cứu ảnh hưởng của động đất đến đập đất và các mô hình tính toán

1.4.1 Tổng quan về các nghiên cứu ảnh hưởng của động đất đến đập đất

Nghiên cứu ảnh hưởng của động đất đến đập đất là một trong những lĩnh vực nghiên cứu quan trọng liên quan đến việc tính toán thiết kế ổn định công trình, thiết kế kháng chấn cũng như giảm thiểu tối đa những thiệt hại do động đất gây ra Tuy nhiên, không chỉ riêng ở Việt Nam mà nhiều quốc gia trên thế giới vẫn chưa có cái nhìn đầy

đủ cũng như việc triển khai các nghiên cứu thiết thực nhất để có thể đánh giá đúng tầm quan trọng do động đất gây ra đến cuộc sống con người trên toàn thế giới

Báo cáo về thiết kế kháng chấn cho công trình đập đất của H Bolton Seed, Professor of Civil Engineering, University of California, Berkeley CA (“Earthquake-Resistant design of Earth Dams”) đã chỉ ra được một số ảnh hưởng quan trọng do động đất tác dụng lên các công trình đập như sự rung lắc gây ra bởi động đất tạo nên một áp lực lớn là áp lực nước lỗ rỗng trong thân và nền đập Bên cạnh đó, hiện tượng hóa lỏng còn gây ra một mặt trượt lớn tại con đập San Fernando sau ảnh hưởng của trận động đất Điều đó cho thấy sự thay đổi cấu trúc hạt đất liên quan đến sự mất sức chống cắt tạm thời và gia tăng áp lực nước lỗ rỗng Một nghiên cứu khác cũng đề cập đến ổn định công trình đập đất trên tầng có thể hóa lỏng hoặc mất đi sức chịu cắt của nó, đồng thời đánh giá thêm yếu tố tràn do sóng gây ra trên mái đập khi có động đất; hiện tượng này xảy ra tại con đập của hồ chứa nước Vaiont ở Ý (bản thân đập không bị phá vỡ về mặt cấu trúc) trong báo cáo khoa học mang tên “Effects of Earthquakes on Dams and Embankments” của N.M Newmark, D Sc, Ph D, M.S., M.I.C.E* liên quan đến ảnh hưởng của động đất lên đập và kè; nghiên cứu của Kramer, S.L., 1996 đề cập đến đặc điểm diễn biến động đất, các khái niệm động đất liên quan như hóa lỏng nền, ổn định, trượt mái,… đồng thời đề xuất, giới thiệu các lý thuyết tính toán kháng chấn cho công trình Các nghiên cứu nêu trên chủ yếu tập trung phân tích một số ảnh hưởng, hiện tượng động đất liên quan như hiện tượng hóa mềm, hóa lỏng, hiện tượng mất sức chống cắt tạm thời, trượt mái,… từ đó xây dựng lên các đánh giá, các lý thuyết tính toán kháng chấn cơ bản cho công trình

Một trong những nguyên nhân nguy hiểm trực tiếp ảnh hưởng đến sự phá vỡ kết cấu của đập, làm thay đổi tính chất cơ lý của đất là hiện tượng hóa lỏng nền Kể từ sau trận động đất Niigata (Nhật Bản năm 1964) và Alaska (Mỹ), người ta đã thấy rõ nhu cầu khẩn cấp đối với các phương pháp phân tích hóa lỏng do địa chấn Các tiến bộ nhanh chóng được thiết lập vào những năm 1960 về sự phát triển của các phương pháp ước tính ứng xử động của đập, nền và tiềm năng hóa lỏng của đất Những nghiên cứu

về hóa lỏng trên thế giới chủ yếu tập trung vào các vấn đề như:

- 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: Dự đoán biên độ, gia tốc 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

Ở Việt Nam, nhóm nghiên cứu do PGS.TS Nguyễn Hồng Nam, Trường Đại học Thủy lợi đứng đầu đã tiến hành thực hiện đề tài: “Nghiên cứu khả năng hóa lỏng của đê đập bằng vật liệu địa phương chịu tải trọng động đất và giải pháp ổn định công trình” và đã tạo ra một số chuyển biến đáng kể về nhận thức và công nghệ trong các lĩnh vực thiết kế kháng chấn với các quy trình đánh giá hóa lỏng, giải pháp thiết kế chống hóa lỏng cho các công trình quan trọng trong khu vực chịu ảnh hưởng của động đất mạnh; xây dựng các chính sách đối phó với những kịch bản xấu do hóa lỏng khi có động đất mạnh xảy ra Sau hơn 2 năm thực hiện (4/2013 - 12/2015), nhóm nghiên cứu

đã thu được nhiều kết quả quan trọng Bên cạnh đó, một số nghiên cứu cũng đã được bắt đầu tiến hành nhằm xây dựng bản đồ phân vùng động đất phục vụ cho việc quy hoạch, xây dựng trên các địa bàn Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh, khu công nghiệp Dung Quất (Quảng Ngãi) Nhóm nghiên cứu khoa Kỹ thuật Địa chất và Dầu khí (Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh) cũng thực hiện nghiên cứu, đánh giá khả năng kháng hóa lỏng đất nền tại phường Tân Thuận Đông, quận 7, thành phố Hồ Chí Minh

Từ những đánh giá ấy có thể thấy được đây là một vấn đề hết sức cấp thiết và quan trọng trong tính toán thiết kế kháng chấn nhằm đảm bảo ổn định công trình cũng như giảm thiểu thiệt hại về con người và kinh tế

Như đã nêu trên, việc nghiên cứu ảnh hưởng của động đất đến hệ số ổn định, khả năng hóa lỏng nền, biến dạng, xói ngầm trong thiết kế đập đất là một vấn đề hết sức quan trọng và cần thiết Tuy nhiên, trong lĩnh vực xây dựng công trình Thủy lợi - Thủy điện ở nước ta hiện nay thì vấn đề nghiên cứu ảnh hưởng của động đất đến công trình dường như chưa được quan tâm đúng mức Ngay đập Thủy điện Thượng Kon Tum là một trong những đập đất lớn nhất ở Việt Nam (chiều cao đập lớn nhất 75m) thì việc tính toán ảnh hưởng động đất đến công trình cũng chưa được nghiên cứu, tính toán và áp dụng Nếu có kể đến động đất trong tính toán thiết kế, ở nước ta hiện nay, người ta thường dùng phương pháp tĩnh lực dựa trên phần mềm tính toán SLOPE/W

để xét ảnh hưởng của lực quán tính ngang theo phương pháp cân bằng giới hạn có thể Theo phương pháp này thì để tính động đất chỉ cần nhập vào hệ số động đất tùy theo cấp động đất và cấp công trình Ưu điểm của phương pháp này là tính toán đơn giản nhưng có nhược điểm là không phản ánh đúng thực tế tác động của động đất đến công trình; để khắc phục nhược điểm này, người ta sử dụng phương pháp tính toán động lực

1.4.2 Tổng quan về các mô hình tính toán động đất cho đập đất

Dựa trên nền tảng là các lý thuyết tính toán thiết kế kháng chấn cho công trình,

hệ thống các modun, phần mềm tính toán đã được xây dựng nhằm hỗ trợ thiết kế trong

mô phỏng, dự báo và đánh giá khả năng của công trình trên những điều kiện bất lợi nhất

FLAC là một ví dụ được phát triển chủ yếu cho các ứng dụng liên quan đến các

vấn đề về địa kỹ thuật, là một sản phẩm do “An Itasca International Company” sáng

lập, được xây dựng trên một hệ thống đầy đủ các phương trình chuyển động (bao gồm

cả lực quán tính); cho phép phân tích, đánh giá sự thất bại và sụp đổ, các hiện tượng đặc biệt quan trọng đối với thiết kế mỏ và các công trình địa kỹ thuật khác như đập đất,…

Hay là phân tích, tính toán mô hình tải động sử dụng 2 modun cơ bản là 2D Dynamics và 3D Dynamics dựa trên tính toán theo phương pháp phần tử hữu hạn bổ trợ cho phần mềm PLAXIS 2D, 3D Khi mô hình hóa phản ứng động của một cấu trúc

đất, quán tính và thời gian của tải trọng được xem xét Các ứng xử phụ thuộc thời gian của tải có thể được chỉ định thông qua các hệ số điều hòa, tuyến tính hoặc bảng Thông qua dữ liệu bảng đầu vào, người dùng có thể thiết lập các tín hiệu động đất thực để thực hiện thiết kế kháng chấn có ý nghĩa; ví dụ như các cầu cảng hoặc nền móng, các công trình đập Các hệ số động có thể được gán độc lập theo các hướng x, y hoặc z

Một phát triển khác được xây dựng do Martin HUDSON, I.M IDRISS, Mohsen

BEIKAE thiết lập tại The National science Foundation Washington, D.C có tên là QUAD4M – Một chương trình máy tính để đánh giá những phản ứng địa chấn trong

cấu trúc đất đá sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn kết hợp với các phương trình cơ bản

Bên cạnh đó, chúng ta không thể không đề cập đến bộ phần mềm tích hợp GeoStudio trong tính toán thiết kế ổn định độ dốc, biến dạng mặt đất, nhiệt và thay đổi khối lượng trong đất đá; được xây dựng trên 7 module cơ bản: Slope/W, Seep/W, Sigma/W, Quake/W, Temp/W, Ctran/W và Air/W Hiện nay, GeoStudio được sử dụng tại hơn 100 quốc gia với nhiều tính năng ưu việt trong tính toán, giải quyết gần như bất

kỳ các vấn đề về địa kỹ thuật Đây cũng chính là lý do mà tác giả kiến nghị lựa chọn

bộ phần mềm này trong tính toán, đánh giá ứng xử đập đất của công trình thủy điện thượng Kon Tum Bộ phần mềm này có khá nhiều tính năng cơ bản có thể kể đến như sau:

- Kết hợp các phân tích (modun) trong một dự án duy nhất: Đơn giản hơn, dễ quản lý hơn;

- Môi trường làm việc đa khung nhìn: Cho phép xem thông tin trong nhiều chế

độ, đảm bảo truy cập nhanh chóng dữ liệu cần;

- Xác định hình học bằng cách sử dụng công cụ vẽ hay tích hợp với AutoCad;

- Áp dụng miền vật liệu cho mỗi phân tích: Cho phép mô hình hóa các vật liệu khác nhau trong các phân tích khác nhau;

- Đánh giá kết quả với đồ họa mạnh mẽ, hình ảnh hóa và quản lý dữ liệu; và còn nhiều tính năng ưu việt khác…

1.5 Kết luận

Tính ổn định và tính thấm qua thân đập và nền đập đất nói chung và tính ổn định đập đất nói riêng là yêu cầu quan trọng nhất trong thiết kế đập đất Một trong những vấn đề khó khăn nhất khi tính toán ổn định đập đất là có xét đến động đất Động đất có thể trực tiếp phá hỏng kết cấu và gây mất ổn định tổng thể công trình hồ chứa nước nói chung và đập đất nói riêng (động đất mạnh) hoặc gây ra những bất lợi mà từ

đó làm mất ổn định công trình một cách từ từ theo thời gian

Khi xảy ra động đất, đập đất và nền đập có thể bị hiện tượng hóa mềm, hóa lỏng làm thay đổi tính chất cơ lý của đất, dẫn đến ảnh hưởng đến ổn định tổng thể công trình hồ chứa nước

Qua nghiên cứu tổng quan ảnh hưởng của động đất đến đập đất nêu trên, nhận thấy khi có động đất xảy ra, nó sẽ gây ảnh hưởng rất xấu đến sự làm việc bình thường của đập đất, có thể gây vỡ đập Tuy nhiên, trong quá trình khảo sát - thiết kế nếu quan tâm nghiên cứu đúng mức về dự báo động đất, có thiết kế kháng chấn phù hợp thì đập đất có thể đảm bảo an toàn khi có động đất xảy ra Do đó, việc đánh giá ổn định của đập đất do động đất gây ra có ý nghĩa hết sức quan trọng trong việc đề xuất các phương án thiết kế kháng chấn phù hợp Vì vậy, đề tài luận văn nghiên cứu tính toán ứng xử của đập đất do tải trọng động đất - Áp dụng cho đập đất của Thủy điện Thượng Kon Tum là một vấn đề rất thiết thực và có ý nghĩa thực tiễn

là dao động)

Tác dụng của động đất lên công trình được hiểu là sự chuyển động kéo theo của công trình khi mặt đất chuyển động hỗn loạn theo thời gian Khi công trình chuyển động sẽ xuất hiện lực quán tính mà người ta gọi là lực động đất Khi có động đất tác dụng, công trình sẽ xuất hiện các ứng xử động lực (gọi tắt là ứng xử) như: Chuyển vị, ứng suất, biến dạng, vận tốc, gia tốc,

Đánh giá một cách chính xác ứng xử của công trình dưới tác dụng của động đất

là một công việc hết sức phức tạp vì có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến nó Ngoài các yếu tố ghi trên bản đồ địa chấn, cần phải kể đến độ sâu chấn tiêu, khoảng cách chấn tâm (khoảng cách chấn tiêu), loại vật liệu xây dựng, hình thức và kết cấu công trình, quy mô và tầm quan trọng của công trình, kỹ thuật thi công và hàng loạt các yếu tố ngẫu nhiên khác Đến nay, các tiêu chuẩn kháng chấn trên thế giới, người ta mới đề cập đến một số yếu tố kể trên, trong đó lại có một số tham số chỉ mới được quan tâm

và đang sử dụng hai phương pháp tính toán cơ bản, đó là: Phương pháp tính toán tĩnh

Trong đó: Q - Trọng lượng toàn bộ công trình

Lý luận tương tự như trên, lực động đất tác dụng lên bộ phận thứ k có trọng lượng Qk được tính theo công thức:

Fk = Ks.Qk

Hệ số động đất Ks được xác định trên cơ sở thực nghiệm, nó biến đổi theo mức

độ tích lũy của các số liệu quan sát được sau các trận động đất mạnh và phụ thuộc vào các dạng kết cấu của công trình như: Đập, tháp, khung, tường,

- Ưu điểm: Tính toán đơn giản, có thể áp dụng xác định lực động đất cho các công trình có hình dạng bất kỳ

- Nhược điểm: Lý thuyết của phương pháp này không chú ý đến biến dạng của công trình, xem xét các dao động của mọi điểm trên công trình như nhau, đặc biệt không phản ảnh được trạng thái chịu lực thực sự của công trình khi xảy ra động đất

Do vậy, vào những năm 40 của thế kỷ XX, phương pháp tính toán tĩnh đã nhanh chóng nhường chỗ cho phương pháp tính toán động, trong đó có xem xét đến tính chất đàn hồi của vật liệu khi chịu tải trọng động đất

2.2.2 Phương pháp tính toán động

Nội dung cơ bản của phương pháp động lực trong bài toán kháng chấn là xem công trình như một hệ cơ học có số hữu hạn hay vô số bậc tự do bị di chuyển theo nền đất xo(t), các tính chất cơ lý của công trình được biểu diễn qua độ cứng K và hệ số cản

C của từng bộ phận riêng rẽ Sau đó mô hình hóa kết cấu công trình chịu tác dụng động đất bằng hệ phương trình vi phân toán học, kết quả sẽ tìm được ứng xử của công trình Tuy nhiên, trong hệ phương trình toán học vừa mới xây dựng có tồn tại hàm số đặc biệt của nền đất mà cho đến nay chưa có biểu thức toán học nào biểu diễn được

nó, đó là các hàm:

- Hàm chuyển vị xo(t);

- Hàm gia tốc xo’’(t)

Năm 1935, các nhà khoa học Nhật Bản đã chế tạo thành công máy đo gia tốc

mà nhờ đó người ta mô phỏng các hàm chuyển vị xo(t) hoặc hàm gia tốc xo’’(t) Việc

mô phỏng hàm chuyển vị xo(t) hoặc hàm gia tốc xo’’(t) có thể chia làm hai nhóm:

- Nhóm phương pháp tiền định: Thường mô tả các hàm chuyển vị xo(t) hoặc hàm gia tốc xo’’(t) theo quy luật điều hòa hình sin

- Nhóm phương pháp ngẫu nhiên: Giả thiết các hàm chuyển vị xo(t) hoặc hàm gia tốc xo’’(t) là quá trình ngẫu nhiên

Về lý thuyết, phương pháp tính toán động lực tuy có chia thành nhiều nhóm khác nhau, nhưng khi ứng dụng xây dựng tiêu chuẩn kháng chấn các nước đều lấy giá trị cực đại các hàm chuyển vị xo(t) hoặc hàm gia tốc xo’’(t) của các ứng xử để thiết kế công trình Tuy nhiên, trong các quy trình mới nhất gần đây, khi chỉ dẫn phương pháp phân tích động đất cho các công trình đặc biệt quan trọng người ta đã xem xét đến quá trình biến thiên của các hàm chuyển vị xo(t) và hàm gia tốc xo’’(t) Trong tính toán động gồm có các phương pháp như sau:

2.2.2.1 Phương pháp giải tích

Với phương pháp giải tích, ta đưa ra một mô hình toán cho công trình Dựa vào các phương pháp cơ học của môi trường liên tục hoặc rời rạc, từ đó thiết lập được các hàm giải tích biểu thị quan hệ giữa dao động của nền đất trong động đất và dao động của công trình Trong các hàm giải tích, người ta đưa yếu tố thời gian vào dao động của động đất Từ phương trình vi phân có thể xác định được chuyển vị, vận tốc và gia tốc Các lực động đất được xác định bằng tích khối lượng của hệ với gia tốc tương ứng của chúng Do thiếu các số liệu chính xác, nên phương pháp này chỉ là gần đúng

Các giá trị tuyệt đối của chuyển vị tương đối, vận tốc tương đối và gia tốc tương đối được biểu diễn bằng giá trị cực đại của các hàm trên gọi là các phổ ứng xử của công trình ứng với một trận động đất đã cho (gọi tắt là phổ ứng xử động đất)

Nội dung của phương pháp phổ là: Xác định gia tốc, vận tốc và chuyển vị cực đại của các dao động đó Ở phương pháp này, người ta sử dụng sự tương tự giữa hệ dao động phức tạp với hệ có một bậc tự do Sự gây ứng xử của các kết cấu do tác động của động đất được nghiên cứu bằng các hệ như sau:

- Hệ có một bậc tự do với một chu kỳ dao động riêng khác nhau;

- Hệ có n bậc tự do với n chu kỳ dao động riêng khác nhau;

- Hệ có vô số bậc tự do với vô số chu kỳ dao động riêng khác nhau

Phương pháp tính theo đường cong phổ đã được ứng dụng rộng rãi trong các tiêu chuẩn, quy phạm của nhiều nước để xác định được các lực động đất

* Phổ ứng xử của công trình có một bậc tự do:

Mô tả công trình có một bậc tự do bằng một thanh đàn hồi một đầu ngàm vào nền đất và một đầu tự do có gắn khối lượng m (Hình 2.1a)

Khi động đất xảy ra, được biểu diễn bằng hàm gia tốc xo’’(t) của nền đất, khối lượng m chỉ di chuyển tịnh tiến ngang và thanh đứng chỉ chịu uốn Khi khối lượng m

di chuyển tương đối x(t) thì phương trình dao động của công trình là:

m[xo’’(t) + x’’(t)] + cx’(t) + kx(t) = 0 (2.1) hay: mx’’(t) + cx’(t) + kx(t) = -mxo’’(t) (2.2) Trong đó:

m[xo’’(t) + x’’(t)] – Lực quán tính của khối lượng m;

c – Hệ số cản nhớt của thanh đàn hồi nó đặc trưng cho phần tiêu hao và phân tán năng lượng; cx’(t) – Lực cản nhớt;

k – Hệ số cứng của thanh đàn hồi; kx(t) – Lực đàn hồi;

mxo’’(t) – Ở vế phải của phương trình (2.2) đóng vai trò lực kích động cung cấp năng lượng cho công trình

Nếu đặt:  = k/m và 2β = c/m thì phương trình (2.2) trở thành:

x’’(t) + 2βx’(t) + 2

x(t) = -xo’’(t) (2.3) Giải phương trình (2.3), phân tích và chọn nghiệm ta được:

Nó biểu diễn chuyển vị cưỡng bức tương đối của khối lượng m so với nền đất Đạo hàm liên tiếp phương trình (2.4) theo thời gian sẽ thu được vận tốc tương đối và gia tốc tuyệt đối của khối lượng m

Các biểu thức (2.4), (2.5) và (2.6) đặc trưng cho ứng xử công trình một bậc tự

do chịu tác dụng động đất thông qua xo’’(t) của nền đất Các giá trị tuyệt đối lớn nhất của chuyển vị tương đối, vận tốc tương đối và gia tốc tuyệt đối được biểu diễn bằng các giá trị cực đại của các phương trình (2.4), (2.5) và (2.6) và được gọi là phổ ứng xử của công trình một bậc tự do ứng với một trận động đất đã cho (gọi tắt là phổ ứng xử động đất hay phổ động đất)

Phổ các chuyển vị tương đối : Sd = x(t)max (2.7) Phổ các vận tốc tương đối : Sv = x’(t)max (2.8) Phổ các gia tốc tuyệt đối : Sa = x’’(t)max (2.9) Lực động đất tác dụng lên công trình: Fmax = n.Sa = m..Sv = m.(2π/T).Sv

Hình 2.1 Sơ đồ tính - Phương pháp phổ ứng xử có một bậc tự do và n bậc tự do

* Phổ ứng xử của công trình có n bậc tự do:

Để xác định ứng xử động lực của công trình có nhiều bậc tự do chịu tác dụng động đất, ta đưa chúng về hệ có hữu hạn bậc tự do

Một công trình có thể chuyển về hệ dao động có hữu hạn bậc tự do khi khối lượng của nó có thể tập trung tại một số tiết diện nhất định mà không ảnh hưởng lớn đến tính chất làm việc so với hệ thực

Mô tả công trình có n bậc tự do bằng một thanh đàn hồi một đầu ngàm vào nền đất và một đầu tự do, trên thanh có gắn các khối lượng mj (j = 1, 2, n) (Hình 2.1b) Khi động đất xảy ra, được biểu diễn bằng hàm gia tốc xo’’(t) của nền đất, khối lượng

m chỉ di chuyển tịnh tiến ngang và thanh đứng chỉ chịu uốn

Dưới tác dụng của động đất, móng của công trình (được giả thiết là tuyệt đối cứng) chịu một di chuyển tịnh tiến ngang xo(t) cùng với nền đất Kết quả tại mỗi điểm khối lượng mk sẽ thực hiện chuyển vị theo xo(t) cùng với nền đất và chuyển vị tương đối xk(t) so với móng

Chuyển vị tuyệt đối của khối lượng mk sẽ bằng xo(t) + xk(t)

Lực quán tính tác dụng lên khối lượng mk bằng:

Fkq = -mk[xo’’(t) + xk’’(t)] (2.10) Ngoại lực quán tính, trên mk còn có lực đàn hồi và lực cản nhớt Nó chỉ phụ thuộc vào chuyển vị tương đối và vận tốc tương đối

Áp dụng nguyên lý Đalămbe cho mỗi khối lượng bằng cách viết phương trình cân bằng động lực sẽ thu được phương trình vi phân biểu diễn dao động của khối lượng mk dưới tác dụng của động đất:

Hệ phương trình (2.12) được biểu diễn dưới dạng ma trận:

[M]X’’ + [C]X’ + [K]X = xo’’(t)[M]I (2.13) Trong đó:

* Phổ ứng xử của công trình có vô hạn bậc tự do:

Đối với các công trình kết cấu chịu lực, việc chuyển chúng về hệ dao động n bậc tự do là khá hợp lý Tuy nhiên trong thực tế, có nhiều công trình có hệ kết cấu bản hay tường chịu lực, trong những trường hợp như vậy, việc nghiên cứu ứng xử của công trình dưới tác dụng của động đất bằng n bậc tự do như trên sẽ đưa tới các sai số khá lớn Để tăng tính chính xác trong bài toán kháng chấn, người ta đưa các công trình

có bản hay tường chịu lực về hệ dao động có vô hạn bậc tự do Đã có nhiều cách giải bài toán này nhưng trong công trình thủy lợi hầu như không áp dụng, vì vậy trong luận văn này không đề cập đến

2.2.2.3 Phương pháp phân tích theo lịch sử thời gian

Nội dung cơ bản của phương pháp phân tích theo thời gian là: Do hàm xo’’(t) biến thiên theo thời gian, nên có thể dùng phương pháp sai phân để giải phương trình (2.3) Trình tự giải như sau: Xét các chuyển vị tương đối x(n-1), xn và x(n+1) tại ba thời điểm liên tiếp tn-1, tn và tn+1 như sơ đồ (Hình 2.2)

Hình 2.2 Sơ đồ tính - Phương pháp phân tích theo lịch sử thời gian

- Các chuyển vị tương đối x(n-1), xn và x(n+1) được xác định theo công thức truy hoàn:

Để xác định ứng xử của công trình theo phương pháp phân tích theo lịch sử thời gian cần có số liệu quan trắc địa chấn, đặc biệt là phải có biểu đồ gia tốc của một trận động đất điển hình để xác định xo(n) tại thời điểm tn Đây là một khó khăn vì nhiều nước trong đó có Việt Nam chưa có biểu đồ gia tốc xo’’(n)

(t) Mặt khác, trong thực tế không phải lúc nào cũng cần đến lịch sử ứng xử theo thời gian; thông thường để thiết

kế các công trình trong vùng động đất người ta chỉ cần giá trị cực đại của chúng là đủ Đối với một công trình được giả thiết tính toán trong miền đàn hồi, phương pháp phổ ứng xử và giá trị cực đại của phương pháp phân tích theo lịch sử thời gian đều cho kết quả giống nhau

Để tăng độ chính xác của bài toán kháng chấn và thấy rõ sự thay đổi của ứng xử công trình chịu tác động củađộng đất, năm 1975 Clough và Peutien đã xây dựng mô

hình toán làm việc trong miền không đàn hồi Áp dụng phương pháp phân tích theo lịch sử thời gian cho mô hình mới này, chúng ta thấy rõ chuyển vị, ứng suất, lực cắt đều biến đổi theo thời gian

2.2.2.4 Phương pháp tải trọng ngang thay thế

Phương pháp tải trọng ngang thay thế hay phương pháp tĩnh học tương đương dựa trên nguyên tắc cơ bản: Các lực động đất thực sự tác dụng lên công trình khi có động đất được thay thế bằng các lực tĩnh ảo có hiệu ứng tương đương Các lực tĩnh tương đương có thể được đánh giá theo nguyên tắc gián tiếp hay trực tiếp

- Nguyên tắc gián tiếp (Đánh giá lực cắt ở chân công trình):

Một cách tổng quát, lực cắt cực đại ở chân công trình trong dạng dao động chính thứ i được xác định theo công thức:

Trong đó:

Q – Tổ hợp các tải trọng thường xuyên, hoạt tải ngắn hạn và dài hạn

Ci – Hệ số động đất gián tiếp trong dạng dao động chính thứ i, nó phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như:

+ Cường độ và tần suất hoạt động động đất tại địa điểm xây dựng;

+ Cấu tạo địa chất của nền đất đặt công trình;

+ Chu kỳ trồi của nền đất; Loại móng sử dụng;

+ Loại kết cấu chịu lực và tính chất cơ lý của vật liệu xây dựng;

+ Độ lớn và sự phân bố khối lượng của công trình;

+ Sự phân bố độ cứng ngang của công trình;

+ Chu kỳ dao động riêng của công trình;

+ Khả năng phân tán năng lượng và biến dạng của kết cấu;

+ Tính dẻo của cấu kiện chịu lực;

+ Sự tác dụng tương hỗ giữa nền đất và công trình

Việc thiết lập một lý thuyết tổng quát để xây dựng hệ số Ci khi có xét đến ảnh hưởng của tất cả các yếu tố trên là một việc cho đến nay vẫn chưa thực hiện Do đó, dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm kết hợp với kết quả quan sát thực tế sau các trận động đất mạnh, người ta tìm cách đánh giá một cách định lượng và định tính các yếu tố cơ bản có ảnh hưởng đến hệ số động đất gián tiếp Ci

Lực động đất tác dụng lên bộ phận thứ k trong dạng dao động chính thứ i của công trình được xác định qua Fi nhờ hệ số phân phối Pki

Tải trọng động đất tác dụng trực tiếp lên bộ phận thứ k (k = 1,2, n) trong dạng dao động chính thứ i (i = 1, 2, n):

Phương trình chuyển động của hệ nhiều bậc tự do ở dạng ma trận:

[M]X’’ + [C]X’ + [K]X = - [M]pa(t) (2.19) Trong đó:

p – Các thành phần véc tơ của dao động do gia tốc của quả đất gây ra; a(t) – Gia tốc của quả đất

2.2.2.6 Phương pháp ngẫu nhiên

Trong những năm gần đây, người ta dùng phương pháp ngẫu nhiên là một phương pháp hiện đại, đặt vấn đề ngẫu nhiên bài toán động lực kháng chấn, cho phép suy nghĩ theo một cách mới trước một vài khía cạnh của vấn đề kháng chấn và đánh giá được phương án tính toán

Đặc tính của các trận động đất đặt ra vấn đề phải chú ý đến hàng loạt yếu tố có tính chất ngẫu nhiên của thiên nhiên

Ở phương pháp này, người ta nghiên cứu các hệ kết cấu chịu tác động của động đất Vật liệu trong kết cấu và động đất được xem là các yếu tố ngẫu nhiên thay đổi theo thời gian

Dao động của nền đất ở vùng có động đất phụ thuộc vào hàng loạt các yếu tố ngẫu nhiên như tính chất của quá trình ở chấn tiêu, khoảng cách đến chấn tâm Trận động đất này khác với trận động đất tiếp sau Điều đó dẫn đến ý định ứng dụng các phương pháp thống kê và lý thuyết xác suất khi xác định tác động của động đất

Khó khăn khi áp dụng phương pháp này là ở chỗ các trận động đất mạnh ở mỗi điểm khác nhau lặp lại thưa thớt trong số ít các biểu đồ gia tốc ghi được của nền đất đặc biệt là các điều kiện như nhau đối với khoảng cách chấn tâm, đặc tính địa chất công trình và địa chất thủy văn Các đặc tính xác suất của động đất còn được nghiên cứu ít và chưa đủ tin cậy Để phân tích ảnh hưởng của động đất đến đập đất, ở đây tác giả dùng phương pháp động lực

2.3 Hiện tƣợng hóa lỏng do động đất

2.3.1 Giới thiệu chung

Hóa lỏng được hiểu là kết quả của sự gia tăng áp lực lỗ rỗng xảy ra trong các hạt mịn dưới tác động của tải trọng tức thời, thường do động đất Hiện tượng này liên quan đến biến dạng của đất nền không dính - bão hòa nước, chịu tác động của tải trọng tĩnh, động hoặc sự xáo trộn lặp lại trong điều kiện không thoát nước Dấu hiệu nhận biết hóa lỏng là sự giảm sức chống cắt và/hoặc độ cứng tạm thời, gia tăng áp lực nước

lỗ rỗng trong các vật liệu rời - bão hòa nước, đến mức làm tăng đáng kể biến dạng lâu dài của đất, hoặc dẫn tới điều kiện ứng suất hữu hiệu của đất gần bằng 0 [7]

Khi động đất xảy ra, chấn động mạnh trong 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 giữa các hạt đất với nhau Do ma sát giữa các hạt đất giảm đột ngột nên đất mất (giảm) đi sự liên kết và hoạt động như một chất lỏng nhớt Khi đó, nước trào ngược lên trên cùng với bùn và cát mịn; cát hạt thô

và đá nặng hơn nên lún xuống, khiến bề mặt đất dịch chuyển (Hình 2.3)

Kết cấu đất thường Kết cấu đất hóa lỏng

Ghi chú:

- Chiều cao cột màu xanh bên phải chỉ áp lực nước trong đất

- Chiều dài mũi tên chỉ độ lớn của lực liên kết giữa các hạt đất Khi áp lực nước tăng thì lực liên kết giữa các hạt đất giảm

Hình 2.3 Đất hóa lỏng

(Nguồn: http://www.cesti.vn/suoi-nguon-tri-thuc/dat-hoa-long.html)

Tuy nhiên, không phải cứ có động đất là đất hóa lỏng; hiện tượng này còn phụ thuộc vào các 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