Bài giảng Địa chất công trình: Chương 3 - Dr.-Ing. Nguyễn Quang Tuấn

Bài giảng Địa chất công trình: Chương 3.1 Kiến tạo và cấu trúc địa chất cung cấp cho người học những kiến thức như: Cấu trúc quả đất và thuyết kiến tạo mảng; Chuyển động uốn nếp và cấu tạo nếp uốn; Các yếu tố hình học của nếp uốn. Mời các bạn cùng tham khảo!

1

Bài giảng môn học Địa chất công trình

Chương 3

CÁC HIỆN TƯỢNG ĐỊA CHẤT NỘI SINH

Trường Đại học Thủy lợi

Bộ môn Địa kỹ thuật

© Dr.-Ing Nguyễn Quang Tuấn

3.1 KIẾN TẠO VÀ CẤU TRÚC

ĐỊA CHẤT

1 KIẾN TẠO

của vỏ trái đất được sinh ra do nội lực

và phá hủy cấu tạo ban đầu của vỏ trái đất Kiến tạo làm đá bị thay đổi kiến trúc, cấu tạo và thế nằm đồng thời tạo ra các dạng địa hình tương phản

Cấu trúc quả đất và thuyết kiến tạo mảng

Trong tầng mantle luôn có dòng dung nham chuyển động đối lưu  các lục địa trôi dạt Từ

đó sinh ra các chuyển động thứ sinh như thăng trầm, uốn nếp, đứt gãy.

Bản đồ các mảng kiến tạo trên thế giới

(Nguồn: wikipedia)

CÁC CHUYỂN ĐỘNG KIẾN TẠO

1 Chuyển động thăng trầm: chuyển động nâng lên

hạ xuống của vỏ trái đất, thường xảy ra trong phạm vi rộng lớn (lục địa hay một phần lục địa)

2 Chuyển động uốn nếp: hình thành do tác dụng

của lực kéo nén kiến tạo (theo chiều tiếp tuyến với mặt đất), đất đá bị biến dạng từ thế nằm ngang sang nằm nghiêng hoặc bị uốn cong mà vẫn giữ tính liên tục (do tốc độ tác dụng chậm, trong điều kiện nhiệt độ, áp suất cao)

3 Chuyển động nứt gãy: khi lực kiến tạo gây ứng

suất vượt quá độ bền của đất đá làm cho tầng đá

bị nứt nẻ, chuyển dịch và mất tính liên tục

Hai mảng lục địa đối đầu đội nhau gây ra chuyển động thăng trầm

Hội tụ, tách dãn, chuyển dịch ngang

Chuyển động uốn nếp và cấu tạo nếp uốn

Khi bị nén ép bởi áp lực kiến tạo, các tầng đá bị uốn cong

nhưng vẫn giữ tính liên tục  hình thành các nếp uốn

Nếp lồi Nếp lõm

Phức nếp uốn

Lực kiến tạo gây biến vị đất đá

Nguyên nhân làm cho

Biến dạng dẻo

Điểm chảy

Biến dạng

của đá

Cấu trúc nếp uốn

Trước khi bào mòn sau khi bào mòn

Nếp lồi Nếp lõm Nếp lồi Nếp lõm

Lớp đá trẻ Lớp đá

cổ hơn

Nếp lồi

Nếp lồi

Nếp lõm

Phức nếp uốn

Các yếu tố hình học của nếp uốn

Yếu tố của thế nằm đơn nghiêng

Hướng dốc

Mặt phẳng nằm ngang

Góc dốc

 Đường phương: chỉ phương

kéo dài của tầng đất đá

Hướng

b ắc

Khe nứt và đứt gãy

• Hình thành khi đá bị phá hủy, làm đá mất tính liên tục (khi tác dụng của lực kiến tạo vượt

quá giới hạn bền của đá)

• Khe nứt = khe hở trong đá, hình thành khi đá

Các loại khe nứt

 Khe nứt căng (tension joint)

 Khe nứt cắt (shear join)

 Khe nứt tách

◦ Tách phá (strike joint)

◦ Tách chảy (dip joint)

Khe nứt cắt Khe nứt

căng

Một số dạng đứt gãy

Đứt gãy thuận Đứt gãy nghịch

Đứt gãy ngang Đứt gãy nghịch chờm

Đứt gãy thuận

Đứt gãy nghịch

Đứt gãy nghịch chờm

Đứt gãy nghịch chờm là đứt gãy nghịch, mặt đứt gẫy có độ nghiêng nhỏ (<45 o ), các tầng đá 2 phía của đứt gãy trượt chờm lên nhau

Đứt gãy ngang

Đứt gãy xiên

Địa luỹ và địa hào

Địa lũy và địa hào là các dải địa hình nằm giữa các đứt gãy, được hình thành do hoạt động kiến tạo Địa lũy là dải địa hình nhô lên, tạo thành các dãy núi cao, địa hào là dải địa hình bị hạ thấp, tạo thành các thung lũng

Địa lũy Địa hào Địa lũy Địa hào

Địa lũy

Đứt gãy - Các yếu tố đặc trưng cho đứt gãy

Đới phá hủy kiến tạo : tại khu vực lân cận các đứt gẫy, đá

thường bị nứt nẻ mạnh, được đới phá hủy kiến tạo Đới phá hủy kiến tạo thường gây các khó khăn khi xây dựng công trình: đá yếu, thường bị phong hóa mạnh và tính thấm lớn

2 Cấu trúc địa chất

• Cấu trúc địa chất của một khu vực là sự phân bố của các thành phần của cấu trúc trong không gian Nói cách khác,

cấu trúc địa chất là sự phân bố đất đá trong không gian

• Các thành phần của cấu trúc địa chất bao gồm các lớp trầm tích, các nếp uốn, các thể đá mắc ma, các thể đá biến chất, các khe nứt, đứt gãy kiến tạo

• Cấu trúc địa chất được thể hiện cụ thể thông qua các mặt cắt địa chất, các mô hình 3 chiều

• Thông tin về cấu trúc địa chất của một vùng là cơ sở để thiết kế, xây dựng công trình hợp lý trong vùng đó

Câu hỏi ôn tập

1 Định nghĩa chuyển động kiến tạo? Các ảnh

hưởng của hoạt động kiến tạo?

2 Các dạng chuyển động kiến tạo?

3 Sự hình thành cấu tạo nếp uốn? Vẽ hình minh

họa nếp uốn?

4 Phân biệt đứt gãy và khe nứt?

5 Các loại đứt gãy? Vẽ hình minh họa các loại đứt

1

Bài giảng môn học Địa chất công trình

Chương 3

CÁC HIỆN TƯỢNG ĐỊA CHẤT NỘI SINH

Trường Đại học Thủy lợi

Bộ môn Địa kỹ thuật

© Dr.-Ing Nguyễn Quang Tuấn

3.2 ĐỘNG ĐẤT

1 Nguyên nhân động đất

Động đất là sự chấn động của vỏ quả đất, gây ra do

một số nguyên nhân:

 Động đất do chuyển động kiến tạo: các mảng dịch

chuyển đụng vào nhau  giải phóng năng lượng  động đất Đặc điểm: phổ biến, cường độ mạnh, quy mô lớn

 Động đất do núi lửa: do magma, hơi, khí đi lên, bị tắc

lại, có xu hướng được giải phóng  nổ  động đất Đặc điểm: cường độ và phạm vi ảnh hưởng không lớn, xảy ra không nhiều

 Động đất do đất sụt: do sụt các khối đất trên các hang

động, hầm mỏ Đặc điểm: Cường độ nhỏ, ảnh hưởng hẹp

 Động do hoạt động con người: nổ bom, mìn, hồ chứa

 Động đất do va chạm với thiên thạch

Hậu quả của động đất

a. Tác động trực tiếp làm sập công trình gây

e. Gây sóng trong hồ chứa làm vỡ đập;

f. Gây ra sóng thần ngoài biển

Làm sập công trình: San Francisco 1906, CA 7.8 M,

1500 Deaths

Làm sập công trình: Japan 2011, hơn 12.000 người chết

Nứt, lún mặt đất

Tr ượt lở do động đất

Tr ượt lở do động đất ở Tứ xuyên 2008

Làm nền cát bị hóa lỏng

Trong động đất Trước động đất

Chấn động làm tăng khoảng trống giữa các hạt, mất liên kết giữa các hạt, đất ứng xử

như chất lỏng

Hóa lỏng

Mạch cát

Cát bị hóa lỏng

Sự hình thành sóng thần

Sóng thần do động đất

22

Động đất do dịch chuyển đứt gãy

 tâm trong, thường cách mặt đất < 20km

 tâm ngoài: là hình chiếu của tâm trong lên mặt đất

 Đứt gãy thường 1- 10km

(Click vào hình để thấy mặt đứt gãy)

Vết đứt gãy Tâm ngoài

Tâm động đất (chấn tiêu)

Mặt đứt gãy

23

Động đất do dịch chuyển đứt gãy

 Chấn tâm (tâm ngoài của động đất)

 Chấn tiêu (tâm trong), chấn tiêu thường cách mặt đất < 20km

 Tia địa chấn: tia lan truyền

sóng từ tâm ra xung quanh

 Cường độ động đất: phản

ánh năng lượng giải thoát

Các loại sóng động đất

◦ Sóng dọc (Primary wave)

◦ Sóng ngang (Secondary wave)

◦ Sóng thứ sinh – sóng bề mặt

Địa chấn kế

Địa chấn ký

X ác định vị trí chấn tiêu

X ác định vị trí chấn tiêu

 Thời gian truyền sóng S: Ts = D/Vs

 Thời gian truyền sóng P: Tp = D/Vp

Ts-Tp= D(Vp-Vs)/(VpVs)

D = VsVp(Ts-Tp)/(Vp-Vs)

Xác định vị trí tâm trấn

Ví dụ:

Kết quả đo động đất cho biểu đồ địa

chấn như hình bên Xác định khoảng

Thời gian trễ giữa sóng S, P

Thời gian, giây

31

© Dr.-Ing Nguyễn Quang Tuấn

Phân bố động đất trên thế giới

2 Độ mạnh động đất và các yếu tố ảnh hưởng

Độ mạnh của một trận động đất được đánh giá bởi:

• Năng lượng giải phóng ở chấn tâm (Energy)

• Cường độ động đất (Magnitude)

• Mức độ phá hoại trên mặt đất (intensity)

Cùng một trận động đất, ở các nơi khác nhau thì mức độ ảnh hưởng của động đất không giống nhau Người ta chia ra:

• Độ mạnh cơ bản

• Độ mạnh thực tế

• Độ mạnh tính toán

lượng được giải phóng

• Cường độ (intensity): đánh giá độ mạnh động đất

thông qua ảnh hưởng và mức độ phá hoại động đất ở một địa phương trên bề mặt đất, như ảnh hưởng đến con người, thú vật, công trình…

Độ mạnh động đất theo Richter

• Xác định dựa trên kết quả đo địa chấn, công thức ban đầu của Richter:

ML = lgA – lgAo

– A: biên độ dao động cực đại (mm)

– Ao: biên độ chuẩn, lấy theo bảng của Richter

• Khi khoảng cách tới tâm chấn D <200 km:

Độ mạnh thực tế

• Độ mạnh thực tế = độ mạnh cơ bản + trị số tăng thêm độ mạnh

– Trị số tăng thêm độ mạnh xét tới ảnh hưởng của điều kiện đất nền, nước ngầm tại vị trí xây dựng công trình

– Trị số tăng thêm B, theo Mevedev (1937)

Ví dụ 1

 Đề bài: Giả sử một trạm đo địa chấn cách

tâm động đất 500 km, ghi được biên độ dịch chuyển lớn nhất 11mm Xác định độ mạnh động đất ML

 Giải:

◦ A=11mm

◦ D=500 km  trong khoảng 200km đến 600km

◦ M L = lg A + 3 lgD − 3,38 = 5,8 (độ Richter)

Cường độ đất (intensity)

 Độ mạnh động đất quan sát được (mức độ phá hoại do động đất tại một vị trí nào đó)

 Phụ thuộc vào:

◦ Độ lớn của của động đất

◦ Khoảng cách tới tâm động đất

◦ Điều kiện địa chất ở nơi quan sát (đất đá, nước

ngầm, địa hình và cấu trúc địa chất)

◦ Đặc điểm công trình

◦ Cảm nhận của người quan sát

 Cùng 1 trận động đất, cấp động đất có thể thay đổi theo địa điểm

 Vd: Cường độ động đất chia theo thang Mecalli hoặc Modified Mercalli

• Độ mạnh cơ bản - Năng lượng động đất

• Fd: Hệ số hiệu chỉnh theo khoảng cách

(Theo Richter và Beno Gutenberg)

Theo Richter

Cách xác định

cường độ động đất

Bài tập:

cho biểu đồ sóng động đất, xác định cường độ của động đất

(dùng biểu đồ hoặc

công thức)

Cường độ động đất theo Richter

(Cường độ địa phương)

• Ví dụ: cho biểu đồ sóng động đất như hình

dưới, xác định cường độ của động đất theo

Richter Lấy tốc độ sóng S và sóng P theo giá trị trung bình: Vp = 6km/s, Vs=3km/s

Thời gian (giây)

Các thang độ mạnh của động đất

◦ Thang Richter

 Dựa vào biên độ giao động của sóng động đất

đo được bằng địa chấn ký

M = lgA(mm) + (khoảng cách hiệu chỉnh đến chấn tiêu)

Thang Richter không có giới hạn trên

◦ Thang MSK64

 Do Međvedev; Sponheir; Karnik đề xuất

 Chia làm 12 cấp dựa vào thống kê sự phá hoại trên mặt đất (xem giáo trình)

◦ Thang MCS

 Do Mercalli; Cancani; Sieberg đề xuất

 Chia làm 12 cấp cũng dựa vào thống kê sự phá hoại trên mặt đất

Các yếu tố ảnh hưởng tới độ mạnh động đất

Thang độ mạnh Mercalli

Mức 1: Không cảm nhận được sự rung động

Mức 2: Có thể cảm nhận được khi đang nằm nghỉ hoặc ở trên nhà cao tầng Mức 3: Hoàn toàn có thể cảm nhận được nếu đang ở trong nhà

Mức 4: Đồ vật trong nhà bị rung động, người đang ngủ giật mình tính giấc Mức 5: Rung động như có đoàn tàu chạy qua gần nhà, bát đĩa có thể bị vỡ Mức 6: Mọi người hoảng sợ chạy ra khỏi nhà, cửa kính, bát đĩa rơi vỡ,

Mức 7: Đồ đạc đổ vỡ, nhà kiên cố hư hỏng nhẹ Nhà tạm hư hỏng nặng

Mức 8: Nhà kiên cố đổ vỡ từng phần, nhà kém, ống khói, tượng đài đổ

Mức 9: Các công trình lớn bị hư hỏng, xô lệch khỏi móng, nhiều nhà bị sập

đổ

Mức 10: Phần lớn các ngôi nhà đều bị phá hủy cùng móng, đường ray hỏng Mức 11: Hầu hết các công trình đều bị hư hỏng, cầu sập, đường ray hỏng Mức 12: Mọi thứ đều bị phá hủy, mặt đất gợn sóng

Các cấp cường độ động đất

Thang Richter vs Mercalli

Độ mạnh theo Richter Gia tốc chấn động Cấp động đất tương đương

theo thang Mercalli

 Tần suất động đất: số lần động đất

xảy ra trên một đơn vị thời gian Tần suất thể hiện tính chu kỳ, mức độ lặp lại của động đất

gian kéo dài của một đợt chấn động

Chu kỳ động đất của Sumatra

3 Dự báo động đất

Các dấu hiệu nhận biết và dự báo động đất:

 Dựa vào số liệu phân tích của các đứt gãy sinh chấn

để đánh giá khả năng xảy ra và cường độ của động đất

 Phân tích số liệu lịch sử các trận động đất

 Dựa trên các tiền chấn (foreshock)

 Tỷ số giữa vận tốc sóng P (sóng dọc) và sóng S (sóng ngang) (đo bằng máy địa chấn);

 Sự thay đổi hình thái vỏ trái đất gần khu vực đứt gãy hoạt động;

 Trong nước dưới đất xuất hiện các khí trơ, lưu huỳnh;

 Hành vi bất bình thường của động vật

 Độ mạnh cơ bản của động đất

Ảnh hưởng của động đất phụ thuộc

•Lựa chọn vị trí xây dựng (nếu có thể)

•Thiết kế công trình có khả năng chống động đất

•Cải tạo nền công trình

4 Các biện pháp phòng chống khi

XDCT (tiếp)

• Chọn vị trí xây dựng: vùng có địa hình bằng phẳng, ít bị chia

cắt, cấu tạo địa chất đơn giản, xa các đới và các phá hủy kiến tạo, mực nước dưới đất ở sâu, móng công trình nên đặt trên đá gốc…

• Thiết kế công trình tăng khả năng chống động đất:

– Chọn loại vật liệu: nhẹ, dễ đàn hồi, có tần số dao động khác với tần số

dao động của động đất…

– Chọn kết cấu công trình: chắc chắn, đối xứng, trọng tâm ở thấp

– Sử dụng công nghệ kháng chấn như: Hệ thống cô lập móng với nền,

hệ thống giảm chấn, hệ thống chủ động chống động đất

– Tính toán thiết kế có xét đến lực động đất

• Cải tạo nền công trình: làm chặt đất nền, khoan phụt gia

cố, lắp đặt thiết bị tiêu tán áp lực nước trong nền

Hệ thống cô lập móng với nền

56

© Dr.-Ing Nguyễn Quang Tuấn

sự dụng thiết bị tiêu chấn

•  = trọng lượng riêng của đất (dung trọng),

• h = chiều cao đất sau tường chắn

•  = góc ma sát của đất

•  = góc địa chấn , tg  = W/g

Các nhà địa chấn nghiên cứu quan hệ định lượng giữa cấp động đất và các tham số vật lý đặc

trưng cho dao động nền : gia tốc (W), vận tốc (v)

và biên độ (A) và cho kết quả dưới đây:

Gia tốc động đất W, cm/s 2

số động đất, góc địa chấn và lực động đất tác động lên công

trình biết khối lượng công trình là 20 tấn

Giải:

• Độ mạnh động đất cơ bản của khu vực = cấp VI

• Trị số tăng thêm của cấp động đất có xét điều kiện nền đất và mực nước dưới đất:

– ao, o = tốc độ truyền sóng và tỉ trọng của đá dùng phân vùng động đất ao = 5,6km/s, o = 2,7

– an, n = tốc độ truyền sóng và tỉ trọng của đất hoặc đá ở nền công

trình an = 1,1km/s, n= 2,7

– h = chiều sâu mực nước ngầm h =4m

• Thay vào

Ví dụ: Mảnh đất dự kiến xây dựng nằm trên khu vực có động đất cấp

VI, mực nước ngầm nằm sâu 4m Tính độ mạnh thực tế nếu công trình xây trên nền cát có tỷ trọng là 2,7 và tốc độ truyền sóng dọc là 1,1km/s

Đá dùng để phân vùng động đất là granite có tỷ trọng là là 2,7; tốc độ truyền sóng dọc là 5,6km/s Tính lực động đất lên công trình biết khối lượng công trình là 20 tấn

1,71

Yêu cầu khi học

- Nguyên nhân gây ra động đất và giải thích được tác động của từng nguyên nhân, độ lớn (quy mô) của các trận động đất do các nguyên nhân đó gây ra

- Các loại sóng động đất, ý nghĩa của việc nghiên cứu, đo ghi các loại sóng đó

- Phân biệt được “độ mạnh động đất” đánh giá theo năng lượng giải phóng ở tâm và theo mức độ phá hoại trên mặt đất (theo độ lớn magnitude và theo cường độ intensity)

- Dấu hiệu dự báo động đất và các giải pháp phòng chống động đất

- Các định nghĩa về độ mạnh cơ bản, gia tốc động đất, góc địa chấn, hệ số động đất và cách tính lực động đất lên công trình

Câu hỏi ôn tập

1 Động đất? Các nguyên nhân gây động đất? Nguyên nhân

nào gây động đất phổ biến và có phạm vi ảnh hưởng lớn nhất?

2 Các loại độ mạnh của động đất? (Độ mạnh cơ bản, thực

tế, tính toán)?

3 Trình bày về các loại sóng động đất?

4 Các yếu tố ảnh hưởng tới độ mạnh của động đất?

5 Phân biệt 2 thang độ mạnh động đất theo Richter và

Mecalli (dựa trên cơ sở xác định, cách xác định, tính toán

độ mạnh, cách phân chia, các yếu tố ảnh hưởng

6 Các biện pháp phòng chống động đất khi xây dựng công

trình?

Làm bài tập về xác định các thông số động đất và lực động đất tác dụng lên công trình