Hóa lỏng nền do động đất và phương pháp đánh giá khả năng hóa lỏng nền công trình chống ngập thành phố Hồ Chí Minh

Ổn định công trình là yêu cầu quan trọng nhất trong thiết kế, xây dựng công trình nói chung. Một trong những vấn đề khó khăn nhất khi tính toán ổn định công trình là có xét đến động đất. Động đất có thể trực tiếp phá hỏng kết cấu và gây mất ổn định công trình (động đất mạnh) hoặc gây ra những bất lợi mà từ đó làm mất ổn định công trình một cách từ từ hơn. Khi xảy ra động đất, đất nền có thể bị hiện tượng lỏng hóa làm thay đổi tính chất cơ lý và ảnh hưởng đến ổn định tổng thể công trình. Đánh giá ổn định của nền do tai biến nói trên có ý nghĩa quan trọng trong việc đề xuất các giải pháp gia cố nền hợp lý. Bài báo trình bày một số phương pháp đánh giá khả năng hóa lỏng nền tiên tiến trên thế giới và áp dụng cho công trình cống Kinh Lộ (TP. Hồ Chí Minh).

I. ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘNG ĐẤT TỚI ỔN ĐỊNH CÔNG TRÌNH

1.1. Một số đặc trưng của động đất

Động đất là hiện tượng chuyển động hay rung động đột ngột trên vỏ quả đất sinh ra do sự giải phóng tức thời năng lượng biến dạng được tích lũy dần từ trước. Có nhiều nguyên nhân gây ra động đất như kiến tạo mảng, núi lửa phun trào, đứt gãy nội khối, tương tác giữa nước với khối đất đá trong vỏ quả đất, và do con người gây ra như nổ sâu trong lòng đất (tác nhân nguồn gốc hóa học hay hạt nhân). Bên cạnh đó, hiện nay có một số lý giải mới về nguyên nhân trận động đất như: do sự trôi dạt lục địa và kiến tạo mảng kích thích núi lửa hoạt động [5].

Nơi phát sinh động đất gọi là chấn tiêu. Chấn tiêu động đất thường ở sâu một vài km đến hàng chục km. Khối vật chất bị phá hoại đầu tiên được giả thuyết tại một điểm, từ điểm đó bắt đầu truyền các sóng chấn động. Hình chiếu của chấn tiêu động đất lên trên mặt đất gọi là trung tâm động đất hay chấn tâm. Chấn tâm là điểm trên bề mặt đất có sóng chấn động đến sớm nhất.

Sóng dọc và sóng ngang từ chấn tiêu lan truyền bốn phía dưới dạng các tia sóng địa chấn. Tia địa chấn cũng bị phản xạ hay khúc xạ khi gặp các tầng đá có tính đàn hồi và tỷ trọng khác nhau. Từ chấn tâm các dao động sẽ truyền ra xung quanh theo các làn sóng đồng tâm tựa như sự dao động của mặt nước khi ném một vật vào nước và được gọi là sóng mặt đất. Tốc độ sóng mặt đất nhỏ hơn tốc độ sóng ngang nhưng cũng là nguyên nhân gây ra phá hoại lớn.

Như vậy, tại một điểm nào đó trên bề mặt đất, trước hết nhận được các chấn động dọc, đến các chấn động ngang từ các chấn tiêu động đất truyền lên, sau đó nhận các chấn động xuất phát từ chấn tâm. Tất cả các chấn động đó sẽ giao thoa với nhau và sinh ra một chấn động phức tạp. Hiện tượng này còn bị phức tạp hoá thêm vì mỗi hạt đất đá bước vào chấn động sẽ trở thành một trung tâm lan truyền chấn động dọc, chấn động ngang và bề mặt như ở chấn tiêu.

a. Sóng động đất:

Sóng dọc lan truyền với tốc độ cực đại, chúng chuyển đi những năng lượng dự trữ lớn nhất và gây ra tác dụng phá hoại lớn nhất khi động đất. Sóng dọc lan truyền không những trong vật thể cứng mà cả trong chất lỏng và khí. Tốc độ truyền sóng đàn hồi dọc trong môi trường vô hạn liên quan đến đặc trưng đàn hồi của môi trường. Tốc độ truyền sóng dọc trong nước là 1500 m/s.

Sóng ngang chỉ lan truyền được trong đá cứng, không lan truyền trong nước và không khí vì chất lỏng và chất khí không chống lại được sự biến đổi hình dạng.

Khi sóng dọc và sóng ngang truyền lên mặt đất, tại đây phát sinh dao động dưới hình thức sóng mặt, còn khi sóng đàn hồi đi qua các ranh giới phân chia môi trường thì ở đây phát sinh những sóng thứ sinh: sóng phản xạ, khúc xạ… Tất cả các sóng thứ sinh đều lan truyền với tốc độ nhỏ hơn so với tốc độ những sóng đàn hồi đã gây nên chúng và mang theo năng lượng dự trữ không đáng kể.

b. Cường độ và chấn cấp động đất:

Cường độ động đất là thông số đánh giá hậu quả và thường mang tính định tính còn độ lớn động đất hay còn gọi là chấn cấp động đất là một thông số đo đạc thể hiện tính định lượng và có liên hệ đến năng lượng giải phóng ra trong quá trình động đất. Trong mỗi trận động đất đều giải phóng năng lượng đàn hồi. Năng lượng này được truyền dưới hình thức sóng đàn hồi từ tâm động đất ra mọi phía tới mặt đất. Một phần năng lượng từ chấn tiêu sinh ra công để sóng đàn hồi lan truyền trong lòng đất. Vì vậy, năng lượng mà các sóng địa chấn đạt tới mặt đất thì yếu đi và phụ thuộc vào độ sâu thế nằm của miền chấn tiêu, khoảng cách từ điểm đang xét đến tâm ngoài, cấu trúc địa chất của khu vực và tính chất đất đá tại đó. Vì vậy cường độ động đất trước hết do số năng lượng tỏa ra ở miền tâm địa chấn và sau đó là do năng lượng của sóng địa chấn quyết định

c. Gia tốc động đất:

Gia tốc địa chấn a là một đặc trưng cho lực động đất. Đó là lượng dịch chuyển của bề mặt trái đất trong một đơn vị thời gian. Lượng dịch chuyển này đặc trưng cho gia tốc mà các hạt đất đá ở mặt đất đạt được dưới tác dụng của sóng địa chấn.

1.2. Đánh giá khả năng rung động 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 PGA, vận tốc hạt PGV, phổ phản ứng của gia tốc nền SA), đại lượng thường được sử dụng nhiều nhất là gia tốc cực đại nền PGA.

1.3. Hóa lỏng nền

Động đất gây ra các loại chuyển động trong đất nền do lực cắt, nén, trượt dọc theo mặt đứt gãy (hậu quả nguyên sinh), tiếp đó là hiện tượng trượt đất, nứt đất, rung lắc và hóa lỏng nền (hậu quả thứ sinh).

Rung lắc do động đất thông qua yếu tố gia tốc, tác động trực tiếp lên các phần tử đất từ đó ảnh hưởng đến sức kháng giới hạn đất nền. Một trong các hiện tượng đặc trưng của đất bị ảnh hưởng là nền hóa lỏng, một dạng tai biến thứ cấp của động đất. Khi đó hiện tượng sụt chìm có thể xảy ra với đất nền có trạng thái xốp, hạt mịn bão hòa nước (hiện tượng hóa lỏng không xảy ra với đất cát hạt thô do độ rỗng cao, khả năng thấm lớn làm cho áp lực nước lỗ rỗng xuất hiện trong đất hồi phục nhanh trở lại trạng thái áp lực thủy tĩnh ban đầu khi có động đất nên độ lún nhỏ).

Sự giảm sức chống cắt hoặc độ cứng do tăng áp lực nước lỗ rỗng trong các vật liệu rời bão hoà nước trong lúc có chuyển động nền do động đất, 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, mà từ đây trở đi được coi là hoá lỏng.

Bản chất hiện tượng này là khi có chấn rung đến một giới hạn nào đó thì nước lỗ rỗng trong đất thoát ra rất nhanh, sức chống cắt giảm, áp lực thủy động tăng lên, tạo lực đẩy các hạt đất lên phía trên làm tiêu giảm (thậm chí là mất khi độ chênh áp lực cột nước lỗ rỗng trong đất đạt tới giá trị tới hạn) trọng lượng các hạt đất (ứng suất hiệu quả tiến tới giá trị =0). Áp lực nước lỗ rỗng còn làm xáo trộn và yếu đi lớp phủ phía trên lớp bị lỏng hóa và đất ở trạng thái gần như một dịch thể, trên mặt đất hình thành các hố (như miệng núi lửa nhỏ) dạng hình côn – hiện tượng cát sủi, khi đó đất ở trạng thái bị lỏng hóa. Nếu mực nước ngầm nằm càng nông và độ lún sụt càng lớn khi đó toàn bộ mặt đất tự nhiên sẽ bị chìm lún xuống gây ra tác động xấu đến ổn định và kết cấu công trình phía trên.

Chi tiết bài báo xem tại đây: Hóa lỏng nền do động đất và phương pháp đánh giá khả năng hóa lỏng nền công trình chống ngập thành phố Hồ Chí Minh

Tác giả: GS.TS. Trần Đình Hòa, KS. Bùi Mạnh Duy
Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam

TẠP CHÍ KH&CN THỦY LỢI