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

LỜI 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 vực 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


LỜI 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.
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2017

Tác giả

Nguyễn Văn Minh


MỤC 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 MỤC 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

Hình 1.3: Biến dạng gây ra do sóng khối (a) Sóng P (b) Sóng S (Bolt, 1993) _______8
Hình 1.4: Biến dạng gây ra do sóng mặt (a) Sóng Rayleigh (b) Sóng Love (Bolt, 1993)
____________________________________________________________________8
Hình 1.5: Sơ đồ định nghĩa magnitud địa phương theo Richter _________________10
Hình 1.6: Trận động đất năm 1993 ở Kushiro-oki (Internet) ___________________17
Hình 1.7: Đê sông Tokachi sau động đất (Internet)___________________________17
Hình 1.8: Đê sông Tone sau động đất (Internet) ____________________________17
Hình 1.9: Đê sông Hinuma sau động đất (Internet)___________________________17
Hình 1.10: Mô hình nền đê sồng Hồng Hà Nội (Đoàn địa chất Hà Nội, 1999) _____21
Hình 2.1: Kết cấu hạt đất khi xảy ra hiện tượng hóa lỏng ______________________24
Hình 2.2: Mối tương quan giữa N60 thử nghiệm tiêu chuẩn thâm nhập bằng kinh
nghiệm, ứng suất theo chiều dọc và góc ma sát trong sạch đối với cát thạch anh
(Mello 1971, Coduto 1994) _____________________________________________31
Hình 2.3: Các hệ hiệu chỉnh yếu tố độ lớn theo hệ số MSF (Seed et al. 1985) ______32
Hình 2.4:Tỷ lệ kháng chu kỳ CRR ________________________________________33
Hình 2.5: Hình dạng mũi côn ____________________________________________33
Hình 2.6: Biểu đồ tỷ lệ kháng chu kỳ CRR __________________________________34
Hình 2.7: Các điều kiện giả thiết cho nguồn gốc của phương trình động đất CSR ___35
Hình 3.1: Hai mô hình nền đê có nguy cơ hóa lỏng/hóa mềm theo chu kỳ _________48
Hình 3.2: Mặt cắt dọc địa chất đoạn Tiên Tân – Thanh Trì (HEC-1, 1994) ________49
Hình 3.3: Mặt cắt ngang địa chất đoạn Tiên Tân – Thanh Trì (HEC-1, 1994) ______49
Hình 3.4: Phạm vi giới hạn các đường cong phân tích hạt của các loại đất dễ hóa lỏng
và không hóa lỏng (Tsuchida 1970, USNRC 1985) ___________________________50
Hình 3.5: Kết quả phân tích hạt đoạn Tiên Tân -Thanh Trì ____________________51
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: Kết 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
Hình 3.14: Mặt bằng đoạn đê tính toán tại vị trí K73+500 đến K74+100 đê Hữu Hồng
___________________________________________________________________59
Hình 3.15: Biểu đồ kết quả tính toán hệ số an toàn hóa lỏng theo độ sâu tại
KM73+750 __________________________________________________________59
Hình 3.16: Biểu đồ kết quả tính toán hệ số an toàn hóa lỏng theo độ sâu tại
KM73+900 __________________________________________________________60
Hình 3.17: Biểu đồ kết quả tính toán hệ số an toàn hóa lỏng theo độ sâu tại
KM74+100 __________________________________________________________60
Hình 3.18: Kết quả tính toán hóa lỏng trường hợp mực nước hiện trạng __________61
Hình 3.19: Kết quả tính toán hóa lỏng trường hợp mực nước báo động 1 _________61
Hình 3.20: Kết quả tính toán hóa lỏng trường hợp mực nước báo động 2 _________61
Hình 3.21: Kết quả tính toán hóa lỏng trường hợp mực nước báo động 3 _________62
Hình 3.22: Kết quả tính toán hóa lỏng trường hợp mực nước lũ lịch sử năm 1971 __62
Hình 3.23: Chi tiết vị trí hóa lỏng ________________________________________63
Hình 3.24: Kết quả tính ổn định mái phía sông trường hợp mực nước báo động 3 và
chu kỳ động đất T=2475 năm, K minmin =4,899 _______________________________64
Hình 3.25: Kết quả tính ổn định mái phía sông trường hợp mực nước lũ lịch sử năm
1971 và chu kỳ động đất T=2475 năm, K minmin =4,386 ________________________64


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1-1: Tương quan xấp xỉ giữa M L và gia tốc nền cực đại a max , độ dài rung động
và thang cấp của MMI tại vùng lân cận phá hoại đứt gẫy _____________________12
Bảng 1-2: Tương quan giữa gia tốc đỉnh nền a max và cấp động đất I trong các thang

đo _________________________________________________________________14
Bảng 1-3: Số trận động đất xảy ra theo năm ________________________________15
Bảng 3-1: Bảng tính toán giá trị giới hạn chảy của các mặt cắt đê Hữu Hồng đoạn
Tiên Tân- Thanh Trì (K40+350- K85+600) theo phương pháp Casagrande _______54
Bảng 3-2: Mực nước các trường hợp tính toán ______________________________57
Bảng 3-3: Bảng tổng hợp chỉ tiêu cơ lý (ĐHTL, 2015) ________________________58
Bảng 3-4: Bảng tổng hợp kết quả tính toán các mặt bằng Quake/w 2007 _________62


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ
Ký hiệu

Tên gọi

Ký
hiệu

Tên gọi

PPPTHH

Phương pháp phần tử hữu
hạn

Cb

Giá trị sửa chữa đường kính lỗ
khoan.

N

Số nhát búa SPT đo được
cho 30cm cuối cùng.

CN

Hệ số hiệu chỉnh chiếm áp lực
quá tải

N 60

Giá trị hiệu chỉnh giá trị N

Cr

Giá trị chỉnh sửa chiều dài hố
khoan.

FS

Hệ số an toàn chống hóa
lỏng.

(N 1 ) 60

Giá trị sửa chữa cho các thủ tục
thử nghiệm và áp lực quá tải

σ v0

Ứng suất tổng theo phương
thẳng đứng, kPa

σ' v0

Ứng suất hiệu quả theo phương
thẳng đứng, kPa

E

Mô đun Young

CRR

Tỉ số kháng chu kỳ

λ, G

Hằng số Lamé

CSR

Tỉ số ứng suất chu kỳ

ν

Hệ số Poisson

CPT

Thí nghiệm xuyên côn

a max

Gia tốc nền lớn nhất.

q c1

Giá trị hiệu chỉnh sức kháng mũi
côn CPT

Em

Hệ số búa hiệu quả.

Mw

Độ lớn mô men động đất

g

gia tốc trọng trường.

LL

Giới hạn chảy

CSL

Đường trạng thái tới hạn

PI

Chỉ số dẻo

FSL

Hóa lỏng dạng dòng

IL

Đường không ổn định



MỞ ĐẦU
1.

Tính 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”.
1


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

2


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
chịu 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.

3


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.

4


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
1.1.2.1. Chấn tâm, chấn tiêu và sóng 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.

5


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

6


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:
[ N.Đ Xuyên, 1997]

log L = 0,5 M - 1,06 ± 0,3

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: t 0 - 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 φ 0 , λ 0 , do vậy R =

(ϕ − ϕ0 ) + ( λ − λ0 )
2

2

.h 2   .

Vì vậy phương trình (1.1) có dạng sau gồm 4 ẩn số:
T =t − t0 = (ϕ − ϕ0 ) + ( λ − λ0 ) + h 2 / v 
2

a.

2

Sóng P

Sóng P là sóng sơ cấp (sóng nén, sóng dọc) gây nén - dãn nở liên tục môi trường sóng
truyền qua, theo phương truyền sóng. Nó lan truyền được trong vật rắn cũng như như
lỏng (dung nham núi lửa và nước), hạt sóng truyền theo phương song song với phương
truyền song và sóng S - sóng thứ cấp (sóng cắt, sóng ngang) truyền theo phương
vuông góc với phương truyền sóng. Tốc độ truyền sóng P lớn hơn tôc độ truyền sóng S
và có tác dụng tăng áp lực nước lỗ rỗng dư gây hóa mềm, hóa lỏng khối đất đá.
7


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

Sóng S

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.
c.

Sóng mặt

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.

Hình 1.4: Biến dạng gây ra do sóng mặt (a) Sóng Rayleigh (b) Sóng Love (Bolt, 1993)
8


1.1.2.2. Các đặc trưng cơ bản của động đất
a.

Cường độ và độ lớn 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 của động đất –M

Độ lớn động đất là một chuẩn định lượng về năng lượng thoát ra của một trận động
đất thể hiện trên biên độ cực đại của chấn đồ, do Richter đưa ra sử dụng đầu tiên từ
1935 để phân hạng động đất ở nam California và được gọi là “thang độ lớn động đất
richter” (độ Richter). Ngày nay người ta sử dụng các thang độ lớn cơ bản sau để phân
hạng động đất về độ lớn. Tuỳ thuộc vào các sóng địa chấn được sử dụng ta có độ lớn
địa phương (local magnitude) M L , độ lớn theo sóng mặt (Surface ware magnitude) Ms,
độ lớn theo sóng khối (body wave magnitude) M b , độ lớn theo moment địa chấn
(moment magnitude) M w .


Độ lớn địa phương M L (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 M L .
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 A 0
9


của các sóng địa chấn tương tự của một trận động đất chuẩn theo Richter (1935, 1958).
A
=
M log= logA − log A0
A0

(1.2)

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 T 0 = 0,8 sec, hệ số tắt dần η = 0,8 và
độ khuếch đại lớn nhất V max = 2800 m/s) ở khoảng cách Δ =100 km; log A o 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
M L 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 A0 =
5,12 − 2,56.log ∆

(1.3)

A o đo bằng µm, Δ - bằng km, và 10 < Δ < 600km.
Như vậy công thức Richter xác định magnitud của động đất ở California là:
10


=
M L log A + 2,56.log ∆ − 5,12

(1.4)

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:
=
M L log A + 2,56.log ∆ − 1, 67

(1.5)

Trong đó A- biên độ lớn nhất của dao động nền đất đo bằng µm.


Thang độ lớn theo sóng mặt - M S

Thang M L 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. M S được xác định theo biểu thức sau:
M S = log A 20 + 1,66 log∆ + 2,0

(1.6)

Trong đó: M S - thang độ lớn sóng mặt; A 20 - 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 M S 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.


Thang độ lớn theo sóng khối - M b

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

11


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:
M b = 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 M b thường được dùng để mô tả các động đất nội
mảng.
Thang độ lớn theo momen – Mw



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 M L bão hòa tại 6 ÷ 7, M S là 8 và M b 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 M L và gia tốc nền cực đại a max , độ dài rung động và
thang cấp của MMI tại vùng lân cận phá hoại đứt gẫy

ML
≤2
3
4
5
6
7
≥8

Đỉnh gia tốc nền
a max gần nơi phá
hoại đứt gẫy
0,09g
0,22g
0,37g
≥ 0,50g

Khoảng thời gian
chấn động gần nơi
phá hoại đứt gẫy
2 sec
12 sec

24 sec
≥ 34

Thang MMI gần nơi phá
hoại đứt gẫy
I – II III
IV – V VI – VII VII – VIII
IX – X XI - XII

M w được xác định theo công thức sau (Kanamori, 1977; Hanks - Kanamori, 1979)
=
Mw

log M 0
− 10, 7
1,5

(1.8)

Trong đó: M 0 -momen động đất (dyne.cm), được xác định theo công thức(Idriss,
1985):
M 0 = µ.S.D

(1.9)

12


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.
b.

Năng lượng 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
M S hoặc M W .
c.

Các đặc trưng dao động nền

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:
Thông số biên độ là các biểu đồ mô tả dao động sóng địa chấn được ghi bằng máy đo

động đất theo thời gian, gồm gia tốc, vận tốc và chuyển vị.
Gia tốc đỉnh (lớn nhất) phương ngang (PGA- a max ) 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.

13


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 = KC β Q
Trong đó K C - hệ số địa chấn Kc =

(1.10)

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

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; K c β chính là gia tốc cực đại của công
trình tính bằng % g khi nền công trình dao động với gia tốc a max .
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:
( M , R) Ae BM ( R + R0 )C
=
a max f =

(1.11)

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:
a(cm/ s 2 ) = 0.863e0.86M (R (km) + 25)-1,8

(1.12)

Tương quan giữa gia tốc đỉnh nền amax và cấp động đất I thể hiện trong Bảng 1-2.
Bảng 1-2: Tương quan giữa gia tốc đỉnh nền a max và cấp động đất I trong các thang đo
Thang MSK - 64
Cấp động
đất I
IV
V
VI
VII
VIII
IX

a max
m/sec2

30÷60
61÷120
120÷240
241÷480

Thang MM
Cấp động

đất
IV
V
VI
VII
VIII
IX
X
XI
XII

a max
cm/sec2
0.015÷0.02g
0.03÷0.04g
0.06÷0.07g
0.10÷0.15g
0.25÷0.30g
0.50÷0.55g
> 0.6g

14

Thang JMA
Cấp động đất
I
I
IV
V
VI

VII

a max
cm/sec2
0.025 ÷0.08 g
0.08÷0.258g
0.258 g
0.80 g


d.

Quan hệ 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
logN*(M) = a - bM

(1.13)

Nó cũng được gọi là đồ thị lặp lại động đất, phù hợp với số liệu toàn cầu cũng như
cho các khu vực. Chẳng hạn đối với toàn cầu ta có công thức:
logN*(M) = 6,7 - 0,9M

(1.14)

Từ công thức này có thể đánh giá: trên toàn hành tinh, hàng năm xảy ra khoảng

100.000 trận động đất đủ mạnh để cảm thấy, số lượng động đất với magnitud Mb ≥ 4,0
có thể tới 20.000 (xem bảng 1-3).
Bảng 1-3: Số trận động đất xảy ra theo năm
Độ lớn MS

Tần suất trung bình ĐĐ>MS

8
7
6
5
4
3

1
15
100
3
15
> 100.000

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.
Quan hệ magnitude - tần suất là một trong những tham số cơ bản trong việc đánh giá
hoạt động động đất và độ nguy hiểm động đất ở các vùng lãnh thổ.

15