Nghiên cứu khả năng hóa lỏng của đất nền đê hữu Hồng đoạn qua Hà Nội

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI

NGÔ THỊ NGỌC VÂN

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HÓA LỎNG CỦA ĐẤT NỀN ĐÊ
HỮU HỒNG ĐOẠN QUA HÀ NỘI (K73+500 - K74+100)
CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, NĂM 2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

NGÔ THỊ NGỌC VÂN

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HÓA LỎNG CỦA ĐẤT NỀN ĐÊ
HỮU HỒNG ĐOẠN QUA HÀ NỘI (K73+500 – K74+100)
CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT

Chuyên ngành:
Mã số:

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG
9580211

PGS.TS. NGUYỄN HỒNG NAM

HÀ NỘI, NĂM 2019


LỜI CAM ĐOAN
Tác giả xin cam đoan đây là công trình khoa học do bản thân tác giả thực hiện.
Các kết quả, số liệu trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ
công trình nào khác. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện
trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo theo đúng quy định.
Tác giả luận án

Ngô Thị Ngọc Vân

i


LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên tác giả luận án xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới PGS. TS Nguyễn Hồng
Nam là thầy hướng dẫn trực tiếp tác giả thực hiện luận án. Xin cảm ơn Thầy đã dành
nhiều công sức, trí tuệ, hướng dẫn tận tình trong thời gian tác giả thực hiện luận án.
Tác giả cũng xin bày tỏ lòng biết ơn tới GS. TS Trịnh Minh Thụ, xin cảm ơn Giáo sư
đã có nhiều đóng góp quý báu cho tác giả trong quá trình thực hiện luận án.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn chương trình NCKHCN phục vụ phòng chống thiên tai

bảo vệ môi trường và sử dụng hợp lý tài nguyên thiên nhiên (KC08) của Bộ KHCN đã
đầu tư kinh phí cho tác giả thực hiện các thí nghiệm trong luận án trong khuôn khổ của
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”, mã số KC.08.23/11-15.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn tới Trường Đại học Thủy lợi đã tạo điều kiện về cơ sở
vật chất cho các thí nghiệm trong nghiên cứu của tác giả.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn Hội đồng Khoa học Đào tạo Khoa Công trình, Phòng
Đào tạo Đại học và Sau Đại học, Bộ môn Địa kỹ thuật, Bộ môn Vật liệu Xây dựng Trường Đại học Thủy lợi, các nhà khoa học từ các đơn vị đã có những đóng góp, động
viên, chia sẻ, giúp đỡ quý báu cho tác giả trong quá trình thực hiện nghiên cứu của
mình.
Cuối cùng tác giả xin được gửi tới bạn bè và những người thân thương trong gia đình
của mình lời biết ơn sâu sắc vì sự động viên, ủng hộ, dành thời gian và điều kiện tốt
nhất để tác giả hoàn thành nghiên cứu.

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN…. .............................................................................................................ii
MỤC LỤC……. ............................................................................................................ iii
DANH MỤC CÁC HÌNH .............................................................................................. vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................. x
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ........................................................................................ xi
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................. xiii
MỞ ĐẦU……… ............................................................................................................. 1
1.
Tính cấp thiết của đề tài ..................................................................................1
2.

Mục tiêu nghiên cứu ........................................................................................2

3.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ..................................................................2

4.

Nội dung nghiên cứu ........................................................................................2

5.

Phương pháp tiếp cận và nghiên cứu .............................................................3

6.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài .......................................................3

7.

Bố cục của luận án ...........................................................................................4

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU HÓA LỎNG DO ĐỘNG ĐẤT ... 5
1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước .....................5
1.1.1 Khái quát về động đất .................................................................................5
1.1.2 Tình hình nghiên cứu hóa lỏng do động đất trên thế giới ...........................9
1.1.3 Tình hình nghiên cứu hóa lỏng do động đất tại Việt Nam ........................27
1.1.4 Phân tích, đánh giá các kết quả nghiên cứu đã công bố ............................ 29
1.2 Những vấn đề sẽ được triển khai trong luận án ..........................................30

1.3

Kết luận chương 1 ..........................................................................................31

CHƯƠNG 2
ĐÁNH GIÁ TÍNH NHẠY HÓA LỎNG VÀ KHẢ NĂNG HÓA
LỎNG ĐẤT NỀN ĐÊ HỮU HỒNG ............................................................................. 32
2.1 Đặt vấn đề .......................................................................................................32
2.2

Khái quát đặc điểm hệ thống đê Hữu Hồng ................................................32

2.2.1
2.2.2
2.2.3
2.2.4
2.2.5
2.2.6

Vị trí địa lý ................................................................................................ 32
Lịch sử phát triển.......................................................................................32
Địa hình .....................................................................................................33
Địa chất .....................................................................................................34
Địa chất thủy văn ......................................................................................37
Động đất ....................................................................................................40

iii


2.3

Đánh giá tính nhạy hóa lỏng đất nền đê Hữu Hồng ...................................43

2.3.1 Tính nhạy hóa lỏng của đất và các tiêu chí đánh giá ................................ 43
2.3.2 Đánh giá tính nhạy hóa lỏng đất nền đê Hữu Hồng ..................................43
2.3.3 Đoạn đê Hữu Hồng nghiên cứu (K73+500 – K74+100) ..........................48
2.4 Đánh giá khả năng hóa lỏng của đất nền đê Hữu Hồng (K73+500K74+100) dựa trên số liệu thí nghiệm địa chất hiện trường ............................... 53
2.4.1 Quy trình đơn giản ....................................................................................53
2.4.2 Kết quả đánh giá khả năng hóa lỏng đất nền đê Hữu Hồng (K73+500 ÷
K74+100) ...............................................................................................................57
2.5 Kết luận chương 2 ..........................................................................................61
CHƯƠNG 3
THÍ NGHIỆM TRONG PHÒNG XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG
ĐỘNG CỦA ĐẤT NỀN ĐÊ ......................................................................................... 63
3.1 Đặt vấn đề .......................................................................................................63
3.2

Vật liệu và thiết bị thí nghiệm .......................................................................65

3.2.1 Vật liệu thí nghiệm ....................................................................................65
3.2.2 Thiết bị thí nghiệm ....................................................................................65
3.3 Xác định đặc trưng biến dạng của đất nền đê .............................................69
3.3.1 Khái quát ...................................................................................................69
3.3.2 Quy trình thí nghiệm xác định mô đun Young và hệ số giảm chấn của
đất…… ..................................................................................................................70
3.3.3 Kết quả thí nghiệm ....................................................................................76
3.3.4 Mô phỏng quan hệ giữa mô đun Young và biến dạng dọc trục của đất cát
nền đê Hữu Hồng ...................................................................................................87
3.3.5 Mô phỏng quan hệ giữa hệ số giảm chấn và biến dạng dọc trục của đất cát
nền đê Hữu Hồng ...................................................................................................90

3.3.6 Mô phỏng quan hệ giữa mô đun Young và ứng suất cố kết hiệu quả của
đất cát nền đê Hữu Hồng .......................................................................................93
3.4 Xác định đường cong hóa lỏng đất nền đê ...................................................94
3.4.1 Khái quát ...................................................................................................94
3.4.2 Quy trình thí nghiệm xác định đường cong hóa lỏng ............................... 94
3.4.3 Kết quả thí nghiệm ....................................................................................97
3.4.4 Nhận xét: .................................................................................................103
3.4.5 Mô phỏng đường cong hóa lỏng của cát nền đê Hữu Hồng ...................104
3.4.6 Mô phỏng biến thiên áp lực nước lỗ rỗng dư của đất cát nền đê Hữu
Hồng…. ...............................................................................................................105
3.5 Kết luận chương 3 ........................................................................................107

iv


CHƯƠNG 4
MÔ PHỎNG HÓA LỎNG ĐÊ HỮU HỒNG KHI CHỊU ĐỘNG ĐẤT
MẠNH VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ỔN ĐỊNH ......................................................... 111
4.1 Đặt vấn đề .....................................................................................................111
4.2 Cơ sở lý thuyết mô phỏng hóa lỏng đê chịu tác dụng của tải trọng động
đất… ........................................................................................................................112
4.2.1 Phương pháp phần tử hữu hạn ................................................................112
4.2.2 Phần mềm Quake/w ................................................................................113
4.2.3 Đánh giá khả năng hóa lỏng ....................................................................117
4.3 Mô phỏng hóa lỏng đê Hữu Hồng (Hà Nội) ...............................................119
4.3.1 Các trường hợp tính toán.........................................................................119
4.3.2 Các hàm đặc trưng trong phân tích động ................................................121
4.3.3 Trình tự tính toán.....................................................................................126
4.3.4 Kết quả mô phỏng mặt cắt K73+750 đê Hữu Hồng ...............................127
4.4 Đề xuất giải pháp giảm nhẹ, ngăn chặn hóa lỏng .....................................133

4.4.1 Làm chặt cát dễ hóa lỏng ........................................................................133
4.4.2 Giếng cuội sỏi, cọc cát ............................................................................133
4.4.3 Phụt vữa, trộn sâu (cọc xi măng – đất)....................................................133
4.4.4 Biện pháp kết cấu ....................................................................................133
4.4.5 Thay thế đất .............................................................................................134
4.5 Kết luận chương 4 ........................................................................................134
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 136
1.
Những kết quả đạt được ..............................................................................136
2.

Những đóng góp mới của luận án ...............................................................138

3.

Tồn tại và hướng phát triển của luận án ...................................................138

4.

Kiến nghị .......................................................................................................139

TÀI LIỆU KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ ..................................................................... 140
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 141
PHỤ LỤC CHƯƠNG 2: KẾT QUẢ TÍNH HỆ SỐ AN TOÀN HÓA LỎNG ........... 148
PHỤ LỤC CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ĐÊ HỮU HỒNG ........................ 162
Phụ lục 4.1. Kết quả mô phỏng theo mô hình tuyến tính tương đương ...........162
Phụ lục 4.2. Kết quả mô phỏng theo mô hình đàn hồi tuyến tính.....................170
Phụ lục 4.3. Kết quả mô phỏng ảnh hưởng của mực nước lũ (mô hình tuyến
tính tương đương, băng gia tốc X3a) ...................................................................178
Phụ lục 4.4. Kết quả tính gia cố nền bằng cọc xi măng đất ...............................184

v


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Sơ đồ thông số vị trí của một trận động đất …….………….……… …...5
Hình 1.2. Bản đồ địa chấn kiến tạo lãnh thổ Việt Nam………………………. …...8
Hình 1.3. Hóa lỏng gây sạt đường cao tốc phía tây của hồ Merced…...…....... ..…10
Hình 1.4. Hóa lỏng đất gây trượt mái thượng lưu đập San Fernando ha ̣ ……. …..10
Hình 1.5. Sơ đồ trượt mái đập San Fernando hạ năm 1971…………….……. .....10
Hình 1.6. Hóa lỏng gây hư hỏng đê sông Yoshida…………………………… …..11
Hình 1.7. Hóa lỏng trong đất trầm tích gần sông Pajaro……………...……… ......11
Hình 1.8. Hóa lỏng gây hư hỏng đê sông Shiribeshi-Toshibetsu..…………… .....11
Hình 1.9. Sụp đổ đê sông Yodo năm 1995 bởi trận động đất Kobe………….. .....12
Hình 1.10. Hóa lỏng ở vùng ngoại ô thành phố Christchurch năm 2011……… .....12
Hình 1.11. Đất hóa lỏng cuốn nhà cửa tại Indonesia, năm 2018……..………
.....13
Hình 1.12. Sự giảm thể tích của cát xốp trong khi cắt thoát nước theo chu kỳ.. .....14
Hình 1.13. Ứng suất hiệu quả giảm do điều kiện không thoát nước…………... ......15
Hình 1.14. Khả năng hóa lỏng của cát: cát sạch (a) và cát lẫn bụi (b)………… .....15
Hình 1.15. Ảnh hưởng của hệ số rỗng đối với trạng thái ứng suất gây hóa lỏng .....16
Hình 1.16. Trạng thái ứng suất gây hóa lỏng được định nghĩa theo các cách…. .....17
Hình 1.17. Đường cong hóa lỏng của cát xốp Toyoura trong mẫu 3 trục ….…. .....18
Hình 1.18. Biểu đồ phân vùng thành phần hạt của các loại đất dễ hóa lỏng...… .....20
Hình 1.19a Biểu đồ phân vùng thành phần hạt của các loại đất D60/D10≥3.5…. .....21
Hình 1.19b Biểu đồ phân vùng thành phần hạt của các loại đất D60/D10<3.5…
.....21
Hình 1.20. Sức kháng hóa lỏng khác nhau nhận được từ cắt đơn giản và 3 trục .....22
Hình 1.21. Sự tăng sức kháng hóa lỏng của cát do quá cố kết………………… .....23
Hình 1.22. Số liệu thí nghiệm 3 trục theo chu kỳ về sức kháng hóa lỏng…….

.....24
Hình 1.23a Quan hệ giữa mô đun kháng cắt chuẩn hóa với biến dạng cắt……. .....25
Hình 1.23b Quan hệ giữa hệ số giảm chấn với biến dạng cắt…………………. .....25
Hình 1.24. Các biện pháp giảm nhẹ thiệt hại do hóa lỏng trong thực tế……… .....26
Hình 1.25. Đê sông Tone tại Omigawa………………………………………... .....26
Hình 1.26 Mặt cắt ngang đê sông Tone tại Omigawa với biện pháp cải tạo đất .....27
Hình 1.27. Mặt cắt đê Nazuse tại NakaShimo được cải tạo bằng cọc cát……... .....27
Hình 1.28. Quy trình nghiên cứu trong kỹ thuật hóa lỏng đất……………..…... .....27
Hình 2.1. Dấu vết đổi dòng hệ thống sông Hồng………….…………………. .....35
Hình 2.2. Sơ đồ khối đồng bằng Bắc Bộ……….………….…………………. .....37
Hình 2.3. Cột địa tầng tổng hợp đồng bằng Bắc Bộ………………………….. .....38
Hình 2.4. Bản đồ gia tốc nền cực đại đê sông Hồng Hà Nội T=475 năm..….. …….41
Hình 2.5. Bản đồ gia tốc nền cực đại đê sông Hồng Hà Nội T=2475 năm..…. .....42
Hình 2.6. Mặt cắt địa chất đoạn Tiến Tân - Thanh Trì……………………….. .....45
Hình 2.7. Biểu đồ phân loại đất nền đê Hữu Hồng…………………………... .....46

vi


Hình 2.8.
Hình 2.9.
Hình 2.10.
Hình 2.11.
Hình 2.12.
Hình 2.13.
Hình 2.14.
Hình 2.15.
Hình 2.16.
Hình 2.17.
Hình 2.18.

Hình 2.19.
Hình 2.20.
Hình 2.21.
Hình 2.22.
Hình 2.23.
Hình 2.24.
Hình 3.1.
Hình 3.2.
Hình 3.3.
Hình 3.4.
Hình 3.5.
Hình 3.6.
Hình 3.7.
Hình 3.8.
Hình 3.9.
Hình 3.10.
Hình 3.11.
Hình 3.12.
Hình 3.13.

Sơ đồ bố trí hố khoan khảo sát khu vực nghiên cứu.………………
Mặt cắt ngang đê K73+750, K73+900……………………………..
Thành phần hạt của cát 3a……………………………….…………
Thành phần hạt của cát 3b…………...……………………………..
Thành phần hạt của cát 4c, 4d, 4e…………………………..……..
Tỷ số kháng chu kỳ CRR và sức kháng xuyên tiêu chuẩn ……….
Điều kiện giả định xây dựng phương trình động đất……………….
Lịch sử thời gian ứng suất cắt trong một trận động đất…………….
a, Sức kháng xuyên tiêu chuẩn theo chiều sâu và b, Hệ số an toàn
hóa lỏng theo chiều sâu tại hố khoan HK1………………..……...

a, Sức kháng xuyên tiêu chuẩn theo chiều sâu và b, Hệ số an toàn
hóa lỏng theo chiều sâu tại hố khoan HK2…………………………
a, Sức kháng xuyên tiêu chuẩn theo chiều sâu và b, Hệ số an toàn
hóa lỏng theo chiều sâu tại hố khoan HK3…………………………
a, Sức kháng xuyên tiêu chuẩn theo chiều sâu và b, Hệ số an toàn
hóa lỏng theo chiều sâu tại hố khoan HK4…………………………
a, Sức kháng xuyên tiêu chuẩn theo chiều sâu và b, Hệ số an toàn
hóa lỏng theo chiều sâu tại hố khoan HK5…………………………
a, Sức kháng xuyên tiêu chuẩn theo chiều sâu và b, Hệ số an toàn
hóa lỏng theo chiều sâu tại hố khoan HK6…………………………
a, Sức kháng xuyên tiêu chuẩn theo chiều sâu và b, Hệ số an toàn
hóa lỏng theo chiều sâu tại hố khoan HK7…………………………
a, Sức kháng xuyên tiêu chuẩn theo chiều sâu và b, Hệ số an toàn
hóa lỏng theo chiều sâu tại hố khoan HK8………………………..
a, Sức kháng xuyên tiêu chuẩn theo chiều sâu và b, Hệ số an toàn
hóa lỏng theo chiều sâu tại hố khoan HK9………………………..
Sơ đồ bố trí mẫu đất trong buồng 3 trục…………………………..
Hệ thống thiết bị thí nghiệm 3 trục động, DTC-367D……………..
Sơ đồ đường ống thiết bị thí nghiệm 3 trục động………………….
Máy nén khí………………………………………………………..
Máy hút chân không………………………………………………..
Thiết bị phụ trợ……………………………………………………..
Vòng lặp ứng suất – biến dạng……………………………………..
Thiết lập khuôn mẫu và màng cao su………………………………
Thiết lập mẫu đất cát trong buồng 3 trục…………………………..
Thiết lập mẫu đất dính……………………………………………..
Sơ đồ áp lực buồng và áp lực ngược tác dụng lên mẫu……………
Áp lực buồng và áp lực ngược điển hình…………………………..
Kích thước mẫu ban đầu của mẫu..………………………………...

vii

.....49
.....50
.....51
.....52
.....52
.....55
....56
.....56
.....58
.....58
.....58
..…59
..…59
..…59
..…60
...…60
..…60
..…65
..…66
..…67
..…68
..…68
..…68
..…69
..…71
..…71
..…71
..…75

..…75
…...76


Hình 3.14.
Hình 3.15.
Hình 3.16.
Hình 3.17.
Hình 3.18.
Hình 3.19.
Hình 3.20.
Hình 3.21.
Hình 3.22.
Hình 3.23.
Hình 3.24.
Hình 3.25.
Hình 3.26.
Hình 3.27.
Hình 3.28.
Hình 3.29.
Hình 3.30.
Hình 3.31.
Hình 3.32.
Hình 3.33.
Hình 3.34.
Hình 3.35.
Hình 3.36.
Hình 3.37.
Hình 3.38.
Hình 3.39.

Hình 3.40.
Hình 3.41.
Hình 3.42.
Hình 3.43.
Hình 3.44.
Hình 3.45.
Hình 3.46.
Hình 3.47.
Hình 3.48.
Hình 3.49.
Hình 3.50.
Hình 3.51.
Hình 3.52.

Quan hệ giữa ứng suất lệch với số chu kỳ tải trọng………………..
Quan hệ giữa ứng suất lệch với biến dạng dọc trục ……………….
Quan hệ giữa ứng suất lệch với biến dạng dọc trục trong chu kỳ 10
Quan hệ giữa Ez, h với εa của đất mẫu SH-E8………………..…….
a, Quan hệ giữa Ez với εa b, Quan hệ giữa h với εa của đất 1d….....
a, Quan hệ giữa Ez với εa b, Quan hệ giữa h với εa của đất 2a…….
a, Quan hệ giữa Ez với εa b, Quan hệ giữa h với εa của đất 2c…….
a, Quan hệ giữa Ez với εa b, Quan hệ giữa h với εa của đất 2d….....
Quan hệ giữa Ez với εa của cát 3a a,c’tb=100,93 b,c’tb =199,76….
Quan hệ giữa h với εa của cát 3a a,c’tb=100,93 b,c’tb =199,7kPa..
a, Quan hệ giữa Ez với εa b, Quan hệ giữa h với εa của cát 3b…….
a, Quan hệ giữa Ez với εa b, Quan hệ giữa h với εa của cát 4c……..
a, Quan hệ giữa Ez với εa b, Quan hệ giữa h với εa của cát 4d…….
a, Quan hệ giữa Ez với εa b, Quan hệ giữa h với εa của cát 4e…….
Quan hệ giữa độ lệch ứng suất với biến dạng dọc trục mẫu E2……
Quan hệ giữa Ez và σc’ mẫu E2….……………..…………………..

Quan hệ giữa Ez và σc’ đất 1d….….………………………………..
Quan hệ giữa Ez và σc’ của cát 3a………………………………..…
Quan hệ giữa Ez và σc’ của cát 3b…..…………………………..….
Quan hệ giữa Ez và σc’ của cát 4c………………………………..…
Quan hệ giữa Ez và σc’ của cát 4d……………………………….....
Quan hệ giữa Ez và σc’ của cát 4e……………………………….....
Quan hệ giữa Ez và σc’ a, Đất dính b, Đất cát……………………..
Tương quan giữa mô đun Young chuẩn hóa và biến dạng dọc trục..
Đường cong mô đun Young chuẩn hóa của cát 3a ctb’=100,93kPa
Đường cong mô đun Young chuẩn hóa của cát 3b ctb’=201,15kPa
Tương quan giữa hệ số giảm chấn và biến dạng dọc trục của đất…
Hệ số giảm chấn với biến dạng dọc trục của cát 3a………...……...
Hệ số giảm chấn với biến dạng dọc trục của cát 3b…………….....
Tương quan Ez với σc’ mẫu E2…………………………………….
Xác định số chu kỳ Nc gây giá trị biến dạng dọc trục biên độ kép…
Quan hệ giữa tỷ số ứng suất và số vòng lặp………………………..
Quan hệ giữa biến dạng dọc trục và số vòng lặp…………………..
Quan hệ giữa độ lệch ứng suất với ứng suất chính trung bình……..
Quan hệ giữa hệ số áp lực nước lỗ rỗng dư và số vòng lặp………..
Quan hệ giữa độ lệch ứng suất với biến dạng dọc trục…………….
Quan hệ giữa hệ số áp lực nước lỗ rỗng dư với biến dạng dọc trục..
Đường cong hóa lỏng cát 3a, σc’=100kPa …………………………
Đường cong hóa lỏng cát 3a, σc’=200kPa …………………………

viii

…..78
…..78
…..79
…..80

…..80
…..80
…..81
…..81
…..81
…..81
…..82
…..82
…..82
…..83
......85
.....85
.....86
.....86
.....86
.....86
.....86
.....86
.....87
.....88
.....89
.....89
.....91
.....91
.....91
.....93
.....97
.....98
.....98
.....98

.....99
.....99
.....99
...100
....101


Hình 3.53.
Hình 3.54.
Hình 3.55.
Hình 3.56.
Hình 3.57.
Hình 3.58.
Hình 3.59.
Hình 3.60.
Hình 3.61.
Hình 3.62.
Hình 3.63.
Hình 3.64.
Hình 3.65.
Hình 4.1.
Hình 4.2.
Hình 4.3.
Hình 4.4.
Hình 4.5.
Hình 4.6.
Hình 4.7.
Hình 4.8.
Hình 4.9.
Hình 4.10.

Hình 4.11.
Hình 4.12.
Hình 4.13.
Hình 4.14.
Hình 4.15.
Hình 4.16.
Hình 4.17.
Hình 4.18.
Hình 4.19.
Hình 4.20.
Hình 4.21.

Đường cong hóa lỏng đấ t cát 3b…………………………………...
Đường cong hóa lỏng đấ t cát 4c……………………………………
Đường cong hóa lỏng đấ t cát 4d…………………………………...
Đường cong hóa lỏng đấ t cát 4e……………………………………
Đường cong hóa lỏng cát cảng Hà Nội…………………………….
Đường cong hóa lỏng cát 4c, 4d, 4e (c’=350kPa, DA=5%)………
Đường cong hóa lỏng cát 3a và cát 3b (c’=200kPa, DA=5%)……
Đường cong hóa lỏng cát 3a và cát cảng (c’=100kPa, DA=5%)…
Mẫu thí nghiệm thiết lập trong buồng 3 trục……………………….
Mẫu sau khi hóa lỏng………………………………………………
Tương quan giữa tỷ số ứng suất với số vòng lặp gây hóa lỏng…….
Sự biến thiên của áp lực nước lỗ rỗng trong cát 3a………………..
Tương quan hệ số áp lực nước lỗ rỗng với số vòng lặp chuẩn hóa...
Thay đổi G theo mỗi bước lặp trong một trận động đất……………
Đường cong hyperbol liên hệ giữa max và Gmax …………………...
Vòng lặp trễ………………………………………………………...
Đường ứng suất hiệu quả cho cát xốp trong thí nghiệm 3 trục ……
Minh họa mặt sụp…………………………………………………..

Đường ứng suất tuần hoàn từ B đến mặt sụp………………………
Thí nghiệm trên cát khô……………………………………………
Mặt cắt K73+500 đê Hữu Hồng…….……………………………...
Băng gia tốc đê Hữu Hồng ứng với chu kỳ động đất 475 năm…….
Băng gia tốc đê Hữu Hồng ứng với chu kỳ động đất 2475 năm…..
Mô hình hóa bài toán phẳng MC K73+750………………………..
Hàm hiệu chỉnh ứng suất cắt ban đầu Ka…………………………..
Hàm hiệu chỉnh ứng suất tầng phủ Ks……………………………..
Đường cong hóa lỏng của đất cát trong nền đê hữu Hồng…………
Hệ số áp lực nước lỗ rỗng dư của đất cát trong nền đê Hữu Hồng..
Mô đun kháng cắt lớn nhất của đất trong nền đê Hữu Hồng………
Mô đun kháng cắt chuẩn hóa của đất trong nền đê Hữu Hồng……
Hệ số giảm chấn của đất trong nền đê Hữu Hồng…………………
Sơ đồ mô phỏng bài toán ổn định mái đê hạ lưu do động đất…….
Hệ số an toàn ổn định mái theo phía sông thời gian…………..….
Chuyển vị ngang tại nút 1171 theo thời gian……………….…….

ix

....101
....101
....101
....101
....102
....102
....102
....102
…103
....103
....104

…..106
…..106
…..115
…..116
…..116
…..117
…..117
…..118
….119
….120
….120
….120
….120
….123
….123
…..123
…..124
…..125
…..125
…..126
…..127
…..129
…..129


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1.
Bảng 1.2.
Bảng 2.1.
Bảng 2.2.

Bảng 2.3.
Bảng 2.4a
Bảng 2.4b
Bảng 2.5.
Bảng 2.6.
Bảng 2.7.
Bảng 3.1.
Bảng 3.2.
Bảng 3.3.
Bảng 3.4.
Bảng 3.5.
Bảng 3.6.
Bảng 3.7.
Bảng 3.8.
Bảng 3.9.
Bảng 3.10.
Bảng 3.11.
Bảng 3.12.
Bảng 3.13.
Bảng 3.14.
Bảng 3.15.
Bảng 3.16.
Bảng 3.17.
Bảng 3.18.
Bảng 3.19.
Bảng 3.20.
Bảng 3.21.
Bảng 3.22.
Bảng 3.23.
Bảng 3.24.

Bảng 4.1.
Bảng 4.2.

Bảng chuyển đổi từ đỉnh gia tốc nền sang cấp động đất…………..
Phân loại đánh giá tiềm năng hóa lỏng………………………...…..
Cao trình đỉnh đê và cao trình mực nước thiết kế đê sông Hồng…..
Một số vị trí đê xung yếu trên tuyến đê Hữu Hồng …………….....
Thống kê vị trí tầng đất có tính nhạy hóa lỏng cao trong nền đê ….
Kết quả phân tích thành phần hạt của cát nền đê Hữu Hồng………
Kết quả phân tích thành phần hạt của cát tại cảng Hà Nội………...
Chỉ tiêu cơ lý của đất thí nghiệm…………………………………..
Mức độ thiệt hại tiềm tàng và số nhát búa hiệu chỉnh……………..
Hệ số hiệu chỉnh độ lớn trận động đất……………………………..
Thông số ban đầu của mẫu thí nghiệm xác định Ez-εa đất dính …..
Thông số ban đầu của mẫu thí nghiệm xác định Ez-εa đất cát.. …..
Thông số ban đầu của mẫu thí nghiệm xác định Ez-c’ đất dính…
Thông số ban đầu của mẫu thí nghiệm xác định Ez -c’ đất cát…
Hệ số tương quan giữa mô đun Young chuẩn hóa và εa cát 3a…....
Hệ số tương quan giữa mô đun Young chuẩn hóa và εa cát 3b……
Hệ số tương quan giữa mô đun Young chuẩn hóa và εa cát 4c……
Hệ số tương quan giữa mô đun Young chuẩn hóa và εa cát 4d……
Hệ số tương quan giữa mô đun Young chuẩn hóa và εa cát 4e……
Hệ số tương quan giữa hệ số giảm chấn và εa cát 3a………………
Hệ số tương quan giữa hệ số giảm chấn và εa cát 3b………………
Hệ số tương quan giữa hệ số giảm chấn và εa cát 4c………………
Hệ số tương quan giữa hệ số giảm chấn và εa cát 4d………………
Hệ số tương quan giữa hệ số giảm chấn và εa cát 4e………………
Hệ số tương quan giữa Ez và σc’ của các loại đất………………….
Thông số ban đầu của mẫu thí nghiệm hóa lỏng …………………..
Hệ số tương quan giữa tỷ số ứng suất với Nc …………….……..…

Hệ số tương quan giữa ru với số vòng lặp chuẩn hóa cát 3a……….
Hệ số tương quan giữa ru với số vòng lặp chuẩn hóa cát 3b……….
Hệ số thực nghiệm của phương trình tương quan giữa Ez với a….
Hệ số mũ của phương trình tương quan giữa Ez với c’…………..
Hệ số thực nghiệm của phương trình tương quan giữa h với a….
Hệ số thực nghiệm của phương trình tương quan giữa CSR với Nc.
Hệ số thực nghiệm của phương trình tương quan giữa ru với NL
Giá trị PGA chu kỳ 475 năm tại các hố khoan K73+750………….
Giá trị PGA chu kỳ 2475 năm tại các hố khoan K73+750………...

x

….6
…19
…33
…33
…46
…51
…51
…53
…53
…55
...72
...72
...73
…73
…88
…89
…90
…90

…90
…92
…92
…92
…92
…93
…94
…95
..105
..106
..107
..108
..108
..109
..109
..110
..119
..119


Bảng 4.3.
Bảng 4.4.
Bảng 4.5.
Bảng 4.6.
Bảng 4.7.
Bảng 4.8.

Chỉ tiêu cơ lý tính toán của các lớp đất trong nền đê………………
Kết quả tính ổn định mái đê tại mặt cắt K73+750……………….
Kết quả tính biến dạng đê tại mặt cắt K73+750…………………...

Kết quả tính ổn định tại mặt cắt K73+750………………...………
Kết quả tính biến dạng tại mặt cắt K73+750………………..……..
Kết quả tính ổn định mái, trường hợp ảnh hưởng của mực nước lũ.

..122
..127
..128
..130
..130
..132

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
amax : gia tốc ngang lớn nhất gây ra bởi trận động đất, (m/s2),
B: hệ số áp lực nước lỗ rỗng, (B=∆u/∆σ3),
CRR: tỷ số kháng chu kỳ, đặc trưng cho sức kháng của đất,
CRR7,5: tỷ số kháng chu kỳ với độ lớn động đất Mw=7,5
CSR: tỷ số ứng suất chu kỳ do động đất gây ra,
DA: biên độ kép của biến dạng dọc trục, (%)
Di: đường kính ban đầu của mẫu, (mm)
Dc: đường kính mẫu sau cố kết, (mm)
D60: đường kính hạt tương ứng với hàm lượng phần trăm tích lũy bằng 60%, (mm)
D10: đường kính hạt tương ứng với hàm lượng phần trăm tích lũy bằng 10%, (mm)
Dr: độ chặt tương đối, (%)
Ez: mô đun Young theo phương thẳng đứng, (kPa)
Ezmax: mô đun Young theo phương đứng lớn nhất, (kPa)
Ez/ Ezmax: mô đun Young chuẩn hóa,
eo: hệ số rỗng ban đầu của mẫu,
ec: hệ số rỗng sau cố kết của mẫu,
emax: hệ số rỗng lớn nhất,
emin: hệ số rỗng nhỏ nhất,

FS: hệ số an toàn hóa lỏng, (Fs=CRR/CSR)
F: lực động đất ngang trên cột đất, (kN),
f(e): hàm hệ số rỗng,
fc: hàm lượng hạt mịn trong đất, (các hạt có đường kính, D < 0,075mm),
G/Gmax: mô đun kháng cắt chuẩn hóa,
G: mô đun kháng cắt, (kPa)
Gmax: mô đun kháng cắt lớn nhất, (kPa)
g: gia tốc trọng trường, (m/s2),
Hi: chiều cao ban đầu của mẫu, (mm)
Hc: là chiều cao của mẫu sau khi cố kết, (mm)

xi


MSF: hệ số hiệu chỉnh độ lớn động đất,
Mw: độ lớn động đất,
ms: khối lượng mẫu khô, (g)
Nm: số nhát búa SPT đo được cho 30cm cuối cùng,
(N1)60: giá trị số nhát búa hiệu chỉnh,
N: số vòng lặp (số chu kỳ tải trọng)
Nc, NL: số vòng lặp gây hóa lỏng
N/NL: số vòng lặp chuẩn hóa,
Nu95, số vòng lặp gây ra giá trị áp lực nước lỗ rỗng dư, u, trong mỗi chu kỳ bằng 95%
giá trị ứng suất khống chế hiệu quả;
OCR: tỷ số quá cố kết, (OCR=σp’/σvo’)
p’: ứng suất chính trung bình hiệu quả, (kPa)
rd: hệ số khử chiều sâu,
ru: hệ số áp lực nước lỗ rỗng dư, (ru =Δu/σ3’)
Δu: sự gia tăng áp lực nước lỗ rỗng, (kPa)
z: chiều sâu tính từ mặt đất tự nhiên đến điểm nghiên cứu, (m),

di: khối lượng thể tích ban đầu của mẫu, (g/cm3)
dc: khối lượng thể tích của mẫu sau cố kết, (g/cm3)
s: khối lượng riêng hạt của mẫu, (g/cm3)
vo’: ứng suất hiệu quả ban đầu theo phương đứng, (kPa)
h’: ứng suất hiệu quả theo phương ngang, (kPa)
v: ứng suất tổng theo phương đứng, (kPa)
h: ứng suất tổng theo phương ngang, (kPa)
b: áp lực ngược, (kPa)
c: áp lực buồng, (kPa)
c’: ứng suất cố kết hiệu quả, (kPa)
o’: ứng suất hiệu quả ban đầu, (kPa)
σp’: ứng suất tiền cố kết, (kPa)
σ3’: áp suất buồng ban đầu, (kPa)
q d: độ lệch ứng suất = v - h, (kPa)
max: ứng suất cắt lớn nhất của đất, (kPa)
cyc: biên độ chu kỳ ứng suất cắt tương đương của trận động đất, (kPa)
γ: biến dạng cắt, (%)
γ : trọng lượng riêng của đất, (kN/m3),
t

εa: biến dạng dọc trục, (%)
ν: hệ số Poisson của đất.

xii


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
CĐTN: cao độ tự nhiên, (m)
MNN: mực nước ngầm, (m),
MSK-64: Thang Medvedev-Sponheuer-Karnik

MMI: thang đo Mercalli sửa đổi
JMA: Japnanese Meteorological Agency
nnk: những người khác
PGA: Peak ground acceleration – gia tốc nền cực đại
SA: Spectral Aceleration - phổ phản ứng của gia tốc nền
PTHH: phần tử hữu hạn
PCLB: phòng chống lụt bão

xiii


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Động đất xảy ra hằng ngày trên Trái Đất nhưng hầu hết các trận động đất đều nhỏ và
không gây hậu quả nghiêm trọng. Động đất lớn có thể gây thiệt hại trầm trọng về
người, cơ sở vật chất, kinh tế và không hề có sự báo trước. Tác động trực tiếp của
động đất là rung cuộn mặt đất, thường gây nhiều thiệt hại nhất. Các rung động này có
thể gây ra nứt gãy, sụt lở đất, sóng thần, hóa lỏng đất, vỡ đê…
Tại nước ta trong lịch sử hiện tượng động đất đã xảy ra ở một số địa phương. Điển
hình là các trận động đất xảy ra tại Hà Nội mạnh cấp VII, cấp VIII (thang MSK-64)
vào các năm 1277, 1278, 1285, động đất Điện Biên năm 1935 với cường độ 6,75 độ
Richter, động đất Tuần Giáo năm 1983 với cường độ 6,8 độ Richter...Chu kỳ lặp lại
động đất mạnh 5,4 độ Richter ở Hà Nội là 1100 năm và trận động đất mạnh cuối cùng
xảy ra cách đây đã hơn 700 năm (năm 1285).
Từ năm 2010 tới nay, có rất nhiều các trận động đất xảy ra ở Việt Nam. Theo những
nghiên cứu gần đây của các nhà địa chất học cho thấy, hiện tượng ấm lên toàn cầu là
một trong những nguyên nhân dẫn tới sự gia tăng của các hoạt động địa chấn. Theo
các nghiên cứu này, băng tan và mực nước biển dâng gây ảnh hưởng đến áp lực tác
động lên các mảng kiến tạo của Trái Đất, dẫn đến sự gia tăng về tần suất và cường độ
của động đất.

Việt Nam là một nước có đường bờ biển dài và hệ thống sông ngòi dày đặc. Hệ thống
đê dọc theo các nhánh sông và bờ biển là giải pháp công trình ngăn nước lũ của sông
hoặc ngăn nước biển. Tổng chiều dài đê của nước ta là hơn 13200 km, trong đó có
10600 km đê sông, 2600 km đê biển và 2500 km đê đặc biệt. Hầu hết các hệ thống đê
ở nước ta được xây dựng từ lâu đời, tôn cao mở rộng dần mà không chú ý xử lý nền
trước khi xây dựng.
Với tầm quan trọng của hệ thống đê điều và nhiệm vụ của nó, gần đây Chính phủ đã
phê duyệt hai chương trình lớn, đó là chương trình nâng cấp đê biển từ Quảng Ninh
đến Quảng Nam; từ Quảng Ngãi đến Kiên Giang và chương trình nâng cấp đê sông tại
1


19 tỉnh có đê được phân cấp, với tổng kinh phí là hơn 50 nghìn tỷ đồng, kéo dài đến
năm 2020. Tuy nhiên hầu hết các chương trình nâng cấp đê hiện nay chủ yếu chú trọng
vào công tác gia cố mặt và mái đê đảm bảo chịu được tác động của sóng, của gió và
các tác động lên bề mặt đê, chưa tập trung vào xử lý ổn định nền và thân đê nếu xảy ra
động đất. Khi động đất xảy ra kết hợp với các yếu tố triều cường, bão lớn xảy ra, đặc
biệt là vấn đề biến đổi khí hậu hiện nay sẽ đe dọa nghiêm trọng khả năng làm việc của
đê. Nếu đê gặp sự cố, vùng hạ du phía đồng sẽ chịu ảnh hưởng.
Hệ thống đê Hữu Hồng có nhiệm vụ đặc biệt quan trọng là bảo vệ an toàn tuyệt đối
cho thủ đô Hà Nội. Trên toàn tuyến cao trình đỉnh đê hiện tại đều cao hơn cao trình
mực nước thiết kế đê, mặt cắt đê tương đối hoàn chỉnh, mái đê đủ độ dốc tuy nhiên có
một số vị trí đê được đắp trên nền cát dày rất dễ xảy ra hóa lỏng khi chịu tác dụng của
động đất mạnh. Trước tình hình biến đổi khí hậu, nước biển dâng cùng với sự xuất
hiện ngày càng nhiều của các trận động đất vừa và nhỏ trên lãnh thổ Việt Nam gần đây
cho thấy cần thiết phải có một nghiên cứu đánh giá khả năng hóa lỏng của đất nền đê
Hữu Hồng, đoạn qua Hà Nội chịu tải trọng động đất và đề xuất giải pháp ổn định khi
hóa lỏng xảy ra.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu của luận án là đánh giá được khả năng hóa lỏng của đất nền đê

Hữu Hồng, đoạn qua thành phố Hà Nội (từ K73+500 – đến K74+100) khi chịu tải
trọng động đất mạnh.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là đất cát nền đê Hữu Hồng, đoạn qua thành phố Hà Nội (từ
K73+500 – đến K74+100), khi chịu động đất mạnh.
Phạm vi nghiên cứu tập trung vào khả năng hóa lỏng của lớp đất cát bão hòa nước,
phân bố nông dưới bề mặt chân đê với chiều dày phân bố từ mặt nền là 40m, khi chịu
động đất mạnh.
4. Nội dung nghiên cứu
Nội dung nghiên cứu bao gồm các vấn đề sau đây:
2


Tổng quan tình hình nghiên cứu hóa lỏng trên thế giới và trong nước;
Cấu trúc địa chất nền đê Hữu Hồng;
Đánh giá tính nhạy và khả năng hóa lỏng của đất nền đê Hữu Hồng;
Xác định các đặc trưng biến dạng của đất nền đê Hữu Hồng;
Xác định các đặc trưng hóa lỏng của đất nền đê Hữu Hồng;
Mô phỏng khả năng hóa lỏng đoạn đê K73+500 – K74+100 khi chịu động đất mạnh;
Đề xuất giải pháp ổn định đê phòng tránh hóa lỏng xảy ra.
5. Phương pháp tiếp cận và nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu trong đề tài là nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm
(thí nghiệm trong phòng và thí nghiệm hiện trường) và mô phỏng số theo phương pháp
phần tử hữu hạn.
Nghiên cứu lý thuyết: dựa theo các sách, các tài liệu đã được phát hành và các kết quả
nghiên cứu đã được công bố chính thức để phân tích tổng hợp đưa ra những luận cứ
đúng đắn cho nội dung nghiên cứu đã đề ra.
Nghiên cứu thực nghiệm hiện trường: sử dụng các kết quả khoan khảo sát địa chất và
thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn làm căn cứ đánh giá khả năng hóa lỏng nền đê theo quy
trình đơn giản đã được công bố, đồng thời là cơ sở cho nghiên cứu thực nghiệm trong

phòng.
Nghiên cứu thực nghiệm trong phòng: sử dụng thiết bị 3 trục động để nghiên cứu khả
năng hóa lỏng của các mẫu đất được lấy mẫu từ thực địa nhằm xác định các đặc trưng
biến dạng và hóa lỏng của đất nền đê Hữu Hồng. Từ đó đưa ra những kết quả chính
xác là cơ sở để xây dựng tương quan của các đặc trưng biến dạng và hóa lỏng của đất.
Nghiên cứu mô phỏng số: đánh giá khả năng hóa lỏng của một đoạn đê thực tế dựa
trên kết quả nghiên cứu thực nghiệm trong phòng và hiện trường và các kịch bản về tải
trọng động đất và mực nước khác nhau.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Việc nghiên cứu đặc trưng biến dạng và hóa lỏng của đất nền đê Hữu Hồng vừa có ý
nghĩa khoa học, vừa có ứng dụng thực tế lớn.
3


Về mặt khoa học, kết quả nghiên cứu góp phần làm sáng tỏ kiến thức về đặc trưng
biến dạng, hóa lỏng của đất nền đê, xây dựng được quy luật ứng xử của đất nền khi
chịu tác dụng của động đất, nhằm phục vụ công tác dự báo, thiết kế kháng chấn; góp
phần hoàn thiện và hệ thống hóa cơ sở lý thuyết đặc trưng biến dạng và hóa lỏng, bổ
sung thông tin cần thiết và có thể dùng làm tài liệu tham khảo hữu ích cho nghiên cứu
động học, hóa lỏng tiếp theo.
Về mặt thực tiễn, kết quả nghiên cứu của luận án có những đóng góp như sau:
Quy hoạch, phân vùng nguy cơ hóa lỏng khi xảy ra động đất mạnh;
Quản lý an toàn đê điều.
7.

Bố cục của luận án

Mở đầu
Chương 1: Tổng quan về nghiên cứu hóa lỏng do động đất
Chương 2: Đánh giá tính nhạy hóa lỏng và khả năng hóa lỏng đất nền đê Hữu Hồng

Chương 3: Thí nghiệm trong phòng xác định các đặc trưng động của đất nền đê
Chương 4: Mô phỏng hóa lỏng đê Hữu Hồng khi chịu động đất mạnh và đề xuất giải
pháp ổn định
Kết luận và kiến nghị
Danh mục các tài liệu khoa học đã công bố
Danh mục các tài liệu tham khảo
Phụ lục.

4


CHƯƠNG 1
ĐỘNG ĐẤT

TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU HÓA LỎNG DO

1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước
1.1.1 Khái quát về động đất
Theo Robert Bates và Julia Jackson, (1987)[1], động đất là một chuyển động hay rung
động đột ngột trong 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: do kiến tạo, do đứt gãy, do làm hồ chứa
nước lớn, do nổ, do sụt lở…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 núi lửa hoạt động.
Từ những số đọc sóng động đất tại các biểu đồ địa chấn của các trạm quan trắc có thể
tính ra được vị trí trung tâm (chấn tiêu) của một trận động đất (Hình 1.1).
Đê đập

Chấn tâm

Mặt đất

 – Khoảng cách chấn tâm
h – Độ sâu
chấn tiêu



R – Khoảng cách chấn tiêu

Chấn tiêu
Hình 1.1. Sơ đồ thông số vị trí của một trận động đất
Mức độ nghiêm trọng của một trận động đất được miêu tả bởi cả độ lớn và cường độ
động đất.
Độ lớn động đất (ký hiệu M) là đại lượng đặc trưng cho mức năng lượng mà trận động
đất phát và truyền ra không gian xung quanh dưới dạng sóng đàn hồi
(QĐ46/2014/QĐ-TTg)[2]. Một số thang đo độ lớn động đất phổ biến là thang mô men
(MW), thang Richter (ML), thang độ lớn sóng bề mặt (MS)…Động đất được phân thành
các loại: vi động đất (M < 2,0), động đất yếu (2,0 < M < 3,9), động đất nhẹ (4,0 < M <
4,9), động đất trung bình (5,0 < M < 5,9), động đất mạnh (6,0 < M < 6,9), động đất rất
mạnh (7,0 < M < 7,9) và động đất hủy diệt (M > 8,0) [2].
5


Cường độ chấn động trên bề mặt (ký hiệu I) là đại lượng biểu thị khả năng rung động
do một trận động đất gây ra trên mặt đất và được đánh giá qua mức độ tác động của nó
đối với nhà cửa, công trình, mặt đất, đồ vật, con người. Một số thang cường độ động
đất phổ biến là thang MSK-64 có 12 cấp, thang MMI có 12 cấp, thang JMA của cơ
quan khí tượng Nhật Bản có 8 cấp.
Đánh giá khả năng rung động nền hay độ nguy hiểm động đất cho một khu vực hay

công trình phải đưa ra được các thông số của trận động đất như gia tốc nền cực đại
PGA, phổ phản ứng của gia tốc nền SA, băng gia tốc…Theo TCVN 9386-2012[3],
bảng chuyển đổi tương đương từ đỉnh gia tốc nền sang cấp động đất của thang MSK64 và thang MM được thể hiện trong Bảng 1.1. Theo giá trị gia tốc nền, động đất mạnh
là động đất có a > 0,08g, khi đó phải tính toán cấu tạo kháng chấn.
Bảng 1.1. Bảng chuyển đổi từ đỉnh gia tốc nền sang cấp động đất
Thang MSK-64

Thang MM

Cấp động đất

Đỉnh gia tốc nền, a(g)

Cấp động đất

Đỉnh gia tốc nền, a(g)

V

0,012-0,03

V

0,03-0,04

VI

> 0,03-0,06

VI

0,06-0,07

VII

> 0,06

VII

0,10-0,15

VIII

> 0,12-0,24

VIII

0,25-0,30

IX

> 0,24-0,48

IX

0,50-0,55

X

> 0,48

X

> 0,6

Việt Nam nằm trong địa mảng Á - Âu nên nguồn gây động đất đều trực tiếp do đứt gẫy
nội mảng, do vậy điều kiện phát sinh và đặc điểm động đất tại Việt nam đều bắt nguồn
từ bình đồ kiến tạo trên lãnh thổ Việt Nam. Các vùng có nguy cơ xảy ra động đất từ
6,0 – 7,0 độ Richter ở Việt Nam gồm: đới đứt gãy trên hệ thống sông Hồng, sông
Chảy; đới đứt gãy Lai Châu – Điện Biên; đới sông Mã, Sơn La, sông Đà; đới Cao
Bằng, Tiên Yên; đới Rào Nậy – sông Cả; đới Đakrông – Huế; đới Trường Sơn; đới
sông Ba; đới ven biển miền Trung...Ngoài những vùng này, trên lãnh thổ Việt Nam
còn có khoảng 30 khu vực có nguy cơ động đất xấp xỉ 5,0 độ Richter.
Theo Nguyễn Đình Xuyên và Trần Văn Thắng, (2005)[4] trước Kainozoi, quá trình
vận động kiến tạo đã hình thành trên lãnh thổ Việt Nam và lân cận. Các đơn vị kiến

6


tạo chính theo bản đồ địa chấn kiến tạo là cơ sở cho phân vùng động đất trên lãnh thổ
Việt Nam (Hình 1.2).
Bản đồ phân vùng động đất lãnh thổ Việt Nam trong tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn đã
được thành lập trên cơ sở các kết quả nghiên cứu quy luật biểu hiện động đất trên lãnh
thổ Việt Nam. Dựa theo tương quan giữa động đất và bình đồ phân vùng kiến tạo địa
động lực hiện đại, từ đó tìm ra quy luật phân bố động đất trong không gian và theo thời
gian, quy luật lặp lại động đất và mối liên quan giữa các đặc trưng động lực như chiều
dài, chiều rộng, chấn tiêu động đất với quy luật lan truyền chấn động (cấp động đất,
gia tốc dao động nền…). Nhờ vào bản đồ, ta có thể biết được thời điểm động đất lặp
lại trong 1000 năm và 500 năm. Theo bản đồ này, Việt Nam có tất cả 30 khu vực có
thể phát sinh động đất. Mức độ chấn động của động đất nằm trong khoảng từ 5,5 - 6,8

độ Richter [3].
Hà Nội nằm trong vùng đứt gãy sông Hồng - sông Chảy, nơi đã xảy ra các trận động
đất mạnh cấp VII, cấp VIII (thang MSK - 64) vào các năm 1277, 1278, 1285. Hiện Hà
Nội đang trong thời kỳ yên tĩnh nhưng trong tương lai hoạt động động đất có thể tăng
lên và động đất mạnh có thể xảy ra. Ngoài ra, Hà Nội còn phải chịu tác động của động
đất mạnh xảy ra ở những vùng đứt gãy lân cận như đứt gãy sông Lô, Đông Triều, Sơn
La.
Nguyễn Hồng Phương và Phạm Thế Truyền, (2014)[5] công bố tập bản đồ xác suất
nguy hiểm động đất lãnh thổ Việt Nam và khu vực biển đông trên cơ sở cập nhật danh
mục động đất và các thông tin địa chấn kiến tạo, địa động lực khu vực Đông Nam Á
đến năm 2014. Theo tập bản đồ này, trên lãnh thổ Việt Nam rung động nền mạnh nhất
quan sát thấy tại khu vực Tây Bắc đất nước, tập trung trên hai vùng nguồn Điện Biên Lai Châu và Sơn La. Đặc biệt đối với chu kỳ lặp lại khoảng 10000 năm, các giá trị
rung động nền tại hai vùng nguồn nêu trên tương đương với cường độ chấn động trên
bề mặt cấp IX theo thang MSK - 64. Ngoài hai vùng chấn động mạnh nhất nêu trên,
trên lãnh thổ Việt Nam còn quan sát thấy khu vực sông Hồng – sông Chảy là vùng
nguồn có rung động mạnh tới cấp VIII (thang MSK - 64).

7


Hình 1.2. Bản đồ địa chấn kiến tạo lãnh thổ Việt Nam [4]

8


1.1.2 Tình hình nghiên cứu hóa lỏng do động đất trên thế giới
1.1.2.1 Khái quát về hóa lỏng
Hóa lỏng là một trong những hiện tượng quan trọng, phức tạp, thú vị và gây tranh cãi
nhiều nhất trong nghiên cứu động đất (Kramer, 1996)[6]. Hóa lỏng thường xảy ra
trong nền đất cát rời khi động đất hoặc chịu tác động của tải trọng động. Trong thực tế

hiện tượng hóa lỏng xảy ra chủ yếu do động đất. Trong khi động đất, tác dụng của ứng
suất cắt theo chu kỳ do các sóng cắt gây ra làm tăng áp lực nước lỗ rỗng trong cát. Khi
chấn động xảy ra đủ nhanh, đất chịu tải không thoát nước, áp lực nước lỗ rỗng trong
đất tăng nhanh. Sự gia tăng áp lực nước lỗ rỗng khi chịu tải không thoát nước là dấu
hiệu nhận biết hiện tượng hóa lỏng.
Khi xảy ra hóa lỏng làm cho đất nền yếu dần theo thời gian, các hạt đất hầu như không
liên kết với nhau và mất khả năng chống cắt vì thế sức chịu tải của nền giảm xuống
làm cho công trình lún, trượt, mất ổn định.
Nghiên cứu về hóa lỏng trên thế giới được thực hiện từ những năm 1920 tuy nhiên nó
chỉ phát triển mạnh mẽ vào những năm 1960 sau thảm họa động đất kép ở Niigata và
Alaska năm 1964, cả hai trận động đất này đều gây thiệt hại nặng nề do hiện tượng hóa
lỏng đất. Các nghiên cứu đã tập trung làm sáng tỏ một số vấn đề của hiện tượng hóa
lỏng đất như hậu quả của hóa lỏng đất, cơ chế hình thành hóa lỏng, đánh giá khả năng
hóa lỏng, các yếu tố ảnh hưởng đến sức kháng hóa lỏng của đất, các biện pháp giảm
nhẹ thiệt hại do hóa lỏng…
1.1.2.2 Các sự cố công trình do ảnh hưởng của hóa lỏng trong động đất
Một trong những nguyên nhân gây phá hủy công trình nói chung và công trình thủy lợi
nói riêng là hóa lỏng do động đất. Hóa lỏng xảy ra làm cho nền đất yếu dần theo thời
gian, các hạt đất gần như không liên kết với nhau làm mất khả năng chống cắt của đất
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…Trên thế giới đã có nhiều công trình xây dựng chịu hậu quả
nghiêm trọng do nền đất bị hóa lỏng trong các trận động đất. Dưới đây là một số hình
ảnh về hậu quả hóa lỏng do động đất đối với công trình (Hình 1.3 đến Hình 1.11).
9


Hình 1.3. Hóa lỏng đất gây sạt đường cao tốc ở phía tây của hồ Merced ở San
Francisco trong trận động đất thành phố Daly năm 1957 (Ảnh chụp của M.G. Bonilla
Trung tâm Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ)

Hình 1.4. Hóa lỏng đất gây trượt mái thượng lưu đập San Fernando hạ năm 1971
(Ảnh chụp của sở thông tin quốc gia về động đất, Trường đại học California)

Độ cao tính bằng feet

FS<1

Vùng hóa lỏng và áp lực
nước lỗ rỗng cao

Hình 1.5. Sơ đồ trượt mái đập San Fernando hạ năm 1971 (a): Mặt cắt ngang ban đầu
(b): Mặt cắt ngang sau khi trượt (Castro và nnk, 1992)[7]
10