Ứng dụng phương pháp phân tích sóng mặt đa kênh trong khảo sát tầng nông khu vực phía đông thành phố hồ chí minh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NGUYỄN NHẬT KIM NGÂN

ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH
SĨNG MẶT ĐA KÊNH TRONG KHẢO SÁT
TẦNG NƠNG KHU VỰC PHÍA ĐƠNG
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ

TP. HỒ CHÍ MINH, 2020


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NGUYỄN NHẬT KIM NGÂN

ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH
SĨNG MẶT ĐA KÊNH TRONG KHẢO SÁT
TẦNG NƠNG KHU VỰC PHÍA ĐƠNG
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
Ngành: Vật lý Địa cầu
Mã số ngành: 62 44 01 11

Phản biện 1: PGS.TS. Hoàng Thái Lan
Phản biện 2: TS. Nguyễn Thanh Sơn
Phản biện 3: TS. Nguyễn Xuân Thành
Phản biện độc lập 1: PGS. TS. Nguyễn Văn Giảng

Phản biện độc lập 2: TS. Nguyễn Xuân Thành

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1. TS. Đỗ Văn Lưu
2. PGS. TS. Nguyễn Thành Vấn

TP. Hồ Chí Minh – Năm 2020


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả nêu
trong luận án là do tơi tìm ra, chưa từng được ai cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào
khác.
Ký tên

Nguyễn Nhật Kim Ngân

i


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin gửi lời tri ân sâu sắc đến TS. Đỗ Văn Lưu và PGS. TS. Nguyễn Thành
Vấn đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và khuyến khích tơi hồn thành đề tài nghiên cứu.
Tơi cũng xin bày tỏ lịng biết ơn đến Q Thầy, Q Cơ Chú, Anh Chị Em, Bạn
bè thuộc Liên đoàn Bản đồ Địa chất Miền Nam đã ln hết lịng giúp đỡ trong q
trình đo đạc thu thập số liệu.
Bên cạnh đó, tơi muốn gửi lời cảm ơn chân thành đến Quí Thầy Cô và Đồng
nghiệp Bộ môn Vật lý Địa cầu, Ban chủ nhiệm Khoa Vật lý - Vật lý Kỹ thuật, Phòng
Sau Đại học và Nhà trường đã tạo điều kiện thuận lợi cho tơi hồn thành luận án.
Cuối cùng, tơi xin gửi đến Gia đình và Người thân những lời yêu thương nhất.

Xin tri ân và gửi đến tất cả những lời chúc hạnh phúc và tốt đẹp nhất.

ii


MỤC LỤC
Trang phụ bìa

Trang

Lời cam đoan

i

Lời cảm ơn

ii

Mục lục

iii

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

vi

Danh mục các bảng

ix

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

x

MỞ ĐẦU

1

Chương 1 – TỔNG QUAN

6

1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước

6

1.1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới

6

1.1.2. Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam

11

1.2. Kết luận chương 1

13

Chương 2 – PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH SĨNG MẶT ĐA KÊNH
2.1. Cơ sở lý thuyết

14
14

2.1.1. Sóng địa chấn

14

2.1.2. Sóng khối

14

2.1.3. Sóng mặt - Sóng Rayleigh

15

2.2. MASW chủ động và thụ động

22

2.3. Đo đạc thực địa MASW

24

2.4. Phân tích số liệu MASW

28

2.4.1. Phân tích sự tán sắc của sóng mặt và xây dựng đường cong
vận tốc pha

29

2.4.2. Bài tốn ngược

41

2.5. Vai trị MASW trong khảo sát địa kỹ thuật

50

2.6. Kết luận chương 2

53

iii


Chương 3 – KẾT QUẢ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH SĨNG MẶT
ĐA KÊNH TẠI CÁC KHU VỰC KHẢO SÁT QUẬN 2

55

3.1. Đặc điểm địa lý và địa chất quận 2

55

3.2. Khảo sát MASW tại dự án phát triển khu dân cư đường Tạ Hiện

56

3.2.1. Đo đạc thực địa MASW

57

3.2.2. Phân tích số liệu MASW

59

3.2.3. Kết quả MASW tại dự án phát triển khu dân cư đường Tạ Hiện

62

3.2.3.1. Mối tương quan giữa VS và SPT-N

62

3.2.3.2. Kết quả minh giải VS theo MASW

67

3.3. Khảo sát MASW tại dự án phát triển khu dân cư đường Vũ Tông Phan 74
3.3.1. Đo đạc thực địa MASW

75

3.3.2. Phân tích số liệu MASW

77

3.3.3. Kết quả MASW tại dự án phát triển khu dân cư
đường Vũ Tông Phan

79

3.3.3.1. Kết quả minh giải VS theo MASW

79

3.3.3.2. So sánh kết quả 1D VS theo MASW
và hàm tương quan thực nghiệm
3.4. Kết luận chương 3

83
85

Chương 4 – KẾT QUẢ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH SĨNG MẶT
ĐA KÊNH TẠI CÁC KHU VỰC KHẢO SÁT QUẬN 9

88

4.1. Đặc điểm địa lý và địa chất quận 9

88

4.2. Khảo sát MASW tại dự án Samsung khu công nghệ cao

88

4.2.1. Đo đạc thực địa MASW

89

4.2.2. Phân tích số liệu MASW

92

4.2.3. Kết quả MASW tại dự án Samsung khu công nghệ cao

94

4.3. Khảo sát MASW tại dự án OneHub khu công nghệ cao

98

4.3.1. Đo đạc thực địa MASW

99

4.3.2. Phân tích số liệu MASW

102

iv


4.3.3. Kết quả MASW tại dự án OneHub khu công nghệ cao

103

4.3.3.1. Mối tương quan giữa VS và SPT-N

103

4.3.3.2. Kết quả minh giải VS theo MASW

107

4.4. Kết luận chương 4

118

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

120

DANH MỤC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ

123

TÀI LIỆU THAM KHẢO

126

PHỤ LỤC

142

v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
MASW: Multichannel Analysis of Surface Wave (Phương pháp phân tích sóng mặt
đa kênh)
Active MASW: Active Multichannel Analysis of Surface Wave (Phương pháp phân
tích sóng mặt đa kênh chủ động)
Passive MASW: Passive Multichannel Analysis of Surface Wave (Phương pháp phân
tích sóng mặt đa kênh thụ động)
Combined active and passive MASW: Combined active and passive Multichannel
Analysis of Surface Wave (Phương pháp phân tích sóng mặt đa kênh kết hợp chủ
động và thụ động)
SASW: Spectral Analysis of Surface Wave (Phương pháp phân tích phổ sóng mặt)
CSW: Continuous Surface Wave (Phương pháp đo sóng mặt liên tục)
NEHRP: National Earthquake Hazards Reduction Program (Chương trình giảm thiểu
rủi ro động đất quốc gia)
SPT: Standard penetration test (Thí nghiệm đóng cọc xuyên tiêu chuẩn)
SPT-N: Standard penetration test blow count (Số búa đập trong thí nghiệm đóng cọc
xun tiêu chuẩn)
SCPT: Standard cone penetration test (Thí nghiệm địa chấn xuyên tiêu chuẩn)
TCXDVN 375: Tiêu chuẩn Xây dựng Việt Nam 375
TCVN: Tiêu chuẩn Việt Nam
ĐCCT: Địa chất cơng trình
ĐCTV: Địa chất thủy văn
u1, u2, u3: Các thành phần dịch chuyển theo phương x1, x2, x3
, : Hàm thế vô hướng
c: Vận tốc pha sóng Rayleigh
k: Số sóng
: Bước sóng
VS: Vận tốc truyền sóng ngang

vi


VP: Vận tốc truyền sóng dọc
VS30: Vận tốc sóng ngang trung bình
: Ứng suất
: Hệ số Lame, mơ đun biến dạng cắt
: Hệ số Poisson
f: Tần số (Hz)
fG: Tần số tự nhiên của geophone
: Vận tốc góc
z, Z: Độ sâu khảo sát
E: Mô đun Young, năng lượng (động năng) nguồn địa chấn
v: Vận tốc nguồn địa chấn
L: Chiều dài hệ máy thu
N: Tổng số máy thu được sử dụng
X: Khoảng cách thu nổ
dx: Khoảng cách giữa các geophone
T: Tổng thời gian ghi nhận tín hiệu của băng ghi địa chấn
dt: Bước lấy mẫu
FFT: Phép biến đổi Fourier nhanh
: Mật độ
h: Bề dày
J: Ma trận Jacobian
s(t): Hàm số quét
u(x, t): Băng ghi địa chấn ban đầu

u(x, t) : Băng ghi địa chấn sau khi áp dụng phép tích chập với hàm số quét
A(x, ): Thành phần biên độ
P(x, ): Thành phần pha sóng

NS: Số điểm lấy mẫu của mỗi tập số liệu

u norm (x, ) : Trường sóng đã được tích chập và chuẩn hóa

vii


: Căn bậc hai của sai số toàn phương trung bình
R: Hệ số xấp xỉ, độ lệch tương đối
D: Độ lệch
S: Độ lệch chuẩn

viii


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1. Các tham số mơ hình.
Bảng 2.2. Thang phân loại nền đất dựa trên vận tốc truyền sóng ngang VS (NEHRP)
[134].
Bảng 2.3. Thang phân loại nền đất (TCXDVN 375, 2006) [16].
Bảng 3.1. Các tham số đo đạc 1D MASW.
Bảng 3.2. Hàm tương quan VS = aNb giữa VS và SPT-N với hệ số a và b khác nhau
của các tác giả trên thế giới và kết quả nghiên cứu tại quận 2 (2016), quận 9 (2019).
Bảng 3.3. Vận tốc sóng VS và mơ đun biến dạng cắt G theo MASW (BH07).
Bảng 3.4. Vận tốc sóng VS và mô đun biến dạng cắt G theo MASW (PBH02).
Bảng 3.5. So sánh giữa vận tốc sóng ngang VS theo MASW và downhole.
Bảng 3.6. Độ lệch tương đối trung bình của VS theo MASW và các phương pháp
khác và kết quả nghiên cứu quận 2 (2016), quận 9 (2014, 2019).
Bảng 3.7. So sánh giữa vận tốc sóng ngang VS theo MASW và hàm tương quan thực
nghiệm giữa VS và SPT-N.

Bảng 3.8. So sánh giữa vận tốc sóng ngang VS theo MASW và hàm tương quan thực
nghiệm giữa VS và SPT-N theo một số tác giả trên thế giới và tại khu vực khảo sát.
Bảng 4.1. Các số liệu thu thập được tương ứng với khoảng cách thu nổ X, bước lấy
mẫu và loại đe khác nhau.
Bảng 4.2. So sánh giữa vận tốc sóng ngang VS theo MASW và downhole tương ứng
với khoảng cách thu nổ, bước lấy mẫu và loại đe khác nhau.
Bảng 4.3. Các tham số đo đạc 1D MASW.
Bảng 4.4. Các tham số đo đạc 2D MASW.
Bảng 4.5. Vận tốc sóng VS và mơ đun biến dạng cắt G theo MASW (BH07).
Bảng 4.6. Vận tốc sóng VS và mô đun biến dạng cắt G theo MASW (BH17).
Bảng 4.7. So sánh giữa vận tốc sóng ngang VS theo MASW và downhole.

ix


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 2.1. Các dạng sóng địa chấn: (a) sóng dọc P, (b) sóng ngang S, (c) sóng Love,
(d) sóng Rayleigh.
Hình 2.2. Tia sóng tới bề mặt ranh giới tự do phân cách và thành phần vận tốc dọc
theo bề mặt.
Hình 2.3. Đường cong vận tốc pha của sóng Rayleigh trong một phân lớp đàn hồi
nằm trên môi trường bán không gian bên dưới: đường cong cơ bản (M11) và ba đường
cong bậc cao đầu tiên (đối xứng M12 và bất đối xứng M21, M22).
Hình 2.4. Phương pháp phân tích sóng mặt đa kênh. (a) Sơ đồ tuyến đo MASW sử
dụng nguồn chủ động là búa tạ. (b) Mặt cắt địa chấn ghi nhận được. (c) Hình ảnh tán
sắc thể hiện sự phân bố năng lượng của sóng mặt. (d) Mặt cắt 1D VS thể hiện sự thay
đổi vận tốc truyền sóng S theo độ sâu.
Hình 2.5. Sơ đồ bố trí tuyến đo MASW chủ động. Khoảng cách giữa các máy thu là
dx. Chiều dài hệ máy thu là L. Tổng chiều dài tuyến đo là LT.
Hình 2.6. Hệ thống máy móc và thiết bị dùng trong phương pháp phân tích sóng mặt

đa kênh. Mũi tên đỏ là đường truyền tín hiệu dao động cơ học ghi nhận từ máy thu.
Mũi tên màu xanh là đường truyền tín hiệu số sau khi đã được máy địa chấn chuyển
đổi từ tín hiệu dao động cơ học.
Hình 2.7. Sơ đồ khảo sát 1D MASW trên mặt đất và mặt cắt 1D VS thể hiện sự thay
đổi giá trị vận tốc truyền sóng ngang theo độ sâu bên dưới mặt đất. Đồ thị đường cong
(vùng màu cam) biểu diễn tỷ lệ tương đối mức độ thể hiện của mơ hình vận tốc dưới
mặt đất tại các vị trí kế cận trong giới hạn chiều dài hệ thống máy thu.
Hình 2.8. Các bước đo đạc 2D MASW.
Hình 2.9. Sơ đồ mơ tả các bước xử lý số liệu MASW.
Hình 2.10. Phép tích chập cho một đường ghi từ băng ghi địa chấn thô với hàm số
quét. (a) Hàm tần số quét. (b) Đường ghi số liệu của băng địa chấn thơ. (c) Đường
ghi số liệu sau phép tích chập.
Hình 2.11. Băng ghi tần số quét thu được sau phép tích chập với hàm tần số quét.

x


Hình 2.12. Dấu sao màu đỏ là các cực đại cục bộ được nhận diện trên mỗi đường ghi
sẽ được sử dụng cho q trình phân tích tiếp theo. Dấu sao màu xanh là các cực đại
địa phương sẽ bị loại bỏ trong q trình phân tích.
Hình 2.13. Hai đường tuyến tính được nhận diện trên băng ghi tần số quét tương ứng
với tần số 16,6 và 28,5 Hz.
Hình 2.14. Đường cong vận tốc pha thu được sau thuật toán tần số qt (các điểm
trịn màu xanh và đỏ).
Hình 2.15. (a) Các đường cong hình sin được chuẩn hóa. (b) Biên độ cộng dồn được
chuẩn hóa được biểu diễn dưới dạng hàm của vận tốc pha theo tổng số đường ghi
khác nhau.
Hình 2.16. Hình ảnh tán sắc hai chiều (hình ảnh phổ vận tốc pha hai chiều).
Hình 2.17. Hình ảnh tán sắc ba chiều (hình ảnh phổ vận tốc pha ba chiều).
Hình 2.18. Các điểm số liệu tương ứng với các cực đại nằm trên đường cong vận tốc

pha cơ bản được lựa chọn trên hình ảnh tán sắc sóng mặt.
Hình 2.19. Mơ hình mơi trường địa chất bên dưới mặt đất gồm các phân lớp theo
phương ngang có các tham số: vận tốc truyền sóng ngang VS, vận tốc truyền sóng
dọc VP, mật độ  và bề dày h.
Hình 2.20. Ảnh hưởng của sự thay đổi mật độ, vận tốc sóng dọc P, vận tốc sóng
ngang S và bề dày phân lớp mơ hình lên vận tốc pha sóng Rayleigh. Nét liền mảnh là
vận tốc pha sóng Rayleigh của mơ hình. Hình vng, hình thoi, hình trịn, hình tam
giác thể hiện vận tốc pha sóng Rayleigh sau khi mật độ, vận tốc sóng P, vận tốc sóng
S, bề dày phân lớp thay đổi 25%.
Hình 2.21. Kết quả giải bài tốn ngược mơ hình hai phân lớp. (a) Các đường cong
vận tốc pha của các mơ hình thật, mơ hình ban đầu và mơ hình giải đốn. (b) Mặt cắt
1D VS mơ hình thật, mơ hình ban đầu và mơ hình sau q trình giải bài tốn ngược.
Hình 2.22. Ví dụ về các giá trị VS và bề dày của các phân lớp ước tính ban đầu từ
đường cong vận tốc pha thực nghiệm. Mặt cắt 1D VS gồm 7 phân lớp. Vận tốc sóng
S ban đầu của mỗi phân lớp được giả sử bằng 1,09 lần vận tốc pha sóng Rayleigh và

xi


bề dày từng phân lớp được ước tính theo bước sóng của các điểm trên đường cong
vận tốc pha thực nghiệm.
Hình 3.1. Khu vực khảo sát và vị trí 14 lỗ khoan địa chất. MASW được tiến hành đo
đạc trên 2 lỗ khoan BH07 và PBH02.
Hình 3.2. Sơ đồ khảo sát 1D MASW.
Hình 3.3. Hình ảnh khảo sát MASW tại quận 2 tháng 09/2016.
Hình 3.4. Băng ghi địa chấn tương ứng với các vị trí và khoảng cách thu nổ khác
nhau của lỗ khoan BH07: (a) X1 = 10 m, (b) X2 = 16 m, (c) X3 = -10 m, (d) X4 = -16
m và PBH02: (e) X1 = 10 m, (f) X2 = 16 m, (g) X3 = -10 m, (h) X4 = -16 m.
Hình 3.5. Lỗ khoan BH07: (a), (b), (c), (d) Hình ảnh tán sắc sóng mặt với khoảng
cách thu nổ X1 = 10 m, X2 = 16 m, X3 = -10 m, X4 = -16 m, (e) Phổ sóng mặt của số

liệu sau khi được cộng dồn, (f) Các điểm số liệu được lựa chọn trên đường cong vận
tốc pha sóng mặt.
Hình 3.6. Lỗ khoan PBH02: (a), (b), (c), (d) Hình ảnh tán sắc sóng mặt với khoảng
cách thu nổ X1 = 10 m, X2 = 16 m, X3 = -10 m, X4 = -16 m, (e) Phổ sóng mặt của số
liệu sau khi được cộng dồn, (f) Các điểm số liệu được lựa chọn trên đường cong vận
tốc pha sóng mặt.
Hình 3.7. Đồ thị tương quan giữa VS và SPT-N của môi trường: (a) Tất cả các loại
đất, (b) Đất sét.
Hình 3.8. VS theo SPT-N theo nghiên cứu của một số tác giả khác nhau và kết quả
tại khu vực quận 2: (a) Tất cả các loại đất, (b) Đất sét.
Hình 3.9. Mặt cắt 1D VS theo MASW. Chấm xanh là đường cong vận tốc pha số liệu
mơ hình. Chấm đỏ là đường cong vận tốc pha số liệu đo đạc: (a) BH07 và (b) PBH02.
Hình 3.10. Biểu diễn 1D VS thay đổi theo độ sâu theo MASW, downhole, hàm tương
quan thực nghiệm, chỉ số SPT-N và cột địa tầng lỗ khoan: (a) BH07 và (b) PBH02.
Hình 3.11. Khu vực khảo sát, vị trí đo đạc 1D MASW và tuyến đo 2D MASW qua
ba lỗ khoan BH1, BH3, BH5.
Hình 3.12. Sơ đồ khảo sát 1D MASW.
Hình 3.13. Hình ảnh đo đạc thực địa MASW tháng 06/2015.

xii


Hình 3.14. Băng ghi địa chấn tương ứng với 3 lỗ khoan: (a) BH1, (b) BH3, (c) BH5.
Hình 3.15. Sơ đồ khảo sát 2D MASW.
Hình 3.16. Hình ảnh tán sắc của sóng mặt và ba mươi điểm được lựa chọn trên đường
cong vận tốc pha tại các lỗ khoan: (a) BH1, (b) BH3, (c) BH5.
Hình 3.17. Giá trị 1D VS theo độ sâu (MASW) tại vị trí lỗ khoan: (a) BH1, (b) BH3,
(c) BH5. Chấm xanh là đường cong vận tốc pha số liệu mơ hình. Chấm đỏ là đường
cong vận tốc pha số liệu đo đạc.
Hình 3.18. Mặt cắt 1D VS theo độ sâu theo MASW và hàm tương quan thực nghiệm,

chỉ số SPT-N và cột địa tầng lỗ khoan: (a) BH1, (b) BH3, (c) BH5.
Hình 3.19. Mặt cắt 2D VS của tuyến khảo sát 2D MASW.
Hình 4.1. Khu vực khảo sát và vị trí đo đạc 1D MASW trên lỗ khoan S34.
Hình 4.2. Sơ đồ khảo sát 1D MASW. Khoảng cách thu nổ X (m).
Hình 4.3. Hình ảnh đo đạc thực địa MASW tháng 09/2014.
Hình 4.4. Băng ghi địa chấn tương ứng với khoảng cách thu nổ X (m), bước lấy mẫu
dt (ms) và các loại đe khác nhau: (a) X = 5 m, dt = 0,25 ms, đe gỗ, (b) X = 5 m, dt =
0,5 ms, đe gỗ, (c) X = 5 m, dt = 0,5 ms, đe sắt, (d) X = 5 m, dt = 0,25 ms, đe sắt, (e)
X = 10 m, dt = 0,25 ms, đe gỗ, (f) X = 10 m, dt = 0,5 ms, đe gỗ, (g) X = 10 m, dt =
0,5 ms, đe sắt, (h) X = 10 m, dt = 0,25 ms, đe sắt.
Hình 4.5. Hình ảnh các điểm số liệu được lựa chọn trên đường cong vận tốc pha sóng
mặt tương ứng với khoảng cách thu nổ X (m), bước lấy mẫu dt (ms) và các loại đe
khác nhau: (a) X = 5 m, dt = 0,25 ms, đe gỗ, (b) X = 5 m, dt = 0,5 ms, đe gỗ, (c) X =
5 m, dt = 0,5 ms, đe sắt, (d) X = 5 m, dt = 0,25 ms, đe sắt, (e) X = 10 m, dt = 0,25 ms,
đe gỗ, (f) X = 10 m, dt = 0,5 ms, đe gỗ, (g) X = 10 m, dt = 0,5 ms, đe sắt, (h) X = 10
m, dt = 0,25 ms, đe sắt.
Hình 4.6. Giá trị 1D VS theo độ sâu tương ứng với khoảng cách thu nổ X (m), bước
lấy mẫu dt (ms) và các loại đe khác nhau: (a) X = 5 m, dt = 0,25 ms, đe gỗ, (b) X = 5
m, dt = 0,5 ms, đe gỗ, (c) X = 5 m, dt = 0,5 ms, đe sắt, (d) X = 5 m, dt = 0,25 ms, đe
sắt, (e) X = 10 m, dt = 0,25 ms, đe gỗ, (f) X = 10 m, dt = 0,5 ms, đe gỗ, (g) X = 10

xiii


m, dt = 0,5 ms, đe sắt, (h) X = 10 m, dt = 0,25 ms, đe sắt. Chấm xanh là đường cong
vận tốc pha số liệu mơ hình. Chấm đỏ là đường cong vận tốc pha số liệu đo đạc.
Hình 4.7. Biểu diễn 1D VS thay đổi theo độ sâu của downhole và MASW tương ứng
với khoảng cách thu nổ X, bước lấy mẫu dt và loại đe khác nhau: (a) MASW 1: X =
5 m, dt = 0,25 ms, đe gỗ, (b) MASW 2: X = 5 m, dt = 0,5 ms, đe gỗ, (c) MASW 3: X
= 5 m, dt = 0,5 ms, đe sắt, (d) MASW 4: X = 5 m, dt = 0,25 ms, đe sắt, (e) MASW 5:

X = 10 m, dt = 0,25 ms, đe gỗ, (f) MASW 6: X = 10 m, dt = 0,5 ms, đe gỗ, (g) MASW
7: X = 10 m, dt = 0,5 ms, đe sắt, (h) MASW 8: X = 10 m, dt = 0,25 ms, đe sắt.
Hình 4.8. Khu vực khảo sát và vị trí đo đạc 1D, 2D MASW và downhole.
Hình 4.9. Sơ đồ khảo sát 1D MASW. Khoảng cách thu nổ X = 10 m.
Hình 4.10. Hình ảnh đo đạc thực địa MASW tháng 05/2019.
Hình 4.11. Băng ghi địa chấn 1D MASW tại hai vị trí: (a) BH07, (b) BH17.
Hình 4.12. Hình ảnh tán sắc sóng mặt tại vị trí: (a) BH07, (b) BH17.
Hình 4.13. Đồ thị tương quan giữa VS và SPT-N của mơi trường: (a) Tất cả các loại
đất, (b) Đất sét.
Hình 4.14. VS theo SPT-N theo nghiên cứu của một số tác giả khác nhau và kết quả
tại khu vực quận 9, TP. HCM: (a) Tất cả các loại đất, (b) Đất sét.
Hình 4.15. Mặt cắt 1D VS theo MASW. Chấm xanh là đường cong vận tốc pha số
liệu mơ hình. Chấm đỏ là đường cong vận tốc pha số liệu đo đạc: (a) BH07, (b) BH17.
Hình 4.16. Mặt cắt 1D VS thay đổi theo độ sâu theo MASW, downhole, hàm tương
quan thực nghiệm, chỉ số SPT-N và cột địa tầng lỗ khoan: (a) BH07, (b) BH17.
Hình 4.17. Bản đồ đẳng trị VS30 của khu vực khảo sát.
Hình 4.18. Mơ hình 3D VS của khu vực khảo sát: (a) 3D VS, (b) 2D VS theo hướng
bắc nam, (c) 2D VS theo hướng bắc nam và đơng tây.
Hình 4.19. Mặt cắt 2D VS theo MASW.

xiv


MỞ ĐẦU
Địa vật lý là lĩnh vực khoa học nghiên cứu các đối tượng trên cơ sở khảo sát sự
phân bố các trường vật lý tự nhiên và nhân tạo để luận giải về mặt bản chất của môi
trường. Đặc điểm chung của khảo sát địa vật lý thông thường là không tiếp cận trực tiếp
với đối tượng cần nghiên cứu, mà chỉ thông qua sự phân bố các đặc trưng của trường vật
lý do chúng gây ra hoặc các đáp ứng bởi các trường nhân tạo để suy đoán các thơng số
hình học và tính chất vật lý của nguồn trường.

Phương pháp thăm dò địa chấn là một trong các phương pháp lâu đời và giữ một
vai trò quan trọng trong lĩnh vực địa vật lý cho phép nghiên cứu đặc điểm trường sóng
dao động đàn hồi trong mơi trường đất đá nhằm giải quyết các nhiệm vụ địa chất khác
nhau như nghiên cứu cấu trúc vỏ trái đất, tìm kiếm thăm dị dầu khí và tài ngun khống
sản, nghiên cứu nền móng cơng trình, … [1, 5]. Phương pháp địa chấn bao gồm nhiều
phương pháp khác nhau như khúc xạ, phản xạ, địa chấn lỗ khoan (downhole, crosshole),
… Trong đó, có những phương pháp được sử dụng từ rất lâu, cũng có những phương
pháp ra đời sau và ngày càng phát triển cả về mặt ứng dụng, phương pháp đo đạc, phân
tích, phần mềm và thiết bị.
Độ sâu nghiên cứu của phương pháp thăm dò địa chấn từ vài km đến vài chục mét
tùy thuộc vào mục đích nghiên cứu. Trong đó, mơi trường gần mặt đất đến độ sâu khoảng
30 m đóng vai trị hết sức quan trọng trong nghiên cứu địa kỹ thuật, thiết kế nền móng
cơng trình xây dựng theo tiêu chuẩn kháng chấn, khảo sát mơi trường, … Đặc biệt, vận
tốc truyền sóng ngang VS là tham số quan trọng cho phép đánh giá độ cứng của môi
trường đất đá bên dưới mặt đất, là mối quan tâm hàng đầu trong địa kỹ thuật [6-7, 135].
Tính cấp thiết của đề tài luận án
Từ giá trị VS, các tham số đàn hồi khác của môi trường đất đá có thể được xác
định. Mơi trường địa chất từ mặt đất đến độ sâu 30 m rất quan trọng trong thiết kế nền

1


móng địa kỹ thuật phù hợp với tiêu chuẩn kháng chấn, đặc biệt tại các khu vực thường
xuyên xảy ra động đất trên thế giới. Các tiêu chuẩn quốc tế IBC (2012) và NEHRP (2003)
và Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam - TCVN 375 (2006) được ban hành, trong đó, vận tốc
truyền sóng ngang trung bình VS30 trong 30 m đất mặt đầu tiên là tham số giữ vai trò
quyết định trong việc phân loại đất nền. VS có thể được xác định từ các phương pháp địa
chấn khác nhau. Tại Việt Nam, trong những năm gần đây, hai phương pháp địa chấn
truyền thống là downhole và crosshole được sử dụng một cách rộng rãi trong việc xác
định VS. Tuy nhiên, các phương pháp này đều là các phương pháp phá hủy, địi hỏi phải

có lỗ khoan tại khu vực khảo sát, thời gian khảo sát lâu và chi phí cao [6, 8-9, 14].
Vào những năm 1999 trở lại đây, phương pháp phân tích sóng mặt đa kênh
(Multichannel analysis of surface wave - MASW) được tiến sĩ Choon Park giới thiệu lần
đầu tiên trên tạp chí Geophysics (1999) và ngày càng được áp dụng rộng rãi trên thế giới
[89, 135]. MASW là một trong các phương pháp địa chấn thăm dị khơng phá hủy cho
phép xác định vận tốc truyền sóng VS mà khơng u cầu có lỗ khoan tại khu vực khảo
sát, quy trình đo đạc đơn giản, tiết kiệm chi phí và thời gian khảo sát [89, 135]. Tuy
nhiên, ở nước ta hiện nay vẫn chưa có một nghiên cứu sâu rộng nào về phương pháp
MASW nhằm ứng dụng vào thực tế. Việc nghiên cứu, tìm hiểu về quy trình, kỹ thuật,
phương pháp thi cơng, phân tích, xử lý và minh giải trong phương pháp phân tích sóng
mặt đa kênh là điều hết sức mới mẻ và cần thiết đối với lĩnh vực địa vật lý Việt Nam [6].
Nếu phương pháp MASW được tiến hành áp dụng tại Việt Nam, sẽ mang lại nhiều lợi
ích trong khảo sát địa chất cơng trình.
Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu tổng qt
Mục tiêu tổng quát của luận án là nghiên cứu phương pháp MASW, áp dụng
phương pháp này để khảo sát nền móng cơng trình xây dựng thơng qua việc xác định
các giá trị vận tốc truyền sóng ngang VS tại một số khu vực phía đơng TP. HCM, bao

2


gồm quận 2 và quận 9, kiểm chứng kết quả minh giải bằng lỗ khoan địa chất và kết quả
của phương pháp địa vật lý khác.
Mục tiêu cụ thể
Để hoàn thành mục tiêu tổng quát, luận án tập trung nghiên cứu các mục tiêu cụ
thể như sau: (i) Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về phương pháp MASW, (ii) Nghiên cứu
phương pháp đo đạc giúp tăng cường tín hiệu có ích, hạn chế nhiễu, (iii) Nghiên cứu
phương pháp phân tích số liệu, xác định vận tốc truyền sóng ngang VS thơng qua hình
ảnh tán sắc của sóng Rayleigh, (iv) Nghiên cứu bài toán 1D, 2D và 3D MASW, (v)

Nghiên cứu việc xác định tham số đàn hồi của môi trường đất đá từ giá trị VS đo đạc
được, (vi) Nghiên cứu vận tốc truyền sóng ngang trung bình VS30 và phân loại đất theo
thang phân loại NEHRP (National Earthquake Hazards Reduction Program) và
TCXDVN (Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam), (vii) Nghiên cứu vẽ bản đồ VS30 cho khu
vực khảo sát, (viii) Nghiên cứu hàm tương quan thực nghiệm giữa VS và SPT-N (trong
thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT).
Đối tượng và phương pháp nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: hình ảnh tán sắc, đường cong vận tốc pha sóng mặt, các mặt cắt
thể hiện vận tốc sóng VS theo độ sâu sau khi giải bài tốn ngược, bề dày phân lớp của
mơi trường, các thông số vật lý của môi trường.
Phương pháp nghiên cứu: phương pháp nghiên cứu lý thuyết, phương pháp đo đạc thực
địa chuyên môn (bao gồm phương pháp phân tích sóng mặt đa kênh - MASW, các
phương pháp dùng để so sánh với MASW như downhole, thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn
- SPT, …), phương pháp chuyên gia (hội thảo, lấy ý kiến, …), phương pháp công nghệ
thông tin (sử dụng phần mềm chuyên ngành như Easy MASW, PS, … và các phần mềm
xử lý, trình bày khác như Word, Excel, MapInfo, GIS mapping, …).

3


Phạm vi và các vấn đề cần đi sâu nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu: phạm vi nghiên cứu của luận án là mơi trường địa chất nơng khu
vực phía đơng TP. HCM, bao gồm hai quận có tốc độ phát triển rất cao về xây dựng là
quận 2 và quận 9 (dự án phát triển khu dân cư quận 2 và khu công nghệ cao quận 9).
Các vấn đề cần đi sâu nghiên cứu: cơ sở lý thuyết của phương pháp phân tích sóng mặt
đa kênh, bố trí đo đạc, thông số các tuyến đo đạc thực địa, các ứng dụng phần mềm xử
lý sóng mặt trong minh giải số liệu khảo sát thực địa, xử lý số liệu thực tế, các kết quả
minh giải của phương pháp phân tích sóng mặt đa kênh.
Luận điểm bảo vệ
Nghiên cứu kỹ thuật đo đạc, phân tích và khả năng ứng dụng phương pháp phân

tích sóng mặt đa kênh để xác định vận tốc truyền sóng ngang VS có tính khoa học, ứng
dụng vào thực tiễn đối với hoạt động phục vụ khảo sát cơng trình và nghiên cứu mơi
trường địa chất là rất cần thiết đối với địa vật lý Việt Nam trong giai đoạn hiện nay.
MASW là phương pháp địa vật lý không phá hủy, mang nhiều ưu điểm vượt trội
và có thể thay thế hoặc bổ sung cho các phương pháp địa kỹ thuật truyền thống đã có
trước đây tại Việt Nam. Nhờ đó, số lượng lỗ khoan trong khu vực khảo sát có thể giảm
thiểu một cách đáng kể.
Hàm tương quan thực nghiệm giữa SPT-N và VS (có dạng tổng quát VS = aNb)
trong đó VS có thể được xác định một cách nhanh chóng theo MASW, được các tác giả
khác nhau trên thế giới nghiên cứu từ 1966 đến nay có khả năng áp dụng trong điều kiện
nền đất tại TP. HCM với các giá trị a và b khác nhau đối với từng khu vực khảo sát.
Những điểm mới của luận án
Lần đầu tiên, ứng dụng đo đạc phương pháp phân tích sóng mặt đa kênh cho
nhiệm vụ khảo sát địa chất và nghiên cứu địa chất cơng trình ở một số khu vực phía đơng
TP.HCM. Kết quả nghiên cứu của luận án được công bố trên các tạp chí uy tín trong và
ngồi nước, các báo cáo tại các hội nghị quốc tế (Poster và Oral).
4


Kết quả nghiên cứu của luận án có thể được sử dụng như tài liệu tham khảo cho
các nhà địa vật lý Việt Nam khi bắt đầu nghiên cứu về phương pháp phân tích sóng mặt
đa kênh.
Khoảng giới hạn vận tốc truyền sóng VS trong 30 m phân lớp đất gần mặt, hàm
tương quan thực nghiệm VS và SPT-N, bản đồ VS30, phân loại nền đất theo các tiêu chuẩn
quốc tế và Việt Nam, các biểu diễn 1D, 2D, 3D VS trong luận án tại các khu vực khảo
sát lần đầu tiên được công bố trong nước và quốc tế mang tính chi tiết và khoa học.

5

CHƯƠNG 1:
TỔNG QUAN
Chương 1 sẽ trình bày nguồn gốc của phương pháp sóng mặt, các nghiên cứu
của phương pháp phân tích sóng mặt đa kênh trên thế giới kể từ khi ra đời cho đến
nay, các hướng ứng dụng và phương hướng phát triển của phương pháp phân tích
sóng mặt đa kênh trong giai đoạn hiện nay trên thế giới và tình hình nghiên cứu tại
Việt Nam.
1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước
1.1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Vào những năm 1950, Poel (1951) và Jones (1955) bắt đầu nghiên cứu kỹ
thuật sử dụng nguồn rung trong khảo sát độ cứng của các phân lớp đất đá gần mặt đất
thông qua sự phụ thuộc của vận tốc pha sóng mặt vào tần số (hiện tượng tán sắc sóng
mặt) [61, 124]. Trong phương pháp này, một máy rung được sử dụng như nguồn địa
chấn và một máy thu (geophone) được sử dụng để ghi nhận tín hiệu dao động.
Geophone được di chuyển ra xa dần nguồn địa chấn dọc theo tuyến đo để xác định
bước sóng  tương ứng với một tần số f xác định, vận tốc pha c sau đó được tính theo
cơng thức c = f [93]. Các bước đo đạc được lặp lại tương tự với các tần số khác nhau
cho phép xây dựng đường cong tán sắc (đường cong vận tốc pha sóng mặt).
Vào những năm 1980, nhờ sự hỗ trợ của các máy vi tính hiện đại có tốc độ xử
lý cao, phương pháp sóng mặt liên tục (CSW) ra đời trên cơ sở phương pháp sử dụng
nguồn rung địa chấn trước đây. Tuy nhiên, phương pháp gặp khó khăn trong quá trình
khảo sát các phân lớp nhựa đường [93]. Các nghiên cứu của Jones (1962) và Vidale
(1964) nghiên cứu đường cong tán sắc trong các khảo sát nền đường trong vùng bước
sóng là các giá trị phức [62, 125]. Tuy nhiên, nghiên cứu bị giới hạn do khả năng xử
lý của các máy tính thời bấy giờ cịn chưa phát triển. Năm 1994, Marincek kết luận
về việc tính tốn đường cong tán sắc từ hệ thống nền đường là rất khó khăn ngay cả
khi sử dụng các máy tính hiện đại [73].

6

Năm 1982, phương pháp phân tích phổ sóng mặt (Spectral Analysis of Surface
Waves - SASW) sử dụng hai máy thu trong quá trình đo đạc được Heisey giới thiệu
lần đầu tiên [52]. Nhiều nghiên cứu đáng kể được thực hiện sử dụng SASW như các
công bố của Nazarian và cộng sự (1987), Rix và cộng sự (1991), Aouad (1993),
Stokoe và cộng sự (1994), Fonquinos (1995) [23, 42, 77, 106, 110]. Tính chất tán sắc
của sóng mặt được phân tích dựa trên phổ tần số của các giá trị thời khoảng được đo
bởi hai máy thu. Cơ sở lý thuyết của SASW dựa trên lý thuyết về cơ chế tán sắc của
sóng Rayleigh, mơ hình phân lớp đất đá nằm ngang được sử dụng và tính chất tán sắc
của đường cong vận tốc pha bậc 1 được xem gần giống như đường cong phân tích.
Việc cải tiến phương pháp SASW tập trung vào việc tăng cường độ chính xác
của đường cong đo đạc thông qua đo đạc, xử lý số liệu và thuật giải bài toán ngược
thể hiện trong các nghiên cứu của nhiều tác giả như Nazarian và cộng sự (1987), Rix
và cộng sự (1991), Gucunski và Woods (1992), Stokoe và cộng sự (1994), Ganji và
cộng sự (1998) [45, 47, 77, 106, 110]. Các nghiên cứu sau đó đưa đến kết luận về bản
chất tán sắc của sóng Rayleigh phức tạp hơn đường cong vận tốc pha đơn giản được
sử dụng trước đây. Một số nhà khoa học như Gucunski và Woods (1992), Ganji và
cộng sự (1998) xác định đường cong vận tốc pha biểu kiến là sự chồng chập của nhiều
đường cong vận tốc pha bao gồm cả các đường cong vận tốc pha bậc cao [45, 47].
Độ lệch pha giữa hai máy thu được đo đạc tương ứng với một số các tần số
nào đó. Vận tốc pha sóng c tương ứng với một tần số xác định f được xác định từ độ
lệch pha  và khoảng cách giữa hai máy thu x qua công thức c = 2fx/. Tuy
nhiên, phương pháp SASW còn nhiều hạn chế vì chịu nhiều ảnh hưởng từ các đường
cong vận tốc pha bậc cao, khoảng cách thu nổ quá gần hoặc q xa, các sóng khơng
phải là tín hiệu có ích như sóng trực tiếp, sóng phản xạ, sóng khúc xạ đều có thể được
ghi nhận trong q trình đo đạc, các biến đổi theo phương ngang của vận tốc pha theo
khoảng cách thu nổ, thời gian thu thập và xử lý số liệu kéo dài, … [94, 135].
Phương pháp phân tích sóng mặt đa kênh (Multichannel Analysis of Surface
Wave - MASW) được chính thức giới thiệu lần đầu tiên vào năm 1999 qua các nghiên
cứu khảo sát tại Kansas của Tiến sĩ Park [89, 135]. MASW được phát triển lên từ nền

7


tảng của phương pháp phân tích phổ sóng mặt SASW, sử dụng hệ nhiều máy thu
trong quá trình thu thập số liệu. Sự khác biệt chính giữa hai phương pháp SASW và
MASW là cách thức thu thập số liệu và phân tích số liệu khác nhau. Phương pháp
phân tích sóng mặt đa kênh MASW có nhiều ưu điểm như quá trình đo đạc và phân
tích số liệu nhanh chóng, khắc phục được các hạn chế của phương pháp SASW.
Sự tán sắc của sóng Rayleigh được phân tích thơng qua phép biến đổi trường
sóng trong miền khơng gian - thời gian sang miền tần số - vận tốc pha. Trong đó, tính
chất tán sắc của sóng mặt được hình ảnh hóa thơng qua q trình tích trữ năng lượng
sóng (Park, 1998) [88]. Kỹ thuật biến đổi trường sóng của Park đưa ra giúp phương
pháp đạt được độ phân giải cao nhất so với các phương pháp -p hoặc phương pháp
f-k. Các khảo sát sóng mặt đa kênh và kỹ thuật biến đổi trường sóng 2D được ứng
dụng rộng rãi khảo sát mơi trường đất đá sử dụng sóng mặt là tín hiệu có ích (các
khảo sát của Zywicki (1999), Foti (2000), Beaty và cộng sự (2002), Strobia (2003),
Moro và cộng sự (2003)) [29, 43, 76, 111, 133]. Kỹ thuật hình ảnh hóa có thể trung
bình hóa các ảnh hưởng của khoảng cách thu nổ quá gần hoặc quá xa, sóng khối và
nhiễu. Kỹ thuật thu thập số liệu đơn giản hơn và ít chịu ảnh hưởng nhiều từ các tham
số đo đạc thực địa. Kỹ thuật hình ảnh hóa mang đến khả năng phân tích cả các đường
vận tốc pha bậc cao trên hình ảnh tán sắc sóng mặt. Kỹ thuật phân tích và giải bài
tốn ngược đối với các đường cong vận tốc pha bậc cao được ứng dụng và phát triển
qua các nghiên cứu của Xia và cộng sự (2000a) [128].
Nhu cầu mở rộng độ sâu khảo sát của phương pháp MASW trở nên ngày một
lớn dẫn đến sự ra đời của phương pháp MASW thụ động, sử dụng các nguồn địa chấn
thụ động như các hoạt động của con người như xe cộ, giao thông, các hoạt động nông
nghiệp hoặc các hoạt động khác trong tự nhiên. Trong khi phương pháp MASW chủ
động cho phép nghiên cứu đường cong tán sắc trong một dải tần số hẹp tương ứng
với độ sâu từ 130 m thì phương pháp MASW thụ động cho phép khảo sát sự tán sắc

của đường cong vận tốc pha tại các dải tần số thấp hơn tương ứng với độ sâu lớn hơn
từ 30100 m. Ngoài các phương pháp đo đạc MASW thụ động với cấu hình máy thu
dạng trịn, vng, tam giác, dấu chéo, phân bố bất kỳ, Park và cộng sự (2005, 2006,

8


2007) [92-93, 95] đề xuất ý tưởng kết hợp MASW chủ động và thụ động, qua đó,
hình ảnh tán sắc sóng mặt trong hai phương pháp được cộng dồn để tăng cường độ
tin cậy và khả năng phân tích đường cong vận tốc pha sóng mặt [94].
Kể từ khi được giới thiệu chính thức vào năm 1999 đến nay, MASW ngày càng
được sử dụng rộng rãi tại nhiều nơi trên thế giới trong lĩnh vực địa kỹ thuật như là
một phương pháp bổ sung hoặc thay thế cho các phương pháp lỗ khoan truyền thống
trong việc xác định giá trị vận tốc truyền sóng VS với độ lệch giữa kết quả theo
phương pháp phân tích sóng mặt đa kênh và các phương pháp lỗ khoan nhỏ. Các cơng
trình nghiên cứu so sánh kết quả giữa MASW và phương pháp lỗ khoan lần lượt được
công bố qua các bài báo của nhiều tác giả khác nhau trên thế giới qua các năm như
cơng trình mang tính mở đầu của Xia và cộng sự (2000b, 2002), Hunter và cộng sự
(2002), Thitimakorn (2010), Enamul và cộng sự (2013), Haque và cộng sự (2013),
Fiore và cộng sự (2015), Aziman và cộng sự (2016), Madun và cộng sự (2016) [27,
36, 41, 49, 54, 71, 120, 129-130]. Năm công thức cho phép đánh giá độ sai khác giữa
VS theo MASW và phương pháp lỗ khoan truyền thống một cách khoa học được Xia
và cộng sự (2000b) đưa ra gồm độ lệch lớn nhất, độ lệch trung bình, độ lệch tương
đối lớn nhất, độ lệch tương đối trung bình, độ lệch chuẩn được các tác giả khác sử
dụng trong các cơng trình nghiên cứu sau đó trong việc so sánh độ lệch kết quả của
hai phương pháp [129].
Ngồi ra, MASW cịn thể hiện nhiều ưu điểm trong nghiên cứu các đặc tính
động học của đất đá, khảo sát đánh giá nền móng cơng trình xây dựng, đánh giá độ
cứng, phân loại nền đất dựa vào giá trị vận tốc sóng ngang VS và vận tốc trung bình
sóng ngang VS30 của 30 m đất đá gần mặt theo thang phân loại đất nền quốc tế NEHRP

(2003) [134] phục vụ thiết kế kháng chấn các cơng trình xây dựng, đặc biệt tại những
nơi có mật độ xây dựng cao và thường xuyên xảy ra động đất trên thế giới như các
nghiêu cứu của Mhaske và cộng sự (2011), Arif và cộng sự (2012), Eker và cộng sự
(2012), Trupti và cộng sự (2012), Abdelmoneam và cộng sự (2015), Raef và cộng sự
(2015), Aziman và cộng sự (2016), Eren và cộng sự (2017), Rahman và cộng sự 2016,
2017, 2018) [17, 25, 27, 35, 37, 74, 100-103, 121].

9