Tài liệu đánh giá khả năng phá hủy nền do động đất cho khu vực nội thành thành phố hà nội phục vụ công tác quy hoạch và quản lý rủi ro đô thị

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN _______________________ Bùi Thị Nhung ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG PHÁ HỦY NỀN DO ĐỘNG ĐẤT CHO KHU VỰC NỘI THÀNH THÀNH PHỐ HÀ NỘI PHỤC VỤ CÔNG TÁC QUY HOẠCH VÀ QUẢN LÝ RỦI RO ĐÔ THỊ Chuyên ngành: Vật lý địa cầu Mã số: 62440111 (DỰ THẢO)TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Hà Nội - 2018 Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội. Người hướng dẫn khoa học: Hướng dẫn chính : PGS.TS. Nguyễn Hồng Phương Hướng dẫn phụ : PGS.TS. Đỗ Đức Thanh Phản biện: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .............................. Phản biện: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .............................. Phản biện: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .............................. Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng cấp Đại học Quốc gia chấm luận án tiến sĩ họp tại . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vào hồi giờ ngày tháng năm 20... Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia Việt Nam. - Trung tâm Thông tin - Thư viện, Đại học Quốc gia Hà Nội. MỞ ĐẦU Động đất là một dạng thiên tai không thường xuyên xẩy ra nhưng những tác hại do động đất gây ra thì vô cùng lớn. Trong đó sự phá hủy nền được coi là hệ quả trực tiếp của động đất mạnh như trượt lở nền và hóa lỏng nền. Các vùng đô thị là những vùng rất nhạy cảm với các thảm họa. Hà Nội là một thành phố có tốc độ phát triển rất nhanh.Trong khi đó Hà Nội nằm trong vùng có độ nguy hiểm động đất khá cao. Trong hoạt động lập kế hoạch và quản lý rủi ro đô thị, các vấn đề liên quan tới rủi ro động đất nói chung cũng như hiện tượng phá hủy nền nói riêng cần phải được quan tâm. Phá hủy nền kèm theo động đất mạnh là hiện tượng khá phổ biến và được nghiên cứu nhiều trên thế giới. Tuy nhiên, do hiện tượng này chưa bao giờ xẩy ra ở Việt Nam nên các nghiên cứu về phá hủy nền do động đất ở Việt Nam cho đến nay vẫn mang tính dự báo và chủ yếu tập trung vào hai hướng chính là 1) đánh giá khả năng phá hủy nền cho các khu vực đô thị, trong đó yếu tố địa chấn được chú trọng và 2) đánh giá độ an toàn của hệ thống đê điều dưới tác động của động đất, ở đây yếu tố địa kỹ thuật được chú trọng. Hai hướng nghiên cứu này còn chuyên sâu và độc lập với nhau. Trên cơ sở các phân tích nêu trên và xuất phát từ ý tưởng về sự kết hợp các yếu tố địa chấn và địa kỹ thuật trong cùng một phương pháp đánh giá khả năng phá hủy nền do động đất, đề tài “Đánh giá khả năng phá hủy nền do động đất cho khu vực nội thành thành phố Hà Nội phục vụ công tác quy hoạch và quản lý rủi ro đô thị” được đặt ra. Mục đích của luận án - Tìm hiểu, áp dụng một hệ phương pháp luận cho phép kết hợp các yếu tố địa chấn và địa kỹ thuật trong đánh giá khả năng phá hủy nền do động đất phù hợp với các điều kiện của Việt Nam. Từ đó nâng cao năng lực, phát triển hướng nghiên cứu độc lập về đánh giá phả hủy nền do động đất tại Việt Nam. - Xây dựng bức tranh toàn cảnh về khả năng phá hủy nền với các động đất kịch bản hiện thực cho khu vực nội thành Hà Nội, phục vụ công tác quy hoạch và quản lý rủi ro đô thị. 3 Ý nghĩa khoa học của luận án: Luận án tìm hiểu, bổ sung tiến tới hoàn thiện một hệ phương pháp luận trong đánh giá khả năng hóa lỏng nền do động đất cho Việt Nam với những cải tiến cho phù hợp với các điều kiện của Việt Nam, và được áp dụng cho khu vực nội thành của thành phố Hà Nội. Các yếu tố địa chấn và địa kỹ thuật được chú trọng bao hàm trong cùng một phương pháp, đã cung cấp cơ sở phương pháp luận cho các nghiên cứu đánh giá phá hủy nền các khu vực đô thị của Việt Nam trong tương lai. Ý nghĩa thực tiễn của luận án: 1. Tập cơ sở dữ liệu đa dạng, khá đầy đủ (lỗ khoan, địa chất công trình, địa chất thủy văn, địa mạo, địa chấn) được cập nhật từ các công trình có liên quan phục vụ trong các tính toán và phân tích của luận án, đây là nguồn dữ liệu quý giá cho mục tiêu nghiên cứu đánh giá phá hủy nền và rủi ro đô thị cho thành phố Hà Nội. 2. Kết quả của luận án sẽ có những đóng góp đáng kể trong việc phòng chống và giảm nhẹ hậu quả do động đất gây ra cho cộng đồng đô thị, làm cơ sở để lập các kế hoạch quản lý rủi ro và ứng phó động đất cho toàn bộ thành phố Hà Nội. Những điểm mới của luận án 1. Bản đồ phân loại nền đất địa phương khu vực nội thành Hà Nội được thực hiện theo các tài liệu địa chất công trình, địa vật lý dựa trên tiêu chuẩn NEHRP có đối chiếu với tiêu chuẩn của Việt Nam. Với phạm vi nghiên cứu mở rộng và nguồn số liệu cập nhật mới đầy đủ nhất đến thời điểm hiện nay. 2. Áp dụng phương pháp mới cho phép tổ hợp các đặc điểm địa chất và địa mạo trong đánh giá mức độ nhạy cảm với hóa lỏng của đất nền khu vực Hà Nội mở rộng. Chỉ ra các vùng với mức độ nhạy cảm khác nhau đối với hiện tượng hóa lỏng nền trong động đất. 3. Trình bày một hệ phương pháp luận cho phép kết hợp các yếu tố địa chấn và địa kỹ thuật trong đánh giá khả năng phá hủy nền do động đất và đã được áp dụng cho thành phố Hà Nội như một hướng nghiên cứu độc lập. Các kết quả áp dụng đánh giá nguy hiểm hóa lỏng nền vùng nội thành thành phố Hà Nội: bao gồm việc đánh giá mức độ nguy hiểm hóa 4 lỏng nền dựa vào các giá trị hệ số an toàn kháng hóa lỏng của mỗi lớp đất riêng biệt và dự báo khả năng xẩy ra phá hủy nền do hóa lỏng bề mặt theo xác suất tính theo chỉ số LPI trong các kịch bản động đất hiện thực. Cấu trúc của luận án Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị về các nghiên cứu tiếp theo luận án được bố cục gồm 4 chương: Chương 1. Tổng quan về tình hình nghiên cứu phá hủy nền do động đất. Chương 2. Phân loại nền đất nội thành thành phố Hà Nội và nghiên cứu phá hủy nền do động đất. Chương 3. Đánh giá độ nhạy cảm hóa lỏng nền do động đất khu vực thành phố Hà Nội. Chương 4. Đánh giá độ nguy hiểm hóa lỏng nền do động đất khu vực nội thành thành phố Hà Nội. Kết quả của luận án đã được công bố trong: 01 bài hội nghị quốc tế và 03 bài báo trong nước Chương 1. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU PHÁ HỦY NỀN DO ĐỘNG ĐẤT 1.1. Lịch sử nghiên cứu phá hủy nền do động đất Phá hủy nền là một trong những chủ đề thú vị nhưng phức tạp và gây nhiều tranh cãi trong giới chuyên gia động đất. Chỉ sau những ảnh hưởng tàn phá của nó ở Alaska (Mỹ) và Niigata (Nhật Bản) do động đất cùng xẩy ra năm 1964 với độ lớn lần lượt M=9.2 và M=7.5 mới thực sự thu hút sự chú ý của các nhà khoa học địa chấn trên thế giới và buộc họ suy nghĩ về nó. Thuật ngữ phá hủy nền đã được Mogami & Kubo, 1953 lần đầu tiên đưa ra. Nhìn chung, có hai hướng nghiên cứu phá hủy nền được thực hiện rộng rãi từ trước đến nay. Hướng đầu tiên dựa trên bản đồ phá hủy nền lịch sử. Hướng thứ hai, một bản đồ nguy hiểm phá hủy nền phân chia vùng thành các khu vực có mức độ nguy hiểm phá hủy nền khác nhau. Nhiều nhà nghiên cứu đã thực hiện hợp cả hai hướng nghiên cứu này. Nhiều nhà nghiên cứu đã áp dụng thành công khái niệm bản đồ nguy hiểm phá hủy nền với các hiện tượng trượt lở và hóa lỏng nền. Điều này đã được thực hiện bằng các phương pháp khác nhau đó là: 1) Phương pháp 5 Hazus được phát triển bởi FEMA và 2) Phương pháp phân tích sử dụng số liệu địa kỹ thuật tại chỗ. Sự phát triển nhanh của máy tính điện tử đã làm cuộc cách mạng về nghiên cứu cũng như phát triển kỹ thuật động đất kể từ những năm 1960. Tại Việt Nam các nghiên cứu về hiện tượng phá hủy nền được thực hiện chủ yếu theo hai hướng chính là 1) đánh giá khả năng phá hủy nền cho các khu vực đô thị và 2) đánh giá độ an toàn của hệ thống đê điều dưới tác động của động đất. Hướng nghiên cứu hóa lỏng nền trong đánh giá rủi ro động đất đô thị đã được các chuyên gia địa chấn bắt đầu thực hiện ở Việt Nam từ những năm đầu của thế kỷ 21, trên cơ sở phương pháp luận của FEMA. Độc lập với hướng nghiên cứu trên, hướng nghiên cứu hóa lỏng nền phục vụ đánh giá an toàn cho hệ thống đê điều và các công trình thủy lợi cũng được nhóm các chuyên gia thủy lợi thực hiện ở Việt Nam trong những năm gần đây. Phương pháp luận áp dụng trong các nghiên cứu theo hướng này để tính khả năng hóa lỏng của mỗi lớp đất riêng biệt dựa vào hệ số kháng hóa lỏng của nó. 1.2. Tác động của phá hủy nền 1.3. Hóa lỏng nền do động đất Ở luận án này đối tượng nghiên cứu đánh giá khả năng phá hủy nền là khu vực nội thành thành phố Hà Nội vốn có địa hình tương đối bằng phẳng, khả năng trượt lở nền và phá hủy bề mặt không cao nên luận án sẽ tập trung nghiên cứu hiện tượng hóa lỏng nền do động đất cho nội thành thành phố Hà Nội. 1.3.1. Các khái niệm hóa lỏng nền Các chuyên gia khác nhau có các cách khác nhau khi định nghĩa về hóa lỏng, dưới đây là một số khái niệm về hóa lỏng nền hay được sử dụng nhất: + Hóa lỏng nền là một hiện tượng trong đó ứng suất và độ cứng của đất bị giảm do chấn động địa chấn hoặc sự giảm tải đột ngột khác. + Hóa lỏng nền là quá trình các trầm tích dưới mực nước ngầm bị mất ứng suất và có hành vi giống chất lỏng hơn chất rắn chủ yếu do các sóng địa chấn gây ra. 6 1.3.2. Cơ chế hóa lỏng nền 1.3.3. Các điều kiện đối với hóa lỏng nền Điều kiện về vị trí và loại đất rất nhạy cảm với sự hóa lỏng là như sau: Điều kiện về vị trí - Vị trí đó gần tâm chấn hoặc phá hủy đứt gẫy của một trận động đất lớn đủ để có thể gây cho đất nhậy cảm hóa lỏng. - Vị trí đó có một tầng nước ngầm gần mặt đất. Loại đất rất nhạy cảm với sự hóa lỏng đối với các điều kiện vị trí đã cho - Cát có sự xắp xếp đồng nhất và các hạt đất bị mài tròn, ở trạng thái mật độ xốp, rất xốp, mới được lắng đọng gần đây mà không có sự gắn kết giữa các hạt đất và không có tải trọng trước hoặc đang rung động động đất. 1.3.4. Các kiểu hóa lỏng nền 1.3.4.1. Các hóa lỏng nền được đặc trưng bởi dịch chuyển nền ngang 1.3.4.2. Các hóa lỏng nền đặc trưng bởi dịch chuyển thẳng đứng 1.3.5. Các tiêu chí để xác định và thành lập bản đồ hóa lỏng nền khu vực + Đất có nhạy cảm với hóa lỏng? + Nếu đất nhạy cảm, thì hóa lỏng sẽ được kích hoạt hay không? + Nếu hóa lỏng được kích hoạt, phá hủy sẽ xẩy ra hay không? Chương 2 PHÂN LOẠI NỀN ĐẤT NỘI THÀNH THÀNH PHỐ HÀ NỘI THEO CÁC TÀI LIỆU ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH, ĐỊA VẬT LÝ Theo các tiêu chí đánh giá khả năng hóa lỏng nền cho một khu vực như đã trình bày ở chương 1, điều kiện đầu tiên cần xem xét là khu vực đó phải bị tác động bởi chấn động địa chấn đủ lớn. Chấn động địa chấn được đặc trưng bởi đại lượng rung động nền (như gia tốc nền cực đại-PGA hay vận tốc nền cực đại-PGV). Độ lớn của các giá trị PGA (hoặc PGV) bị khuếch đại đáng kể do hiệu ứng nền địa phương của các loại nền khác nhau trong khu vực. Vì vậy, trong chương này sẽ tiến hành phân loại nền cho khu vực nội thành thành phố Hà Nội. 2.1. Phạm vi nghiên cứu Gồm 12 quận huyện nội thành Hà Nội (hình 2.1) 2.2. Số liệu sử dụng 7 Bao gồm 157 dữ liệu lỗ khoan được thu thập, chọn lọc từ các công trình đã công bố trước đây và được biểu thị trên bản đồ khu vực nghiên cứu (hình 2.1), trong đó có 117 lỗ khoan có giá trị SPT (Nspt) và 40 lỗ khoan không có giá trị Nspt, chỉ có giá trị vận tốc sóng ngang (VS,30). 2.3. Phương pháp áp dụng Tiêu chuẩn phân loại nền NEHRP của Mỹ được sử dụng để phân loại nền trong luận án này. Toàn bộ dữ liệu lỗ khoan nêu trên được sử dụng để phân loại nền cho khu vực nghiên cứu. Dưới đây là ví dụ về quá trình thực hiện phân loại nền cho lỗ khoan TX-22. Trong lỗ khoan TX-22 với độ sâu từ mặt đất tới 45m có 7 lớp, mỗi lớp có những đặc điểm hình thái, thành phần vật chất, các chỉ tiêu cơ lý, lực học được tóm lược và phân loại nền như sau: Lớp 1-lớp đất lấp nằm trên cùng, không có ý nghĩa trong xây dựng, vì vậy các đặc trưng cơ lý và lực học của lớp này ít được chú ý. Lớp 2-lớp đất sét pha màu nâu, nâu vàng, trạng thái dẻo cứng, phân bố dưới đáy lớp 1 từ độ sâu 1.2m đến 8.0m, bề dầy 6.8m, có N/30=7÷13, nên được xếp vào nền loại E theo NEHRP. Tương tự, các lớp 3 thuộc kiểu nền F, lớp 4 kiểu F, lớp 5 là nền E, lớp 6 là nền loại D, lớp 7 nền C. Xét ở độ sâu từ bề mặt tới 30m thì nền loại F chiếm ưu thế nên nền F có ý nghĩa quyết định đến khả năng phản ứng dưới tác động động đất tại điểm này và vì vậy nền loại F được chọn cho lỗ khoan này. Ranh giới của từng loại nền được xác định dựa vào kết quả phân loại của từng lỗ khoan theo nguyên tắc nếu hai lỗ khoan gần nhau thể hiện hai loại nền khác nhau thì điểm giữa hai lỗ khoan đó được chọn làm ranh giới của 2 loại nền. 2.4. Phân loại nền đất khu vực nội thành thành phố Hà Nội Ngoài những lỗ khoan có giá trị SPT, các lỗ khoan chỉ có giá trị vận tốc sóng ngang VS,30 cũng được phân loại nền dựa vào giá trị VS,30 theo tiêu chuẩn NEHRP. 8 Từ hình 2.1 chúng ta thấy phân bố lỗ khoan không bao phủ toàn bộ vùng nghiên cứu, nên không thể tiến hành xây dựng bản đồ phân loại nền chỉ từ thông tin lỗ khoan đã có. Tuy nhiên có thể sử dụng bản đồ phân loại nền đã được tiến hành dựa trên các thông tin địa chất, địa vật lý, địa chất thủy văn… đã được thành lập trước đây (hình 2.4) và bổ sung thông tin mới từ số liệu lỗ khoan đã thu thập để thu được bản đồ phân loại nền tốt hơn cho khu vực nghiên cứu. Bản đồ phân loại nền mới cho khu vực nghiên cứu theo tài liệu lỗ khoan được xây dựng dựa trên nguyên tắc hiệu chỉnh sau đây: -Ở những khu vực trước đây chưa có thông tin phân loại nền sẽ được phân loại nền theo thông tin mới từ lỗ khoan. - Ở những khu vực đã có thông tin phân loại nền, tiến hành chỉnh lý ranh giới nền theo thông tin mới từ lỗ khoan. - Ở những khu vực không có thông tin mới từ lỗ khoan, sẽ giữ nguyên loại nền hiện có. Bản đồ phân loại nền mới xây dựng cho toàn vùng nghiên cứu được trình bày trên hình 2.5. Từ kết quả phân loại nền đất khu vực nghiên cứu như hình 2.5 cho thấy: Trên phạm vi khu vực nghiên cứu có mặt cả 3 loại nền D, E và F. Nền loại E là loại nền chủ đạo chiếm diện tích gần như toàn bộ khu vực huyện Gia Lâm, và các quận Long Biên, Hà Đông, Hai Bà Trưng, Hoàn Kiếm, Đống Đa, trong khi đó nền loại F rải rác ở một số khu vực huyện Thanh Trì, quận Hoàng Mai, Thanh Xuân, phía Tây quận Từ Liêm. Sự phân bố của nền loại D tập trung ở phía tây bắc vùng nghiên cứu như quận Tây Hồ, phía bắc quận Thanh Xuân, một phần quận Từ Liêm, và một phần nhỏ trong quận Hà Đông và quận Long Biên. Nhìn tổng quan có thể nhận định với toàn bộ khu vực nghiên cứu nền đất yếu dần từ phía tây bắc xuống phía đông nam. Nền khu vực ở mức trung bình yếu, nên cần chú ý đối với tác động của động đất. 9 Hình 2.2. Phân loại nền cho tập hợp các lớp đất trong 30m đầu tiên của nền đất ở lỗ khoan TX-22 2.5. Đánh giá hiệu ứng khuếch đại nền địa phương Hiệu ứng khuếch đại nền địa phương được hiệu chỉnh như sau: (2.1) 10 ở đây, amax hay PGAi là gia tốc cực đại nền xác định cho nền loại i, PGA là gia tốc cực đại nền xác định cho nền loại B, FA là hệ số khuếch đại nền chu kỳ ngắn xác định cho nền loại i cho trong bảng 2.4. Hình 2.5. Kết quả phân loại nền đất mới theo tài liệu địa chất công trình, số liệu các lỗ khoan và địa vật lý khu vực nội thành Hà Nội Bảng 2.4. Hệ số khuếch đại nền Phổ gia tốc nền loại B Loại nền A B C D E SAS(g) Hệ số khuếch đại nền chu kỳ ngắn, FA chu kỳ ngắn ≤ 0,25 0,8 1,0 1,2 1,6 2,5 0,50 0,8 1,0 1,2 1,4 1,7 0,75 0,8 1,0 1,1 1,2 1,2 1,0 0,8 1,0 1,0 1,1 0,9 ≥ 1,25 0,8 1,0 1,0 1,0 0,8* 2.6. Kết luận chương 2 Kết quả phân loại nền địa phương khu vực nội thành Hà Nội được thực hiện từ tập dữ liệu lỗ khoan tương đối lớn trong phạm vi vùng nghiên cứu với 11 117 lỗ khoan theo chỉ số Nspt, và 40 lỗ khoan có V S,30 cùng với các thông tin địa chất công trình cập nhật mới nhất, phạm vi nghiên cứu mở rộng hơn. Kết quả phân loại nền tương đối phù hợp với địa hình tại khu vực và bản đồ địa chất công trình của khu vực đã công bố. Độ sâu các lỗ khoan đều đạt trên 30m do đó xét về sự ảnh hưởng đến công trình khi có động đất xảy ra là đảm bảo. Với số lượng lỗ khoan luận án có được, kết quả có thể coi là đáng tin cậy. Bản đồ phân loại nền mới xây dựng cho khu vực với việc bổ sung đầy đủ hơn thông tin từ 157 lỗ khoan thực sự là một nguồn tài liệu hữu ích cho việc đánh giá rủi ro động đất, là thông tin quan trọng trong công tác quy hoạch và kháng chấn của thành phố có mật độ dân cư dày đặc, nhiều công trình trọng điểm như thành phố Hà Nội. Theo đánh giá của các nhà khoa học Hà Nội nằm trong vùng có hoạt động động đất khá cao (cấp 7, cấp 8). Trong khi kết quả phân loại nền đất khu vực với nền đất chủ yếu nền E, có cả nền F là những kiểu nền đất yếu, khả năng khuếch đại rung động nền bề mặt lớn. Do đó vùng Hà Nội hoàn toàn có khả năng xẩy ra hóa lỏng nền trong động đất và các đánh giá về mối nguy hiểm này cần được xem xét. Chương 3. ĐÁNH GIÁ ĐỘ NHẠY CẢM HÓA LỎNG NỀN DO ĐỘNG ĐẤT KHU VỰC HÀ NỘI Sau khi đã xác định được thành phố Hà Nội nằm ở vị trí cần có những đánh giá về nguy hiểm hóa lỏng nền do động đất, nhiệm vụ tiếp theo là đánh giá khả năng nhạy cảm với hóa lỏng của nền đất địa phương. 3.1. Phạm vi nghiên cứu Để có được cái nhìn tổng thể về mức độ nhạy cảm với hóa lỏng của nền vùng nghiên cứu 12 quận huyện đã nêu so với vùng lân cận, toàn bộ khu vực thành phố Hà Nội giới hạn trong phạm vi kinh độ: 105.2 0E÷1060E; vĩ độ: 20.50N÷21.50N sẽ được xem xét. 3.2. Cơ sở số liệu 3.2.1. Tài liệu địa chất-địa chất công trình Các thông tin cần thiết cho quá trình phân tích nhạy cảm hóa lỏng được trích xuất từ: Bản đồ địa chất công trình Hà Nội tỷ lệ 1:320.000 do Ngô Quang 12 Toàn và nnk thành lập năm 2009 và bản đồ địa chất thủy văn tỷ lệ 1:25.000 của Vũ Thanh Tâm, 2014 (hình 3.1). 3.2.2. Đặc điểm địa chất thủy văn Đặc điểm địa chất thuỷ văn nổi bật của vùng Hà Nội là có nhiều tầng chứa nước nhưng đóng vai trò quan trọng là các tầng chứa nước trầm tích bở rời tuổi Đệ Tứ phân bố rộng khắp trên toàn vùng nghiên cứu với bề dày khá lớn. Đối với các trầm tích chứa nước lỗ hổng Đệ Tứ, hầu hết các công trình nghiên cứu đều phân chia ra thành hai tầng chứa nước qh và qp theo trật tự từ trẻ đến cổ và từ trên xuống. 3.2.3. Tài liệu địa mạo Để có được thông tin về đặc điểm địa mạo thành phố Hà Nội bản đồ Địa mạo thành phố Hà Nội của Đào Đình Bắc công bố năm 2010 được sử dụng (hình 3.4). 3.3. Các phương pháp sử dụng Thang đo định tính về khả năng hóa lỏng nền dựa trên cơ sở môi trường thành tạo và tuổi địa chất của các lớp trầm tích mặt của Youd & Perkins (1978) và phương pháp xác định độ nhạy cảm hóa lỏng dựa vào các đặc trưng địa mạo của Iwasaki và nnk, (1982) được sử dụng. 3.4. Đánh giá độ nhạy cảm hóa lỏng nền khu vực thành phố Hà Nội 3.4.1. Đánh giá độ nhạy cảm hóa lỏng nền của thành phố Hà Nội theo đặc điểm địa chất Khai thác các thông tin chi tiết có liên quan đến từng đơn vị địa chất trong vùng nghiên cứu, kết hợp với các tiêu chuẩn liệt kê của Youd & Perkins (1978), độ nhạy cảm hóa lỏng nền cho mỗi đơn vị địa chất được xác định bằng cách gán các giá trị cấp độ nhạy cảm hóa lỏng nền từ 1 đến 4 tương ứng với mức độ nhạy cảm hóa lỏng từ rất thấp đến cao. Các kết quả thu được sau khi xử lý trong môi trường GIS cho bản đồ về phân bố độ nhạy cảm với hóa lỏng nền theo đặc điểm địa chất được thể hiện như hình 3.5. 13 Hình 3.5. Khả năng nhạy cảm hóa lỏng nền theo đặc điểm thạch học khu vực Hà Nội. Hình 3.5 cho thấy khả năng hóa lỏng nền thành phố Hà Nội khi dựa vào các đặc điểm địa chất được đánh giá ở mức trung bình. Khả năng hóa lỏng cao nhất là vùng đồng bằng thấp, trũng (5-6m) bị phân cách bởi hệ thống sông ngòi, kênh, mương, ao hồ cấu tạo địa chất phức tạp. Bắt gặp chúng ở Đông Anh và một vài nơi trong phạm vi nội thành, các trầm tích trẻ ven lòng sông Hồng, sông Đuống (aQ23tb).Trầm tích nguồn gốc hồ-đầm lầy (lbQ21-2hh) nằm dưới độ sâu khoảng 1,5-20m, dày trung bình 13,5m, thành phần chính là bột sét, bột cát màu xám xanh, xám đen, mịn dẻo chứa nhiều mùn thực vật phần phía dưới là bột sét, bùn lẫn mùn thực vật chưa phân hủy hết, màu xám, lớp bùn này phổ biến nhiều ở khu vực nội thành và huyện Thanh Trì.Tiếp đến là vùng có khả năng hóa lỏng trung bình, đây là khu vực đồng bằng tương đối bằng phẳng hai bên sông Hồng. Vùng núi phía tây bắc, tây nam thành phố và chỏm núi phía bắc Sóc Sơn là núi đá phiến cứng, đá vôi không có khả năng hóa lỏng. 3.4.2. Đánh giá độ nhạy cảm với hóa lỏng nền của thành phố Hà Nội theo đặc điểm địa mạo 14 Sử dụng bản đồ địa mạo Hà Nội, kết hợp các tiêu chuẩn của phương pháp Iwasakis (1982), dựa trên nguyên tắc gán bậc từ 1 đến 4 tương ứng với khả năng hóa lỏng của các đơn vị địa mạo trong vùng Hà Nội từ rất thấp đến cao giống như đối với các đơn vị địa chất nêu trên. Bản đồ phân bố khả năng hóa lỏng dựa vào đặc điểm địa mạo như minh họa trên hình 3.6. Hình 3.6. Khả năng nhạy cảm hóa lỏng nền theo đặc điểm địa mạo khu vực Hà Nội Từ hình 3.6 chỉ ra rằng theo đặc điểm địa mạo thì khả năng hóa lỏng của đất nền tại Hà Nội nhìn tổng quát vẫn ở mức trung bình. Đáng chú ý là ở hình 3.6 so với hình 3.5 khu vực có khả năng hóa lỏng cao nhiều hơn, ngoài các vùng sông, hồ đầm lầy giống nhau, thì những vùng bãi bồi ngoài đê, bãi bồi thấp, các bề mặt đáy suối tích tụ hiện đại trên hình 3.6 được nhóm vào cùng loại đất đá nhạy cảm cao với hóa lỏng, kéo dài từ bắc tới nam địa phận Hà Nội, và hầu như toàn bộ huyện Thanh Trì, huyện Gia Lâm. 3.4.3. Đánh giá độ nhạy cảm với hóa lỏng nền của Hà Nội theo đặc điểm địa chất và địa mạo 15 Do thạch học đóng vai trò chính, giữ trọng số cao hơn nên trọng số được gán cho chủ đề thạch học là 60%, và 40% cho chủ đề địa mạo. Theo nguyên tắc gán trọng số này, các bản đồ lớp đơn vị thạch học (hình 3.5) và các đơn vị địa mạo (hình 3.6) được tích hợp trong môi trường GIS, từ đó xây dựng được bản đồ khả năng hóa lỏng nền của Hà Nội dựa trên tổ hợp các đặc điểm địa chất và địa mạo như hình 3.7. Sau khi tổ hợp khả năng hóa lỏng nền dựa trên cả đặc điểm địa chất và địa mạo như trong hình 3.7 cho thấy những vùng có khả năng hóa lỏng trung bình vẫn chiếm ưu thế toàn vùng Hà Nội. Bản đồ kết quả cho thấy khả năng hóa lỏng nền của thành phố được chia thành bốn cấp: cao, trung bình, thấp và không có khả năng hóa lỏng. Vùng có khả năng hóa lỏng cao tập trung dọc theo sông Hồng. Vùng có khả năng hóa lỏng trung bình chiếm gần hết diện tích toàn thành phố, trải rộng hai bên sông Hồng, gồm các đơn vị thạch học đất sét, bột sét, cát, bột cát tuổi Holocen, các đơn vị địa mạo của vùng đồng bằng nguồn gốc sông, biển và đồng bằng phù sa bãi bồi. Vùng núi phía Tây Bắc và một chỏm phía Đông bắc thành phố rơi vào vùng không có khả năng hóa lỏng hay khả năng hóa lỏng thấp, những khu vực này được bao phủ bởi sét kết, cát kết, đá cứng nguồn gốc bóc mòn đây là vùng thoát khỏi mối nguy hóa lỏng trong thành phố. Các tòa nhà và các đường ống rơi vào vùng có khả năng hóa lỏng trung bình và cao dễ bị tổn thương và thiệt hại do sự dịch chuyển ngang của nền. 3.5. Kết luận chương 3 Trong chương này, đã áp dụng phương pháp mới cho phép tổ hợp các đặc điểm địa chất và địa mạo trong đánh giá mức độ nhạy cảm với hóa lỏng của đất nền khu vực thành phố Hà Nội. Kết quả chỉ ra các vùng có mức độ nhạy cảm khác nhau đối với hiện tượng hóa lỏng nền trong động đất. Đối với các quận huyện nội thành của Hà Nội đất đá có mức độ nhạy cảm với hóa lỏng từ trung bình đến cao và là vùng dễ bị tổn thương nhất với hiện tượng này so với toàn bộ khu vực thành phố Hà Nội. Đối với các kỹ sư công trình, các kỹ sư địa kỹ thuật, bản đồ này dùng để xác định những khu vực ở đó khả năng và hậu quả của hóa lỏng cần được đánh giá khi thiết kế các cơ sở xây dựng mới và phục hồi cơ sở hiện có. Bản đồ kết quả giúp các kỹ sư, các nhà khoa học và các nhà hoạch định có cái nhìn tổng 16 quan sơ bộ về khả năng hóa lỏng của Hà Nội, như các thông tin ban đầu cho các nghiên cứu khu vực. Bản đồ kết quả hiển thị các khu vực có rủi ro hóa lỏng trong động đất tương lai và sẽ được dùng như một hướng dẫn nơi cần tiến hành các nghiên cứu nhiều hơn về khả năng hóa lỏng. Khả năng nhạy cảm với hóa lỏng chỉ là một hàm định tính của đặc điểm địa chất và địa mạo hình thái vị trí, nó độc lập với tính địa chấn của khu vực. Do việc phân vùng chỉ có thể được coi như là mức ban đầu, nhiệm vụ của nghiên cứu tiếp theo là đưa thêm các yếu tố khác như tính địa chấn, thông tin địa kỹ thuật tại chỗ để có thể đánh giá định lượng khả năng hóa lỏng nền khu vực. Hình 3.7. Khả năng hóa lỏng nền do động đất khu vực Hà Nội dựa vào các đặc điểm địa chất và địa mạo. Chương 4. ĐÁNH GIÁ ĐỘ NGUY HIỂM HÓA LỎNG NỀN DO ĐỘNG ĐẤT KHU VỰC NỘI THÀNH THÀNH PHỐ HÀ NỘI Các kết quả đánh giá nêu trên về mức độ nhạy cảm hóa lỏng nền khu vực Hà Nội đã cho thấy nguy cơ tiềm ẩn về khả năng hóa lỏng do động đất tại các 17 quận, huyện nội thành Hà Nội là hiện hữu. Cần có những đánh giá chi tiết, định lượng về nguy hiểm hóa lỏng nền cho khu vực này. Trong chương này trình bày hệ phương pháp luận, quy trình đánh giá nguy hiểm hóa lỏng nền mà trong đó có sự kết hợp cả các yếu tố địa chấn và địa kỹ thuật. Các kịch bản động đất hiện thực được xây dựng để phục vụ cho các tính toán, và kết quả được trình bày dưới dạng tập bản đồ xác suất khả năng hóa lỏng nền khu vực nội thành thành phố Hà Nội. 4.1. Phương pháp đánh giá độ nguy hiểm hóa lỏng nền do động đất 4.1.1. Tính hệ số an toàn kháng hóa lỏng Sử dụng quy trình giản lược đã được hiệu chỉnh và bổ sung bởi Youd et al., 2001. Các bước thực hiện như sau: 4.1.1.1. Xác định tỷ số ứng suất tuần hoàn gây ra bởi động đất CSR Tỷ số ứng suất tuần hoàn kích thích bởi động đất được xác định theo công thức: ( )( ) (4.6) Trong đó: amax - Gia tốc cực đại nền tại bề mặt gây bởi động đất, đơn vị đo (g), g Gia tốc trọng trường (32,2 ft/s2 hoặc 9,81 m/s2) σv0- Ứng suất thẳng đứng tổng cộng ở độ sâu cụ thể mà các phân tích hóa lỏng nền đang được thực hiện, (lb/ft2 hoặc kN/m2). σ’v0- Ứng suất hiệu dụng thẳng đứng ở cùng độ sâu trong đất trầm tích ở đó σv0 được tính toán, (lb/ft2 hoặc kN/m2). rd-hệ số suy giảm theo độ sâu, còn được gọi là hệ số suy giảm ứng suất (không thứ nguyên). 4.1.1.2. Xác định tỷ số kháng tuần hoàn (CRR) Các bước của việc sử dụng kiểm tra xuyên tiêu chuẩn để đánh giá CRR như sau: + Hiệu chỉnh giá trị kiểm tra xuyên tiêu chuẩn (N1)60cs Các hiệu chỉnh có thể được áp dụng cho các giá trị N(SPT) như sau: ( ) ( ) (4.16) Trong đó (N1)60 là hiệu chỉnh giá trị xuyên tiêu chuẩn N (SPT) của đất cho cả các quá trình kiểm tra thực địa và áp suất lớp phủ. 18 Sau đó, hiệu chỉnh "hàm lượng hạt mịn" đối với giá trị (N1)60 để thu được giá trị tương đương với cát sạch (N1)60cs: ( ) ( ) (4.17) + Xác định tỷ số kháng tuần hoàn của đất CRRM=7.5 với độ lớn động đất M=7.5: Với giá trị ( ) vừa tính được, tỷ số kháng tuần hoàn của đất đối với độ lớn động đất M=7.5 được xác định theo công thức sau: ( ( ) ) [ ( ) (4.20) ] + Hiệu chỉnh giá trị CRRM=7.5 cho các động đất có độ lớn bất kỳ khác M=7.5: Tỷ số kháng tuần hoàn tại chỗ CRR của đất với M bất kỳ xác định được bằng công thức (4.21) như sau: (4.21) 4.1.1.3. Xác định hệ số an toàn kháng hóa lỏng Hệ số an toàn kháng hỏa lỏng được xác định theo công thức sau: (4.22) 4.1.2. Tính chỉ số khả năng hóa lỏng Chỉ số LPI được tính bằng phương trình sau (Iwazaki et al, 1982): ( ) ( ) ∫ (4.23) Trong đó z là độ sâu của lớp đất (từ 0 đến 20m). Trọng số theo độ sâu, ( ) , với z<20 và w( ) với z≥20m; Biến F(z) là một hàm của hệ số an toàn chống hóa lỏng ở độ sâu xem xét, ( ) khi , và ( ) khi . F(z)=0 khi z ở trên mực nước ngầm. 4.1.3. Đánh giá xác suất xẩy ra hóa lỏng bề mặt Được tính bằng cách sử dụng phép hồi quy theo mô hình thực nghiệm của Papathanassiou (2008): ( ) (4.24) Trong đó-LPI là chỉ số khả năng hóa lỏng, xác định bởi công thức (4.23). Mối tương quan giữa các mức rủi ro do hóa lỏng với các giá trị xác suất PG được biểu thị trong bảng 4.2. 19 PG 0.0-0.1 0.1-0.3 0.3-0.7 0.7-0.9 0.9-1.0 4.2. Phân loại rủi ro Rất thấp Thấp Trung bình Cao Rất cao Bảng 4.2. Các mức rủi ro tương ứng với xác suất có điều kiện của các hiện tượng phá hủy nền do hóa lỏng (theo Li et al., 2006) Các đặc trưng địa chấn kiến tạo khu vực Hà Nội 4.2.1. Các đứt gẫy hoạt động 4.2.2. Hoạt động địa chấn Mặc dù không có trận động đất mạnh nào ghi được tại khu vực Việt Nam của đới đứt gẫy Sông Hồng, nhưng các động đất có độ lớn trung bình xẩy ra khá thường xuyên (hình 4.3). Trong các trận động đất đã quan sát được trong đới đứt gẫy Sông Hồng, các trường hợp lớn nhất ghi nhận được dọc đứt gẫy Sông Chảy. Có 3 trường hợp có độ lớn trên 5.0 ghi nhận được bằng máy dọc đứt gẫy này. Đứt gãy Sông Lô có biểu hiện hoạt động động đất yếu hơn, với các trận động đất có độ lớn không quá 4.8 và với tần suất thưa hơn. Đứt gẫy Đông Triều-Uông Bí, mặc dù chỉ được đánh giá như là đứt gẫy bậc hai, nhưng nó đã gây ra một loạt các trận động đất mạnh. Hoạt động địa chấn dọc đứt gẫy Sông Hồng khá giống với đứt gẫy Sông Chảy, nhưng có tần suất và độ lớn thấp hơn. 4.3. Các kịch bản động đất Để tiến hành đánh giá độ nguy hiểm hóa lỏng nền do động đất cho khu vực nghiên cứu, các tham số địa chấn như độ lớn động đất M và gia tốc cực đại amax do động đất gây ra được xác định từ các động đất kịch bản. Các tham số của các động đất kịch bản này được liệt kê trong bảng (4.3). Vị trí chấn tâm các động đất kịch bản được biểu diễn trên hình 4.3. 4.1. Dữ liệu lỗ khoan Để đánh giá khả năng hóa lỏng cho khu vực nghiên cứu, bên cạnh các dữ liệu đầu vào địa chấn như amax và Mw, các tính chất của đất tại chỗ cần được biết.Tập dữ liệu gồm 120 lỗ khoan được chọn lọc từ 157 lỗ khoan đã nêu ở chương 2, trong đó mỗi lỗ khoan ngoài các giá trị N(SPT) và đặc điểm, độ sâu các lớp đất trầm tích tương ứng còn thông tin độ sâu mực nước ngầm được khai thác sử dụng (xem hình 2.2). Trong trường hợp lỗ khoan nào thiếu 20