Xem mẫu

  1. BIẾN DẠNG DƯ CỦA NỀN ĐẤT KHI ĐỘNG ĐẤT MẠNH Ở HÀ NỘI NGUYỄN ĐỨC MẠNH* Residual deformation of ground during strong earthquake in Ha Noi Abstract: Maximum earthquake occurred in Ha Noi City in 1277 and 1285 with respective level of 7-8 MSK-64. During a strong earthquake, the geological phenomenon of ground subsidence, cracked soil, landslide, soil liquefaction,... can occur. From the qualitative analysis and quantitative forecast, it is allowed to evaluate and predict the danger caused by the residual deformation of the ground during strong earthquakes in Ha Noi City. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ * Hồng và sông Chảy. Bên cạnh đó, vùng Hà Nội Khi động đất mạnh thƣờng xuất hiện biến còn chịu ảnh hƣởng của động đất từ các nguồn dạng thứ cấp trên mặt đất. Chúng đƣợc hình sinh chấn lân cận do các đứt gãy sông Lô, Vĩnh thành do kết quả của những dao động địa chấn, Ninh, Đông Triều và sông Đà gây ra. với các loại đất đá kém ổn định và không bền sẽ Trong “Danh mục động đất Việt Nam”, động hình thành biến dạng dƣ. Biểu hiện của biến đất mạnh cấp 7 – 8 đã từng xảy ở Hà Nội. Cho dạng dƣ này khi động đất là hiện tƣợng sụt lún đến nay, đã xác định đƣợc trên 152 trận động đất mặt đất, nứt đất, sụt hay trƣợt lở các bờ dốc, hóa xảy ra ở thành phố và vùng lân cận, trong đó có 2 lỏng của cát,…[11]. trận cấp 7 – 8 (1277 và 1285), 4 trận cấp 7, còn Hà Nội nằm trong vùng hoạt động địa chấn lại là động đất nhỏ hơn cấp 7. Các trận động đất khá cao [1,2,6,8], nguy cơ xảy ra biến dạng dƣ mạnh xảy ra trong thời gian gần đây nhƣ động khi động đất mạnh ở thành phố là tiềm tàng, đất Lục Yên – Yên Bái năm 1953 và 1954 với M song cho tới nay số lƣợng các công trình nghiên = 5,1 và M = 5,3 (tƣơng ứng cấp 7), động đất cứu về vấn đề này chƣa nhiều nên việc thiết kế Yên Lạc – Phú Thọ ngày 20/9/1958 với M = 5,3 biện pháp phòng chống khi xây dựng liên quan (tƣơng ứng cấp 6), động đất Tân Yên – Bắc đến chúng cũng chƣa xem xét đúng mức. Giang ngày 12/6/1961 với M = 5,9 (tƣơng ứng 2. ĐỘNG ĐẤT Ở HÀ NỘI cấp 7), động đất Tuần Giáo – Lai Châu ngày Theo kết quả nghiên cứu của Viện Vật lý Địa 24/6/1983 với M = 6,8 (tƣơng ứng cấp 8), và cầu và Viện địa chất thuộc Viện Hàn lâm khoa động đất Yên Thế ngày 6/1/1987 với M = 5,1. học và Công nghệ Việt Nam [1,2,6,8], thành Tình hình động đất nêu trên rõ ràng là yếu tố phố Hà Nội có thể xảy ra động đất mạnh với nguy hiểm không thể không tính đến khi xây Magnitude tới 6,1 – 6,2, tƣơng ứng cấp 8 thang dựng công trình ở Hà Nội, đặc biệt quan trọng MSK-64, ở độ sâu chấn tiêu 15 – 20 km liên khi mà qui mô các công trình cũng nhƣ chiều cao quan đến hoạt động của các đứt gãy sâu sông các tòa nhà xây dựng ngày càng lớn. Các thành tạo đất yếu bão hòa nƣớc hệ tầng Hải Hƣng hay Thái Bình có chiều dày lớn, phân bố gần mặt đất * Đại học Giao thông vận tải không chỉ làm tăng thêm cấp động đất đến 1 - 1,5 Số 3 phố Cầu Giấy, Đống Đa, Hà Nội Tel: (+84) 90 4679768 cấp [11], mà còn tăng khả năng và mức độ biến Email: ndmanhgeot@gmail.com dạng dƣ nền đất khi có động đất. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2016 3
  2. thác và sử dụng cho mục đích xây dựng công trình tại Thủ đô. Từ dƣới lên trên, các thành tạo Đệ Tứ khu vực Hà Nội gồm hệ tầng Lệ Chi (aQIlc), Hà Nội (a,apQII-III1hn), Vĩnh Phúc (a,lbQIII2vp), Hải Hƣng (m,lb,bQIV1-2hh) và Thái Bình (a,alb,aQIV3tb) [2,7,9]. Các thành tạo trầm tích hệ tầng Lệ Chi và Hà Nội phân bố rộng khắp thƣờng nằm dƣới sâu, đƣợc lộ ra ở phần rìa đồng bằng (vùng đồi gò Sóc Sơn). Đây là tầng chịu lực quan trọng cho móng cọc đối với các công trình lớn trên địa bàn thành phố. Hệ tầng Vĩnh Phúc có nguồn gốc sông, hồ và hồ-đầm lầy đƣợc phân bố rộng rãi trong vùng Hà Nội, đƣợc lộ ra ở Đông Anh, Mê Linh, Sóc Sơn và một vài nơi trong thành phố còn lại phân bố dƣới các trầm tích trẻ hơn. Những thành tạo trầm tích cuội, sỏi và cát Hình 1. Tâm chấn và các vùng sinh chấn ở của các hệ tầng Lệ Chi, Hà Nội và Vĩnh Phúc là miền Bắc (nguồn Viện Vật lý Địa cầu, 2007) tầng chứa nƣớc Pleistocen (qp) phong phú và quan trọng của Hà Nội. 3. SƠ LƢỢC ĐỊA CHẤT VÙNG HÀ NỘI Các thành tạo Holocen dƣới – giữa hệ tầng Phần lớn diện tích Hà Nội nằm trong đới Hải Hƣng có nguồn gốc hồ-đầm lầy, biển và sụt địa hào trung tâm của trũng Hà Nội (trũng đầm lầy. Thành phần gồm sét, sét pha dẻo chảy sông Hồng) thuộc miền kiến tạo Đông Bắc – đến chảy lẫn tàn tích hữu cơ, sét xám xanh đặc Bắc Bộ, đới này nằm kẹp giữa các đứt gãy sâu trƣng và than bùn. Sông Chảy ở phía Tây Nam và Sông Lô phía Hệ tầng Thái Bình là trầm tích Đệ Tứ trẻ Đông Bắc, đồng thời cắt qua cấu trúc Trung nhất, phân bố rộng rãi. Gồm các thành tạo trầm Tâm và Đông Bắc thuộc hệ chuẩn uốn nếp tích sông, sông-hồ-đầm lầy, thành phần là cát Đông Việt Nam, còn phía Tây Nam giáp với thô, cát vừa có khi lẫn sạn, cát nhỏ và cát bụi hệ uốn nếp Tây Việt Nam. Với đặc điểm nhƣ (nằm dƣới), và cát pha, sét pha ít gặp sét, có nơi vậy, địa chất Hà Nội gắn liền với các đặc điểm lẫn tàn tích hữu cơ (nằm trên). Hay các trầm tích chung của trũng Hà Nội, với cấu trúc kiến tạo bãi bồi và lòng sông, với thành phần gồm cuội, rất phức tạp, mức độ động và dập vỡ vỏ Trái sỏi, cát lẫn cát pha hay sét pha thấu kính (nằm Đất mạnh. Nguồn gốc của mọi vận động nội dƣới) và cát pha, sét pha (nằm trên). sinh vùng Hà Nội chịu ảnh hƣởng của sự vận Các trầm tích cát hệ tầng Thái Bình thƣờng hành hai hệ đứt gãy Sông Hồng và Đông Triều có trạng thái rời rạc đến chặt vừa, bên dƣới có [2,6,8]. nơi trạng thái chặt, chiều sâu phân bố 4 – 8m, có Trên mặt cắt Kainozoi vùng Hà Nội phát nơi 12 – 18m, chiều dày thƣờng 12 – 20m, phần triển đầy đủ các thành tạo Oligocen (E3), ven sông có thể tới hơn 20m. Các thành tạo cát Neogen (N) và Đệ Tứ (Q). Với nền trầm tích Đệ hệ tầng Thái Bình là tầng chứa nƣớc Holocen Tứ khá dày, có thể đạt trên 120m, đến nay và (qh) khá phong phú trong không gian ngầm trong tƣơng lai đối tƣợng này chủ yếu đƣợc khai thành phố. 4 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2016
  3. Với ba tầng đất yếu Vĩnh Phúc, Hải Hƣng và mạnh đến cấp 8 (Popov E.V., 1973, 1974, Thái Bình có nguồn gốc hồ-đầm lầy hay đầm 1975, 1976, 1978, 1984, 1992). Bên cạnh đó, lầy, đan xen là các trầm tích bở rời chứa nƣớc các khu vực địa hình có chênh cao khác nhƣ bờ của các hệ tầng Thái Bình và Vĩnh Phúc, cùng các hệ thống kênh, sông, hồ, đê trong thành với cấu trúc kiến tạo phức tạp tạo nên tính đặc phố hay các khu vực sƣờn đồi, núi ở Sóc Sơn, thù của không gian ngầm vùng Hà Nội. Thạch Thất, Chƣơng Mỹ, Ba Vì đều là những 4. CÁC BIỂU HIỆN BIẾN DẠNG DƢ nơi có tính “nhạy cảm” với khả năng trƣợt lở CỦA NỀN ĐẤT CÓ THỂ PHÁT SINH KHI bờ dốc khi động đất mạnh cấp 7-8 trên địa bàn ĐỘNG ĐẤT MẠNH Ở HÀ NỘI thành phố [11]. Kết quả phân vùng nhỏ động đất tại Hà Nội Theo Medvedev X.V. (1962) và Dedov E.V. cho thấy, các khu vực có mặt tầng cát Thái Bình (1967) khe nứt bắt đầu xuất hiện ở nền đất ẩm trạng thái rời rạc bão hòa nƣớc, tầng đất yếu hệ ƣớt khi động đất cấp 6 (MSK-64) nhƣng bề rộng tầng Thái Bình hay Hải Hƣng có chiều dày lớn, không vƣợt quá 1cm. Và khi động đất cấp 7, phân bố gần mặt đất và mực nƣớc ngầm cách khe nứt nhỏ bắt đầu xuất hiện trên nền đất khô, mặt đất
  4. Bảng 1. Qui mô các khe nứt có thể xảy ra khi động đất mạnh tại Hà Nội nơi có địa hình bằng phẳng hay gần bằng phẳng của một số loại nền đất khác nhau theo phƣơng pháp đánh giá Medvedev X.V. (1977) Đặc trƣng Cƣờng độ động đất, I (cấp theo MSK-64) Loại đất nền khe nứt 6 7 8 9 10 Đất lấp, đất san Dài, m 0,5 - 2 3-5 10 - 100 300 - 500 500 - 1000 gạt, đất đắp không Rộng, m 0,005 - 0,01 0,03 -0,05 0,1 - 0,5 0,8 - 2 1,0 - 3,0 chặt Sâu, m 0,1 - 0,5 0,5 - 1,0 1,0 - 1,5 1,0 - 1,5 3,0 - 5,0 Dài, m - 2-4 5 - 10 80 - 200 200 - 500 Đất cát Rộng, m - 0,05 - 0,1 0,5 - 0,7 0,7 - 1,0 1,0 - 1,5 Sâu, m - 0,2 - 0,3 0,5 - 0,8 1,0 - 1,2 1,2 - 1,5 Dài, m 0,5 - 2 3-5 10 - 50 300 - 1000 500 - 2000 Sét pha Rộng, m 0,05 - 0,1 0,2 - 0,5 0,3 - 0,6 1,0 - 2,0 1,5 - 2,5 Sâu, m 0,1 - 0,5 0,5 - 1,5 1,0 - 5,0 5,0 - 10 3-5 Dài, m - - 100-30) 200 - 500 700 - 2000 Đất rời hạt thô Rộng, m - - 0,1 - 0,2 0,2 - 0,5 0,5 - 0,8 Sâu, m - - 0,2 - 0,5 0,5 - 1,0 1,0 - 3,0 Theo Medvedev X.V. (1962), Steinberg V.V. nƣớc lỗ rỗng lúc này đột ngột tăng cao. Trong và nnk (1992), độ lún của nền đất khô có kết thời gian ngắn áp lực tăng cao của nƣớc lỗ rỗng cấu tự nhiên khi động đất cấp 7 có giá trị không không kịp tiêu tán làm cho áp lực có hiệu truyền lớn (0,005 – 0,012m), nhƣng động đất cấp 9 có qua tiếp xúc trực tiếp bề mặt giữa các hạt cát thể đạt 0,1 – 0,4m. Trong khi đó, với nền đất cát giảm đi. Khi áp lực nƣớc lỗ rỗng khắc chế đƣợc bão hòa nƣớc độ lún có thể đạt 0,01 – 0,1m khi áp lực có hiệu thì cát bão hòa biến thành chảy, động đất cấp 7, 0,3 – 0,5m khi động đất cấp 9 – gần nhƣ một dịch thể, mất đi sức chống cắt và 10. Và với nền đất loại sét chứa nƣớc cũng có khả năng chịu tải – đất bị hóa lỏng. Nếu cát ở độ lún lớn hơn khi ở trạng thái khô. nền công trình bị hóa lỏng sẽ gây phá hủy các Với cấu trúc nền đất trầm tích Đệ Tứ khá dày công trình. nhƣ ở thành phố Hà Nội, đặc biệt là sự có mặt Một trong những phƣơng pháp đánh giá độ phổ biến tầng đất lấp khá dày trong khu vực nội nhạy cảm hóa lỏng của nền đất khá đơn giản đô cũng nhƣ sự phát triển rộng khắp các thành và thông dụng hiện nay là sử dụng bản đồ địa tạo trầm tích cát chứa nƣớc kém chặt (hệ tầng chất, địa chất công trình khu vực nghiên cứu Thái Bình), hay trầm tích loại sét bão hòa (hệ kết hợp với thang độ nhạy cảm của Youd T.L. tầng Thái Bình và Hải Hƣng) ở phần trên của và Perkins D.M. (1978, 1985). Sử dụng mặt cắt cấu trúc nền, nguy cơ về sự sụt lún mặt phƣơng pháp này, cho phép đánh giá độ nhạy đất có thể đạt 0,3 – 0,7m tại nhiều nơi trong cảm hóa lỏng nền đất khi động đất theo sự thành phố khi động đất mạnh cấp 7 – 8 là tiềm phân bố các trầm tích bão hòa chƣa cố kết và ẩn và cần phải tính đến khi thiết kế xây dựng. tuổi địa chất của chúng tại Hà Nội đƣợc thể Khi bị chấn động cát đƣợc lèn chặt, áp lực hiện trên Bảng 2. 6 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2016
  5. Bảng 2. Cấp độ nhảy cảm khả năng hóa lỏng của nền đất khi động đất mạnh ở Hà Nội theo phƣơng pháp Youd và Perkins Hệ tầng Ký hiệu Tuổi địa chất Độ nhạy cảm khả năng hóa lỏng trầm tích địa chất aQIV3tb2 Trầm tích hiện đại Cao Thái Bình albQIV3tb1 Trung bình aQIV3tb1 Trung bình – cao Holocen mQIV1-2hh2 Rất thấp – thấp Hải Hƣng lbQIV1-2hh1 Trung bình lbQIII2vp3 Trung bình Vĩnh Phúc lQIII2vp2 Rất thấp – thấp aQIII2vp1 Pleistocen Trung bình Hà Nội a,apQII-III1hn Thấp Lệ Chi aQIlc Thấp Để đánh giá, dự báo và nghiên cứu khả công thức trong các tiêu chuẩn thiết kế Cầu năng hóa lỏng của cát khi động đất, các Đƣờng của Nhật Bản hay công thức của H.B. phƣơng pháp phổ biến hơn cả thƣờng dùng là Seed và I.M. Idriss (1971). dựa trên thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT). Phƣơng pháp đơn giản dự báo khả năng hóa 0 10 20 30 N KP 0 lỏng của cát theo SPT và độ sâu đƣợc đề xuất bởi Y. Koizumi (1966), H. Kishida (1969) và M. Saito (1971). Kết quả đánh giá khả năng 5 hóa lỏng theo phƣơng pháp này cho các trầm 2 tích cát hệ tầng Thái Bình và Vĩnh Phúc đƣợc 10 thể hiện trên Hình 2. Hình 2 cho thấy, chỉ số SPT chủ yếu phân bố vùng nguy cơ hóa lỏng cao (Vùng số 1), 15 nghĩa là đất cát Hệ tầng Thái Bình và Vĩnh 1 Phúc đều có thể xảy ra hóa lỏng khi động 20 đất mạnh. H, M Việc dự báo định lƣợng về khả năng hóa lỏng của cát khi động đất, thƣờng tiến hành qua việc Hình 2a. Khả năng hóa lỏng của trầm tích cát xác định hệ số an toàn chống hóa lỏng theo bão hòa hệ tầng Thái Bình ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2016 7
  6. Để đánh giá khả năng hóa lỏng của nền đất Với tầng cát pha Thái Bình, hiện tƣợng hóa khi động đất mạnh ở Hà Nội, lựa chọn hai vị trí lỏng xảy ra khi trị số SPT bé hơn hay bằng 10, có cấu trúc nền điển hình là Km61 đê hữu sông còn tầng cát Thái Bình – SPT  15 búa. Chiều Hồng (khu vực Tứ Liên – Nghi Tàm – Quảng sâu cát có bị hóa lỏng có thể đạt đến 18m. Các An) và tại vị trí lỗ khoan A3 (khu vực khách sạn tầng đất sét hay sét pha trong không gian ngầm Horizon – Cát Linh) của dự án xây dựng tuyến thành phố không bị hóa lỏng khi động đất mạnh. Metro thí điểm Nhổn – Ga Hà Nội. Các thông Cát hệ tầng Vĩnh Phúc nằm sâu (>20m) không số động đất vùng Hà Nội sử dụng để đánh giá bị hóa lỏng khi động đất cấp 8. khả năng hóa lỏng đƣợc căn cứ theo kết quả 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ nghiên cứu của Viện Vật lý Địa cầu, với độ Đặc điểm đặc thù về địa hình, thủy văn của mạnh M = 6,2, tƣơng ứng cấp 8 thang MSK-64 sông Hồng, địa chất công trình và địa chất thủy cho nền “chuẩn” ở Hà Nội, hệ số Kh = 0,17, văn là những yếu tố cơ bản quyết định đến khả nguồn sinh chấn là các đứt gãy sông Hồng và năng xuất hiện cũng nhƣ mức độ nguy hiểm của sông Chảy ở khoảng cách tâm chấn nhỏ hơn các hiện tƣợng trƣợt lở đất, sụt lún, nứt mặt đất 60km, gia tốc nền cực đại chu kỳ 1000 năm a max hay hóa lỏng của nền đất khi động đất mạnh cấp = 170 cm/s2 [4]. 7 – 8 (MSK-64) tại Hà Nội. Ngoài những nguy hiểm về sự rung động 0 10 20 30 N KP nền đất, các biểu hiện biến dạng dƣ của đất 0 nền khi động đất không thể không tính đến trong công tác khảo sát địa kỹ thuật và thiết kế 5 2 kháng chấn cho các công trình xây dựng trên địa bàn thành phố, đặc biệt các công trình giao 10 thông ngầm. 1 15 TÀI LIỆU THAM KHẢO 20 1. Nguyễn Đình Xuyên, Nghiên cứu xác H, M định các thông số địa chấn phục vụ thiết kế công trình Keangnam Landmark Tower, Viện Vật lý Địa cầu, (2007). Hình 2b. Khả năng hóa lỏng của trầm tích cát 2. Nguyễn Đức Đại và nnk, Báo cáo điều tra bão hòa hệ tầng Vĩnh Phúc địa chất đô thị thành phố Hà Nội, thuộc “Chƣơng trình địa chất đô thị Việt Nam”, Tổng Kết quả tính toán theo cả hai phƣơng pháp cục Địa chất Việt Nam, Hà Nội, (1996). định lƣợng nêu trên cho thấy, khi động đất 3. Nguyễn Đức Mạnh, “Hệ thống hóa các mạnh đạt tới cấp 8 (MSK-64) ở Hà Nội nền đất quá trình và hiện tƣợng tự nhiên và nhân sinh để có thể bị hóa lỏng. Sự hóa lỏng có thể xảy ra khai thác an toàn và hiệu quả không gian ngầm trong các tầng đất cát pha, cát bụi, cát mịn hay đô thị Hà Nội”, Tạp chí Xây dựng – BXD, (01), cát nhỏ bão hòa nƣớc hệ tầng Thái Bình, khi (2013), tr.63-66. mực nƣớc dƣới đất nhỏ hơn 3m. 8 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2016
  7. 4. Nguyễn Đức Mạnh và nnk, “Khả năng giá bổ sung điều kiện đất nền vùng Hà Nội và hóa lỏng của nền đất khi động đất và ảnh hƣởng vùng phụ cận và giải pháp nền móng công trình, của nó đến khai thác không gian ngầm ở Hà Báo cáo khoa học tổng kết đề tài, Liên hiệp Nội”, Tuyển tập các báo cáo Hội nghị KHCN khoa học sản xuất địa chất xây dựng và cấp chào mừng kỷ niệm 55 thành lập viện KH và CN nƣớc, Hà Nội, (2007). GTVT, Hà Nội, (2012), tr.265-272. 10. Huabei Liu, Threedimensional Analysis 5. Nguyễn Đức Mạnh, Nguyễn Ngọc Lân, of Underground Tunnels in Liquefiable Soil “Địa môi trƣờng với khai thác và sử dụng hiệu subject to Earthquake Loading. Final Report. quả không gian ngầm đô thị Hà Nội”, Tạp chí New York, NY 10031, (2011). Khoa học Giao thông Vận tải – Trường ĐH 11. Медведев С. В., Инженерная GTVT, (29), (2010), tr.65-70. сейсмология, Госстройиздат, М., (1962), 6. Nguyễn Hồng Phƣơng, Trần Nhật Dũng, 284с. Nghiên cứu xác định độ rủi ro động đất cho 12. Нгуен Дык Мань, Инженерно- thành phố Hà Nội, Báo cáo tổng kết đề tài геологическое обеспечение освоения nghiên cứu KHCN, Phân viện Hải dƣơng học tại подземного пространства города Ханоя Hà Nội, (2002). (Вьетнам), Дисс. канд. геол.-минер. наук, 7. Nguyễn Huy Phƣơng và nnk, “Thu thập, Санкт-Петербург, (2010). kiểm chứng các tài liệu đã có, nghiên cứu bổ 13. Нгуен Дык Мань, Дашко Р.Э., sung lập bản đồ phân vùng đất yếu Hà Nội phục Некоторые проблемы освоения и vụ phát triển bền vững thủ đô”, báo cáo tổng использования подземного пространства в hợp đề tài trọng điểm thành phố Hà Nội, Trƣờng сложных инженерно-геологических ĐH Mỏ-Địa chất, Hà Nội, (2004). условиях города Ханоя, Инженерная 8. Nguyễn Ngọc Thủy, Nguyễn Sinh Minh, геология. июнь, М., (2010), с.56-61. Nghiên cứu bổ sung và hoàn chỉnh bản đồ phân 14. Попов Е.В., Соколова Е.Л., vùng nhỏ động đất thành phố Hà Nội mở rộng, Прогнозирование разжижения песчаных tỷ lệ 1:25 000, lập cơ sở dữ liệu về đặc trưng грунтов при сильных землетрясениях. dao động nền đất ở Hà Nội ứng với bản đồ trên, Эффект сильных землетрясений, Вопросы Báo cáo tổng kết đề tài KH & CN, Viện Vật lý инженерной сейсмологии. Наука, вып. 22, Địa cầu, (2004). М., (1982), с.97-110. 9. Vũ Công Ngữ và nnk, Nghiên cứu đánh Phản biện: PGS.TS. NGUYỄN SỸ NGỌC ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2016 9
nguon tai.lieu . vn