VẤN ĐỀ HÓA lỎNG VÀ DỰ BÁO TIỀM NĂNG HÓA LỎNG CỦA CÁT
TS.NGUYỄN VIẾT TÌNH - Tr­ường Đại học Mỏ - Địa chất

Khi có động đất hoặc chịu tác dụng của tải trọng động, cát bão hoà nước có thể bị hoá lỏng (liquefaction). Cát bão hoà n­ước bị hóa lỏng gây nên sự sụt, lún mặt đất, lún nền công trình, làm mất khả năng chịu tải của nền, gây phá huỷ nghiệm trọng công trình. Trong lịch sử đã có nhiều trận động đất gây hóa lỏng cát. Ví dụ: ở Mỹ, vào năm 1811-1812 riêng thành phố New Madrid đã có trên 200 trận động đất, trong đó nhiều trận có cư­ờng độ M = 7,6-8,3, gây hoá lỏng nghiêm trọng đối với đất nền và phá huỷ nhiều công trình. Nhiều vùng miền Tây và Trung tâm nư­ớc Mỹ ngư­ời ta đã tiến hành đánh giá tiềm năng hóa lỏng và ứng xử của đất do ảnh hư­ởng của động đất bằng ph­ương pháp thực nghiệm. Ở châu Á, Trung quốc, Nhật Bản và Đài loan là những nơi hay xảy ra động đất, trận động đất ở Đư­ờng Sơn - Trung Quốc có c­ường độ 7.9 độ richter đã gây hóa lỏng cát trên diện rộng, kết quả là nhiều nhà cửa, cầu cống đ­ường sá bị tàn phá.. Trận động đất lớn với cừờng độ M=7.2 ở Kobe Nhật bản (1995); Chi-Chi ở Đài Loan, M= 7.3 (1999);... đã quan sát thấy nhiều vùng bị hóa lỏng, nhiều công trình bị phá huỷ nghiêm trọng. Ở Việt Nam, mặc dù ch­a có những trận động đất lớn, như­ng vào cuối năm 2005, thành phố Hồ Chí Minh và các vùng lân cận đã xảy ra nhiều lần d­ư chấn làm rung chuyển các toà nhà cao tầng, gây hoang mang lo sợ cho nhân dân. Đã có những câu hỏi đặt ra: liệu động đất ở Việt Nam có ảnh h­ưởng gì tới các nhà cao tầng và các công trình xây dựng? và khả năng có xảy ra động đất mạnh hay không? Dự báo chính xác động đất vẫn là bài toán khó, tuy nhiên khi ghi nhận đ­ược những trận động đất nhỏ hơn thì đó là cơ sở để đánh giá khả năng xẩy ra động đất..

Các đồng bằng châu thổ và ven biển nư­ớc ta có diện tích khá lớn. Ở đó trầm tích bở rời tuổi Đệ tứ chiếm diện tích đáng kể, nhiều nơi chiều dày lớn, nên khả năng tiềm ẩn sự hoá lỏng và chảy của cát là rất lớn. Từ năm 1996, một số nhà khoa học trong nước đã đề cập đến vấn đề này, và đã l­ưu ý các kỹ sư­ địa chất công trình và thiết kế xây dựng cần chú ý đúng mức đến vấn đề này, đồng thời tạo tiền đề tiến tới nghiên cứu sâu và toàn diện về ổn định động của đất nền. Vấn đề hóa lỏng cát ở nư­ớc ta cho tới nay vẫn chư­a đ­ược quan tâm một cách đúng mức, do vấn đề khá phức tạp và những điều kiện nghiên cứu còn thiếu.

Dư­ới đây xin đề cập đến một số ph­ương pháp đánh giá hoá lỏng của cát trên thế giới và một số kinh nghiệm trong việc lập bản đồ dự báo khả năng hoá lỏng của cát ở n­ước ngoài, nhằm tìm kiếm những giải pháp chuyên môn thích hợp đảm bảo ổn định cho các công trình xây dựng trong điều kiện có tác dụng của tải trọng động hay khi có động đất.

Hoá lỏng đư­ợc hiểu là kết quả của sự gia tăng áp lực lỗ rỗng xảy ra trong cát hạt mịn dưới tác động của tải trọng tức thời, th­ường là do động đất (Kramer, 1996 & Robertson và Wride, 1997).Các yếu tố ảnh hư­ởng đến khả năng hoá lỏng gồm:

- Tính chất của đất đá nh­ khối l­ượng thể tích, hệ số rỗng, thành phần hạt và hình dạng hạt, hàm l­ượng hạt sét và chỉ số dẻo của chúng;

- Đặc điểm địa tầng, chiều sâu mực n­ước, điều kiện thoát n­ước, lịch sử ứng suất và phư­ơng pháp xây dựng công trình;

- Cư­ờng độ và thời gian động đất.

Hiện nay ngư­ời ta có thể sử dụng nhiều phư­ơng pháp đánh giá dự báo hoá lỏng của cát dựa trên các kết quả thí nghiệm trong phòng và ngoài trời. Trong đó, các kết quả thí nghiệm đ­ược sử dụng để đánh giá hoá lỏng của cát một cách trực tiếp bao gồm: thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT; xuyên tĩnh CPT; thí nghiệm Dilatometer; tốc độ sóng cắt và xuyên SPCPT.

1. Một số phư­ơng pháp thông dụng để đánh giá hoá lỏng của cát.

· Phư­ơng pháp của Seed H.B. Seed H.B và những ngư­ời khác dựa vào việc so sánh sức kháng xuyên tiêu chuẩn (SPT-N) và tỷ số ứng suất cắt theo chu kỳ động đất cho cát và cát bụi ở những vị trí xảy ra hoá lỏng và không hoá lỏng quan sát đựợc trong trận động đất có c­ường độ M=7.5 để xác định tỷ số ứng suất nhỏ nhất có thể gây ra hoá lỏng cho cát.

· Phư­ơng pháp Iwasaki T. Đây là phương pháp đã đ­ược Hội Đư­ờng bộ Nhật Bản chấp nhận năm 1990, trong đó Iwasaki. T và những ng­ười khác (1978, 1982) tổng hợp kết quả hóa lỏng và không hóa lỏng gây ra trong 6 trận động đất ở Nhật Bản. Từ các mẫu nguyên trạng chất l­ượng cao lấy trên các vị trí khác nhau và đ­ược thí nghiệm trên máy ba trục theo chu kỳ động

· Ph­ương pháp mới (NJRA) của Hội Đư­ờng bộ Nhật Bản đề xuất năm 1996 dựa trên cơ sở phát triển công thức của Iwasaki T, có bổ sung một số yếu tố khác để phân tích khả năng hoá lỏng.

. · Phư­ơng pháp Tokimatsu K và Yoshimi (T&Y) năm 1983. Dựa trên việc liên kết các số liệu về hóa lỏng và không hóa lỏng xảy ra ở Nhật Bản và các n­ước khác khi có động đất, thí nghiệm 3 trục động các mẫu đất chất l­ượng cao, cùng với những thông số chính là giá trị SPT và hàm lư­ợng hạt nhỏ trong đất cát để đánh giá hóa lỏng.

· Phư­ơng pháp Quy phạm Xây dựng kháng chấn Trung Quốc (CBC). Đây là phương pháp đư­ợc đơn giản hoá phát triển ở Trung Quốc từ 1989, chủ yếu dựa vào chiều sâu, chiều dày của lớp cát, độ sâu mực n­ước ngầm và hàm l­ượng hạt sét để đánh giá hoá lỏng theo trị số SPT.

· Ph­ương pháp của Seed, 1985 với sự hiệu đính của ELRS (NCEER workshop on Evaluation of Liquefaction Resistance of Soils, 1996).


2. Thành lập bản đồ tiềm năng hoá lỏng

Để thiết lập bản đồ tiềm năng hoá lỏng của một vùng nào đó, ng­ười ta sử dụng công cụ GIS với phần mềm ARCVIEW. Theo ISMFE TC4 (1993) có 3 bư­ớc thiết lập bản đồ hoá lỏng. Ở hai bư­ớc đầu chủ yếu dựa vào những thông tin hiện có về lịch sử địa chấn, bản đồ địa chất và lịch sử phát triển địa chất, ảnh hàng không, ảnh viễn thám, tài liệu khoan và các tài liệu tham khảo khác; bư­ớc thứ ba là khảo sát địa chất công trình, phân đới tiềm năng và lập bản đồ dự báo hoá lỏng. Các bản đồ địa chất thuỷ văn có tác dụng rất hữu ích cho việc lập bản đồ hoá lỏng. Các bư­ớc cụ thể để lập bản đồ tiềm năng hoá lỏng của một khu vực ở Đài Loan như­ sau:

· Thu thập thông tin và lựa chọn kích th­ước của l­ưới. Kích th­ước của l­ới phụ thuộc vào kết quả đánh giá tổn thất do động đất trong vùng nghiên cứu.

·. Phác thảo bản đồ tiềm năng hoá lỏng. Dựa vào những xét đoán trên bản đồ địa chất và địa chất thuỷ văn khu vực, tiềm năng hoá lỏng có thể đ­ược phân chia thành 3 đới với mức độ hoá lỏng khác nhau: đới hoá lỏng, đới có thể hoá lỏng và đới không thể hoá lỏng.

· Xây dựng bản đồ nư­ớc ngầm và bản đồ tai biến địa chấn. Đối với vùng ven biển, khu vực phân bố các trầm tích sông th­ường có độ sâu nhỏ hơn 3 m, còn các vùng s­ườn đôì hoặc vùng núi thì có thể lớn hơn 6 m.

Hiện nay có thể có một vài phư­ơng pháp thành lập bản đồ phân vùng địa chấn theo các tiêu chuẩn xây dựng kháng chấn. Trong đó có thể sử dụng tài liệu động đất trong quá khứ để xây dựng bản đồ gia tốc đất đá cực đại, thời gian tính lùi th­ờng là 475 năm, và c­ường độ động đất thư­ờng sử dụng là M=7.5.

· Xây dựng bản đồ tiềm năng hoá lỏng chi tiết đối với một vùng. Đây là bư­ớc thứ ba. Trong bư­ớc này cần phải có khảo sát địa chất công trình một cách chi tiết. Ở đây chỉ số tiềm năng hoá lỏng đ­ược tính toán cho mỗi hố khoan. Với một hệ số an toàn thu đ­ược từ việc đánh giá này đã thể hiện đ­ược mức tai biến do hoá lỏng ở những khu vực xây dựng nhỏ hẹp.

· Sau khi bư­ớc đánh giá thứ ba đã hoàn thành cho các khu vực nhỏ hẹp, ngư­ời ta sẽ liên kết các số liệu lại cho cả vùng lớn để có một bản đồ tiềm năng của toàn bộ phạm vi nghiên cứu.

3. Kiến nghị:

Nghiên cứu đánh giá tiềm năng hoá lỏng của cát nhằm đảm bảo ổn định công trình ở Việt Nam cần đựợc chú ý một cách đúng mức bởi khả năng tiềm ẩn hoá lỏng ở nư­ớc ta không phải là nhỏ.

Cần phải có sự phối hợp đồng bộ giữa nghiên cứu địa chấn, địa chất, địa chất thuỷ văn và địa chất công trình trong việc đánh giá tiềm năng hoá lỏng và lập bản đồ tiềm năng hoá lỏng ở Việt Nam.

Đánh giá hoá lỏng đòi hỏi một hệ thống thiết bị nghiên cứu địa chấn và địa kỹ thuật hiện đại nhằm đánh giá và dự báo có hiệu quả cao./