Luận án tiến sĩ: Đánh giá khả năng phá hủy nền do động đất nội thành Hà Nội

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG 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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Hà Nội-2018 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG 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: 62 44 01 11 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. NGUYỄN HỒNG PHƢƠNG 2. ĐỖ ĐỨC THANH Hà Nội-2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả nêu trong luận án là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Tác giả luận án Bùi Thị Nhung LỜI CẢM ƠN Tác giả xin đƣợc gửi lời cảm ơn sâu sắc đến các Thầy hƣớng dẫn: PGS. Nguyễn Hồng Phƣơng và PGS. Đỗ Đức Thanh, đã tận tình hƣớng dẫn, truyền đạt kiến thức và kỹ năng chuyên môn, nghề nghiệp trong quá trình học tập và làm luận án của mình. Tác giả cũng xin tỏ lòng biết ơn Quý Thầy Cô trong Bộ môn Vật lý Địa cầu và Khoa Vật lý đã nhiệt tình giảng dạy và động viên, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tác giả trong toàn bộ khóa học.

Tác giả chân thành xin đƣợc gửi đến Quý Thầy Cô, anh, chị đang công tác tại các Phòng-Ban chức năng khác đã nhiệt tình giúp đỡ và hỗ trợ tác giả trong một số vấn đề liên quan đến khóa học. Tác giả cảm ơn Ban lãnh đạo và bạn bè, đồng nghiệp tại Viện Vật lý Địa Cầu đã luôn bên cạnh cổ vũ, trợ giúp chuyên môn, tạo điều kiện và động viên tác giả vƣợt qua các khó khăn trong quá trình học tập, công tác. Tác giả chân thành cảm ơn sự hỗ trợ chuyên môn và cổ vũ tinh thần của Quý Thầy Cô, bạn bè, đồng nghiệp tại các cơ quan khác qua trao đổi học thuật, số liệu, tài liệu và các thảo luận hữu ích. Tác giả cảm ơn sự cung cấp số liệu và hỗ trợ chƣơng trình xử lý miễn phí từ các tổ chức, website và dự án, chƣơng trình hợp tác và đồng nghiệp cho toàn bộ quá trình nghiên cứu trong luận án.

Tác giả biết ơn gia đình, ngƣời thân và những ngƣời bạn đã luôn tin tƣởng và cổ vũ cho sự lựa chọn của tác giả trong công việc và cuộc sống. Hà Nội, tháng năm 2018 Tác giả luận án Bùi Thị Nhung MỤC LỤC Trang Lời cam đoan Lời cảm ơn Mục lục Danh mục các bảng Danh mục các hình vẽ, đồ thị MỞ ĐẦU. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU PHÁ HỦY NỀN DO ĐỘNG ĐẤT VÀ CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN HÓA LỎNG NỀN. Tình hình nghiên cứu phá hủy nền do động đất.

Tình hình nghiên cứu trên thế giới. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc. Tác động của phá hủy nền. Hóa lỏng nền do động đất.

Các khái niệm hóa lỏng nền. Cơ chế hóa lỏng nền. Các điều kiện đối với hóa lỏng nền. Các kiểu hóa lỏng nền.

Các tiêu chí để xác định và thành lập bản đồ hóa lỏng nền khu vực. PHÂN LOẠI NỀN ĐẤT KHU VỰC NỘI THÀNH THÀNH PHỐ HÀ NỘI THEO TÀI LIỆU ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH VÀ ĐỊA VẬT LÝ. Tài liệu sử dụng. Phƣơng pháp áp dụng.

Phân loại nền đất khu vực nội thành thành phố Hà Nội. Đánh giá hiệu ứng khuếch đại nền địa phƣơng. Kết luận chƣơng 2. ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG NHẠY CẢM HÓA LỎNG NỀN DO ĐỘNG ĐẤT CHO KHU VỰC THÀNH PHỐ HÀ NỘI.

Tài liệu sử dụng. Tài liệu địa chất-địa chất công trình. Tài liệu địa chất thủy văn. Tài liệu địa mạo.

Các phƣơng pháp sử dụng. Đánh giá khả năng nhạy cảm hóa lỏng nền cho khu vực thành phố Hà Nội. Đánh giá khả năng nhạy cảm hóa lỏng nền cho khu vực thành phố Hà Nội theo đặc điểm địa chất. Đánh giá khả năng nhạy cảm hóa lỏng nền cho khu vực thành phố Hà Nội theo đặc điểm địa mạo.

Đánh giá khả năng nhạy cảm hóa lỏng nền cho khu vực thành phố Hà Nội theo đặc điểm địa chất và địa mạo. Kết luận chƣơng 3. ĐÁNH GIÁ ĐỘ NGUY HIỂM HÓA LỎNG NỀN DO ĐỘNG ĐẤT CHO KHU VỰC NỘI THÀNH THÀNH PHỐ HÀ NỘI. Phƣơng pháp đánh giá độ nguy hiểm hóa lỏng nền do động đất.

Tính hệ số an toàn kháng hóa lỏng. Tính chỉ số khả năng hóa lỏng. Đánh giá xác suất xảy ra hóa lỏng bề mặt. Các đặc trƣng địa chấn kiến tạo khu vực Hà Nội.

Các đứt gãy hoạt động. Hoạt động địa chấn. Các kịch bản động đất. Dữ liệu lỗ khoan.

Đánh giá độ nguy hiểm hóa lỏng nền do động đất cho khu vực nội thành thành phố Hà Nội. Thảo luận kết quả. Kết luận chƣơng 4 .106 KIẾN NGHỊ VỀ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO .107 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN .108 TÀI LIỆU THAM KHẢO .124 Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt Ký hiệu, Từ Tiếng Anh Nghĩa Tiếng Việt chữ viết tắt a Acceleration Gia tốc amax Maximum horizontal acceleration Gia tốc ngang cực đại nền tại at ground surface bề mặt CPT Cone Penetration test Thí nghiệm xuyên hình nón CRR Cyclic resistance ratio Tỷ số kháng xuyên tuần hoàn CSR Cyclic stress ratio Tỷ số ứng suất tuần hoàn DMT Flat delatometer test Kiểm tra dãn nở bằng phẳng EIGF Earthquake-induced Ground Phá hủy nền do động đất Failures Em Hammer efficiency Hệ số hiệu quả của búa FC Percent finer Phần trăm hạt mịn FEM Finite Element Method Phƣơng pháp phần tử hữu hạn FEMA Federal Emergency Management Cục quản lý các tình trạng Agency khẩn cấp liên bang Mỹ FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh FS Factor of safety against Hệ số an toàn kháng hóa lỏng liquefaction GIS Geographic Information System Hệ thống thông tin địa lý Ký hiệu, Từ Tiếng Anh Nghĩa Tiếng Việt chữ viết tắt I Intensity Cƣờng độ chấn động trên bề mặt LL Liquid limit Giới hạn lỏng LPI Liquefaction Potential Index Chỉ số khả năng hóa lỏng LSI Liquefaction Severity Index Chỉ số mức độ hóa lỏng M Earthquake Magnitude Độ lớn động đất NEHRP National Earthquake Hazards Chƣơng trình Quốc gia về Reduction Program giảm nhẹ thiệt hại động đất Mỹ OCR Overconsolidation ratio Tỷ số quá chặt PG Probability of Ground failures Xác suất phá hủy nền PGA Peak Ground Acceleration Gia tốc cực đại nền PLH Probabilistic liquefaction hazard Nguy hiểm hóa lỏng nền theo xác suất SBPT Self boring pressure meter Máy đo áp suất lỗ khoan SPT Standard Penetration Test Thí nghiệm xuyên chuẩn SWW Shear wave velocity techniques Kỹ thuật vận tốc sóng ngang Danh mục các bảng Trang Bảng 2. Phân loại nền đất địa phƣơng theo tiêu chuẩn NEHRP 1999 của Mỹ.

Hệ số khuếch đại nền. Các phân vị địa tầng tuổi Đệ Tứ. Phân chia các thành tạo Đệ Tứ. Bề dày lớp bùn hệ tầng Hải Hƣng ở một số khu vực.

Các phân vị địa chất thuỷ văn khu vực Hà Nội. Khả năng nhạy cảm hóa lỏng nền của các lắng đọng trầm tích trong quá trình chấn động địa chấn. Khả năng nhạy cảm hóa lỏng của các đơn vị hình thái học. Khả năng nhạy cảm hóa lỏng của các đơn vị thạch học trong khu vực.

Khả năng nhạy cảm hóa lỏng của các đơn vị vi địa mạo. Các mức rủi ro tƣơng ứng với xác suất có điều kiện của các hiện tƣợng phá hủy nền do hóa lỏng. Tham số của các động đất kịch bản. Các hệ số phổ phản ứng gia tốc của miền Trung và miền Đông nƣớc Mỹ (nền B).

Kết quả phân loại nền dựa trên giá trị SPT của các lỗ khoan tại khu vực nội thành thành phố Hà Nội theo tiêu chuẩn NEHRP 99. Kết quả phân loại nền dựa trên giá trị VS,30 của các lỗ khoan khu vực nội thành thành phố Hà Nội theo tiêu chuẩn NEHRP 99. Ví dụ minh họa chỉ tiêu cơ lý của lớp bùn đáy ao hồ (lớp 2) khu vực nội thành thành phố Hà Nội (hàm lƣợng hạt cát (2-0.3%) đƣợc sử dụng trong các tính toán. Minh họa quá trình tính hệ số FS của một cột đất lỗ khoan (TX-22).141 Danh mục các hình vẽ, đồ thị Trang Hình 1.

Các tác động của phá hủy nền do động đất,. Sự thay đổi của cấu trúc hạt trầm tích trong động đất dẫn tới hóa lỏng nền. Cơ chế của hóa lỏng nền và các tác động của nó. Sơ đồ của một sự mở rộng theo phƣơng ngang cho thấy biến dạng trƣợt trong một lớp đất hóa lỏng và sự dịch chuyển của trầm tích bề mặt xuống mặt hơi dốc hay tới một mặt thoáng.

Sơ đồ rung động nền cho thấy các khối đất bị tách riêng còn nguyên vẹn dao động qua lại và bị tách riêng do lực quán tính và sự hóa mềm của đất bị hóa lỏng. Thiệt hại gây bởi phá hủy nền ở quận Marina San Francisco trong động đất Loma Prieta năm 1989. Sơ đồ khu vực phá hủy cho thấy sự đi lên của nƣớc lỗ rỗng tạo điều kiện hóa lỏng nhanh dƣới công trình. Các tòa nhà tại Niigata bị phá hủy (nghiêng, đổ) do động đất Nhật Bản năm 1964.

Sự phá hủy ở Brooklands từ động đất Canterbury năm 2010, nơi hóa lỏng đã làm nổi hệ thống ngầm trong đó có lỗ cống hình A) và cống thoát nƣớc mƣa trên đƣờng hình B). Sự phân bố các lỗ khoan trong vùng nghiên cứu. Phân loại nền cho tập hợp các lớp đất trong 30m đầu tiên của nền đất ở lỗ khoan TX-22. Phân loại nền đất của các lỗ khoan.

Bản đồ phân loại nền theo phân khu địa chất công trình và số liệu đo địa vật lý. 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. Bản đồ phân bố thạch học khu vực Hà Nội thu nhỏ từ tỷ lệ 1:25 000. Mặt cắt kiểu1.

Mặt cắt kiểu 2. Bản đồ địa mạo thành phố Hà Nội thu nhỏ từ tỷ lệ 1:320 000. Khả năng nhạy cảm hóa lỏng nền theo đặc điểm thạch học khu vực Hà Nội. Khả năng nhạy cảm hóa lỏng nền theo đặc điểm địa mạo khu vực Hà Nội .