Hiện tượng hóa lỏng trong đập bằng vật liệu địa phương do động đất.[31/08/12]

Hiện tượng hóa lỏng trong đập bằng vật liệu địa phương do động đất

 

PGS.TS. Nguyễn Hồng Nam, TS. Vũ Quốc Vương

Đại học Thủy lợi

Hóa lỏng đập San Fernando hạ năm 1971

Đập vật liệu địa phương là loại đập sử dụng vật liệu tại chỗ (đất, đá) ở khu vực xây dựng. Đập đất và đập đất đá thuộc loại đập vật liệu địa phương được sử dụng rất rộng rãi.    Động đất là một trong những thảm họa chính đối với an toàn đập. Các công trình đất như đập đắp, đê sông và khối đắp đường cao tốc thường bị phá hoại trong các trận động đất mạnh trên thế giới. Thiệt hại này chủ yếu là do hóa lỏng đất đắp thân công trình và/hoặc đất nền.

 Tại Mỹ, sự cố đập Sheffield năm 1925, động đất Santa Barbara  do hóa lỏng nền đập và sự cố đập San Fernando hạ năm 1971 (Hình 1) là những ví dụ quan trọng. Những thiệt hại khối đắp đó là những phá hủy lớn khi đất lớp dưới thuộc loại hạt thô bão hòa nước bị hóa lỏng, dẫn đến nứt tách, lún, chuyển dịch ngang và lún khối đắp. Trên thế giới cũng có rất nhiều đập đắp được xây dựng tại những khu vực có hoạt động địa chấn. Một số những khối đắp này đặt trên nền đất có khả năng hóa lỏng, trong nhiều trường hợp, cần phải phát triển các biện pháp cứu chữa thích hợp. Tại Mỹ có hơn 75000 đập, trong đó 600 đập được bảo dưỡng bởi Hiệp hội kỹ sư quân đội Mỹ. Hơn một phần ba trong số 600 đập đó nằm trong những vùng địa chấn cao. Mặt khác, phần lớn các đập được xây dựng vào nửa đầu thế kỷ hai mươi khi kỹ thuật động đất còn sơ khai và kiến thức hạn chế về các tai biến địa chấn đã để lại nhiều khiếm khuyết cho sự kiện địa chấn lớn. Chi phí sửa chữa riêng những đập loại này cũng có thể lên đến hàng tỷ đô la. Người ta cho rằng nhiều đập chưa được thiết kế kháng chấn đầy đủ.

Nhiều sự cố đê sông do hóa lỏng nền được quan sát trong hầu hết các trận động đất lớn tại Nhật Bản, ví dụ, các con đê Hachirogata thiệt hại bởi trận động đất Nihonkai–Chubu (1983), đê sông Kushiro bởi trận động đất Kushiro–oki (1993), đê sông Shiribesi-đến-Shibetsu bởi động đất Hokkaido–Nanseioki (1994), đê sông Yodo bởi động đất Kobe (1995), và các đê Nakaumi bởi động đất Tottoriken–Seibu (2000). Đặc biệt trong trận động đất  Hyogoken–Nanbu (Kobe) năm 1995, các khối đắp bằng đất đã hứng chịu nặng nề.

Vì vậy, kiến thức tốt hơn về cơ chế ứng xử động và biến dạng các hệ thống đập/nền như vậy sẽ nâng cao khả năng của con người nhằm xác định được sự xuất hiện hóa lỏng dưới đập. 

Kể từ các thảm họa động đất trong cùng năm 1964 tại Niigata, Nhật Bản và tại Alaska, Mỹ, hóa lỏng được nghiên cứu mạnh mẽ trên thế giới. Người ta đã thấy rõ nhu cầu khẩn cấp đối với các phương pháp phân tích hóa lỏng do địa chấn. Các tiến bộ nhanh chóng được thiết lập vào những năm 1960 về sự phát triển của các phương pháp ước tính ứng xử động của đập và nền, và tiềm năng hóa lỏng đất.

Tuy nhiên, còn có những vấn đề chưa thống nhất, chủ yếu liên quan đến thuật ngữ. Thuật ngữ “hóa lỏng (liquefaction) ” được sử dụng để mô tả một số những hiện tượng khác nhau nhưng có liên quan đến nhau, ví dụ hóa lỏng dạng dòng chảy và hóa lỏng do tính lưu động chu kỳ.  Có thể hiểu rằng hóa lỏng là hiện tượng liên quan đến biến dạng của đất nền không dính bão hòa nước, chịu tác dụng của tải trọng tĩnh, động hoặc sự xáo trộn lặp lại trong điều kiện không thoát nước. Sự gia tăng áp lực nước lỗ rỗng khi chịu tải không thoát nước là dấu hiệu nhận biết hiện tượng hóa lỏng.

Hóa lỏng dạng dòng chảy xảy ra phần lớn trong nền đất cát rời. Khi chịu tải trọng động trong điều kiện không thoát nước, áp lực nước lỗ rỗng gia tăng làm ứng suất hiệu quả giảm theo thời gian. ứng suất hiệu quả giảm làm mô đun kháng cắt và cường độ chống cắt của cát giảm. Do vậy, nền cát sẽ trở nên yếu hơn theo thời gian.

Trong trường hợp tới hạn, ứng suất hiệu quả bằng không. Khi đó, các hạt đất thực sự nổi trong nước lỗ rỗng mà không có sự liên kết với các hạt cát xung quanh. Khi đó cát giống như nước mùn.

Sau khi mất hoàn toàn ứng suất hiệu quả, cát không có mô đun kháng cắt cũng như cường độ chống cắt, xuất hiện biến dạng lớn.

 Kể từ sau trận động đất Niigata và Alaska nói trên, nghiên cứu hóa lỏng tập trung vào các vấn đề sau đây:

- Nghiên cứu sự cố: Các điều kiện đất và địa hình dễ hóa lỏng, các kiểu thiệt hại và cơ chế nguyên nhân, gia tốc động đất kích hoạt hóa lỏng v.v..

- Đánh giá tiềm năng hóa lỏng: khảo sát hiện trường, thí nghiệm trong phòng về sức kháng hóa lỏng của đất, lấy mẫu cát rời nguyên dạng v.v..

- Hậu quả hóa lỏng: Biến dạng dư và chuyển vị do hóa lỏng gây ra.

- Phân tích ứng xử động: Dự đoán biên độ, gia tốc v.v.. cùng với sự phát triển áp lực nước lỗ rỗng và giảm ứng suất hiệu quả; mô đun chống cắt và cường độ chống cắt giảm theo thời gian và ảnh hưởng đến mô đun, độ cứng và các đặc tính biên độ.