Thạc Sĩ Nghiên cứu cơ chế hóa lỏng do động đất của đập vật liệu địa phương

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Động đất một hiện tượng thiên nhiên gây nên những tai họa khủng khiếp đối với xã hội loài người. Đối với công trình, động đất có thể làm: mất ổn định (trượt mái), biến dạng lớn (lún, nứt), xói ngầm, hóa lỏng .Trên thế giới đã từng xẩy ra rất nhiều trận động đất gây họa quả đặc biệt nghiêm trọng như: Trận động đất Great Kanto (Nhật Bản, năm 1923, mạnh 7,9 độ Richter) làm hư hỏng hầu như toàn bộ Tokyo và con số người chết lên đến 142.000 người; Động đất Kobe tại Nhật Bản năm 1995 mạnh 6.5 độ Richter làm 7.000 người chết; Trận động đất đông bắc Pakistan (Pakistan, năm 2005, mạnh 7,6 độ Richter) làm hư hỏng thành phố Muzaffarabad, Pakistan với gần 86.000 người chết; Gần đây, trận động đất và sóng thần tại tỉnh Miyagi, Fukushima (Nhật Bản, ngày 11/3/2011, mạnh 9 độ Richter) đã làm hư hỏng hoàn toàn các công trình, nhà cửa, đặc biệt là làm tê liệt hoạt động, gây rò rỉ phóng xạ nghiêm trọng tại nhà máy điện hạt nhân Fukushima, số người chết và mất tích gần 28.000 người.
Lãnh thổ Việt Nam nằm ở vùng đất có cấu trúc địa chất – kiến tạo phức tạp, tuy không nằm trên các vành đai động đất – núi lửa hoạt động, nhưng cũng không phải nằm trên vùng đất bền khó xảy ra động đất. Các vùng có nguy cơ xẩy ra động đất từ 6,0-7,0 độ Richter ở Việt Nam gồm: đới đứt gẫy trên hệ thống sông Hồng, sông Chảy; đới đứt gẫy Lai Châu-Điện Biên; đới sông Mã, Sơn La, sông Đà; đới Cao Bằng-Tiên Yên; đới Rào Nậy-sông Cả; đới Đakrông-Huế; đới Trường Sơn; đới sông Ba; đới ven biển miền Trung. Ngoài những vùng lãnh thổ này, trên lãnh thổ Việt Nam còn có khoảng 30 khu vực có nguy cơ động đất với cường độ xấp xỉ 5,0 độ Richter. Riêng đối với khu vực Tây bắc còn phải chịu dư chấn từ những trận động đất mà tâm chấn nằm trên lãnh thổ Trung Quốc và Lào, đây là nơi nguy cơ xẩy ra động đất rất cao. Thống kê của Viện khoa học Việt Nam (1992), trong vòng 100 năm đã có 118 trận động đất xẩy ra ở vùng Tây Bắc. Ví dụ: trận động đất ở Điện Biên (năm 1923, M=6,75) gây chấn động cấp 8 trên diện tích 1500km2, chấn động cấp 7 lan rộng trên diện tích 13000km2; Trận động đất ở đông bắc thị trấn Tuần Giáo (năm 1983, M= 6,70) gây chấn động cấp 8 trên diện tích 1500km2, chấn động cấp 7 lan rộng trên diện tích 13000km2; Như vậy nguy cơ động đất ở Việt Nam không nhỏ.
Một trong những nguyên nhân gây phá hủy công trình nói chung và công trình thủy lợi nói riêng là hóa lỏng do động đất. Nhiều sự cố về đê, đập do hóa lỏng trong các trận động đất đã được công bố. Ví dụ: đập Sheffield (Santa Barbara, Mỹ, 1925) bị hóa lỏng nền (Seed và nnk, 1969); Sự cố hóa lỏng gần vỡ đập San Fernando hạ trong trận động đất năm 1971 (Seed và nnk, 1975; Castro và nnk, 1985); Sự cố hóa lỏng dẫn đến hư hỏng phần lớn đê sông trong trận động đất Kobe năm 1995.
Như vậy hóa lỏng là gì? Xẩy ra như thế nào? ảnh hưởng đối với công trình ra sao? Biện pháp phòng ngừa như thế nào để giảm thiểu tác hại của hóa lỏng đối với đê, đập?Cần phải được làm sáng tỏ
Trên thế giới, hiện tượng hóa lỏng do động đất ở đê, đập vật liệu địa phương đã được nghiên cứu từ những năm 1960 của thế kỷ 20.
Việt Nam là một nước có hệ thống đập lớn hàng đầu Đông Nam Á và đứng thứ 16 trên thế giới. Trong thời gian qua nhiều đập vật liệu địa phương đã được xây dựng như: Đập thủy điện Sơn La (Sơn La), đập Nậm Khẩu Hu (Điện Biên), Nậm Ngám (Điện Biên). Hơn thế nữa Việt Nam là một nước có hệ thống đê sông lớn ví dụ: Hệ thống đê sông Hồng dài 1500 km, Hệ thống đê sông Thái Bình dài 1650 km Nhiều đập vật liệu địa phương và phần lớn đê sông được xây dựng chủ yếu trên nền đất cát, bồi tích, có khi lại sử dụng vật liệu đắp hạt thô nên cần phải đánh giá khả năng hóa lỏng khi chịu tác dụng của tải trọng động đất.

Nghiên cứu hóa lỏng do tải trọng động đất trong đê, đập vật liệu địa phương là nội dung rất mới vì thiết kế chống hóa lỏng hầu như chưa được đề cập cụ thể trong các tiêu chuẩn thiết kế công trình thủy lợi. Mặc dù, TCXDVN 285-2002, 14TCN 157-2005 có đề cập ảnh hưởng của động đất, tuy nhiên phương pháp tính toán ổn định là phương pháp giả tĩnh với hệ số gia tốc động đất được chọn theo cấp công trình. Gần đây, thiết kế công trình chịu tải trọng động đất đã được đề cập trong TCXD 375-2006, trong đó có đề cập đến các loại đất có khả năng hóa lỏng, và chủ yếu áp dụng cho công trình xây dựng nhà. Cần chú ý rằng TCXDVN 375-2006 được biên soạn dựa trên sự chấp nhận EUROCODE 8: Thiết kế công trình chịu động đất.
Xét trong bối cảnh nói trên, đề tài "Nghiên cứu hóa lỏng ở đê, đập vật liệu địa phương do động đất” có tính cấp thiết lớn, là vấn đề thời sự, có ý nghĩa quan trọng.
2. Mục đích nghiên cứu
- Nghiên cứu hiện tượng hóa lỏng trong đê, đập vật liệu địa phương đắp trên nền cát trong vùng chịu ảnh hưởng của tải trọng động đất.
- Đánh giá ổn định của đê, đập vật liệu địa phương do hiện tượng hóa lỏng gây ra.
3. Nội dung nghiên cứu
Đề tài tập trung vào nghiên cứu những vấn đề dưới đây:
- Tổng quan về hóa lỏng do tác dụng của tải trọng động đất.
- Tổng quan về tình hình xây dựng đê, đập vật liệu địa phương tại một số khu vực thường xuyên chịu ảnh hưởng của động đất trong nước.
- Nghiên cứu mô phỏng hiện tượng hóa lỏng trong đê, đập vật liệu địa phương do ảnh hưởng của tải trọng động đất.
- Nghiên cứu ảnh hưởng tham số đối với bài toán hóa lỏng trong đê đập vật liệu địa phương.
- Đề xuất các giải pháp ngăn chặn và giảm thiểu thiệt hại do hóa lỏng.
4. Phương pháp nghiên cứu
- Thống kê và tổng hợp tài liệu nghiên cứu đã có ở trong và ngoài nước có liên quan đến đề tài.
- Nghiên cứu lý thuyết hóa lỏng.
- Mô phỏng bài toán ứng suất – biến dạng, áp lực lỗ rỗng, ổn định đê, đập vật liệu địa phương chịu tác dụng của tải trọng động đất theo phương pháp phần tử hữu hạn, sử dụng bộ phần mềm Geostudio 2004 của hãng Geoslope, Canada, bao gồm các mô đun Quake/W, Seep/W, Slope/W, Sigma/W.
- Phân tích, đánh giá kết quả mô phỏng.

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN 2
MỞ ĐẦU 3
1. Tính cấp thiết của đề tài 3
2. Mục đích nghiên cứu 5
3. Nội dung nghiên cứu 6
4. Phương pháp nghiên cứu 6
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HÓA LỎNG DƯỚI TÁC DỤNG CỦA ĐỘNG ĐẤT 7
1.1.Khái quát về động đất 7
1.2.Động đất tại Việt Nam 14
1.3.Khái quát về hóa lỏng 27
1.4.Thiết kế chống hóa lỏng 32
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ĐẬP VẬT LIỆU ĐỊA PHƯƠNG HÓA LỎNG BỞI ĐỘNG ĐẤT 34
2.1.Khái quát về đập vật liệu địa phương 34
2.2.Tỉnh hình xây dựng đập vật liệu địa phương tại một số khu vực chịu ảnh hưởng thường xuyên của động đất 43
2.3.Khái quát về hóa lỏng trong đập vật liệu địa phương 44
CHƯƠNG III: MÔ PHỎNG BÀI TOÁN HÓA LỎNG TRONG ĐÊ, ĐẬP VẬT LIỆU ĐỊA PHƯƠNG DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT 52
3.1.Cơ sở lý thuyết phương pháp phần tử hữu hạn 52
3.2.Tóm tắt cơ sở lý thuyết giải bài toán hóa lỏng do tác dụng của tải trọng động đất 56
3.3.Nghiên cứu hiện tượng hóa lỏng đối với công trình thực tế 70
CHƯƠNG IV: NGUYÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA THAM SỐ ĐẾN HÓA LỎNG ĐÊ, ĐẬP VẬT LIỆU ĐỊA PHƯƠNG 90
4.1.Giới thiệu công trình thực tế 90
4.2.Các hàm đặc trưng trong phân tích đánh giá hóa lỏn 90
4.4.Nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng động đất. 96
4.5.Phân tích ảnh hưởng của mô hình vật liệu. 98
4.6.Phân tích ổn định đối với các cấp động đất và các mô hình tuyến tính và mô hình tuyến tính tương đương 102
4.7.Thảo luận 107
CHƯƠNG V: KÊT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 113
5.1.Kết luận 113
5.2.Kiến nghị 113
TÀI LIỆU THAM KHẢO 115