Tình hình động đất ở Nhật Bản và ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn FEM trong kiểm tra sự hóa lỏng của nền đất

2

Earthquakes in Japan and applying FEM in checking soil liquefaction

Tại sao Nhật Bản lại có nhiều động đất?

Như chúng ta được biết, Nhật Bản là một đất nước chịu rất nhiều bất lợi về yếu tố thiên tai, đặc biệt là động đất. Một thực tế nổi tiếng là Nhật Bản là một trong những quốc gia dễ xảy ra động đất nhất trên thế giới. Cụ thể, có 10∼15% trong tổng số các trận động đất xảy ra trên thế giới và 20% trong tổng số các trận động đất lớn với cường độ 6.0 độ richter trở lên xảy ra ở Nhật Bản. Vậy tại sao Nhật Bản lại xảy ra nhiều động đất như vậy? chúng ta cùng xem hình ảnh dưới đây.

Hình 1. Vị trí lãnh thổ Nhật Bản
Hình 2. Động đất kiểu rãnh đại dương

Hình 1 cho thấy rằng lãnh thổ Nhật Bản nằm ở vị trí giao nhau của bốn mảng địa chất đại dương lớn đó là mảng Thái Bình Dương, mảng biển Philipine, mảng Âu-Á và mảng Bắc Mỹ. Các mảng địa chất này đang chuyển động chậm từng ngày làm cho phần lãnh thổ đất liền của Nhật Bản bị hút vào đáy biển (như Hình 2) dẫn tới ở ranh giới các mảng địa chất này thường xuyên xảy ra các trận động đất. Các trận động đất kiểu này được gọi là động đất kiểu rãnh đại dương.
Bên cạnh đó, Hình 3 cho thấy rằng có khoảng 2000 các đứt gãy động đất đang hoạt động (active fault) ở trong và xung quanh lãnh thổ Nhật Bản.

 

Hình 3. Các đứt gãy động đất đang hoạt động
Hình 4. Các kiểu đứt gãy động đất

Các đứt gãy động đất hoạt động (Hình 3) có 4 kiểu cơ bản, bao gồm: đứt gãy trượt dọc kiểu chính quy, đứt gãy trượt dọc kiểu ngược, đứt gãy trượt ngang bên trái, đứt gãy trượt ngang bên phải (Hình 4). Các đứt gãy này đang hoạt động (chuyển động) theo chu kỳ từ hàng ngày đến hàng vạn năm một lần và là nguyên nhân gây ra rất nhiều trận động đất lớn với tần suất thường xuyên. Các trận động đất kiểu này được gọi là động đất trong đất liền.
Do đặc điểm địa lý như trên, theo thống kê số lượng trận động đất xảy ra hằng năm mà cơ thể con người có thể cảm nhận được ở Nhật Bản là hơn 1100 trận, điều này cho thấy rằng các trận động đất xảy ra với tần suất từ 3 đến 4 lần một ngày ở trong và xung quanh lãnh thổ Nhật Bản. Các trận động đất luôn gây ra những thiệt hại rất lớn cho đất nước Nhật Bản cả về con người lẫn cơ sở hạ tầng.
Về mặt địa kỹ thuật, tác hại lớn nhất có thể kể đến do động đất đó là hiện tượng hóa lỏng (liquefaction) sẽ được trình bày trong phần tiếp đây.

Hình 5. Một số hình ảnh về các công trình bị tàn phá bởi động đất tại Nhật Bản

Hiện tượng hóa lỏng nền đất do động đất

Hóa lỏng là hiện tượng mặt đất bị biến thành chất lỏng do sự rung chuyển của động đất. Nền đất dễ xảy ra hóa lỏng là nền đất cát được cấu tạo từ các thành phần hạt cát có cùng kích thước nằm dưới mực nước ngầm cao. Trong nền đất như vậy, các hạt cát liên kết chặt chẽ và hỗ trợ lẫn nhau tạo nên một nền đất ổn định (Hình 6.a). Khi động đất xảy ra, do các rung động lặp đi lặp lại làm cho áp lực nước lỗ rỗng trong lòng đất tăng lên phá vỡ sự liên kết của các hạt cát, làm cho các hạt cát trở nên rời rạc và trôi nổi trên mực nước ngầm (Hình 6.b). Đây là sự hóa lỏng. Trong trạng thái như vậy, sau khi động đất kết thúc, tòa nhà, đường sá là những vật thể có trọng lượng nặng hơn nước, sẽ bị chìm hoặc nghiêng (Hình 6.c). Còn các vật thể nhẹ như ống nước ngầm, hố ga thoát nước, nhẹ hơn tỷ trọng riêng của nước, sẽ bị nổi lên.

Hình 6. Quá trình xảy ra hóa lỏng nền đất

Hiện tượng hóa lỏng gây ra rất nhiều hậu quả lớn có thể dễ dàng nhận thấy như là: nền đất, đường sá bị nứt nẻ, hỏng hóc; tòa nhà bị lún lệch; xuất hiện nhiều vị trí có cao độ giật cấp ở khu vực xung quanh các tòa nhà (đặc biệt đối với các công trình xây dựng sử dụng phương án móng cọc chịu lực); miệng cống thoát nước bị nổi lên lộ ra trên mặt đất… (xem Hình 7).

Hình 7. Một số hình ảnh thực tế về hậu quả của hiện tượng hóa lỏng

Để đề phòng hiện tượng hóa lỏng xảy ra, có một số phương pháp thường được sử dụng như sau:
• Phương pháp tăng mật độ nền đất: nén chặt làm tăng mật độ nền đất để áp lực nước lỗ rỗng dư thừa ít xảy ra ngay cả khi bị rung lắc bởi động đất.
• Phương pháp cải tạo kích thước hạt: vì nền đất cát có thành phần hạt cát đồng đều rất dễ bị hóa lỏng nên những nền đất đó cần được gia cố thành nền đất có nhiều kích thước hạt khác nhau.
• Phương pháp cố kết: bơm vào nền đất hoặc trộn nền đất với các vật liệu kết dính như xi măng,.. để tăng sự kết dính của các hạt đất trong nền đất.
• Phương pháp hạ thấp mực nước ngầm: bằng cách hạ thấp mực nước ngầm nước, lỗ rỗng sẽ được loại bỏ, dẫn tới áp lực nước lỗ rỗng sẽ không tăng lên và không xảy ra hiện tượng hóa lỏng.
• Phương pháp làm tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng: bố trí các lỗ thoát nước bằng sỏi hoặc đá dăm trong nền cát để sự thoát nước xảy ra dễ dàng hơn, qua đó làm tiêu tán ngay áp lực nước lỗ rỗng sinh ra.
• Phương pháp làm triệt tiêu biến dạng cắt: hạn chế sự phát sinh của biến dạng cắt bằng cách khống chế toàn bộ phạm vi nền đất, áp lực nước lỗ rỗng sẽ không tăng lên được và nền đất sẽ khó bị hóa lỏng.

Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) trong kiểm tra sự hóa lỏng của nền đất

Hình 8 cho thấy quá trình truyền sóng khi động đất xảy ra từ vị trí tâm chấn đến bề mặt đất và công trình xây dựng. Cùng với đó là cách mô hình hóa trong FEM để phân tích sự hóa lỏng của nền đất.

Hình 8. Quá trình truyền sóng khi động đất xảy ra và mô hình hóa trong FEM
Hình 9. Mô hình phân tích hóa lỏng bằng phần mềm PLAXIS3D

Hình 9 là ví dụ về mô hình phân tích hóa lỏng bằng phần mềm PLAXIS3D. Theo đó, phạm vi từ bề mặt nền đất đến nền kỹ thuật sẽ được mô hình hóa. Bề dày, vị trí và thông số các lớp đất được lấy từ trụ địa chất và kết quả thí nghiệm hiện trường. Mô hình UBC3D-PLM sẽ được sử dụng để mô phỏng ứng xử của nền đất cát khi xảy ra động đất. Trong khi đó, công trình xây dựng không được mô hình hóa mà sẽ được nhập dưới dạng tải trọng. Tải trọng động đất được nhập vào mô hình dưới dạng dữ liệu sóng gia tốc. Dữ liệu sóng này được lựa chọn từ dữ liệu các trận động đất đã xảy ra trong quá khứ có đặc điểm (về vị trí, nền đất, kiểu đứt gãy, độ lớn động đất, khoảng cách…) phù hợp với đặc điểm công trình đang tính toán.

Hình 10. Kết quả phân tích về các trạng thái ứng suất của nền đất trong quá trình xảy ra động đất

Hình 10 cho thấy trạng thái và sự thay đổi của các thành phần ứng suất trước, trong và sau quá trình xảy ra động đất tại mặt cắt đi qua công trình. Tại các vị trí A, B, C, D, các thành phần ứng suất tổng, ứng suất hữu hiệu, áp lực nước lỗ rỗng dư thừa được khảo sát chi tiết dưới dạng biểu đồ. Theo đó, trong suốt quá trình động đất, các thành phần ứng suất này dao động theo sự rung động của động đất. Trong điều kiện toàn bộ nền đất không thoát nước, thành phần ứng suất tổng tại các vị trí A, B, C, D trước và sau quá trình động đất hầu như không thay đổi đáng kể. Trong khi đó, áp lực nước lỗ rỗng dư thừa sẽ tăng lên dẫn tới ứng suất hữu hiệu sẽ giảm dần sau khi động đất kết thúc. Trong trường hợp ứng suất hữu hiệu giảm về gần với giá trị 0 kPa sau quá trình động đất, sự liên kết giữa các hạt trong nền đất sẽ bị phá vỡ, gây ra hiện tượng hóa lỏng.
Hình 11 là kết quả phân tích về sự thay đổi của ứng suất cắt và biến dạng cắt trong quá trình xảy ra động đất.

Hình 11. Sự thay đổi của ứng suất cắt và biến dạng cắt trong quá trình xảy ra động đất

Hình 11 cho thấy trạng thái biến dạng cắt của nền đất ở thời điểm động đất kết thúc. Ngoài ra, sự thay đổi của ứng suất cắt và biến dạng cắt tại điểm E trong quá trình xảy ra động đất cũng được thể hiện qua biểu đồ. Dựa vào biểu đồ này, chúng ta có thể xác định được biên độ lớn nhất của biến dạng cắt tại điểm E trong suốt quá trình động đất xảy ra. Trong trường hợp này giá trị biên độ biến dạng cắt tại điểm E là 11.5%. Thông qua việc so sánh với biên độ biến dạng cắt lớn nhất cho phép theo tiêu chuẩn, chúng ta có thể đánh giá được khả năng xảy ra hiện tượng hóa lỏng của nền đất.
Trên đây là hai kết quả phân tích điển hình nhằm kiểm tra khả năng xảy ra hiện tượng hóa lỏng nền đất bằng phần mềm PLAXIS 3D. Ngoài hai kết quả này, chúng ta cũng có thể phân tích được một số kết quả khác như là: độ lún của tòa nhà sau khi kết thúc động đất, sự khuếch đại của gia tốc động đất truyền đến vị trí công trình… nhưng do một số lý do chưa được trình bày trong bài viết này.

 

Võ Công Hân

R&D Engeering at Takeuchi Construction Inc.

E-mail: conghan56xd1@gmail.com

 

Tài liệu tham khảo

1)https://www.cbr.mlit.go.jp/kisokaryu/bousai_text/data/bousai_text_shidou4.pdf
2) https://nakajitsu.com/column/55689p/
3) Bentley (2021): PLAXIS 3D – Manuals.