1.3. Hóa lỏng nền do động đất
1.3.4. Các kiểu hóa lỏng nền
Hóa lỏng nền chỉ có thể gây nguy hiểm đến các cơng trình khi gây biến dạng nền hay phá hủy nền đủ lớn. Các hóa lỏng nền đƣợc chia thành hai loại chính tùy thuộc vào sự dịch chuyển nền theo phƣơng thẳng đứng hay theo phƣơng ngang.
Mỗi kiểu này lại đƣợc chia thành các kiểu chi tiết hơn.
Các hóa lỏng nền được đặc trưng bởi dịch chuyển nền ngang
Các hóa lỏng nền liên quan với các dịch chuyển nền ngang có 3 kiểu: phá hủy dịng, sự mở rộng theo phƣơng ngang, và rung động nền [119]. Ranh giới giữa các kiểu hóa lỏng nền này là sự chuyển tiếp, với kiểu hóa lỏng và mức độ dịch chuyển phụ thuộc vào các điều kiện vị trí địa phƣơng.
Hóa lỏng dịng
Hóa lỏng dịng là kiểu thảm khốc nhất của hóa lỏng nền gây ra. Phá hủy dòng xảy ra trên các sƣờn dốc (lớn hơn 6% hoặc 3.50) có nền là đất bị co lại (contractive soils). Các phá hủy này đƣợc đặc trƣng bởi các biến dạng ngang lớn (vài mét hoặc hơn) và sự phá vỡ nghiêm trọng chính bên trong khối phá hủy. Các cấu trúc đặt trên, trong, hoặc gối lên trên khối đất đá trƣợt lở thƣờng bị phá hủy. Các cơng trình nằm trên đƣờng đi của nó cũng bị thiệt hại.
Sự mở rộng theo phương ngang
Sự mở rộng theo phƣơng ngang đƣợc đặc trƣng bởi dịch chuyển ngang của các lớp đất trên hoặc gần một mặt đất hơi nghiêng dốc, cho dù là rất nhỏ (sƣờn đồi, sƣờn núi…) hoặc một nền đất ngang nhƣng có tiết diện hở, chẳng hạn nhƣ nền đất dọc kênh rạch, ao, sông, hồ, bờ biển. Dịch chuyển xảy ra để hƣởng ứng sự kết hợp của các lực hấp dẫn tĩnh và lực quán tính do động đất sinh ra tác động lên các trầm tích trong và trên vùng hóa lỏng. Nền dịch chuyển có thể do dịng chảy hoặc do chuyển động theo chu kỳ, tùy thuộc vào mật độ tƣơng đối của trầm tích. Trong quá trình phá hủy, các lớp bề mặt thƣờng phá vỡ thành các khối lớn, thống xơ đẩy qua lại và lên xuống theo dạng các sóng nền (dao động nền) khi chúng dần dần di chuyển theo chiều ngang. Dịch chuyển thƣờng không vƣợt quá một vài mét, nhƣng tại các vị trí nơi các điều kiện nền đất đặc biệt dễ bị tổn thƣơng và rung lắc với cƣờng độ cao, các chuyển vị lớn hơn s xảy ra (hình 1.4). Sự mở rộng theo phƣơng ngang thƣờng tạo ra các vết nứt mở và các đặc điểm mở rộng khác ở phần đầu. Biến
dạng trƣợt dọc các biên, và có đặc điểm ép lại ở chân. Các chuyển động đó gây kéo tách sang bên, trƣợt hay nén ép các nền móng, các đƣờng ống, cầu cống, vỉa hè và các cơng trình nhân tạo khác.
Hình 1.4. 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 [126].
Rung động nền
Rung động nền xảy ra trên địa hình cho phép để đáp ứng các lực quán tính tác động lên các vật liệu đất tách rời trên hoặc trong vùng hóa lỏng (hình 1.5). Sự tách rời này dẫn tới các chuyển động nền tạm thời lớn hoặc các sóng nền phát triển,
thƣờng lƣu ý đến các sóng nền chuyển động chậm, cao tới 1 m, đi kèm với việc tách và nén của những vết nứt. Trong động đất Loma Prieta năm 1989, rung động nền đã làm vỡ các đƣờng ống dẫn nƣớc, dẫn ga và hệ thống cống thoát nƣớc, làm gẫy vỡ vỉa hè, lề đƣờng, và các nền móng cơng trình ở quận Marina San Francisco (hình 1.6). Tuy nhiên rung động nền khơng tạo ra một mơ hình thống nhất của các dịch chuyển nền theo phƣơng ngang lâu dài nó s là dấu hiệu của một sự lan rộng theo phƣơng ngang.
Hình 1.5. 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 qn tính và sự hóa mềm của đất bị hóa
Hình 1.6. Thiệt hại gây bởi phá hủy nền ở quận Marina San Francisco trong động đất Loma Prieta năm 1989 [137]
Các hóa lỏng nền được đặc trưng bởi dịch chuyển nền thẳng đứng
Hóa lỏng nền có thể gây ra các dịch chuyển nền thẳng đứng lớn từ các nguồn đƣợc mô tả chi tiết dƣới đây:
Làm mất độ bền chịu đựng và lún nền
Khi đất chống đỡ một tịa nhà hay cơng trình nào đó hóa lỏng và bị mất độ bền thì sự biến dạng đất có thể xẩy ra, kéo theo cơng trình bị lún xuống và nghiêng thậm chí bị đổ (hình 1.7). Ví dụ, trong động đất Niigata tại Nhật Bản năm 1964, sự phá hủy đáng chú ý đã xảy ra tại khu phức hợp căn hộ Kawagishi, với vài tòa nhà 4 tầng bị lún và nghiêng khoảng 600 (hình 1.8).
Hình 1.7. Sơ đồ khu vực phá hủy cho thấy sự đi lên của nƣớc lỗ rỗng tạo điều kiện hóa lỏng nhanh dƣới cơng trình [128].
Hình 1.8. Các tịa nhà tại Niigata bị phá hủy (nghiêng, đổ) do động đất Nhật Bản năm 1964 [138]
Sự nổi lên của các ống ngầm
Các bể chứa, đƣờng ống dẫn, các cọc giá đỡ, và các cơng trình nhẹ đƣợc chơn ngầm khác thƣờng nổi lên khi đất xung quanh hóa lỏng và hoạt động nhƣ một chất lỏng chặt (hình 1.9).
Hình 1.9. 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 thốt nƣớc mƣa
trên đƣờng hình B) [139]