2. HIỆN TƯỢNG ĐỘNG ĐẤT (ĐỊA CHÂN)
2.3. Biện pháp phòng chống động đất khi xây dựng còng trình
Động đất ảnh hưởng đến điều kiện ổn định của công trình bằng hai cách. Trước hết, nó có thể là nguyên nhân trực tiếp phá hoại các kết cấu công trình không tính đến áp lực phụ xuất hiện trong thời gian động đất. Mặt khác, ngay cả khi các kết cấu rất bền vững thì tác dụng động lực có thể làm thay đổi trạng thái của đất đá ở nền công trình, đặc biệt là làm đất nén chặt thêm. Sự nén chặt không đồng đều dẫn đến phá hoại cả các
công trình rất bền vững, một số loại đất bão hoà mất độ bền và hoá lỏng gần như tức thời khi có chấn động. Khi đó đất không còn chống đỡ được công trình nữa, toàn bộ công trình có thể bị sụt xuống và xoay đi trong đất. Phần lớn các trận động đất thường đi kèm các chuyển động của các mảng vỏ dọc các đứt gãy. Khối vỏ có thể dịch chuyển mà không phát ra sóng địa chấn gọi là trượt vô chấn - chuyển dịch này làm gãy đường, sập các giếng, gây hư hại đường phố, vỉa hè và những công trình khác (hình 3-18).
Chuyển dịch vô chấn dọc theo các đứt gãy ở bên dưới hồ chứa có thể phá hoại hệ thống cống ngầm và lớp asphan chống thấm của hồ chứa; nước có thể rò rỉ qua đáy hồ chứa và qua đập.
(a ) C h u y ể n d ịc h tr ồ i n g h iê n g
(c ) C h u y ể n d ịc h n g a n g
(d ) C h u y ể n d ịc h g iã n ra
138
( e ) C h u y ể n d ịc h p h â n d ị c ụ c b ộ
H ì n h 3 -1 8 : C á c kiểu phá hoại công trình do sụ t đất khi động đất
Một mối nguy hiểm của dộng đất và là nỗi sợ lớn của các vùng ven biển, dó là sóng thần - các dợt sóng có năng lượng cao do các trận động đất có chấn tâm ngoài ở đáy biển sinh ra.
Ngoài các mối nauy hiểm nêu trên, còn gặp các vấn đề khác: hoả hoạn, mất điện, mất nguồn cung cấp nước và bệnh dịch.
Ảnh hưởng của dộng đất đến công trình là do quan hệ và tương tác giữa các đặc điểm của sóng địa chấn, phản ứng của đất đá bên dưới công trình, việc thiết kế và xây dựng công trình quyết định. Các biện pháp phòng chống động đất sau đây chỉ thích hợp với động đất dưới cấp 9 do trình độ kỹ thuật còn hạn chế hiện nay.
Chọn vị trí xây dựng ổn định nhất đối với tác dụng địa chấn như vùng có địa hình bằng phảng, ít bị chia cắt, cấu tạo địa chất đơn giản (đất đá nằm ngang, đồng nhất), mực nước dưới đất ở sâu. Tránh xây dựng ở vùng có địa hình phân cắt mạnh (bờ sông, khe hẻm), vùng gần đất gãy kiến tạo, vùng đất đá dễ trượt lở. Móng công trình nên đặt sâu và đặt trên đá gốc. Các khu đất thuận tiện và không thuận tiện về mặt địa chấn được tóm lược trong bảng 3-5.
Bảng 3-5. Đ á n h g iá k h u đ ấ t x â y d ự n g cầ n lự a c h ọ n tr o n g v ù n g c ó đ ộ n g đ ấ t
Những khu k h ô n g th u ậ n tiện Những khu thuận tiện
Địa hình chia cắt có các thung lũng sâu, khe hẻm, mương xói sâu, với sườn lởm chởm, dốc nhiều
Địa hình bằng phẳng, nằm ngang
Các hệ tầng đất đá xen kẽ, với các bề mặt tiếp xúc rất dốc Các hệ tầng đất đá có thế nằm ngang Mặt đất là lớp đất xốp, mỏng gối lên bề mặt nghiêng của đá cứng
Đá đã bị phong hoá và huỷ hoại
Đất đá bền chặt ở ngay trên mặt
Nước dưới đất ở cách mặt đất không tới 4m Đất đá không bị sũng nước hoặc thế nằm
của nước dưới đất sáu hơn 1 0m
Khối đất đá ở sườn và mái dốc không đủ ổn định; ngay cả trong điều kiện thông thường cũng có lở, đổ đá, trượt và các hình thức biến dạng khác
Không bị biến dạng dư
Ở sát bên các đứt gãy kiến tạo, phay ngang, phay thuận, phay nghịch chờm, v.v...
Cách xa các đới và các phá huỷ kiến tạo
Chọn vật liệu xây dựng: nhẹ, dễ đàn hồi, có tần số dao động riêng khác với tần số dao động của động đất. Ví dụ, đối với công trình thuỷ lợi, chu kỳ dao động tự do T0 của vật liệu không vượt quá 0,50-0,60s. Công trình khung gỗ, nhỏ khá an toàn khi được neo chặt vào móng. Nhà nhiều tầng bê tông cốt thép hoặc khung thép là ít nguy hiểm nhất.
Yếu kém nhất là nhà xây bằng gạch sống, gạch nung không có cột gia cố. Như vậy vật liệu xây dựng và thiết kế có vai trò quan trọng để bảo đảm chức năng của công trình khi có động đất (bảng 3-6).
B ả n g 3 -6 . Cấp động đất cho các kiểu nhà thường gặp
MÔ tả vắn tắt kiểu công trình
Mức phá hoại tương đối
(càng lớn càng dễ bị phá hoại)
Công trinh nhỏ, khung gỗ, như nhà ở dưới 3000ft vuông, không quá 3 tầng 1
Nhà khung thép, một hay nhiều tầng, tường bêtỏng, sàn và mái bêtỏng. Cửa
vừa phải 1,5
Nhà bêtông cốt thép một hay nhiều tầng, tường bêtông, sàn và mái bêtồng.
Cửa vừa phải 2 , 0
Nhà khung gỗ, diện tích lớn và các công trình khung gỗ khác 3 tới 4
Nhà một hay nhiều tầng, khung thép, panen tường xây không có cốt; sàn và
mái bêtông 4
Nhà khung bêtông cốt thép một hoặc nhiều tầng, panen tường xây không có
R
cốt; sàn và mái bêtông
Tường đỡ bêtông cốt thép; sàn và mái bằng vật liệu bất kỳ (thường là gỗ) có
R
chống đỡ
Nhà gạch xây không cốt, có trát vữa vôi - cát; sàn và mái vật liệu bất kỳ
(thường là gỗ) có chống đỡ 7 trở lên
Tường đỡ bằng gạch không nung và không có cốt hoặc bằng khối bêtông Có thể sập đổ ở chấn động
rỗng không cốt trung bình
Chọn kết cấu công trình chắc chắn, đối xứng và có trọng tâm ở thấp khi tính ổn định của công trình cần phải đề cập đến lực động đất. Trường hợp này, coi công trình hoàn toàn chịu chấn động theo phưomg ngang bởi lực F (hình 3-19), có chiều làm cho công trình dễ mất ổn định nhất. Giá trị lực động đất (lực quán tính) F có thể xác định theo công thức:
F = mW (3.7)
Ở đây: m - khối lượng công trình; w - gia tốc động đất
Do tác dụng của lực này, công trình có thể bị lật. Dùng hệ số động đất Ks để đánh giá ổn định lật của công trình:
Ks = — = tgỗ (3.8)
g Trong đó: ỗ - góc địa chấn
Khi gia tốc Ks lớn hay góc địa chấn lớn, công trình dễ mất ổn định.
1 4 0
H ì n h 3 -1 9 : S ơ đồ tính ổn ctịnli lật của công trình do động đất
Gia tốc còn chịu ảnh hưởng của chiều cao toà nhà (hình 3-20). Gia tốc ở tầng thượng lớn hơn ở móng rất nhiều. Hình 3-21 cho thấy ảnh hưởng của chiều cao nhà tới sự phá hoại của sóng địa chấn. Cường độ phá hoại ở các công trình cao tầng rõ rệt khi chu kỳ cơ bản của đất móng lớn hơn 1 giây (hình 3-22).
Giây
H ì n h 3 -2 0 : S ự kh ác nhau về gia tốc giữa tầng thượng và móng
của một toà nhà 10 táng bằng hêtông cốt thép.
Khòi lượng cống trình M
Công trinh cứng F = MA
Đất chuyển động với gia tốc A
Công trình mềm dẻo.
Thời gian chấn đông rất ngắn
F < MA
C ông trình m ề m d ẻo Thời gian c h ấ n đ ộ n g kéo dài:
tấn s ố gần với tần s ố c ủ a công trinh
F > MA
H ì n h 3 -2 1 : L ự c quán tính phát triển ở các loại công trình khác nhau k h i ch ịu động đất.
141
H ì n h 3 -2 2 : Quan hệ giữa cường độ p liá hoại công trình ở các toà nhà có chiều ca o khác nhau với chiều sâu đất và chu kỳ c ơ bản của đát. Những ngôi nhà ca o b ị phủ hoại nhiều nhất
khi x â y dựng trên đất có chu kỳ c ơ bản dài.
Đối với tường chắn, khi có động đất áp lực đất tác dụng lên tường chắn sẽ tăng lên.
Giá trị áp lực đất chủ động và bị động lên tường chắn khi có động đất sẽ trình bày trong 1.4.3 và 1.4.4 của chương 8.
Vùng có động đất, mái dốc phải thiết kế thoải hơn, góc nghiêng a„ ốn định của mái dốc được xác định theo biểu thức:
tga„ tg<p - Ks
1 + K stg(p (3-9)
Áp lực nước phụ thêm lên các công trình chắn (đê, đập...) do động đất phân bố theo dạng parabon (hình 3-23) và được tính theo công thức:
p = 1 KsYnv/hỹ (3-10)
Ớ đây: p - trị số áp lực tải chiều sâu y; h - bề dày lớp nước; Yn - dung trọng nước;
Ks - hệ sô' động đất 142
Để giảm độ lún của nền khi động đất, trong những trường hợp cần thiết, có thể xử lý bằng p h ư ơ n g
pháp chấn động trước (rung, nổ) khi xây dựng công trình.
Dự báo động đất là một mục tiêu khoa học mà nếu đạt được thì sẽ ngăn ngừa được tổn thất rất lớn vể sinh mạng khi xảy ra động đất lớn. Không may là hiện chưa dự báo chính xác được.
Về lý thuyết có hai loại dự báo động đất:
Dự báo dài hạn: tính xác suất
động đất trên một khu vực trong một khoảng thời gian nhất định bằng cách nghiên cứu các trận động đất đã xảy ra ở vùng đó, xác định khoáng lặp lại hoặc khoảng thời gian trung bình giữa các trận động đất có độ mạnh nhất định. Sau đó có thể dự báo được trận động đất với độ mạnh tương tự có xác suất xảy ra cao trong một khoảng thời gian cụ thể, nếu biết ngày xảy ra trận dộng đất cuối cùng.
D ự báo ngắn hạn: báo trước
một khoảng thời gian ngắn đủ để sơ tán dân cư khỏi một khu vực chẳng hạn, thì tập trung vào các dấu hiệu báo trước đã quan sát được trước khi xảy ra động đất lần trước: thay đổi tốc độ sóng địa chấn, điện trở của đá, tần số chấn động trước động đất, biến dạng mặt đất, mực nước hay thành phần hoá học của nước ở các giếng trong khu vực (dựa trên thuyết mô hình giãn nở, hình 3-24).
H ìn h 3 -2 3 : Áp lực nước phụ tlìêm do động đất
G iai đ o ạ n IV đ ộ n g đát G ia i đ o ạ n b á o trư ớ c
G ia i đoạn I
Tích tụ ừng suất
d an hói
G ia i đ o ạ n II G ia i đoạ n G ia i đ o ạ n V
Tốc dộ sóng dia chấn
C h uyển dõn g củ a đát
Phát xạ Rađon
D iện trò suất
SỐ lượng các hoạt động
địa chấn
G iã n nở N ư ớ c trá n và o
ứ n g suất s ụ t đ ộ t n gộ t k è m th e o các c h á n đ ộ n g m uộn
H ìn h 3 -2 4 : C á c dấu hiệu búo trước trận dộng đất
chính trong mô hình giãn nở
Ngoài ra có thể dự báo theo các hành vi khác thường của động vật trước khi có động đất: bồn chồn, sợ hãi rắn bò ra khỏi hang ở giữa mùa đông và bị chết cóng, thói quen ăn và ngủ thường ngày biến mất. Mặc dù chưa biết chính xác các phương thức mà động vật cảm nhận động đất sắp xảy ra, nhưng có thể là do sự thay đổi hàm lượng nước dưới đất, sự phát ra sóng âm và các hiệu ứng tĩnh điện.
Ví dụ 3-1
Thành phố A nằm trên khu vực có độ mạnh cơ bản động đất cấp VI, có mực nước dưới đất nằm sâu 4m. Tính độ mạnh thực tế nếu công trình xây dựng trên nền cát kết chắc, cát hạt lớn và đất đắp. Biết tốc độ truyền sóng dọc a 0 của đá granit (đá dùng để phân vùng động đất) là 5,6 km/s, đá cát kết - 3,0 km/s, cát hạt lớn - 1,1 km/s, đất dắp - 0,2 km/s và tỷ trọng của đá granit là 2,7, cát kết - 3,0, cát hạt lớn - 2,7, đất đắp - 2,5.
B à i g iả i
Trị số tâng thêm của độ mạnh thực tế so với độ mạnh cơ học khi xét đến tính đàn hồi của đất đá ở nền công trình theo công thức của Medvedev S.V:
AB = 1,67 lg + e~°’04h2
a nPn
Trị số tăng thêm AB của nền đá cát kết
AB = 1,67 lg + e-°'04-42 = 0,9
3.0. 3,0 Giá trị AB của nền cát hạt lớn
AB = 1,67 lg - - - + e-0'04-42 = 1,32
1.1. 2,7 Giá trị AB của nền đất đắp
AB = 1,67 lg 5-6-' 2,7 + e“0-04-42 = 2,0
0,2.2,5 Độ mạnh thực tế của nền cát kết là cấp VII, nền cát hạt lớn, đất đắp là cấp VIII