2. HIỆN TƯỢNG ĐỘNG ĐẤT (ĐỊA CHÂN)
2.2. Độ mạnh động đất và các yếu tô ảnh hương
Độ mạnh của động đất phụ thuộc vào năng lượng của trận động đất đó. Theo Golixưn B.v, năng lượng đó được tính theo công thức:
E = 7T~P V
T ,
(3-1)
Ớ đây: E - năng lượng động đất, erg; p - tý trọng lớp đất đá phía trên của vỏ quả
đất; V - vận tốc truyền sóng dịa chấn, cm/s; A - biên độ dao động, cin;
T - chu kỳ dao động, s.
Với những trận động đất có sức phá hoại, năng lượng đạt tới 1012 - 1013J (1J = 107 erg).
Đ ó là những năng lượng rất lớn, vượt quá năng lượng bom nguyên tử vài triệu lần. Trong thực tế, khi đánh giá năng lượng các trận động đất, không dùng giá trị tuyệt đối mà dùng logarit của năng lương đó: gọi là năng lượng K = lgE. Trận dộng đất yếu nhất K = 0, mạnh nhất K = 18.
Vì khó xác định năng lượng do miền tâm động đất bỨL xạ ra, trong thực tế trên thế giới hiện nay dùng độ mạnh M để đặc trưng cho năng lượng quy ước - gọi là độ mạnh Richter:
M = 1 g — — = Ig A - lg A *
A "
( 3 - 2 )
Bảng 3-2 Phân loại hư hỏng nhà và công trình do động đất
( t h e o X . V . M e đ v e đ e v )
K iểu nhà M ức đ ô h ư hai nhà và c ô n g trìn h Sô lư ợ n g cá c nhà
bị h ư hại, %
A. Nhà bằng đá xếp, các vật kiến 1. Hỏng nhẹ ; các khe nứt mảnh ở lớp trát và Riêng lẻ (gần 5) trúc nông thôn, nhà bằng gạch
mộc, nhà vách, đất sét
tróc từng m iếng trát nhỏ Nhiều (gần 50)
B. Nhà gạch thông thường, nhà tầng thuộc kiểu khối to và tấm lớn, nhà tầng bằng đá đẽo thiên nhiên
c . Nhà tầng khung bêtông cốt thép, nhà gỗ xây dựng tốt
2. Hư hỏng vừa: các khe nứt không lớn lắm ở tường, bong ra những cục khá to từ lớp trát, ngói lợp bị rơi, nứt các ống khói, từng bộ phận ống khói rơi xuống
3. Hư hỏng nặng: các khe nứt to và sâu ở tường, đổ ống khói
4. Phá hoạỉ: các khe nứt xuyên ngang và các vết vỡ ở tường, sụp đổ các phần nhà, phá hoại liên kết giữa từng phần của nhà, sụp đổ các tường trong và tường lót khung
5. Đổ vỡ: nhà bị phá hoại hoàn toàn
Phấn lớn (gần 75)
Nhận xét hư hỏng của nhà và công trình khi động đất
Cấp Nhận xé t h ư hỏ n g của n h à và cô n g trình
1 2
1 Không hư hỏng
2 Không hư hỏng
3 Không hư hỏng
4 Không hư hỏng
5 Có khả năng hư hỏng cấp 1 trong từng nhà riêng lẻ kiểu A
6 Hư hỏng cấp 1 trong từng nhà riêng lẻ kiểu B và ở nhiều nhà kiểu A. Trong từng nhà riêng lẻ kiểu A có hư hỏng cấp 2
7 Hư hỏng cấp 1 ở nhiều nhà kiểu C; hư hỏng cấp 2 ở nhiều nhà kiểu B. Hư hỏng cấp 3 ở nhiều nhà kiểu A, ở một số nhà riêng lẻ kiểu này có hư hỏng cấp 4. Trong một số trường hợp có hiện tượng trượt phần xe chạy của đường ở các sườn dốc nhiều và có các khe nứt ở đường. Các chỗ nối ỏ đường ống dẫn nước bị phá hoại; khe nứt ở các tường vây bằng đá.
8 Hư hỏng cấp 2 ở nhiều nhà kiểu c , một số nhà nhóm này bị hư hỏng cấp 3. Nhiều nhà kiểu B bị hư hỏng cấp 3 và một số nhà bị hư hỏng cấp 4. Nhiều nhà kiểu A bị hư hỏng cấp 4, một số nhà bị hư hỏng cấp 5. Có một số trường hợp đút chỗ nối ở đường ống dẫn nước. Đài kỷ niệm và tượng bị xê dịch. Bia mộ bị đổ. Tường vây bằng đá bị phá hoại.
9 Nhiều nhà kiểu c bị hư hỏng cấp 3, một số nhà bị hư hỏng cấp 4. Nhiều nhà kiểu B bị hư hỏng cấp 4, một số bị hỏng cấp 5. Nhiều nhà kiểu A bị hỏng cấp 5. Tượng đài và cột bị đổ nhào. Các bể nước nhân tạo bị hỏng nhiều; đứt từng phần đường ống ngầm dẫn nước. Trong một số trường hợp ray đường sắt bị cong, lối xe chạy trên đường bị hỏng.
10 Nhiều nhà kiểu c hư hỏng cấp 4, một số bị hỏng cấp 5. Nhiều nhà kiểu B bị hỏng cấp 5, phần lớn nhà kiểu A bị hỏng cấp 5. Đập và đê bị hỏng nghiêm trọng, cầu hỏng nặng. Ray đường sắt hơi bị cong.
Đưởng ống ngầm dẫn nước bị đút hoặc cong. Lớp đá phủ và lớp nhựa đường tạo nên bề mặt lượn sóng.
11 Cả những toà nhà xây kiên cổ, cầu, đập và đường sắt đều bị hỏng nặng; đường ôtô không còn chạy được; đường ống ngầm dẫn nước bị phá hoại.
1 2 Trên thực tế tất cả các công trình ở trên và dưới mặt đất đều bị hỏng nặng hoặc phá hoai
132
Ớ đây: A - biên độ dịch chuyển cực đại của hạt đất đá được xác định trong trận
động đất đang nghiên cứu, pm; A* - biên độ dịch chuyên của hạt đất đá trong một trận động đất nào đó rất yếu được chọn làm mẫu hoặc làm chuẩn, p.m.
Độ mạnh M biến đổi từ 0 trong những trận động đất yếu đến 8,8 trong những trận động đất rất mạnh, đầy tai hoạ. Quan hệ giữa cấp năng lượng với độ mạnh của động đất có dạng sau:
lgE = 12 + 1,8 M (3.3)
Cường độ động đất trên mặt đất được đánh giá bằng cấp động đất dựa trên mức độ hư hỏng nhà và công trình (bảng 3-2), các biến dạng dư trong đất đá, sự biến đổi chế độ nước mặt và nước dưới đất (bảng 3-3), sự phá hoại địa hình, cảm giác con người... Mỗi cấp tương ứng một khoảng gia tốc địa chấn w xác định theo công thức sau:
W = A-L1- 4n2 (3.4)
T2 Ớ đây: A - biên độ dao động; T - chu kỳ dao động.
Quan hệ giữa độ mạnh M và cấp động đất I„ ở tâm ngoài ứng với các độ sâu tâm trong h (km) của động đất theo hệ thức kinh nghiệm sau đây:
1„= 1,5 M - 3,5 lgh + 3 (3.5)
Khi độ mạnh M tăng lên 2 đơn vị, cấp động đất tăng thêm 3 cấp.
Theo Viện nghiên cứu địa vật lý thuộc Viện Hàn lâm khoa học Liên Xô động đất được chia ra làm 12 cấp, như trình bày trong bảng 3-4. Giá trị X0 trong bảng là trị số di chuyển đàn hổi tương đối của một con lắc hình cầu có chu kỳ dao động riêng là 0,25s.
Khi độ mạnh của động đất lớn thì giá trị x„ sẽ lớn.
B ả n g 3 - 3 . Nhận xét biến dạng dư của đất đá và sự thay đổi chê độ của nước mặt
và nước dưới đất
Cấp B iến d ạ n g d ư của đâ't đá và sự thay đổ i c h ế đ ộ n ư ớ c m ặ t và n ư ỏ c dư ới đất
K hông thấy có hiện tượng như vậy
Trong m ột số trường hợp lưu lượng các nguồn nước thay đổi
T rong m ột số ít trường hợp trên mặt đất có thể có các khe nứt rộng tới 1cm; ở các vùng núi có đôi trường hợp trượt. Có sự biến đổi lưu lượng các nguồn và mực nước trong các giếng.
Trên m ặt nước có sóng, nước trỏ nên đục do bùn bị vẩn lên. Thay đổi mực nước ở các giếng và lưu lượng của các nguồn. Trong một số ít trường hợp phát sinh những nguồn nước mới hoặc mất đi những nguồn nước đả có. Đỏi khỉ có trượt ỏ bờ sông._______________________________________________
8 Có trượt nhỏ ở các m ái dốc đường đào và đường đắp: các khe nứt trong đất đá đạt tới chiều rộng vài centim et. Phát sinh những bể chứa nước mới. Đôi khi các giếng đã khô hết đầy nước trở lại hoặc những giếng hiện có bị khô kiệt. Trong nhiều trường hợp lưu lượng nguồn và mực nước trong giếng đều thay đổi.
9 Ngập nước ở đổng bằng, thường nhận thấy phù sa cát và bùn. Các khe nứt trong đất đá rộng tới 10 cm, ở các sườn và bờ sông còn rộng hơn 10 cm; ngoài ra, có nhiều khe nứt li ti. Các mỏm đá bị sụt lở; hay có trượt và lở. Trên mặt nước có sóng lớn.
1 0 Các khe nứt trong đất đá rộng vài đêximet, đỏi khi đến 1m. Xuất hiện những vết đứt đoạn, rộng chạy song song với lòng các dòng nước. Có hiện tượng lở đất xốp từ các sườn dốc nhiều. Có thể có trượt lớn ở các bờ sỏng và bờ biển dốc. ở những vùng ven bờ có sự chuyển đổi những khối cát hoặc bùn; nước tung toé ra khỏi kênh, hổ, sông, v.v... Phát sinh những hổ mới.
1 1 Thổ nhưỡng bị biến dạng nhiều, dưới hình thức khe nứt rộng, đứt đoạn và chuyển vị theo phương thảng đứng và nằm ngang; rất nhiều trận đá đổ. Để xác định cường độ (cấp) chấn động phải nghiên cứu đặc biệt.
1 2 Măt đất bị biến đổi hản. Thấy những khe nứt rất lớn trong đất đá kèm theo những chuyển vị thẳng đứng và nằm ngang lớn. Đổ đá và lở bờ sông trên những diện rộng. Phát sinh các hổ, tạo nên các thác nước; lòng sông bị biến đổi. Để xác định cường độ (cấp) chấn động phải nghiên cứu đặc biệt.
B ả n g 3 - 4 . Bảng phân cấp động đất của Viện Nghiên cứu địa vật lý thuộc Viện Hàn lâm khoa học Liên Xô (theo S.V.Medvedev)
Cấp Xo w (m m /s 2)
w
g
M ức đ ộ tá c hại của đ ộ n g đâ't trê n m ặt đất
I - - - Máy ghi có độ nhạy lớn phát hiện được.
II - - - Cá biệt người đang nghỉ ngơi yên tĩnh mới có thể phát
hiện được.
III - - - Một số ít người cảm thấy được.
IV <0,5 < 1 0 0 - Cửa sổ cửa lớn bị lay động, mọi người cảm thấy động đất.
V 0 ,5 + 1 __X
o o •h ho ừl o 0,025 Đổ vật treo đung đưa, sàn nhà kêu răng rắc, kính và đổ thuỷ
tinh kêu lách cách, vôi quét tường bị bong ra.
VI 1 + 2 250 + 500 0,25 + 0,05 Nhà cửa bị hư hỏng nhẹ, vữa trát bị rạn nứt, lò sưởi bị
nứt vỡ.
VII 2 + 4 5 0 0 + 1000 0,05 + 0,1 Nhà cửa bị hư hại nặng, vữa trát bị vỡ ra từng mảng, tường
xây bị nứt.
VIII 4 + 8 1 0 0 0 + 2 0 0 0 0 , 1 +0 , 2 Một số ít nhà bị sụt, mái nhà, trần nhà bị phá hoại.
IX 8 + 16 2000 + 4000 0 ,2 + 0,4 Trong nhà bị phá hoại, tường bị nứt lớn, mái nhà và ống khói
bị đổ.
X 16 + 32 >4000 >0,4 Nhiều nhà bị sụp đổ, mặt đất xuất hiện khe nứt rộng
hàng mét.
XI >32 - - Trên m ặt đất có những khe nứt lớn, sụt đổ lớn ở các dãy núi.
XII - - - Địa hình thay đổi lớn sau khi động đất.
134
Hiện nay, độ mạnh của động đất có thê được đánh giá bằng trị số di chuyển đàn hồi tương đối Xu của một con lắc hình cầu. Địa chấn ký này có chu kỳ dao động riêng là 0,25s. Khi độ mạnh của động đất lớn thì trị số dịch chuyển x„ sẽ lớn (bảng 3-4).
Sự khác nhau về tốc độ sóng dọc p và sóng ngang s dẫn đến khoảng cách về thời gian đến máy ghi của các sóng p và s đầu tiên sẽ tăng lên theo khoảng cách đến nguồn động đất. Như vậy, khoảng thời gian sai khác giữa thời điểm sóng p và sóng s tới máy ghi sẽ cho biết khoảng cách gian s - p được dùng để xác định chấn tâm 3 trạm khác nhau. Điểm giao nhau của 3 (hình 3-15).
H ìn h 3 -1 5 : Tàm Iig o à i của động đất tìm được bằng 3 cung tròn có bán kính được x á c định
theo khoảng thời gian s - p .
từ máy đến chấn tâm ngoài. Khoảng thời ngoài khi có ít nhất 3 địa chấn ký ghi từ cung từ 3 trạm chính là chấn tâm ngoài
Khoảng thời gian S-P, cùng với biên độ cực đại ghi được, còn dùng để xác định độ mạnh của động đất (hình 3-16). Nếu nối các điểm đại diện cho biên độ và khoảng thời gian S-P này bằng m ột đường thẳng thì nó sẽ cắt thang ở giữa của toán đồ tại một điểm - đó chính là độ lớn của động đất.
Lực động đất tác dụng lên công trình, ngoài độ mạnh của động đất còn phụ thuộc tính đàn hồi của đất đá. Cùng một trận động đất nhưng tại các nơi khác nhau, cường độ động đất không giống nhau. VI vậy phân chia các loại dộ mạnh sau:
Độ mạnh co bản: độ mạnh
c ổ thể xảy ra ở một vùng với m ột tần suất nào đó, có tính chất
Thời gian S-P = 24s
Hình 3-16: Xúc định độ mạnh R ic h te r từ khoảng thời gian S-P và biên độ vết ghi c ự c đ ạ i trên địa chấn đồ.
dự báo. Trên cơ sở tổng hợp các tài liệu lịch sử, điểu tra thực địa, máy ghi, các trận động đất đã xảy ra ở vùng đó mà chọn cấp động đất đặc trưng của vùng.
Vùng có cường độ mạnh thường nằm trong một đơn vị cấu trúc địa chất. Việt Nam không nằm trong vành đai động đất chính của thế giới, nhưng đã xảy ra những trận động đất mạnh. Khoảng 2000 năm trở lại đây, lịch sử nước ta đã ghi lại hàng trăm trận động đất từ cấp 6 đến cấp 8. Trận động đất ngày 1-1 1-1935 ở Điện Biên Phủ có tâm động đất ở độ sâu 35km có độ mạnh cấp 9 (hay 6,75 độ Richter) làm cho tất cả nhà cửa đều bị hư hại, tường bị nứt từ trên xuống, cột lìa khỏi mái, đất nứt có chỗ dài 50m, rộng 29cm, phun ra nước lẫn cát có mùi lưu huỳnh. Trận động đất cấp 8 ngày 24-6-1983 có tâm ở Tuần Giáo (Lai Châu).
Kết quả nghiên cún của Viện Khoa học Việt Nam cho thấy, động đất ở nước ta thường từ cấp 9 trở xuống. Các vùng hay xảy ra động đất gồm có:
Vùng Đông Bắc trũng Hà Nội ven biển Trung Bộ, ven biển Nam Bộ, đồng bằng sông Mê Kông: cấp 7.
Vùng thung lũng sông Hồng, sông Chảy: cấp 7, cấp 8.
Vùng thung lũng sông Mã: cấp 8, cấp 9.
Còn lại là cấp 6. Tần suất xuất hiện động đất cấp 7 trở lên là 20-23 năm một lần.
Độ mạnh thực tế: độ mạnh xét đến tính chất đàn hồi của đất đá ở nền công trình và là độ mạnh truyền cho công trình.
Tính đàn hồi của đất đá phụ thuộc mức độ rắn chắc của chúng: vùng đất vụn rời có phạm vi ảnh hưởng động đất nhỏ nhưng mức độ ảnh hưởng lớn, còn trong vùng đất đá rắn chắc thì ngược lại. Biên độ dao động A trong đá cứng khoảng 2 -ỉ- 5mm, trong đất rời rạc tới lOOmm hoặc hơn nữa. Tài liệu tổng kết các trân động đất ở Nhật Bản cho thấy, ở vùng đá gốc nhà cửa ít bị phá hoại (cao nhất 1,4%) trong khi vùng trầm tích rời rạc nhà cửa bị phá hoại tới 75-100%.
Tính đàn hồi của đất đá còn phụ thuộc lượng nước chứa trong các lỗ rỗng của đất đá. Nước là vật thể coi như không chịu nén, nên trong trường hợp đất đá bão hoà nước, nó chịu sự phá hoại lớn hơn. Ngược lại, các "đệm" không khí trong lỗ rỗng đất đá có độ ẩm thấp đã làm giảm độ mạnh của động đất; vì thế khi mực nước dưới đất càng sâu thì ảnh hưởng của động đất đến công trình càng nhỏ: độ sâu nước ngầm 0 -lm , tăng thêm 1 cấp; độ sâu 4m tăng thêm nửa cấp; độ sâu 10m và sâu hơn, nước ngầm không ảnh hưởng.
Sự biến đổi cấp động đất theo thành phần đất đá và theo dộ sâu thế nằm của nước ngầm được thể hiện trong các sơ đồ ở hình 3-17.
136
Cấp C ấ p
■ 9
- 8
’ 7
• 0
- 10
- 20m
ô
: I ■ : -Ô-. '. •■. > a f - ' ^õ-. x>; ; • ■• - p \ V*. -õ; !’ - - õ \ -ó: :
c)
C ấ p
•7 -6 -5 - 0
- 10 - 20m
H ì n h 3 -1 7 : S ư d ồ biến đổi cấp động đất trong khu đất x â y dựng a ) G ồm c á c trầm tích r ờ i; b) Đ á cứng vù đất xốp r ờ i; c ) Đ ộ sâu nước ngâm khác nhau
Ngoài ra khi nguồn động đất ở nông, vùng có địa hình dốc, trẻ và phức tạp thì dễ xảy ra đá đổ, núi lở, đất trượt... Vùng có đứt gãy sâu, đá vôi karst hoá cũng dễ phát sinh dịch chuyển và sụt lún mặt đất.
Cấp động đất tăng thêm AB khi xét đặc tính đàn hồi của đất đá được tính theo công thức của Medvedev S.V:
A B = 1,67 + e“ °'(,4h2 (3 .6 )
a nPn
ơ đây: a,„ p„ và a„, p„ - tốc độ truyền sóng dọc và tỷ trọng đất đá được dùng để
phân vùng động đất (phân vùng độ mạnh cơ bản) và dùng làm nền công trình; h - độ sáu chôn vùi nước dưới đất; e - cơ số logarit tự nhiên.
Độ mạnh tính toán: độ mạnh thực tế có xét đến kết cấu và tầm quan trọng của công trình (cấp, loại công trình) vì khi chịu cùng độ mạnh thực tế, mức độ và ý nghĩa của sự phá hoại (vé kinh tế, chính trị...) của các công trình rất khác nhau. Với các công trình lớn, có ý nghĩa kinh tế, chính trị quốc gia thường phải tính tăng lên một cấp động đất.