4.7.1. Nguyên nhân hình thành động đất
Các chấn động xảy ra ở phần trên của vỏ trái đất, do các nguyên nhân tự nhiên nh− hoạt động kiến tạo, núi lửa, tr−ợt, đá đổ, sập hang động cactơ, ... đ−ợc gọi là hiện t−ợng động đất. Theo vị trí xuất hiện ở trên đất liền hay ở ngoài biển, ng−ời ta phân biệt động đất và động biển.
Động đất có thể gây tác hại vô cùng to lớn cho sự ổn định của các công trình và đời sống con ng−ời. Hàng năm theo các số liệu thống kê trên thế giới, có khoảng 100.000 trận động đất lớn, nhỏ xẩy ra, trong đó có từ 10 đến 20 trận động đất có tính chất phá hoại và 1 trận động đất gây tai hoạ.
Động biển có thể gây ra hiện t−ợng sóng thần dữ dội nh−ng ít gây tai hoạ hơn đối với hoạt động sống của con ng−ời.
Thực tế cho thấy rằng, các trận động đất lớn xảy ra trên thế giới đều trùng với các đai và các đới hoạt động kiến tạo. Chúng th−ờng có nguồn gốc kiến tạo và liên quan đến vận động của vỏ trái đất.
Địa hình núi và núi cao biểu hiện cho các vận động kiến tạo hiện đại và mới nhất. Các vận động đó tích luỹ dần, dẫn tới sự tập trung ứng suất trong thạch quyển với thời gian lâu dài. Khi các ứng suất tập trung v−ợt quá giới hạn bền của đá thì ở phần vỏ trái đất bị đứt đoạn, tạo nên những đứt gãy, các khối nhỏ của vỏ trái đất bị dịch chuyển t−ơng đối so với nhau, đồng thời năng l−ợng đàn hồi đ−ợc giải phóng. Chính năng l−ợng này đã gây ra những dao động đột ngột và dữ dội ở phần trên của vỏ trái đất. Đó chính là hiện t−ợng động đất.
Nơi phát sinh ra các dao động nằm sâu trong lòng đất (vị trí các khối đứt gãy, miền đứt đoạn) đ−ợc gọi là tâm địa chấn hay tâm động đất. Sức phá hoại của động đất ở trên mặt không những phụ thuộc vào độ sâu phân bố của tâm động đất và c−ờng độ động đất tại đó (hình 46).
Hình chiếu của tâm động đất tới mặt đất gọi là chấn tâm ngoài. Càng xa chấn tâm ngoài thì chấn động và lực va đập theo mọi phía càng giảm.
115
Ngoài những trận động đất có nguyên nhân kiến tạo, còn có những chấn động của vỏ trái đất liên quan tới các hoạt động núi lửa, đá đổ, sập hang động cactơ. Các chấn động này th−ờng nhỏ hơn rất nhiều so với động đất do nguyên nhân kiến tạo, không gây ảnh h−ởng lớn tới hoạt động sống của con ng−ời.
4.7.2. Các loại sóng địa chấn
Dao động của các phần tử môi tr−ờng phát sinh từ tâm động đất đ−ợc lan truyền trong đất đá d−ới dạng sóng địa chấn. Sóng địa chấn lan truyền trong vỏ trái đất có tốc độ lớn nên có thể xem đất đá là môi tr−ờng đàn hồi lý t−ởng và sóng địa chấn đ−ợc coi là sóng đàn hồi. Theo hình thức biến dạng, sóng địa chấn đ−ợc chia ra 2 loại: sóng dọc và sóng ngang.
1- Sóng dọc: Đây là sóng thể tích (kéo và nén). D−ới tác dụng của sóng dọc, thể tích vật thể có thể bị thay đổi, dao động của của các phần tử môi tr−ờng đ−ợc thực hiện theo ph−ơng truyền sóng. Sóng dọc không những lan truyền đ−ợc trong chất rắn mà cả trong chất lỏng và chất khí. Sóng dọc lan truyền với tốc độ cực đại và chuyển đi những dự trữ năng l−ợng lớn nhất, do đó gây tác dụng phá hoại rất lớn khi xẩy ra động đất. Tốc độ truyền sóng dọc đ−ợc xác định theo công thức:
( à)( à) à γ 1 1 2 1 − + − ⋅ = w d p E V (97) Trong đó: Eđ- môđun đàn hồi động;
γw và à - khối l−ợng thể tích tự nhiên và hệ số nở hông của đất đá. 2- Sóng ngang:Đây là sóng hình dạng (tr−ợt và xoắn). Sóng ngang gây ra sự biến đổi hình dạng của phần tử thuộc môi tr−ờng mà không làm thay đổi thể tích của nó. Dao động của các phần tử môi tr−ờng khi truyền sóng ngang diễn ra theo ph−ơng thẳng góc với ph−ơng truyền sóng. Sóng ngang chỉ lan truyền đ−ợc trong đá cứng. Chất lỏng và khí không chống lại đ−ợc sự biến đổi hình dạng nên sóng ngang không lan truyền đ−ợc trong chúng.
Tốc độ truyền sóng ngang đ−ợc xác định theo công thức:
( à) γ ⋅ + = 1 2 1 w d s E V (98) Thông th−ờng, trong môi tr−ờng đất đá, tốc độ truyền sóng ngang nhỏ hơn tốc độ truyền sóng dọc từ 1,7- 1,8 lần.
Khi sóng dọc và sóng ngang truyền lên mặt đất sẽ phát sinh ra những dao động d−ới hình thức sóng mặt. Khi chúng đi qua ranh giới môi tr−ờng (ranh giới đất đá, đứt gãy, phá huỷ kiến tạo, ...) thì phát sinh các sóng thứ sinh. Đó là sóng phản xạ và sóng khúc xạ. Các sóng này lan truyền với tốc độ nhỏ và mang dự trữ năng l−ợng ít ỏi.
Tâm ngoài
1 2 3
Tâm trong
116
Nh− vậy, sóng dọc và sóng ngang đóng vai trò chủ yếu trong hoạt động địa chấn lan truyền trong vỏ Trái đất. Chúng phụ thuộc chủ yếu vào tính chất đàn hồi và khối l−ợng thể tích tự nhiên của đất đá. Thí dụ: Đá trầm tính có VP = 2- 5km/s; đá granit có VP = 5- 6km/s; đá macma bazơ có VP = 6,5- 7,5km/s.
4.7.3. Đánh giá độ mạnh động đất
ở Liên xô tr−ớc đây, ng−ời ta đánh giá độ mạnh của động đất theo giá trị X0. Đó là l−ợng dịch chuyển cực đại của con lắc đàn hồi hình cầu trong địa chấn kế đ−ợc chế tạo theo tiêu chuẩn. Ngoài ra, độ mạnh của động đất còn đ−ợc đặc tr−ng bằng trị số gia tốc địa chấn a (đ−ợc xác định bằng thiết bị địa chấn đặc biệt):
2 2 4 . T a=Α π (99) Trong đó: A- biên độ dao động của sóng địa chấn;
T- chu kỳ dao động của sóng địa chấn.
Độ mạnh của động đất đ−ợc phân chia và đánh giá theo thang 12 cấp (bảng 11). Bảng 11: Thang cấp động đất ở trên mặt (theo Liên Xô tr−ớc đây)
Cấp Tên gọi động đất XO (mm) a (mm/s2) 1 Không nhận thấy - < 2.5 2 Rất yếu - > 2.5 - 5 3 Yếu - > 5.0 - 10 4 Vừa < 0,5 > 10 - 25 5 Khá mạnh > 0.5 - 1,0 > 25 - 50 6 Mạnh > 1.1 - 2,0 > 5- - 100 7 Rất mạnh > 2.1 - 4,0 > 100 - 250 8 Gây đổ vỡ > 4.1 - 8,0 > 250 - 500 9 Tàn phá > 8.1 - 16,0 > 500 - 1000 10 Huỷ diệt > 16.1 - 32,0 > 1000 - 2500 11 Thảm hoạ > 32,0 > 2500 - 5000 12 Thảm hoạ nặng nề - > 5000
Vì động đất xảy ra ở những độ sâu khác nhau, thang động đất trên không thể hiện đ−ợc mức độ năng l−ợng tại tâm động đất nên nhà địa chất ng−ời Mỹ Richter (năm 1935) đã đ−a ra thang độ Richter để đánh giá độ mạnh của động đất (bảng 12). Thang động đất Richterđ−ợc định nghĩa là lôgarit cơ số 10 của của biên độ dao động cực đại A (tính bằng micrômét) xác định trên chấn đồ chuẩn đ−ợc ghi ở trạm địa chấn giả thiết đặt cách xa trấn tâm trong khoảng cách 100km. Theo thang độ Richter, cấp động đất lớn nhất t−ơng đ−ơng với cấp 12 (trong thang 12 cấp của Liên Xô) là 10 độ Richter. Mối quan hệ giữa cấp động đất M (độ Richter) và tổng năng l−ợng phát ra từ tâm động đất E (jun) cho các trận động đất do Richter đ−a ra:
LgE = 11,8 - 1,5M (100) Bảng 12: Thang cấp động đất do Richter đề xuất năm 1935 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
M 1 2 3 4 5 6 7 8 8,5 8,9
117
Để xác định mức độ nguy hiểm của động đất đối với công trình xây dựng, có thể dùng hệ số địa chấn KC (tỷ số giữa gia tốc địa chấn và gia tốc trọng tr−ờng):
g a
Kc = (101) KC càng lớn, mức độ nguy hiểm của động đất càng cao.
4.7.4. ảnh h−ởng của động đất đến công trình xây dựng
Khi xẩy ra động đất, các dao động địa chấn lan truyền tới mặt đất d−ới dạng các loại sóng khác nhau (sóng dọc, sóng ngang, sóng mặt), tạo ra lực tác dụng vào các công trình xây dựng theo các h−ớng khác nhau. Có thể chia lực động đất ra hai thành phần lực chính: thành phần lực tác dụng theo ph−ơng thẳng đứng và theo ph−ơng nằm ngang. Chúng ta hãy xem xét tác dụng của các lực thành phần này đến công trình xây dựng khi xẩy ra động đất.
∗Tác dụng của lực động đất theo ph−ơng ngang
Nh− đã biết, hệ số ổn định kháng tr−ợt của công trình đ−ợc xác định: η = Tổng lực chống tr−ợt
Tổng lực gây tr−ợt -Đối với công trình dân dụng và công nghiệp:
η g a Q A c Q f K Q A c Q f c max . . . . . + = + = (102)
Trong đó: c- lực dính kết giữa nền và móng công trình; f- hệ số ma sát giữa nền và móng công trình; Q- trọng l−ợng công trình;
A- diện tích đáy móng;
KC- hệ số địa chấn theo ph−ơng ngang;
amax- gia tốc địa chấn lớn nhất theo ph−ơng ngang.
-Đối với đập chắn n−ớc: η Q K W W A c Q f c c . . . + + + = (103) Trong đó: W- áp lực thuỷ tĩnh, 2 . 2 1 h W = γo ; (104) h - chiều cao cột áp;
γo- khối l−ợng riêng của n−ớc, th−ờng lấy bằng 1g/cm3; WC- lực quán tính ngang của n−ớc tác dụng vào đập,
Wc = 0,55.Kc.γo.h2 (105) ∗ Tác dụng của lực động đất theo ph−ơng đứng
Để đánh giá khả năng ổn định về c−ờng độ của đất nền, cần xác định hệ số ổn định η theo công thức tổng quát:
η = C−ờng độ chịu tải của đất nền Tổng áp lực tác dụng lên nền
118 -Đối với công trình dân dụng và công nghiệp:
η g a Q Q A P K Q Q A P d c d max , ' . . + = + = (106)
Trong đó: Pd - c−ờng độ chịu tải cho phép của đất nền; A - diện tích đáy móng;
K'
c- hệ số địa chất theo ph−ơng đứng;
amax- gia tốc địa chấn lớn nhất theo ph−ơng đứng. -Đối với đập chắn n−ớc:
Do tác dụng của lực động đất thẳng đứng làm giảm tải trọng của công trình, nên hệ số ổn định kháng tr−ợt đ−ợc xác định: η ( ) c c W A C K Q f. 1− ' + . = (107) ∗Tác dụng của lực động đất theo cả ph−ơng đứng và ngang
-Đối với công trình dân dụng và công nghiệp:
η ( ) c c K Q A C K Q f . . 1 . − ' + = (108) -Đối với đập chắn n−ớc: η ( ) c c c K Q W W A C K Q f . . 1 . ' + + + − = (109) ∗ảnh h−ởng của chu kỳ dao động đối với công trình xây dựng
Khi chu kỳ dao động của lực động đất bằng chu kỳ dao động của công trình xây dựng thì rất dễ xảy ra hiện t−ợng cộng h−ởng. Hiện t−ợng này rất nguy hiểm, có thể gây phá hoại công trình. Vì vậy, khi thiết kế công trình cần tính toán cho các chu kỳ dao động của lực động đất khác nhau. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
4.7.5. ảnh h−ởng của điều kiện địa chất công trình đến c−ờng độ động đất
Thực tế động đất cho thấy, điều kiện địa chất công trình có ảnh h−ởng đáng kể đến c−ờng độ động đất. Cùng một khu vực chịu ảnh h−ởng của lực động đất, ở những nơi có điều kiện địa chất công trình khác nhau, c−ờng độ động đất không giống nhau.
1. ảnh h−ởng của các yếu tố mang tính khu vực
-Chiều dày trầm tích phủ và thành phần đá gốc nằm d−ới
Trầm tích phủ và các đá gốc nằm d−ới có khả năng hấp thụ năng l−ợng địa chấn với mức độ khác nhau nên c−ờng độ địa chấn lan truyền lên đến mặt đất cũng rất khác nhau. ở khu vực có lớp phủ trầm tích dày, c−ờng độ động đất mạnh hơn khu vực có lớp phủ trầm tích mỏng do các lớp phủ trầm tích th−ờng có khả năng hấp thụ năng l−ợng địa chấn lớn hơn đá gốc.
- Thế nằm của đá
Khả năng lan truyền sóng địa chấn trong môi tr−ờng địa chất phụ thuộc đáng kể vào thế nằm của đá do ranh giới phân lớp có khả năng tạo ra các sóng thứ sinh, hấp thụ một phần năng l−ợng địa chấn. Thực tế thấy rằng, c−ờng độ động đất theo ph−ơng cấu trúc địa chất ở cách tâm ngoài một khoảng nhất định th−ờng lớn hơn một cấp so với ph−ơng thẳng góc với ph−ơng cấu trúc.
119 -Thế nằm của các đứt gãy sâu
Trong các đới đứt gãy, đá th−ờng bị nứt nẻ, vỡ vụn rất mạnh. Khi sóng địa chấn lan truyền thẳng góc với ph−ơng của các đứt gãy thì năng l−ợng địa chấn bị tiêu hao đi rõ rệt và c−ờng độ động đất giảm nhiều.
2. ảnh h−ởng của các yếu tố mang tính cục bộ
-Thành phần và tính chất của đất đá
Thành phần và tính chất của đất đá có ảnh h−ởng đáng kể đến c−ờng độ động đất. Đất đá càng rắn chắc khả năng hấp thụ năng l−ợng đàn hồi càng lớn, do đó c−ờng độ động đất lan truyền qua chúng càng giảm. C−ờng độ động đất trong đá granit nhỏ hơn 1- 2 đến 3 cấp so với các loại đá khác.
- N−ớc d−ới đất và n−ớc mặt
N−ớc có khả năng hấp thụ năng l−ợng đàn hồi kém. Mực n−ớc ngầm nằm càng nông thì c−ờng độ động đất càng tăng. Những nơi xây dựng hồ chứa n−ớc, c−ờng độ động đất tăng lên rõ rệt so với khi ch−a xây dựng.
-Địa hình
C−ờng độ động đất tăng lên rõ rệt ở những nơi địa hình cao, dốc, phân cắt mạnh, do có dự trữ thế năng lớn. Ngoài ra, ở những điều kiện địa hình này, khi động đất xảy ra, có thể làm phát sinh những hiện t−ợng địa chất kèm theo nh− hiện t−ợng tr−ợt, đá đổ, đá lở rất nguy hiểm.
4.7.6. Xây dựng công trình trong vùng động đất
Công trình xây dựng trong vùng động đất cần đ−ợc nghiên cứu, tính toán, thiết kế cho phù hợp với cấp động đất khu vực.
1. Bố trí công trình xây dựng
Nhiệm vụ xây dựng công trình trong vùng động đất rất khó khăn và phức tạp do chịu ảnh h−ởng bởi động đất. Công trình xây dựng không những phải đảm bảo ổn định lâu dài, làm việc bình th−ờng cho công trình mà còn phải mang lại hiệu quả kinh tế. Do vậy, bố trí công trình xây dựng hợp lý là rất cần thiết.
- Lựa chọn đúng đắn vị trí xây dựng: Trong vùng động đất, cần phải chọn khu xây dựng có cấp động đất thấp, trên cơ sở bản đồ phân khu nhỏ động đất theo điều kiện địa chất công trình. Trên phạm vi xây dựng, cần chọn vị trí thuận lợi về điều kiện địa chất công trình đối với động đất. Đó là nơi có địa hình bình ổn, nền đá cứng, đá nửa cứng, đất hòn to, cát, đất loại sét có kết cấu, độ chặt, độ bền cao, biến dạng nhỏ, mực n−ớc ngầm nằm sâu hoặc không có n−ớc ngầm.
- Bố trí hợp lý các công trình xây dựng: Nếu ở khu xây dựng có khả năng xẩy ra động đất cấp 7, 8, 9, điều kiện địa chất công trình không đồng nhất thì cần chú ý sử dụng những vị trí thuận lợi để xây dựng các công trình tải trọng lớn, còn vị trí không thuận lợi thì sử dụng để xây dựng công trình có tải trọng nhỏ nh− nhà thấp tầng, v−ờn hoa, công viên, đ−ờng giao thông, ....
2. Yêu cầu kỹ thuật
Trong vùng động đất, để đảm bảo cho công trình ổn định, yêu cầu kỹ thuật xây dựng công trình phải có những đặc thù riêng.
- Chiều cao công trình: Không nên xây dựng công trình có chiều cao lớn.