Bài giảng Địa chất công trình - Chương 7: Các hiện tượng địa chất hiện đại liên quan

CHƯƠNG 7
CÁC HIỆN TƯỢNG ĐỊA CHẤT HIỆN ĐẠI LIÊN QUAN 
ĐẾN XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH
Hiện tượng địa chất tự nhiên
Hiện tượng địa chất công trình
7.1. HIỆN TƯỢNG ĐỘNG ĐẤT
7.1.1. Khái niệm
- Động đất do đất sụt
- Động đất do núi lửa
- Động đất do các chuyển động kiến tạo là loại động đất rất phổ
biến, có cường độ mạnh và phạm vi ảnh hưởng lớn nhất.
Trung tâm Vật lý địa cầu thuộc
Viện khoa học Việt Nam tiến
hành thì những vùng có khả
năng xảy ra động đất mạnh bao
gồm:
1. Vùng đông bắc trũng Hà Nội:
cấp 7
2. Vùng sông Hồng, sông Chảy
cấp 7 - 8
3. Vùng sông Đà cấp 8
4. Vùng sông Mã cấp 8 - 9
5. Vùng biển Trung Bộ cấp 7
6. Vùng biển Nam Bộ và vùng
sông Đồng Nai, sông Cửu Long
cấp 7
Sơ đồ thành hệ kiến trúc 
thời đoạn Đệ Tứ giữa–
muộn (QII – QIV)
Sơ đồ mô hình địa 
động lực biển Đông
Cấp Mô tả tình trạng động đất Thang độ Richter amax (cm/s2)
v (cm/s)
I -Không cảm nhận được Từ 1 đến 3 độ 
Richter
II -Cảm thấy rất nhẹ
III -Động đất yếu
IV Động đất nhận rõ: bàn ghế, đồ đạc trong nhà rung chuyển
V -Thức tỉnh: mọi người trong nhà đều nhận
thấy, người ngủ bị thức giấc, đồ vật bị rung mạnh
12-25
(v=1-2)
VI -Kinh hãi: nhiều người đang ở trong nhà tỏ ra sợ hãi và chạy ra đường Từ 3 đến 3,75 độ 
Richter
25-50
(v=2,1-4)
VII -Hỏng nhà: nhiều nhà bị hư hại, đôi khi trượt đất ở sườn dốc, có vết 
nứt ở đường đi
Từ 3,75 đến 5,9 
độ Richter
50-100
(v=3,1-8)
VIII -Nhà bị hư hại nặng Từ 5,9 đến 6,5 
độ Richter
100-200
(v=8,1-16)
IX -Hư hỏng hoàn toàn nhà cửa, đường sắt bị uốn cong, nền đất nứt rộng 
đến 10 cm
200-400
(v=16,1-32)
X -Phá hoại hoàn toàn nhà cửa, nền đất bị nứt đến vài dm, có thể trượt 
đất lớn ở bờ sông
Từ 6,5đến 7,75 
độ Richter
400-800
(v=32,1-64)
XI -Thảm hoạ: hư hại nặng cả những nhà kiên cố, đường, đê. Nền đất bị 
biến dạng to thành vết nứt rộng, đứt gãy.
XII -Thay đổi địa hình: hư hại nặng và phá huỷ thực sự mọi công trình 
trên và dưới mặt đất
-Đất nứt lớn, bị di động đứng và ngang, núi sông sụt lở, xuất hiện hồ, 
thác,
Từ 7,75 đến 8,25 
độ Richter
Ảnh hưởng của gia tốc động đất lên ổn định
của đất nền
Gia tốc địa chấn a là một đặc trưng cho lực động đất. Đó là
lượng dịch chuyển của bề mặt Trái đất trong một đơn vị
thời gian. Lượng dịch chuyển này đặc trưng cho gia tốc
mà các hạt đất đá ở mặt đất đạt được dưới tác dụng của
sóng địa chấn.
Có thể biểu thị gia tốc địa chấn a qua biên độ dao động A
của sóng địa chấn và chu kỳ dao động T của chúng:
2
2
4a A
T
Trong việc đánh giá các hệ số kỹ thuật của tải trọng do động đất hiện
nay, chúng ta thường sử dụng hai phương pháp cơ bản. Phương pháp thứ
nhất căn cứ vào độ lớn và khoảng cách từ chấn tâm để đánh giá khả
năng hoá lỏng của đất nền. Tuy nhiên, đa số các trường hợp, cường độ
động đất tại một vị trí nào đó được mô tả bằng gia tốc lớn nhất và độ
kéo dài của các chấn động.
Hậu quả thảm khốc của hoá lỏng do động đất của đất bụi và cát là
hiện tượng được ghi nhận từ rất nhiều trận động đất. Việc đánh giá
dạng mất ổn định này của đất là một trong những vấn đề quan trọng
hàng đầu khi thiết kế công trình trong vùng động đất. Cơ sở của nó
chính là xác định thế năng hoá lỏng của đất ở độ sâu khác nhau bằng
quan hệ ứng suất động trung bình (av) với giá trị giới hạn bị hóa lỏng
của loại đất đó trong số chu kỳ tác động định sẵn (N). Hệ số ổn định
đặc trưng như sau:
av
L
N
F 

 Điều kiện có thể xảy ra sự hoá lỏng của đất là FL
≥1. Giá trị N xác định bằng thực nghiệm từ các 
thí nghiệm động
ño
ä s
aâu
öùng suaát
vu
øng
 h
oa
ù lo
ûng
1
2
Phương pháp đánh giá thế năng hóa lỏng theo H.B. 
Seed
1. Biểu đồ ứng suất động từ N chu kỳ tác dụng động 
đất
2. Biểu đồ ứng suất động gây hoá lỏng trong N chu kỳ 
bằng thí nghiệm trong phòng
Sức chống cắt không thoát nước thu được với tốc độ biến dạng được giữ 
0.5%/s hoặc thấp hơn thì ta xác định được sức chịu tải của đất nền trong điều 
kiện tải trọng tĩnh: cu = cu(tĩnh)
Bieán daïn g caét , (%)
Ñoä aåm 33.5 0 .2%)
Theo đề nghị của Carroll cho hầu hết 
các loại đất sét bão hoà nước 
5,1.)( 
u
dynu
c
c
Whitman và Healy (1963) đã làm một số thí nghiệm hút chân không cho các loại 
cát khô. 
Toác ñoä bieán daïn g, (%/ s)
Sö
ùc 
be
àn
 n
eùn
, 

1(
f) 
- 

3 
(lb
/i
n2
)
Vuøn g taäp t r un g
H eä soá r oãn g 0 .52 1
1
3
3
sinar
 
 
Rõ ràng khi tăng tốc độ 
biến dạng ban đầu thì 
tương ứng với sự giảm góc 
ma sát trong của đất. Theo 
Vesic (1973) thì góc ma sát 
trong động nhỏ nhất:
(động) = (tĩnh) - 20 
Thôøi gian (s)
Ö
Ùn
g 
su
aát
 k
g/
cm
2 )
B
ie
án
 d
aïn
g 
(%
)
ÖÙng suaát
Bieán daïng
ÖÙng suaát phaù hoaïi
öùng vôùi tL =0.02s
ÖÙng suaát (kg/ cm2)
B
ie
án
 d
aïn
g 
(%
)
ÖÙng suaát
phaù hoaïi
Taûi töùc thôøi,
tL =0.02s
Thôøi gian
ñaët taûi tónh,
t =465s
Ứng xử của đất sét khi chịu tải động tức thời
(Casagrande và Shannon đã thí nghiệm cho đất sét Cambridge và cát ở Manchester )
25.1
q
q
)tónh(u
)taûixung(u
 
Modun biến dạng E được xác định theo thí nghiệm 
nén nở hông thì modun biến dạng do tải tức thời 
lớn gấp 2 lần so với modun biến dạng với tải tĩnh:
Eu(tải tức thời) = 2 Eu(tải tĩnh)
- Khu vực ven biển ở các tỉnh phía Nam có khả năng xảy ra
động đất cấp 7 và lớn hơn.
- Do đất nền cấu tạo bởi các lớp trầm tích mềm rời và mực
nước ngầm gần mặt đất nên khi có động đất thì cấp độ
động đất có thể cao hơn. Gia tốc ngang đỉnh do động đất
của khu vực có khả năng đạt đến giá trị a=0,25g.
- Trầm tích mềm rời có khả năng chịu tải trọng động đất
thấp hơn nhưng gia tốc chấn động lan truyền cũng nhỏ
hơn. Nếu động đất xảy ra với khoảng cách gần thì nguy cơ
phá hoại công trình trên nền trầm tích bời rời rất cao.
- Trong tính toán nền móng có xét đến ảnh hưởng của
động đất thì giá trị gia tốc động đất thường được sử dụng
và là thông số cần thiết cho việc tính toán.
1. Tốc độ lan truyền gia tốc động đất trong trầm tích mềm rời ở khu vực
ven biển của các tỉnh phía Nam và thành phố Hồ Chí Minh nhỏ nhưng
khả năng chịu tải trọng động đất thấp, đặc biệt trong điều kiện mực
nước ngầm rất gần với mặt đất.
2. Khả năng động đất từ các đứt gãy kiến tạo ven bờ biển phía Nam là
khá cao và có khả năng tác động mạnh lên các công trình trên đất yếu
và các trầm tích bở rời ven biển.
3. Khi chịu tải trọng động đất, chuyển vị đứng (độ lún) của cọc không
đáng kể, tuy nhiên chuyển vị ngang ở đầu cọc có giá trị đáng kể. Dao
động ngang ở đầu cọc trong thời gian xảy ra động đất có giá trị cực đại
và có thể gây ra phá hoại các cấu kiện bên trên và làm hư hỏng công
trình.
4. Chuyển vị của đất nền gần mặt đất có giá trị lớn nhất khi chịu tác
dụng động đất.
7.2. TÁC DỤNG PHONG HÓA
Hiện tượng đất đá bị vỡ vụn, biến đổi thành phần trong khí
quyển dưới tác dụng của việc dao động nhiệt độ, nước, các chất
hòa tan, gọi là hiện tượng phong hóa.
7.2.1.Các kiểu phong hóa
Phong hóa vật lý
Phong hóa sinh hóa
7.2.2.Phân đới thẳng đứng vỏ phong hóa
Vỏ phong hóa có thể chia thành 4 đới phong hóa
1. Đới vụn bột, hoặc đới hạt mịn
2. Đới vụn nhỏ hoặc đới hạt
3. Đới dạng tảng
4. Đới nguyên khối
Các đá mẹ là các đá axit thì các đới phong hóa thay đổi dần dần,
còn các đá mẹ là các đá bazơ thì không thấy chuyển biến dần dần
như vậy mà có sự thay đổi đột ngột từ đá mẹ cứng chắc sang vỏ
phong hóa tươi xốp ngay.
Ở các vùng nóng ẩm như nước ta thường xảy ra quá trình laterite
hóa. Quá trình laterite hóa thường xảy ra ở nơi có địa hình dốc
thoải, khí hậu nóng ẩm, hai mùa mưa, khô kế tiếp. Mùa mưa nước
thấm qua các khe, phá hủy hòa tan các alumosilicat tạo nên môi
trường kiềm, các nguyên tố Na, K, Mg, Ca bị rửa trôi. Mùa khô, do
mao dẫn và bốc hơi bề mặt, các hydroxyt sắt, nhôm ở dưới theo
nước đi lên rồi bốc hơi trở thành ôxit tích tụ và keo kết. Tầng tàn
tích có hàm lượng ôxit sắt và nhôm tăng lên tạo thành laterite có
màu vàng, đỏ nâu đặc trưng.
7.3. HIỆN TƯỢNG ĐẤT CHẢY (HAY CÁT CHẢY)
Khi các hố móng và các công trình bóc lộ ra, cát hạt mịn, hạt
nhỏ, cát chứa bụi và nhiều bụi chứa nước sẽ tự chảy – hiện tượng
cát chảy.
7.3.1. Các loại đất chảy
Cát chảy xảy ra do áp lực thủy động.
ith = sub/ w
Trong đó: ith – là trị số gradient áp lực nước tới hạn
Để phân tố đất không bị cát chảy:
subww dl
dhi  
CÁT CHẢY
 H
L
h
Cát làm thí nghiệm có e = 
0,68. s = 2.66 g/cm3.
Chiều dày lớp cát trong bình 
L = 0,4m . Bề dày lớp nước 
trên bề mặt lớp cát h = 0,2m.
Hỏi khi cát trong bình sôi lên 
và bắt đầu chảy 
thì độ chênh cột nước H là 
bao nhiêu (Giá trị H khi 
bắt đầu xảy ra cát chảy)?
RH
M
hố móng hình chữ nhật: a= 9m, b=11m đào trong tầng chứa 
nước có áp với chiều cao mực áp lực H=7m như hình vẽ. 
Các đặc trưng cơ lý của lớp cát chứa nước có bề dày M=3m: 
hệ số rỗng e=0,755; khối lượng riêng hạt s=2,661g/cm3; hệ 
số thấm K=5m/ngày đêm. Bán kính ảnh hưởng khi bơm hút 
R=14,2m.
hố móng hình chữ nhật: a= 8,5m; b=10m đào trong tầng
chứa nước không áp có bề dày h=5,5m. Thành hố móng
được giữ ổn định thẳng đứng. Các đặc trưng cơ lý của lớp
đất: khối lượng thể tích bão hòa sat=1,837g/cm3; khối
lượng thể tích của nước w=1g/cm3; hệ số thấm
K=5,2m/ngày đêm. Bán kính ảnh hưởng khi bơm hút
R=14m.
R
h
Tính: Hố móng hình chữ nhật tương đương hố khoan
bơm nước có bán kính tương đương ro (m); Xác định
lưu lượng khi tháo khô hoàn toàn Q (m3/ngày đêm);
Giá trị gradient tới hạn ith; Giá trị gradient thực tế itt (xét
trong trường hợp an toàn nhất)
7.4. HIỆN TƯỢNG XÓI NGẦM
Xói ngầm là hiện tượng các hạt đất đá bị lôi cuốn khỏi vị trí ban
đầu dưới tác dụng của nước thấm; trong đất đá dần dần hình
thành các khe hổng; xói ngầm nếu phát triển lớn có thể gây sụt
lún mặt đất, hư hỏng công trình.
7.4.1. Điều kiện phát sinh, phát triển xói ngầm
1) Về đất đá: 20
10
60 
D
D
2) Về nước thấm: nnith 5,011 
7.4.2.Biện pháp xử lý xói ngầm
- Điều tiết dòng thấm: kéo dài đường thấm nhằm giảm nhỏ
gradient thấm thực tế, giảm hoặc triệt tiêu hẳn xói ngầm như
dùng sân phủ, tường cừ, màn chắn, khống chế nước mặt dao
động.
- Gia cố đất đá
- Tạo lớp đất chống xói ngầm
7.5. HIỆN TƯỢNG CACSTƠ
Cacstơ là hiện tượng nước trên mặt và nước dưới đất hòa tan đất
đá tạo nên các khe rãnh, các hang động ngầm.
Công trình bên trên các hang động có thể bị sụp đổ, mất nước,
Dùng nước cacstơ cho các nhu cầu dân dụng, làm nơi chứa nước,
dẫn nước, đôi khi có thể sử dụng như là các công trình ngầm.
1
2
4
3
CACSTƠ
CACSTƠ
CACSTƠ
7.6. HIỆN TƯỢNG TRƯỢT ĐẤT ĐÁ
Trượt đất đá là hiện tượng di chuyển của các khối đất đá (thường
là đất loại sét) với các đất đá nằm trên nó, theo một mặt trượt
nào đó ở các sườn dốc. Sự di chuyển đó xảy ra với các tốc độ
khác nhau, từ vài mm/ngày đêm đến vài m/giờ, rất ít khi hàng
chục m/giờ.
*Độ ổn định của mái dốc cấu tạo bởi đất rời
T
P
N
Đối với mái dốc bằng đất rời:
TRƯỢT
TRƯỢT
* Độ ổn định của mái dốc cấu tạo bởi đất dính
Nếu đất ở mái dốc là đất dính chỉ có lực dính c (còn = 0) thì
mái đến một độ sâu nào đó, có thể thẳng đứng, nếu sâu hơn thì
mái đất có dạng đường cong.
Chiều cao giới hạn hgh mà tới đó mái đất có thể giữ được thẳng
đứng là nhờ lực dính
h g h
z
y
y
z

chgh
2
z
cc
h
c
h
cy
gh
gh
2
1
2
cos
1
2
cos
ln2




*Độ ổn định của mái dốc cấu tạo bởi đất có lực dính và ma sát:
Phương pháp mặt trượt lăng trụ tròn:
Hệ số ổn định  được tính theo công thức:

 
T
clNtg 

với Ni = Qi.cos ; Ti = Qi.sin 
Phương pháp N.N.Maslov
c


 
  tg c
  tgtg

 
ctgtg 
N.N. Maslov đưa ra đề nghị tính toán sự ổn định của mái dốc 
khi mái dốc cấu tạo bằng các lớp nằm ngang: 
 3
 
 
1, 1, c1
3, 3, c3
2, 2, c2
h1
h3
h2

ii
i
ii h
ctgtg
.
Phương pháp chia lát Fellenius
Chia lát cho một mái dốc
Các lực tác động lên các lát chia
a) Các lực chống trượt của lát 
chia
b) Giả thiết Fellenius
 

 
 m
m
ii
s
T
tgNabc
F
1
1
.. 
HỆ SỐ AN TOÀN
 
 m
m
ii
s
W
tgWbc
F
1
1
sin
.cos.
cos
Công thức được viết lại:
b – là chiều rộng của lát chia;
 - góc tạo từ bán kính với trục đứng, tại điểm giữa của mặt đáy 
của lớp chia;
W – trọng lượng từng lát chia
Phương pháp chia lát Bishop
Bishop tương tự như phương pháp Fellenius nhưng có xét đến lực tương tác giữa 
các mặt đứng của lát chia.
Với giả thiết Vn – Vn+1 = 0 cho tất cả lát chia, công thức Bishop đơn giản hơn và có dạng:
 
 
m
s
m
ínm
s
F
tg
bctgubWF
1
,
,,
sincossin
1
7.6.3. Biện pháp phòng chống trượt
a. Các biện pháp đề phòng: Cấm khai đào trên các sườn dốc, chân
dốc; Hạn chế xây dựng các công trình nặng trên các bờ dốc; Có
biện pháp thoát nước tốt để tránh thấm nước làm tăng khối
lượng khối trượt và giảm cường độ của đất; Giảm độ dốc của
mái
b. Các biện pháp chống trượt:
h
h
h
H
a) baït m aùi doác b) ñoùng coïc
c) beä p haûn aùp
d) töôøng chaén
7.7. HIỆN TƯỢNG XÓI MÒN
7.7.1. Sự xói lở và sụp đổ các bờ sông
7.7.2. Cấu trúc của các thung lũng sông
7.7.3. Các yếu tố quyết định hoạt động xói mòn của sông
Động năng của sông tỷ lệ thuận với tích số của khối lượng nước
m với một nửa bình phương tốc độ v của dòng chảy, tức là:
2mvP
2
Các thung lũng sông là những vùng tập trung chủ
yếu cuộc sống và hoạt động của con người và nơi
đó có nhiều công trình hiện có hoặc đang thiết kế.
Quá trình xói mòn có thể ảnh hưởng đến độ ổ
định của các công trình. Chúng được biểu hiện ở
tác dụng xói lở và xói trôi (phá hoại) bờ và lòng
sông – do dòng nước sông gây ra: sự xói trôi và
phá hoại ở sườn dốc, các không gian chia nước –
do các dòng nước mưa gây ra.
XÓI MÒN
Cấu trúc thung 
lũng khi sông 
chảy qua đất đá 
có độ chắc khác 
nhau
Các thềm ở thung lũng sông theo mặt cắt ngang
Động năng của sông tỷ lệ thuận với tích số của 
khối lượng nước m với một nửa bình phương tốc 
độ v của dòng chảy, tức là: 
2mvP
2
So sánh giá trị động năng P của sông với trọng lượng G
của vật liệu rời do sông mang chuyển, tức lưu lượng
dòng cứng, có thể phán đoán được đặc điểm của công do
sông thực hiện trên mặt cắt ngang hoặc trên một đoạn
nào đó. Nếu P > G thì xói mòn chiếm ưu thế; khi P = G thì
có sự cân bằng giữa xói mòn và tích tụ; khi P < G thì tích
tụ chiếm ưu thế. Đối với cùng một con sông tương quan
này thay đổi tùy từng chỗ.
Nếu tốc độ hiện có hoặc có thể có lớn hơn tốc độ cho phép
đối với đất đá được xét (vth>vcp) thì tác dụng xói lở, sụp đổ bờ
và lòng sông là không tránh được.
Bảng: Tốc độ dòng nước cho phép lớn nhất không gây ra
hiện tượng rửa xói đối với các nhóm đất đá khác nhau
Đất đá Tốc độ, m/s
Cứng
Granit, bazan, diorit, quartzit, gneiss và các đá khối khác
Cát kết bền chắc, đá vôi, đá hoa đặc chắc không phân lớp
Nửa cứng
Đá vôi có hang hốc, cát kết chặt sít có phân lớp
Đá vôi và cát kết lẫn sét, đá macnơ, đá phiến
Rời, xốp
Tảng lăn và đá hộc lớn
Tảng lăn và đá hộc nhỏ
Cuội và đá dăm lớn
Cuội và đá dăm nhỏ
Sỏi sạn
Cát hạt thô và hạt lớn
Cát hạt vừa và hạt nhỏ
Cát hạt mịn
Mềm dính
Sét và sét pha cát cứng
Sét và sét pha cát nửa cứng
Cát pha sét chặt
Cát pha sét kém chặt
15
4-5
3-4
2-3
4-5
3-4
2-3
1-1,25
0,6-1
0,25-0,6
0,26-0,35
0,2
1,2
0,5
0,6-0,8
0,25-0,35
Bảng: Vận tốc đáy cho phép không xói của đất rời
Trị số vận tốc cho phép không xói 6/1
6/1 .hd
VV odcp 
6/1d
Vod
Loại đất Cỡ hạt Đường kính
(mm)
Vod
(m/s)
Cát nhỏ
vừa
lớn
0,05 – 0,25
0,25 – 1,0
1,0 – 2,5
0,2
0,2
0,2 – 0,25
0,65
0,65
0,65 – 0,70
Sỏi nhỏ
vừa
lớn
2,5 – 5
5 – 10
10 – 15
0,25 – 0,35
0,35 – 0,5
0,5 – 0,6
0,70 – 0,85
0,85 – 1,1
1,1 – 1,2
Vận tốc trung bình cho phép không xói của
đất dính Vox
Loại đất Trạng thái Khối
lượng thể
tích (T/m3)
Chiều sâu nước (m)
0,4 1 2 3
Sét, sét
pha
mềm
dẻo mềm
dẻo cứng
1,2
1,2 – 1,5
1,65 – 2,05
0,35
0,70
1,0
0,40
0,85
1,20
0,45
0,95
1,40
0,50
1,10
1,50