Trong phần trước, chúng ta đã cùng tìm hiểu nào là hiện tượng đất hóa lỏng cũng như cơ chế phát sinh của nó. Ở phần này, chúng ta sẽ vừa xem xét các thiệt hại do hiện tượng đất hóa lỏng gây ra trong quá khứ, vừa tìm hiểu xem các thiệt hại đó xảy ra như thế nào, cũng như phân tích nguyên nhân và cơ chế của chúng.
Thiệt hại do hiện tượng đất hóa lỏng gây ra được chia làm 2 loại chính theo đối tượng chịu thiệt hại đó là:
1. Thiệt hại đối với nền đất
2. Thiệt hại đối với các công trình xây dựng
I. Thiệt hại đối với nền đất:
Trong phần 1 đã có đề cập đến việc nền đất bị sụt lún, mất đi khả năng chịu tải sau khi xảy ra hiện tượng đất hóa lỏng. Tuy nhiên, một trong những thiệt hại nghiêm trọng khác của nền đất khi xảy ra hiện tượng đất hóa lỏng đó là sự chuyển dịch thành dòng của nền đất, hay nói cách khác là “trôi chảy nền đất”.
Khi đất bị hóa lỏng, độ liên kết giữa các hạt đất giảm đi rất nhiều, vì vậy giống như hình 1, tại những nơi nền đất có độ nghiêng, cho dù là rất nhỏ (sườn đồi, sườn núi…) hoặc nền đất ngang nhưng có tiết diện hở (nền đất dọc bờ sông, bờ biển, ven ao hồ…), đất sẽ dễ dàng bị xê dịch và cuốn trôi. Nếu độ liên kết giảm xuống gần bằng 0 thì chỉ cần sự mất cân bằng rất nhỏ về trọng lực cũng sẽ gây ra dịch chuyển rất lớn của nền đất.
Hình 2 là ảnh chụp các vết nứt xuất hiện trên mặt đường sau khi xảy ra động đất. Ảnh góc trên bên trái là ảnh chụp tại một địa điểm gần sông Shinano, tỉnh Niigata trong trận động đất Niigata năm 1964. Và trong trận động đất xảy ra tại tỉnh Kocaeli của Thổ Nhĩ Kỳ năm 1999, cũng xuất hiện những vết nứt tương tự như vậy (ảnh góc phải bên dưới). Thoạt nhìn, chúng ta sẽ nghĩ rằng những vết nứt này xuất hiện do chấn động trực tiếp từ trận động đất làm mặt đất bị nứt ra, tuy nhiên nguyên nhân thật sự là do sự chuyển dịch nền đất ở bên dưới (xảy ra do đất bị hóa lỏng) gây ra. Đặc điểm của những vết nứt này là chúng luôn vuông góc với dòng chảy của nền đất và luôn xuất hiện hàng loạt vết nứt như vậy chạy song song với nhau.
Hiện tượng trôi chảy nền đất không chỉ xảy ra trong cơn động đất mà còn tiếp tục kéo dài âm ỉ ngay cả khi dư chấn đã đi qua. Lúc này nền đất dịch chuyển một lượng rất lớn, gây hư hỏng hoặc phá hủy các công trình ngầm trong lòng đất. Ngoài ra các công trình trên mặt đất cũng bị dịch chuyển theo, tuy rất chậm nhưng kéo dài với cự ly dịch chuyển lớn, gây hư hỏng nghiêm trọng.
II. Thiệt hại đối với các công trình xây dựng
Trước hết có thể phân chia các công trình xây dựng ra làm 2 loại chính đó là:
– Công trình xây dựng chủ yếu từ đất (tạm gọi là công trình đất) như: đê điều, đập đất, nền đất đắp cao để nâng đỡ đường xá (bao gồm đường bộ, đường sắt…)
– Công trình xây dựng bình thường (bằng bê tông, gạch, sắt thép…) trên/trong nền đất như: nhà cửa, cầu cống, đường xá, công trình ngầm…
1. Thiệt hại đối với công trình đất:
1.1. Sụt lún, phá hủy của công trình đất
Các công trình đất như: đê điều ven sông, đường xá xây dựng trên những nền đất đắp cao… có thể bị thiệt hại nặng nề khi xảy ra hiện tượng đất hóa lỏng.
Trong trường hợp nền đất bên dưới công trình đất xảy ra hiện tượng đất hóa lỏng, chúng sẽ không còn khả năng nâng đỡ sức nặng của công trình đất phía bên trên, từ đó dẫn đến hiện tượng sụt lún của các công trình đất. Trong quá trình công trình đất bị sụt lún, sẽ xuất hiện lực kéo theo phương ngang về 2 phía, làm công trình đất bị xé toạt, gây xuất hiện các vết nứt phía trên công trình đất (hình 3a).
Mặt khác, trong trường hợp mực nước ngầm cao, bản thân công trình đất được cấu tạo chủ yếu từ cát (các hạt đất có đường kính lớn), độ bảo hòa trong đất cao, thì hiện tượng đất hóa lỏng có thể xảy ra ngay trong thân của công trình đó, làm mất khả năng liên kết, định hình ban đầu của công trình, từ đó gây ra hiện tượng biến dạng, hủy hoại công trình (hình 3b).
Đối với đường bộ và đường sắt được xây dựng trên những bờ đất đắp cao, hiện tượng đất hóa lỏng gây ra sự sụt lún kèm theo nứt gãy trong bờ đất bên dưới con đường, làm xuất hiện các bậc thang trên bề mặt con đường hoặc bẻ cong, gây đứt gãy đường ray (hình 4).
Đối với đê điều ven sông, ven biển; đất hóa lỏng gây sụt lún đê điều làm giảm độ cao thiết kế của công trình, từ đó làm mất tác dụng chắn sóng, chắn lũ của đê điều. Vì vậy, trong thiết kế đê điều, cần thiết phải tính toán độ cao hợp lý để ngay cả khi hiện tượng đất hóa lỏng xảy ra gây sụt lún công trình, đặc biệt sau khi động đất xảy ra thường kèm theo sóng thần, thì công trình vẫn giữ được chức năng chắn sóng, chắn lũ.
1.2. Sạt lở, trượt mái của công trình đất
Khi nền đất bị hóa lỏng, áp lực nước trong lòng đất tăng cao, làm giảm khả năng chống cắt của nền đất. Lúc này, đê điều hay các nền đất rất dễ bị trượt mái, gây sạt lở (Hình 5a). Và trượt mái gây ra do đất hóa lỏng như thế này so với sạt lở do các nguyên nhân khác, thường xảy ra tại ví trí khá sâu trong lòng công trình, lượng sạt lở lớn, gây ra thiệt hại rất lớn.
Mặt khác, tại các bề mặt nghiêng (sườn đồi, sườn núi…), khi xảy ra hiện tượng đất hóa lỏng, nền đất mất khả năng liên kết, và không thể tự nâng đỡ chính trọng lượng của nó, từ đó gây ra hiện tượng sạt lở đất. Đặt biệt, đất tại sườn đồi, sườn núi phần lớn được hình thành do sự bồi đắp của đất trên bề mặt nền đá cứng (Hình 5b). Tại ranh giới giữa nền đá cứng bên dưới và phần đất được bồi lấp bên trên thường tồn tại khá nhiều nước ngầm, cộng thêm nền đất bồi lấp thiếu ổn định bên trên là điều kiện lý tưởng để xảy ra hiện tượng đất hóa lỏng mỗi khi có rung lắc trong lòng đất.
Hình 6 là quang cảnh thiệt hại do sạt lở đất gây ra khi đất bị hóa lỏng. Chúng ta có thể thấy trên bề mặt có rất nhiều tuyết. Đây là một trong những nguyên nhân gián tiếp gây ra thiệt hại như trong hình. Nước từ tuyết tan chảy sẽ ngấm vào lòng đất làm tăng độ bão hòa trong đất, làm giảm khả năng chống trượt của nền đất cũng như làm tăng nguy cơ đất bị hóa lỏng. Ở Việt Nam tuy không có tuyết nhưng những trận mưa kéo dài cũng sẽ cung cấp điều kiện tương tự như vậy, và thiệt hại tương tự như vậy là điều hoàn toàn có thể xảy ra.
2. Thiệt hại đối với công trình xây dựng bình thường:
2.1 Sụt lún, nghiêng đổ của công trình trên mặt đất
Khi đất bị hóa lỏng, khả năng chịu tải của nền đất gần như bằng 0, vì vậy những tòa nhà có nền móng nông hoặc được nâng đỡ trực tiếp bởi nền đất sẽ bị sụt lún và nghiêng đổ. Đặc điểm của quá trình này là xảy ra khá chậm nhưng kéo dài, độ sụt lún, nghiêng đổ lớn.
Hình 8 là ảnh các tòa nhà bị nghiêng đổ, sụt lún trong trận động đất Niigata (1964). Có thể thấy các tòa nhà trong ảnh bị lún khoảng 1/3 chiều cao của tòa nhà, và bị nghiêng một góc khá lớn, tòa nhà phía trước nghiêng khoảng 30 độ, tòa nhà phía sau nghiêng khoảng 70 độ so với phương đứng. Tuy bị lún và nghiêng lớn như vậy, nhưng thiệt hại bên trong tòa nhà lại tương đối nhỏ. Nguyên nhân là do quá trình này diễn ra khá chậm chạp. Những tòa nhà bị sụt lún và nghiêng đổ như thế này sẽ không còn khả năng sử dụng và bắt buộc phải bỏ đi xây mới lại.
Ở trên đã đề cập đến thiệt hại đối với các tòa nhà bình thường có nền móng nông, vậy đối với các tòa nhà cao tầng, xây dựng trên nền cọc kiên cố được đóng sâu vào nền đất cứng (không bị hóa lỏng) thì như thế nào?
Các tòa nhà như vậy, nhờ có sự nâng đỡ của nền cọc sẽ không bị sụt lún ngay cả khi nền đất bên dưới mất khả năng chịu tải. Tuy nhiên, sau khi xảy ra hiện tượng đất hóa lỏng, các hạt đất sẽ bị xáo trộn và sắp xếp lại vị trí, khi đó nền đất sẽ hạ thấp xuống hơn so với ban đầu, để lộ ra nền móng của tòa nhà (hình 9b). Lúc này, do ko còn nền đất nâng đỡ xung quanh nên chỉ cần một sự mất cân bằng nhỏ, khả năng tòa nhà bị nghiêng theo phương ngang là rất lớn. Ngoài ra, trong quá trình đất hóa lỏng thường kèm theo sự dịch chuyển của nền đất (đã đề cập đến ở phần I), làm gãy các cọc nâng đỡ, gây nghiêng đổ tòa nhà (hình 9c).
Ở hình 10a ta có thể thấy nền đất xung quanh tòa nhà bị tụt xuống, để lộ ra phần móng bên dưới tòa nhà. Tuy bản thân tòa nhà không bị sụt lún và hư hại nghiêng trọng, tuy nhiên các đường ống dẫn nước, dẫn gas, dây điện bên dưới tòa nhà hầu hết đều bị gãy đứt, hư hỏng nặng nề. Để có thể tiếp tục sử dụng, cần thiết phải cải tạo lại phần móng bên dưới và nền đất xung quanh khá tốn kém.
Hình 10b là hình ảnh phần móng bên dưới của một tòa nhà trải qua trận động đất Niigata (1964). Tuy nhiên đây không phải là ảnh chụp ngay sau khi cơn động đất kết thúc mà là ảnh chụp 20 năm sau đó, khi người ta quyết định xây mới lại tòa nhà và đào phần móng bên dưới lên. Trong hình ta có thể thấy được các cọc bê tông kiên cố đều bị gãy theo cùng một hướng và ở cùng một vị trí như nhau.
2.2 Sự trồi lên của công trình ngầm
Trong lòng đất có rất nhiều công trình ngầm như cống thoát nước; đường ống dẫn nước, điện, gas; miệng cống (manhole); bể ngầm chứa xăng dầu; đường ngầm trong lòng đất… Trong số những công trình này, có khá nhiều công trình có tỷ trọng nhỏ hơn so với hỗn hợp đất và nước xung quanh. Thông thường khi đất không bị hóa lỏng, dưới tác dụng của lực ma sát giữa nền đất xung quanh và bề mặt của công trình, công trình sẽ được giữ ổn định trong lòng đất. Tuy nhiên, khi hiện tượng đất hóa lỏng xảy ra, lực ma sát nói trên giảm về gần bằng 0, đồng thời lực đẩy Archimedes của hỗn hợp đất và nước đột ngột tăng cao, khi đó các công trình ngầm sẽ bị đẩy trồi lên phía mặt đất.
Trong hình 12a là một bể ngầm chứa dầu bị đẩy trồi lên khỏi mặt đất trong trận động đất ở phía Tây Nam đảo Hokkaido năm 1993. Nhìn lớp nhựa đường phía xung quanh bể ngầm đều bị đẩy tung lên phía trên, có thể thấy được lực đẩy tác dụng vào bể ngầm lớn như thế nào. Tương tự như vậy, trong hình 12b là hình ảnh một miệng cống bị đẩy trồi lên khỏi mặt đường tận 1.7 m sau khi vùng đất xung quanh bị hóa lỏng.
Không phải tất cả các công trình ngầm khi đất bị hóa lỏng đều bị đẩy bật lên khỏi mặt đất. Đôi khi có trường hợp các công trình chỉ dịch chuyển một đoạn nhỏ trong lòng đất và không trồi lên khỏi mặt đất. Ngược lại, cũng có trường hợp những công trình ở gần mặt đất, bị sụt xuống cùng với sự sụt lún của nền đất. Tuy chỉ dịch chuyển một đoạn nhỏ trong lòng đất nhưng thiệt hại đối với các công trình này cũng rất lớn. Bởi những công trình trong lòng đất như đường ống dẫn nước, điện, gas; cống ngầm… thường kéo dài hàng km trong lòng đất. Khi đó tác dụng của đất khi bị hóa lỏng vào các công trình này là không giống nhau trên toàn bộ chiều dài của công trình, làm các thành phần của công trình dịch chuyển không đồng bộ, gây ra đứt gãy, hư hỏng. Trong hình 12c là khớp nối của một đường ống nước bị gãy rời do sự dịch chuyển không đồng bộ giữa các bộ phận.
Để dễ hình dung những thiệt hại nào có thể xảy ra đối với một công trình ngầm dưới lòng đất, các bạn có thể xem qua Hình 13 ở bên dưới. Hình 13 chỉ đề cập đến một trường hợp cụ thể đó là hệ thống công trình thoát nước, tuy nhiên thiệt hại đối với các loại công trình khác (đường ngầm, bể chứa, ống dẫn khí…) có thể suy nghĩ tương tự như vậy.
III. Tổng kết
Thiệt hại do đất hóa lỏng gây ra đối với công trình xây dựng, cơ sở hạ tầng là rất lớn. Khi đánh giá thiệt hại do đất hóa lỏng gây ra, cần phải xem xét đồng thời thiệt hại trực tiếp đối với công trình, cơ sở hạ tầng và thiệt hại gián tiếp khi công trình, cơ sở hạ tầng đó không thể sử dụng được, hay nói một cách khác là ảnh hưởng đối với xã hội và đời sống con người.
Chẳng hạn, khi đường bộ, đường sắt bị ảnh hưởng bởi đất hóa lỏng, thì không chỉ bản thân đường bộ, đường sắt đó bị hư hỏng, mà các hoạt động như di tản người bị nạn, cứu trợ vùng bị thiên tai, vận chuyển thuyết bị để khôi phục lại vùng bị thiệt hại cũng không thể thực hiện được. Hiện tượng sạt lở đất không chỉ gây thiệt hại về nhà cửa mà còn gây nguy hiểm đến tính mạng của con người. Ngoài ra, sụt lún đê điều khi xảy ra đất hóa lỏng sẽ làm mất khả năng phòng chống ngập lụt của đê điều, từ đó dẫn đến các tai họa thứ cấp khác.
Tóm lại, khi nghiên cứu các biện pháp phòng chống giảm thiểu thiệt hại do đất hóa lỏng gây ra, cần thiết phải tính đến các ảnh hưởng đối với xã hội, đối với cuộc sống của con người, để tìm ra biện pháp thích hợp nhất.
NVB
Nguồn tham khảo: http://weblearningplaza.jst.go.jp/
