Lỏng hóa là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu chung về lỏng hóa

Lỏng hóa (soil liquefaction) là hiện tượng đất bão hòa nước, thường là cát và phù sa mịn, đột ngột mất độ bền và biến thành chất lỏng khi chịu tác động động đất hoặc tải trọng lặp lại. Khi đó, áp lực nước trong các lỗ rỗng tăng lên đến mức áp lực hiệu dụng xuống gần hoặc về không, khiến hạt đất mất liên kết cơ học. Hiện tượng này gây ra sụt lún, dịch chuyển ngang và mất ổn định cấu trúc nền móng, làm công trình bị nghiêng, vỡ nền hoặc lún không đều.

Lỏng hóa có thể xảy ra tạm thời (cyclic liquefaction), khi sau một chuỗi dao động đất đất trở lại trạng thái rắn, hoặc vĩnh viễn (flow liquefaction), khi khối đất trượt và chảy như bùn. Cả hai dạng đều tiềm ẩn nguy cơ lớn cho hạ tầng giao thông, cầu đường, nhà cao tầng và đê kè. Nghiên cứu lỏng hóa giúp đánh giá nguy cơ, lập bản đồ phân vùng và đưa ra giải pháp cải thiện nền móng.

• Ảnh hưởng chính: sụt lún, nghiêng, mất ổn định công trình.
• Thành phần dễ lỏng hóa: cát mịn, phù sa, tàn tích bãi sông.
• Nguyên nhân kích thích: động đất, rung chấn cơ khí, tải trọng dao động.

Cơ chế vật lý của lỏng hóa

Khi đất bão hòa chịu tải trọng động, các hạt rèm rung lắc và chen ép vào nhau, làm giảm độ rỗng của khung đất tạm thời. Vì nước trong lỗ rỗng không thoát kịp, áp lực lỗ rỗng (u) tăng lên. Áp lực hiệu dụng σ’ = σ – u (trong đó σ là ứng suất toàn phần) giảm, đến mức không đủ duy trì tiếp xúc hạt, dẫn đến mất liên kết và độ cứng giảm mạnh.

Các dao động ngang theo chu kỳ (cyclic shear stress) tích lũy biến dạng dư, tăng dần áp lực lỗ rỗng cho đến khi khung đất không chịu được tải trọng. Khi áp lực lỗ rỗng bằng hoặc vượt áp lực trước tải, đất chuyển từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng. Trong trường hợp áp lực không giảm ngay sau khi hết dao động, hiện tượng lỏng hóa tạm thời hoặc vĩnh viễn xảy ra.

Chu kỳ dao động càng lớn, biên độ càng cao thì khả năng lỏng hóa càng tăng. Việc xác định giới hạn biến dạng cho phép dự báo được số chu kỳ cần thiết để đất bắt đầu mất ổn định. Sự gia tăng nhiệt do ma sát giữa các hạt trong quá trình lắc cũng đóng góp vào giảm độ bền của nền.

Điều kiện địa chất và môi trường thuận lợi cho lỏng hóa

Các điều kiện sau làm tăng nguy cơ lỏng hóa:

• Đất cát mịn, phân tán kém: Hạt nhỏ, tỷ lệ khe hở lớn, dẫn đến dễ tích áp lực lỗ rỗng.
• Độ chặt thấp: Đất mới lắng đọng hoặc được cải tạo không đầy đủ có khoảng rỗng cao, ít ma sát hạt, giảm khả năng kháng lực.
• Mực nước ngầm cao: Khi mực nước cách mặt đất ít, tầng đất bão hòa sâu, áp lực lỗ rỗng tăng dễ dàng.
• Địa hình phẳng hoặc hơi trũng: Sóng động đất không bị phân tán, tạo dao động lớn trong lớp đất mỏng.

Ví dụ các vùng phù sa sông, bãi bồi ven biển, đầm lầy đã từng ghi nhận sự kiện lỏng hóa nghiêm trọng sau động đất. Tại những khu vực này, khả năng thoát nước gần như không có, áp lực lỗ rỗng tăng nhanh hơn khả năng giảm áp qua thoát nước.

Sự phân bố kích thước hạt và hàm lượng sét cũng ảnh hưởng: hạt sét dưới 5% có thể tăng tính kết dính, làm giảm nguy cơ lỏng hóa; nhưng sét quá nhiều lại làm đất dẻo, hạn chế thoát nước, dẫn đến biến dạng chậm nhưng bền vững.

Mô hình và chỉ số đánh giá khả năng lỏng hóa

Khả năng kháng lỏng hóa của tầng đất được đánh giá qua chỉ số CRR (cyclic resistance ratio), đo trong phòng thí nghiệm hoặc ước tính từ kết quả CPT/SPT. CRR thể hiện tỷ lệ ứng suất lặp lại tối đa mà đất có thể chịu mà không lỏng hóa sau một số chu kỳ nhất định.

Chuẩn đoán nguy cơ lỏng hóa sử dụng hệ số an toàn FS (factor of safety): $FS = \frac{CRR}{CSR}$ với CSR (cyclic stress ratio) tính toán từ sóng động đất:
$CSR = 0.65 \frac{a_{\max}}{g} \frac{\sigma_v}{\sigma'_v}$ trong đó aₘₐₓ là gia tốc tối đa, g là gia tốc trọng trường, σᵥ và σ′ᵥ lần lượt là ứng suất toàn phần và hiệu dụng.

• FS > 1.2: An toàn, nguy cơ lỏng hóa thấp.
• 0.8 < FS < 1.2: Nguy cơ trung bình, cần biện pháp cải tạo.
• FS < 0.8: Nguy cơ cao, bắt buộc xử lý nền móng trước xây dựng.

Biểu đồ Seed & Idriss và phương pháp phân tích tương quan SPT vs CRR là công cụ phổ biến để xác định CRR từ N₁₀₀ (giá trị SPT hiệu chỉnh). CPT-based correlations cũng được dùng để đánh giá nhanh và chi tiết hơn vùng nguy cơ lỏng hóa.

Phương pháp thí nghiệm và khảo sát hiện trường

Thí nghiệm nén lặp (cyclic triaxial) là phương pháp tiêu chuẩn trong phòng thí nghiệm, mô phỏng ứng suất động đất lên mẫu đất bão hòa. Mẫu đất được đặt trong cell áp suất, chịu tải trọng tĩnh và dao động ngang, ghi nhận sự phát triển áp lực lỗ rỗng và biến dạng dư. Kết quả cho phép xác định số chu kỳ dẫn đến lỏng hóa và giá trị CRR tương ứng.

Thí nghiệm cyclic simple shear đơn giản hơn nhưng vẫn phản ánh chính xác ứng xử của đất dưới ứng suất cắt lặp lại. Mẫu đất được cố định theo biên dạng hình elip, chịu dao động theo phương ngang, đo biên độ biến dạng và áp lực lỗ rỗng. Kết quả thường dùng để hiệu chuẩn mô hình số và so sánh với cyclic triaxial.

Khảo sát in-situ bao gồm Standard Penetration Test (SPT) và Cone Penetration Test (CPT). SPT đo số búa cần thiết để xuyên 30 cm mẫu khoan, giá trị N₆₀ hiệu chỉnh dùng để tính CRR qua biểu đồ Seed & Idriss. CPT đo lực xuyên đầu nón (qc) và áp lực lỗ rỗng (u₂), hỗ trợ tính toán chi tiết CRR và phân vùng nguy cơ.

• SPT: Phổ biến, chi phí thấp, độ ổn định kết quả phụ thuộc điều kiện thi công.
• CPT: Độ phân giải cao, liên tục, khả năng đo áp lực trực tiếp.
• Địa vật lý (MASW, ReMi): Xác định tầng đất, độ rỗng và mô đun đàn hồi.

Biểu hiện và hậu quả của lỏng hóa

Sand boils (phun cát) xuất hiện khi áp lực lỗ rỗng cao đẩy bùn và hạt cát lên bề mặt, hình thành miệng phun và chảy formae vệt dài. Đây là dấu hiệu rõ ràng nhất của lỏng hóa và dễ quan sát sau động đất. Mức độ và mật độ sand boils tỷ lệ thuận với cường độ lỏng hóa và lớp đất yếu.

Sụt lún và dịch chuyển ngang của nền đất dẫn đến nghiêng móng, nứt tường và hư hại đường giao thông. Cầu đường, bể chứa ngầm và ống dẫn nước dễ bị biến dạng hoặc vỡ do mất độ cứng nền. Công trình trên nền lỏng hóa thường bị nghiêng đồng đều (tilt) hoặc lún không đều (differential settlement).

Ví dụ động đất Kobe 1995 (Nhật Bản) và Niigata 1964 ghi nhận lỏng hóa nghiêm trọng, hàng nghìn công trình bị sập hoặc nghiêng, đường sá và cảng biển bị hư hại nặng nề. Thiệt hại kinh tế lên tới hàng tỷ USD và hàng trăm sinh mạng bị ảnh hưởng (USGS Earthquake Hazards).

Biện pháp phòng chống và cải thiện

Vibro compaction là kỹ thuật rải cát hoặc đá dọc lớp đất sét, sau đó rung bằng thiết bị vibro để tăng độ chặt. Phương pháp này giảm khoảng rỗng và tăng ma sát hạt, nâng cao CRR. Ưu điểm là hiệu quả nhanh, áp dụng cho diện tích rộng nhưng chi phí đầu tư và vận hành cao.

Dynamic compaction sử dụng khối thép rơi tự do từ độ cao lớn để nén chặt đất, tạo sóng nén xuyên sâu. Kỹ thuật này phù hợp với nền đất yếu, lớp dày nhưng gây rung động lớn lan truyền đến khu dân cư lân cận, cần đánh giá ảnh hưởng trước khi thi công.

Biện pháp giảm áp lực lỗ rỗng như cọc thoát nước ngang (wick drains) và hệ thống giếng giảm áp (vacuum consolidation) nhằm tăng tốc độ thoát nước trong khe rỗng. Các cọc thoát nước được bố trí theo lưới, dẫn nước ra bề mặt hoặc kênh tiêu, giảm áp lực lỗ rỗng nhanh chóng và ổn định nền.

• Jet grouting: bơm vữa xi măng vào đất, tạo cột đất-cement gia cố.
• Cọc cát: đổ cát đầm chặt, cải thiện thoát nước và gia cố cát mịn.
• Soil–cement columns: khoan đài khoan, trộn vữa xi măng với đất tại chỗ.

Vai trò trong thiết kế kết cấu và quy chuẩn

Tiêu chuẩn ASCE 7-16 và Eurocode 8 quy định bắt buộc đánh giá lỏng hóa khi thiết kế móng tại vùng động đất. Kết quả khảo sát SPT/CPT phải được sử dụng để xây dựng mô hình tính toán và lựa chọn giải pháp móng phù hợp, như móng cọc sâu hoặc móng bè chịu kéo nhổ thấp.

Ở Việt Nam, Tiêu chuẩn ĐLVN TCVN 9386:2012 về thiết kế chống động đất yêu cầu phân tích lỏng hóa cho công trình giao thông và nhà cao tầng tại khu vực có nguy cơ. Kỹ sư địa kỹ thuật phải cung cấp hồ sơ đặc trưng CRR, CSR và FS cùng bản đồ phân vùng lỏng hóa để chủ đầu tư xem xét.

Thiết kế móng sâu vượt qua lớp đất dễ lỏng hóa (pile foundations) là biện pháp phổ biến. Cọc bê tông ly tâm hoặc cọc ép truyền tải trọng đến tầng đá nền, tránh tác động của áp lực lỗ rỗng. Móng bè (raft foundation) kết hợp giám sát nguyên liệu và gia cố tại chỗ cũng được sử dụng cho công trình quy mô vừa và nhỏ.

Ứng dụng công nghệ giám sát và dự báo

Hệ thống cảm biến áp lực lỗ rỗng tự động đo biến đổi u theo thời gian thực, truyền dữ liệu bằng sóng vô tuyến về trung tâm điều khiển. Kỹ sư có thể theo dõi áp lực trước và sau động đất, đánh giá tiến trình lỏng hóa và lập kế hoạch ứng phó ngay lập tức.

Phương pháp MASW (Multichannel Analysis of Surface Waves) và đo dao động tự nhiên (ambient vibration) phân tích tầng đất và xác định độ cứng tại chỗ. Kết quả MASW kết hợp CPT giúp lập bản đồ 3D phân vùng nguy cơ lỏng hóa, hỗ trợ quy hoạch đô thị và quản lý rủi ro (Civil Eng. Research).

Mô hình phần tử hữu hạn (FE) tích hợp địa chất động lực học cho phép mô phỏng phản ứng nền đất dưới động đất với tham số CRR, CSR và biến dạng đất. Kết quả mô phỏng hỗ trợ đánh giá hiệu quả biện pháp cải thiện trước khi thi công thực tế.

Xu hướng nghiên cứu và thách thức tương lai

Ứng dụng Machine Learning tích hợp dữ liệu CPT/SPT, gia tốc kế và địa vật lý để xây dựng mô hình dự báo nguy cơ lỏng hóa nhanh và chính xác. Các thuật toán như Random Forest và Neural Network cho phép phân tích đa chiều, giảm phụ thuộc vào công thức kinh nghiệm.

Phương pháp khoan thăm dò không xâm lấn (passive seismic) sử dụng sóng Rayleigh tự nhiên để xác định mô đun shear và độ bão hòa tầng đất. Kỹ thuật này tiết kiệm thời gian khảo sát, giảm chi phí và ảnh hưởng tới hiện trường.

• Blockchain archives: ghi nhận giá trị khảo sát không thể sửa đổi.
• Big Data integration: xử lý hàng nghìn điểm CPT để lập bản đồ nguy cơ toàn diện.
• Sensors mạng lưới IoT: giám sát áp lực và biến dạng đồng thời trên diện rộng.

Tài liệu tham khảo

• United States Geological Survey. Soil Liquefaction. Truy cập: usgs.gov
• Seed, H. B., & Idriss, I. M. (1971). Simplified procedure for evaluating soil liquefaction potential. Journal of Soil Mechanics and Foundations Div., ASCE.
• FEMA P-1050. Seismic Evaluation and Retrofit of Existing Buildings. Truy cập: fema.gov
• Kramer, S. L. (1996). Geotechnical Earthquake Engineering. Prentice Hall.
• Northwestern University Civil and Environmental Engineering Research. Truy cập: civil.northwestern.edu