Khi đứng trên cát ướt ở bãi biển và nhẹ nhàng giậm chân tại chỗ, đôi lúc bạn sẽ thấy lớp cát vốn chắc bỗng mềm nhũn, khiến bàn chân lún sâu xuống. Khi hiện tượng nhỏ này gặp một trận động đất lớn, nó trở thành thảm họa đáng sợ khiến cả tòa nhà nghiêng đi và đường ống thoát nước ngầm trồi lên. Đó chính là “hiện tượng hóa lỏng đất (Soil Liquefaction)”.
Nói một cách đơn giản, hiện tượng hóa lỏng đất là hiện tượng đất cát rời chứa nước chịu rung lắc mạnh như khi có động đất và trong chốc lát chuyển sang trạng thái giống chất lỏng. Nghiên cứu chuyên sâu bắt đầu khi hình ảnh những tòa chung cư không đổ sập mà nghiêng nằm nguyên khối sang một bên trong trận động đất Niigata ở Nhật Bản năm 1964 được biết đến rộng rãi; tại Hàn Quốc, những dấu vết rõ rệt đầu tiên cũng được xác nhận trong trận động đất Pohang năm 2017.
Tài liệu này trình bày một cách dễ hiểu từ ý nghĩa và cơ chế của hiện tượng hóa lỏng đất đến các điều kiện nền đất dễ xảy ra hóa lỏng, những trường hợp thiệt hại thực tế và các biện pháp phòng ngừa.
Cơ chế và biện pháp phòng ngừa hiện tượng hóa lỏng đất
Hiện tượng hóa lỏng đất là gì?
Mặt đất chúng ta đứng lên trông như một khối chắc chắn, nhưng thực chất có cấu trúc gồm vô số hạt đất tiếp xúc và tựa vào nhau. Những khoảng trống giữa các hạt chứa không khí hoặc nước; trong đất nằm dưới mực nước ngầm, phần lớn các khoảng trống này được nước lấp đầy. Nền đất như vậy chịu được trọng lượng công trình là nhờ các hạt đất đan chặt vào nhau, cùng phân chia và nâng đỡ tải trọng.
Tuy nhiên, khi động đất khiến nền đất rung nhanh qua lại, sự đan cài này bị phá vỡ. Khi các hạt tách rời nhau và chuyển sang trạng thái giống như lơ lửng trong nước, nền đất không còn nâng đỡ được trọng lượng như một chất rắn mà trở nên mềm nhão như bùn. Khi rung lắc dừng lại và nước thoát ra, đất sẽ cứng trở lại, nhưng trong khoảng thời gian đó, các công trình và đường sá bên trên đã nghiêng hoặc lún xuống.
Cơ chế khiến đất biến đổi như chất lỏng
Chìa khóa để hiểu hiện tượng hóa lỏng là áp lực của nước bị giữ giữa các hạt đất, tức áp lực nước lỗ rỗng (Pore Water Pressure). Bình thường, sự đan cài giữa các hạt chịu phần lớn tải trọng ép xuống từ phía trên, còn nước chỉ chịu một phần. Lực thực sự truyền qua lại giữa các hạt này được gọi là ứng suất hữu hiệu (Effective Stress) của đất.
Khi động đất xảy ra, các hạt đất vốn xếp rời rạc bị rung lắc và có xu hướng nén chặt hơn. Nhưng vì rung lắc diễn ra quá nhanh nên nước không có thời gian thoát khỏi các khoảng trống; lực ép của các hạt được chuyển toàn bộ sang nước, khiến áp lực nước tăng dần. Vào thời điểm áp lực nước gần bằng tải trọng ép xuống từ phía trên, sự đan cài giữa các hạt biến mất, ứng suất hữu hiệu tiến gần đến 0 và nền đất bắt đầu ứng xử như chất lỏng.
Lúc này, nước và cát không chịu nổi áp lực tăng cao đôi khi phun lên qua các khe nứt trên mặt đất; hiện tượng này được gọi là phun cát (Sand Boil). Nếu sau động đất xuất hiện những đụn cát nhô lên như núi lửa nhỏ trên ruộng đồng hoặc bãi đất trống, đó là bằng chứng cho thấy hóa lỏng đã xảy ra bên dưới.
Những nền đất dễ xảy ra hóa lỏng
Không phải nền đất nào cũng bị hóa lỏng. Càng có nhiều điều kiện sau đây xuất hiện đồng thời, nguy cơ càng lớn.
- Đất cát rời (Loose Sand): Các hạt xếp thưa nên khi rung lắc sẽ dễ bị nén chặt, làm tăng áp lực nước. Những loại đất có các hạt kết dính với nhau như đất sét tương đối khó bị hóa lỏng hơn.
- Mực nước ngầm nông (Shallow Groundwater): Vì các khoảng trống trong đất phải chứa đầy nước, những nơi có nước ngầm gần mặt đất sẽ nguy hiểm hơn.
- Đất lấn biển và vùng ven sông (Reclaimed Land and Riverbanks): Đất hình thành do lấp biển hoặc đồng bằng được bồi đắp bởi cát do sông mang đến thường mới được hình thành và chưa được nén chặt.
- Rung lắc mạnh và kéo dài (Strong and Long Shaking): Rung lắc càng mạnh và kéo dài thì càng có nhiều thời gian để áp lực nước tích tụ.
Trên thực tế, trong trận động đất Niigata năm 1964, các tòa chung cư xây trên nền cát ven sông đã nghiêng nghiêm trọng; trong trận động đất Alaska ở Mỹ cùng năm, nền đất vùng ven biển cũng trượt và sụt xuống. Trong thảm họa động đất Đông Nhật Bản năm 2011, hóa lỏng xảy ra tại nhiều khu đất lấn biển ở vịnh Tokyo; trong trận động đất Christchurch ở New Zealand cùng năm, hiện tượng này xuất hiện khắp thành phố, đặc biệt ở phía đông, làm hư hại nhiều nhà cửa và đường sá. Trong trận động đất Pohang năm 2017, dấu vết phun cát cũng được phát hiện trên ruộng đồng quanh tâm chấn, xác nhận rằng Hàn Quốc cũng không thể chủ quan.
Các biện pháp phòng ngừa để giảm thiệt hại do hóa lỏng đất
Vì không thể ngăn chặn chính trận động đất gây hóa lỏng, điều cốt yếu là gia cố nền đất từ trước và xây dựng công trình phù hợp.
(1) Nhận diện khu vực có nguy cơ
Khoan khảo sát để tìm hiểu loại đất, độ chặt và độ sâu của nước ngầm giúp ước tính trước nguy cơ hóa lỏng. Sau trận động đất Pohang, Hàn Quốc cũng đã lập và công bố bản đồ nguy cơ hóa lỏng theo từng khu vực.
(2) Đầm chặt nền đất
Khi dùng rung động hoặc quả đầm nặng để nén chặt cát rời, các hạt sẽ không còn dễ dàng dịch chuyển. Người ta cũng sử dụng phương pháp trộn các vật liệu như xi măng vào đất để làm đất cứng lại.
(3) Tạo đường thoát nước
Đặt các cột sỏi hoặc vật liệu thoát nước trong lòng đất giúp nhanh chóng giải phóng áp lực nước tăng cao khi rung lắc, qua đó làm chậm quá trình hóa lỏng.
(4) Nâng đỡ bằng móng sâu
Đóng cọc xuống tận lớp đất cứng nằm sâu, nơi không xảy ra hóa lỏng, để nâng đỡ công trình có thể giảm đáng kể nguy cơ công trình bị nghiêng ngay cả khi lớp đất bên trên mềm đi.
Hiện tượng hóa lỏng cho thấy ngay cả mặt đất mà chúng ta vẫn mặc nhiên tin là vững chắc cũng có thể biến đổi như nước chỉ trong chốc lát khi hội đủ điều kiện. Ngay cả ở nơi ít xảy ra động đất, thiệt hại vẫn hoàn toàn có thể giảm bớt nếu nhận diện trước và chuẩn bị ứng phó với những nền đất có nguy cơ như đất lấn biển và vùng ven sông.
Biết nền đất dưới chân được cấu tạo từ những gì chính là bước đầu tiên để xây dựng một thành phố chống chịu động đất.
