Đất hoá lỏng: vì sao đất cát ngập nước rung lên thì chảy như nước

Đất cát hoá lỏng khi bị rung mạnh vì các hạt cát xếp lỏng lẻo, ngập nước, bị rung thì muốn sụp xuống xếp chặt hơn, nhưng nước trong khe không kịp thoát ra nên bị ép, áp suất nước tăng vọt. Áp suất ấy đẩy các hạt tách khỏi nhau, hạt không còn tựa vào nhau để chịu lực, cả khối đất mất sức chịu tải và chảy như chất lỏng đặc. Hết rung, nước dần thoát ra và đất cứng lại, nhưng nhà cửa có thể đã lún nghiêng.

Cảnh nhỏ trên bãi biển, cảnh lớn trong động đất

Đứng ở mép nước, chỗ cát vừa được sóng phủ, rồi nhún nhún hoặc lắc bàn chân qua lại liên tục. Chỉ vài giây, cát dưới chân nhão ra, chân lún dần, nước rỉ lên quanh chân. Dừng lắc, cát lại "đông" chặt lấy bàn chân, rút chân ra hơi khó. Đó là phiên bản bé xíu của đất hoá lỏng.

Phiên bản lớn là một trong những kiểu thiệt hại đặc trưng của động đất trên đất cát ven sông, ven biển, đất san lấp. Những trường hợp được ghi chép và nghiên cứu nhiều:

Bài này tập trung vào cơ chế: vì sao đất rắn có lúc chảy. Chuyện động đất và thiên tai nói chung là đề tài riêng.

Đất chịu lực nhờ hạt tựa vào nhau

Đất cát là một đống hạt. Nó đỡ được ngôi nhà, con đường là nhờ các hạt tì vào nhau, lực truyền qua các điểm tiếp xúc giữa hạt, và ma sát ở các điểm ấy không cho hạt trượt. Các kỹ sư gọi lực truyền qua bộ khung hạt là ứng suất hữu hiệu. Ma sát giữa hạt tỉ lệ với lực ép hạt vào nhau: ép càng chặt, càng khó trượt.

Khi đất ngập nước, khe giữa hạt đầy nước. Nước cũng có áp suất. Phần tải trọng mà bộ khung hạt thật sự gánh bằng tổng tải trọng trừ đi phần áp suất nước. Nguyên lý này được kỹ sư Karl Terzaghi phát biểu đầu thế kỷ 20 và là nền tảng của ngành cơ học đất.

Rung lên thì chuyện gì xảy ra

1. Cát xếp lỏng. Cát mới bồi, cát san lấp không đầm, cát ven sông thường xếp lỏng lẻo, nhiều khe hở.
2. Rung làm hạt muốn sụp. Sóng động đất lắc đất qua lại nhiều lần. Mỗi lần lắc, hạt có xu hướng rơi vào chỗ khít hơn, như lắc hộp hạt cho nó lún xuống.
3. Nước không kịp thoát. Sụp xuống nghĩa là khe hở phải nhỏ lại, nước phải thoát ra. Nhưng động đất kéo dài chỉ vài chục giây đến vài phút, nước trong cát không chảy ra kịp.
4. Áp suất nước tăng. Nước bị nén, áp suất trong khe tăng dần sau mỗi chu kỳ rung.
5. Hạt "nổi". Khi áp suất nước gần bằng sức nặng của lớp đất phía trên, ứng suất hữu hiệu giảm gần về không. Hạt không còn ép vào nhau, ma sát mất, đất hoá thành một hỗn hợp hạt lơ lửng trong nước.

Lúc đó, nhà đặt trên nền ấy lún chìm hoặc nghiêng như thuyền mắc cạn; ngược lại, những thứ nhẹ hơn nằm trong đất như bể ngầm, ống cống, hố ga có thể nổi lên khỏi mặt đất. Đất trên sườn dốc nhẹ có thể trôi đi thành dòng.

Núi lửa cát: dấu vết trên mặt đất

Nước bị nén cao áp tìm đường thoát lên mặt, kéo theo cát. Nó phun qua các vết nứt, tạo thành những ụ cát hình nón nhỏ có miệng ở giữa, gọi là núi lửa cát hay phun cát. Chúng có thể phun một lúc lâu sau khi rung đã dừng. Các nhà địa chất còn tìm thấy dấu vết phun cát cổ trong các lớp trầm tích, dùng để biết vùng đó từng có động đất lớn trong quá khứ, kể cả khi chưa có ghi chép lịch sử.

Đất nào dễ hoá lỏng, đất nào không

Đây cũng là chỗ khác với bài về dấu chân trên cát ướt: cát xếp chặt khi bị cắt thì nở ra, hút nước vào, cứng lên tạm thời; cát xếp lỏng khi bị rung thì co lại, ép nước, mềm nhão ra. Cùng là cát và nước, hai trạng thái xếp hạt cho hai kết cục trái ngược.

Kỹ sư chống hoá lỏng thế nào

• Đầm chặt nền: rung, nện nền cát trước khi xây để hạt xếp chặt.
• Giếng thoát nước, cọc sỏi: tạo đường cho nước thoát nhanh khi rung, áp suất không kịp dâng.
• Móng cọc: đưa tải trọng xuống lớp đất chặt, cứng ở dưới sâu, qua lớp cát dễ hoá lỏng.
• Gia cố bằng xi măng, vữa: trộn hoặc bơm chất kết dính vào đất.

Ở Việt Nam, động đất mạnh ít xảy ra hơn nhiều nước trong vùng, nhưng tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất vẫn yêu cầu đánh giá khả năng hoá lỏng của nền ở những nơi cần thiết. Hiện tượng gần với hoá lỏng cũng gặp khi đóng cọc, chạy máy rung, nền đường sắt rung liên tục trên đất cát bão hoà.

Hiểu lầm thường gặp

• "Hoá lỏng là đất bị nước mưa làm sũng." Mưa làm đất ẩm, mất lực dính, có thể gây sạt trượt, nhưng hoá lỏng đúng nghĩa cần rung (hoặc tải trọng thay đổi rất nhanh) làm áp suất nước tăng.
• "Cát lún hút người xuống đáy như phim." Cát lún tự nhiên làm người lún tới đầu gối hay thắt lưng rồi kẹt, vì người nhẹ hơn hỗn hợp cát nước nên không chìm hẳn. Nguy hiểm thật sự là bị kẹt khi nước triều lên, hoặc kiệt sức khi cố rút chân ra. Hãy nằm ngửa dàn rộng trọng lượng, cử động chân chậm để nước len vào quanh chân rồi rút ra từ từ, và gọi người giúp.
• "Đất hoá lỏng xong là hỏng mãi." Sau khi nước thoát, đất thường chặt hơn trước, nhưng lần động đất sau vẫn có thể hoá lỏng lại nếu chưa đủ chặt.

Tự quan sát / tự thử an toàn

1. Thử ở mép nước. Đứng nơi cát ngập nước nông, nhún nhẹ liên tục vài giây, cảm nhận chân lún và nước rỉ quanh chân. Dừng lại, cảm nhận cát "đông" lại. Chỉ làm ở bãi cát ổn định, có người lớn, nước không quá đầu gối.
2. Hộp hoá lỏng. Đổ cát sạch vào hộp nhựa trong, rót nước cho đến khi vừa ngập mặt cát. Xếp vài khối gỗ nhỏ hoặc vỏ hộp diêm đứng thẳng trên mặt như những "toà nhà", chôn một quả bóng bàn ở độ sâu vài phân. Đặt hộp lên bàn, vỗ đều hai bên hộp hoặc lắc nhẹ hộp qua lại liên tục. "Toà nhà" nghiêng đổ, quả bóng bàn trồi lên, mặt cát có nước rỉ và có khi xuất hiện những miệng phun cát nhỏ.
3. So sánh với cát khô. Làm lại với cát khô: khối gỗ ít nghiêng hơn nhiều. Bạn vừa tự thấy vai trò của nước.
4. Xem ảnh tư liệu. Tìm ảnh "Niigata 1964 apartment" và "Christchurch sand boils" để thấy quy mô thật.

An toàn: không vào bãi bùn, bãi cát lỏng ở cửa sông, bãi triều rộng khi không có người địa phương hướng dẫn. Biết giờ nước lên trước khi ra bãi triều.