Địa kỹ thuật Vùng lạnh, Ven biển & Môi trường¶

Tóm tắt Chuyên đề

Phiên 2 của GeoVadis (GAIC 2025) giải quyết các thách thức cấp bách tại điểm giao thoa giữa kỹ thuật địa kỹ thuật, biến đổi khí hậu toàn cầu và cô lập chất thải nguy hại. Các công trình tiêu biểu đi sâu vào cơ chế suy thoái do chu kỳ đóng băng - tan băng tại vùng núi cao, phân tích ảnh số (DIA/DIC) hiện tượng nứt nẻ do co ngót của đất sét, trương nở của màng ngăn bentonite dưới tác động nhiệt - hóa, quan trắc áp lực nước lỗ rỗng trong xử lý nền hút chân không và lưu trữ nhiệt địa nhiệt nông.

1. Cơ học Đóng băng - Tan băng trong Đất Đóng băng Theo mùa (C. Tagar, A. Kalita, A. Dey)¶

Tính Dễ bị Tổn thương của Hạ tầng Giao thông Vùng núi cao¶

Các công trình giao thông tại vùng núi cao (như tuyến hầm đèo Sela ở độ cao 4.200 m tại Arunachal Pradesh, Ấn Độ) phải đối mặt với các chu kỳ dao động nhiệt độ mùa đông - mùa hè cực kỳ khắc nghiệt. Tagar và cộng sự tiến hành các thí nghiệm chu kỳ đóng băng - tan băng nhiều vòng (nhiệt độ luân phiên từ \(-15^\circ\text{C}\) đến \(+20^\circ\text{C}\)) trên đất nền tự nhiên: - Biến đổi cấu trúc lỗ rỗng: Sự hình thành các thấu kính băng (ice lenses) làm trương nở các lỗ rỗng vi mô trong quá trình đóng băng. Quá trình tan băng tiếp theo làm tăng hệ số rỗng (\(e\)) và phá vỡ các liên kết xi măng hóa giữa các hạt khoáng. - Suy giảm sức kháng nén một trục (\(q_u\)): Cường độ kháng nén giảm theo quy luật hàm mũ trong 5 chu kỳ đầu tiên, suy giảm tới 45% cường độ ban đầu trước khi đạt tới ngưỡng cường độ dư ổn định. - Mô-đun đàn hồi phục hồi (\(M_R\)): Thí nghiệm ba trục chu kỳ xác nhận sự sụt giảm nghiêm trọng độ cứng của nền đường, giải thích nguyên nhân gây hằn lún vệt bánh xe và nứt mỏi mặt đường giao thông vùng cao.

2. Nứt nẻ do Co ngót Khô trong Đất Sét Đầm chặt (S. Majumder, B.K. Agarwal, A. Sachan)¶

Phân tích Ảnh số (DIA) & Tương quan Ảnh số (DIC)¶

Nứt nẻ do co ngót làm suy giảm nghiêm trọng khả năng chống thấm của các lớp lót đáy bãi chôn lấp chất thải, bờ kênh dẫn và lõi chống thấm đập đất. Majumder và cộng sự sử dụng hệ thống máy ảnh quang học độ phân giải cao kết hợp phương pháp DIC để theo dõi biến dạng và sự lan truyền vết nứt trong suốt quá trình bốc hơi làm khô: - Ngưỡng biến dạng kéo tới hạn: Vết nứt bắt đầu xuất hiện khi biến dạng kéo cục bộ vượt quá giới hạn biến dạng kéo dẻo của đất sét (\(\epsilon_{t,lim} \approx 1{,}2\% - 1{,}8\%\)). - Hệ số mật độ vết nứt (CIF): Được xác định bằng tỷ số giữa diện tích vết nứt bề mặt trên tổng diện tích mẫu đất (\(CIF = A_{crack} / A_{total}\)). - Ngưỡng lực hút dính ma mao dẫn: Vết nứt xuất hiện đúng thời điểm lực hút dính ma mao dẫn tiệm cận giá trị xâm nhập của không khí (\(AEV\)), kích hoạt sự co rút màng nước mặt vào sâu bên trong các khe rỗng.

       Bốc hơi thoát ẩm (Làm khô) ──► Màng nước co rút vào lỗ rỗng
                                       │
                                       ▼
       Lực hút dính ma mao dẫn tăng vọt (ψ = ua - uw) ──► Ứng suất kéo mao dẫn tích tụ
                                       │
                                       ▼
       Ứng suất kéo vượt quá sức kháng kéo của đất (σ_t > f_t)
                                       │
                                       ▼
       Xuất hiện vết nứt vi mô ──► DIC phát hiện tập trung biến dạng kéo
                                       │
                                       ▼
       Mạng lưới vết nứt liên thông ──► CIF tăng vọt, hệ số thấm k tăng 100 lần

3. Trương nở & Khả năng Thấm của Màng Ngăn Bentonite (D. Ito, N. Yamada, H. Wang, H. Komine)¶

Bể Cô lập Địa chất Sâu cho Chất thải Hạt nhân¶

Hỗn hợp bentonite - cát đầm chặt đóng vai trò là rào cản kỹ thuật cô lập các thùng chứa chất thải phóng xạ mức độ cao. Ito và cộng sự nghiên cứu sự biến đổi áp lực trương nở (\(p_s\)) và hệ số thấm (\(k\)) khi xảy ra quá trình trao đổi cation (\(Na^+\) thay bằng \(Ca^{2+}\)) và xâm nhập của nước ngầm nhiễm mặn: - Tác động của hóa trị cation: Nước ngầm chứa các ion hóa trị hai (\(Ca^{2+}, Mg^{2+}\)) làm nén lớp điện kép (DDL), làm giảm hơn 60% thể tích trương nở tự do so với nước khử ion. - Khả năng tự hàn gắn (Self-sealing): Mặc dù bị nhiễm mặn, bentonite natri đầm chặt với dung trọng khô \(\rho_d \ge 1{,}6\,\text{g/cm}^3\) vẫn duy trì áp lực trương nở vượt trội (\(p_s > 2\,\text{MPa}\)), đủ khả năng tự bít kín các khe nứt nhiệt và khớp nối thi công. - Tác động nhiệt đồng thời (T. Nishimura): Dưới nhiệt độ cao (\(T = 60^\circ\text{C} - 80^\circ\text{C}\)), thí nghiệm kiểm soát lực hút ma mao dẫn cho thấy sự tái phân bố nước nhanh chóng và hiện tượng bay hơi nhiệt di chuyển ra xa nguồn nhiệt.

4. Cố kết Hút Chân không Kết hợp Gia tải: Dự án Đảo Fisherman (L. Karagoz, B. Indraratna, et al.)¶

Kiểm chứng Hiện trường Giải pháp Hút Chân không Gia tải trước¶

Tại Cảng Brisbane (Đảo Fisherman, Australia), công tác lấn biển trên nền bùn sét cực yếu đòi hỏi phải kết hợp công nghệ hút chân không với bấc thấm (PVD). Karagoz và Indraratna phân tích chuỗi dữ liệu quan trắc toàn diện: - Phân bố áp lực âm chân không: Mức áp suất âm duy trì liên tục từ \(-70\,\text{kPa}\) đến \(-80\,\text{kPa}\) dưới màng kín khí, truyền dọc theo các bấc thấm xuống độ sâu \(20\,\text{m}\). - Cơ chế tương đương ứng suất hữu hiệu: Khác với tải trọng đắp nổi làm tăng ứng suất tổng (\(\Delta \sigma\)), áp lực chân không tác động trực tiếp làm giảm áp lực nước lỗ rỗng (\(-\Delta u\)), tạo ra sự gia tăng đẳng hướng của ứng suất hữu hiệu (\(\Delta \sigma' = -\Delta u\)) mà không gây nguy cơ trượt trồi hay đẩy trượt ngang ở chân mái ta luy đắp. - Tiêu tán áp lực nước kẽ rỗng: Các áp kế dây rung (vibrating wire piezometer) lắp đặt tại các độ sâu \(3\,\text{m}\), \(8\,\text{m}\), \(14\,\text{m}\) và \(19\,\text{m}\) ghi nhận quá trình cố kết hướng tâm diễn ra nhanh chóng, đạt 90% độ cố kết sơ cấp chỉ trong 120 ngày.

5. Tối ưu hóa Lưu trữ Năng lượng Địa nhiệt Nông (A. Deshmukh, A.J. Puppala, X. Yu, et al.)¶

Lưu trữ Năng lượng Nhiệt Dưới lòng đất (UTES)¶

Deshmukh và cộng sự chứng minh rằng các tầng đất sét không bão hòa sở hữu quán tính nhiệt lý tưởng để lưu trữ nhiệt theo mùa: - Tương tác Thủy - Nhiệt: Quá trình bơm nhiệt làm tăng nhiệt độ lòng đất đồng thời đẩy hơi ẩm ra xa các ống trao đổi nhiệt trong lỗ khoan (BHE), gây khô cục bộ và làm giảm hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng (\(\lambda\)). - Tối ưu hóa thuật toán di truyền: Sử dụng thuật toán di truyền (GA) để tối ưu khoảng cách lỗ khoan (\(S/D = 4 - 6\)) và lưu lượng bơm, đạt hiệu suất lưu trữ nhiệt khứ hồi trên 72% qua các chu kỳ gia nhiệt / làm mát hàng năm.

6. Bộ Thiết bị Quan trắc Hiện trường cho Địa kỹ thuật Môi trường¶

Hệ thống Công trình	Thiết bị Quan trắc Chính	Thiết bị Đo Đối chứng	Chỉ tiêu Kỹ thuật Theo dõi
Nền đường giao thông vùng lạnh	Thiết bị đo phản xạ miền thời gian (TDR)	Chuỗi nhiệt điện trở đa tầng	Độ sâu ranh giới đóng băng, hàm lượng nước chưa đóng băng
Màng sét chống thấm bãi rác	Tensiometer đo áp suất âm cao	Đo ảnh điện trở tại chỗ (ERT)	Lực hút ma mao dẫn (\(\psi\)), nứt nẻ, nước rỉ rác thẩm thấu
Vùng đệm bentonite chất thải hạt nhân	Hộp đo áp lực đất mini	Psychrometer + Cặp nhiệt điện	Áp lực trương nở (\(p_s\)), lực hút ẩm, nhiệt độ (\(T\))
Công trường hút chân không PVD	Áp kế dây rung (Piezometer)	Thiết bị đo biến dạng sâu (Extensometer)	Áp lực nước lỗ rỗng âm (\(u\)), độ lún phân tầng theo chiều sâu
Cụm giếng địa nhiệt nông	Cáp quang đo nhiệt độ phân bố (DTS)	Đồng hồ đo lưu lượng & Cảm biến dòng nhiệt	Biểu đồ phân bố nhiệt độ liên tục, tốc độ trao đổi nhiệt