Đất không bão hòa là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa và khái niệm cơ bản

Đất không bão hòa (unsaturated soil) là loại đất trong đó các lỗ rỗng không hoàn toàn chứa đầy nước. Thay vào đó, các lỗ rỗng chứa đồng thời hai pha: pha lỏng (nước) và pha khí (không khí). Trạng thái này trái ngược với đất bão hòa hoàn toàn – nơi toàn bộ thể tích rỗng bị chiếm bởi nước. Độ bão hòa nước trong đất không bão hòa nằm trong khoảng từ 0% đến dưới 100%, và đặc tính thủy lực cũng như cơ học của nó biến thiên mạnh theo mức độ bão hòa này.

Trong đất không bão hòa, tồn tại hiện tượng áp lực nước âm, gọi là áp suất hút hoặc lực mao dẫn (matric suction), ký hiệu là $s = u_a - u_w$, trong đó \( u_a \) là áp suất không khí và \( u_w \) là áp suất nước. Sự hiện diện đồng thời của nước và không khí trong các mao dẫn làm cho đất biểu hiện những tính chất rất khác so với môi trường bão hòa. Cụ thể, lực hút mao dẫn sinh ra từ hiện tượng bề mặt cong giữa khí và nước tạo nên lực liên kết nội tại, có thể làm tăng cường độ và độ cứng của đất.

Đất không bão hòa là điều kiện phổ biến trong tự nhiên, đặc biệt tại tầng mặt đất – nơi thường xuyên chịu ảnh hưởng của khí hậu như mưa, bốc hơi, dòng chảy. Tình trạng này cũng phổ biến trong nhiều ứng dụng kỹ thuật như ổn định mái dốc, tính toán đập đất, hoặc thiết kế hệ thống hạ tầng thoát nước. Việc hiểu và mô tả đúng các tính chất của đất không bão hòa là yêu cầu thiết yếu trong cơ học đất hiện đại.

Các trạng thái bão hòa và vùng không bão hòa

Các lớp đất trong tự nhiên có thể chia thành nhiều vùng tùy theo mức độ bão hòa của nước trong lỗ rỗng. Ba vùng chính thường được phân biệt là vùng bão hòa hoàn toàn, vùng không bão hòa và vùng khô. Mỗi vùng có đặc điểm thủy lực và cơ học riêng biệt, ảnh hưởng lớn đến sự chuyển động của nước, khí và solute trong đất.

• Vùng bão hòa hoàn toàn: thường nằm dưới mực nước ngầm, toàn bộ lỗ rỗng chứa đầy nước, áp suất nước dương.
• Vùng mao dẫn (capillary fringe): ngay trên mực nước ngầm, nơi nước bị giữ lại do lực mao dẫn trong các lỗ rỗng nhỏ, áp suất nước âm nhưng gần bằng áp suất khí.
• Vùng không bão hòa thực sự: nằm phía trên vùng mao dẫn, nơi nước và khí cùng tồn tại, độ bão hòa giảm dần theo độ sâu.
• Vùng khô bề mặt: gần mặt đất, thường chịu ảnh hưởng bởi bốc hơi mạnh, nước rất ít hoặc chỉ tồn tại dưới dạng màng mỏng quanh hạt đất.

Bề dày của từng vùng phụ thuộc vào đặc tính mao dẫn của đất (kích thước lỗ rỗng, hệ số dẫn thủy), thời tiết, mực nước ngầm và đặc điểm thảm thực vật. Ví dụ, đất sét có lực mao dẫn lớn, vùng mao dẫn có thể dày đến vài mét, trong khi với đất cát, vùng này chỉ kéo dài vài chục cm.

Việc xác định rõ ranh giới giữa các vùng này có ý nghĩa thực tiễn lớn trong các mô hình thủy văn, thiết kế công trình ngầm, hệ thống tưới tiêu hoặc đánh giá nguy cơ sụt lún do thay đổi độ ẩm trong đất.

Đường đặc tính giữ nước đất (SWCC)

Đường đặc tính giữ nước đất (Soil Water Characteristic Curve – SWCC) là một đường cong quan hệ giữa áp suất hút (suction) và độ ẩm hay độ bão hòa trong đất. SWCC là công cụ then chốt trong mô tả hành vi của đất không bão hòa, cho phép xác định nhiều tham số thủy lực và cơ học quan trọng. Các giá trị đầu vào thường là áp suất hút \( h \) (theo đơn vị kPa) và độ bão hòa \( S_r \) hoặc độ ẩm thể tích \( \theta \).

SWCC thường có dạng chữ S và được mô hình hóa bằng các hàm thực nghiệm như Brooks–Corey, van Genuchten hoặc Fredlund–Xing. Các tham số đặc trưng của SWCC bao gồm:

• Air Entry Value (AEV): giá trị hút bắt đầu quá trình thoát nước khỏi lỗ rỗng lớn.
• Residual saturation (Srres): mức bão hòa thấp nhất còn giữ lại nước không chảy tự do.
• n, m, α: tham số hình dạng mô tả độ dốc và tốc độ chuyển vùng bão hòa–không bão hòa.

SWCC cho phép xây dựng các hàm truyền nước $k(\theta)$, tính độ thấm theo độ ẩm, xác định hệ số co nở, sức kháng cắt và mô phỏng sự thấm nước trong thời gian. Đây là nền tảng cho nhiều phần mềm mô phỏng địa kỹ thuật như SEEP/W, PLAXIS, HYDRUS.

Ứng dụng trong máy móc và cơ học đất

Cơ học đất không bão hòa là một nhánh mở rộng của cơ học đất truyền thống, trong đó các phương trình cân bằng lực và biến dạng cần được hiệu chỉnh để phản ánh ảnh hưởng của lực mao dẫn. Mô hình cổ điển của Terzaghi về ứng suất hiệu không còn áp dụng đầy đủ trong đất không bão hòa, vì đất có hai pha khí và nước độc lập, không thể gộp chung áp suất như trong môi trường bão hòa.

Fredlund và Morgenstern đã đề xuất mô hình sử dụng hai biến trạng thái độc lập: $\sigma - u_a$ (ứng suất hiệu giữa tổng ứng suất và áp suất không khí) và $u_a - u_w$ (lực hút mao dẫn). Các mô hình ứng suất hiệu mở rộng cho phép tính toán sức kháng cắt, độ lún, co ngót, biến dạng và ổn định mái dốc trong điều kiện đất không bão hòa.

So với đất khô hoặc đất bão hòa hoàn toàn, đất không bão hòa có khả năng chịu lực tốt hơn trong khoảng độ ẩm nhất định do lực hút mao dẫn làm tăng liên kết giữa các hạt. Tuy nhiên, khi đất bị làm ướt nhanh, áp suất mao dẫn mất đi đột ngột khiến sức kháng giảm mạnh, dẫn đến hiện tượng sụp đổ cấu trúc hoặc trượt lở – một yếu tố then chốt trong mô hình hóa tai biến địa kỹ thuật.

Vai trò trong thủy văn và chu trình nước

Đất không bão hòa đóng vai trò trung gian quan trọng trong chu trình nước tự nhiên, kết nối giữa bề mặt và tầng chứa nước ngầm. Khi nước mưa thấm vào đất, nó phải đi qua vùng không bão hòa trước khi đạt đến mực nước ngầm. Trong giai đoạn này, lực mao dẫn điều khiển tốc độ và hướng chuyển động của nước, đồng thời ảnh hưởng đến sự tái phân bố độ ẩm theo chiều sâu.

Khả năng giữ nước của đất không bão hòa phụ thuộc vào đặc điểm của đất như kích thước hạt, cấu trúc rỗng, và các lực hấp phụ bề mặt. Đất sét, với lỗ rỗng nhỏ và lực mao dẫn mạnh, có thể giữ nước tốt hơn nhưng dẫn nước chậm. Đất cát, ngược lại, cho dòng chảy nhanh nhưng giữ nước kém.

• Vùng không bão hòa có ảnh hưởng lớn đến recharge (nạp lại nước ngầm)
• Là nơi xảy ra quá trình bốc hơi và hấp thu nước của rễ cây
• Chi phối hiện tượng ưu tiên dòng (preferential flow) trong đất dốc hoặc tầng nứt nẻ

Hiểu rõ cơ chế nước di chuyển trong vùng không bão hòa là cần thiết trong thiết kế hệ thống tiêu thoát, dự báo hạn hán, tối ưu hóa tưới tiêu và mô hình hóa ô nhiễm lan truyền từ mặt đất xuống tầng ngậm nước.

Phân bố khí và dòng hơi nước

Trong đất không bão hòa, không chỉ có dòng nước mà còn tồn tại sự phân bố và chuyển động của khí. Không khí chiếm phần còn lại trong các lỗ rỗng không bị nước chiếm giữ, và có thể vận chuyển hơi nước, khí CO₂, O₂ hoặc các khí khác. Vai trò của khí trong đất không bão hòa đặc biệt quan trọng trong các quá trình sau:

Khi bốc hơi diễn ra ở tầng mặt, một gradient áp suất hơi nước được hình thành khiến hơi nước di chuyển từ vùng ẩm đến vùng khô hơn. Hơi nước này có thể khuếch tán qua pha khí hoặc vận chuyển theo dòng đối lưu phụ thuộc áp suất khí quyển. Ngoài ra, đất không bão hòa có thể giữ lại các khí độc như radon, metan, hoặc hơi hydrocarbon, ảnh hưởng đến an toàn môi trường và sức khỏe.

• Hệ số khuếch tán hơi nước trong đất bị chi phối bởi độ bão hòa khí và cấu trúc đất
• Hiện tượng hấp phụ khí và hòa tan khí trong nước lỗ rỗng làm phức tạp quá trình tính toán

Phân tích sự dịch chuyển pha khí trong đất không bão hòa đòi hỏi tích hợp mô hình đa pha (water–air–solute) và được áp dụng trong công trình chôn lấp rác thải, xử lý sự cố tràn hóa chất và kỹ thuật khí sinh học.

Ứng dụng trong kỹ thuật môi trường và địa kỹ thuật

Trong kỹ thuật môi trường, đất không bão hòa là nền tảng của nhiều công trình như bãi chôn lấp rác, hệ thống phủ chống thấm, tầng phản ứng sinh học và rào chắn đất. Sự phân bố và chuyển động của nước, không khí và chất ô nhiễm trong vùng không bão hòa ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả của các công trình xử lý và kiểm soát ô nhiễm.

Ví dụ, lớp phủ trên bãi rác phải được thiết kế để giữ nước nhằm hạn chế thấm sâu dẫn đến rò rỉ leachate (nước rác), nhưng cũng cần thông thoáng để ngăn áp suất khí methane tích tụ. Sự dao động độ ẩm làm thay đổi tính chất thủy lực và có thể gây nứt nẻ làm mất hiệu quả chống thấm.

• Bê tông đất và bentonite sử dụng trong lớp chống thấm nhờ khả năng trương nở và lực hút cao
• Geosynthetic clay liners (GCLs) mô phỏng đất không bão hòa để cản trở dòng thấm

Trong địa kỹ thuật, đất không bão hòa là yếu tố quyết định trong phân tích ổn định mái dốc, nền móng nông và đê điều. Lực hút mao dẫn tạo thêm liên kết tạm thời giữa các hạt, tăng cường sức kháng cắt. Tuy nhiên, khi mưa lớn làm đất nhanh chóng chuyển từ không bão hòa sang bão hòa, lực hút mất đi nhanh chóng và dẫn đến trượt sập – đây là một trong những nguyên nhân phổ biến gây lở đất.

Mô hình hóa và đo đạc thực nghiệm

Mô hình hóa đất không bão hòa đòi hỏi hệ phương trình nhiều biến bao gồm phương trình Darcy mở rộng cho dòng không bão hòa và phương trình Richards cho chuyển động nước:

$\frac{\partial \theta}{\partial t} = \nabla \cdot \left[ K(\theta) \nabla (h + z) \right]$

Trong đó \(\theta\) là độ ẩm thể tích, \(K(\theta)\) là độ thấm phụ thuộc độ ẩm, \(h\) là áp suất hút, và \(z\) là thế trọng lực. Phương trình này phi tuyến và cần giải bằng phương pháp số (FEM, FDM). Các phần mềm thường dùng bao gồm HYDRUS, SEEP/W, TOUGH2.

Đo đạc đất không bão hòa cần sử dụng các thiết bị chuyên dụng:

• Tensiometer: đo áp suất hút thấp (đến ~85 kPa)
• Pressure plate extractor: đo hút cao hơn thông qua hút chân không
• Time Domain Reflectometry (TDR), Frequency Domain (FD) cho đo độ ẩm tại chỗ

Trong nghiên cứu địa chất kỹ thuật hiện đại, việc kết hợp mô hình hóa số với quan trắc độ ẩm thời gian thực và dữ liệu viễn thám đã tạo điều kiện đánh giá chính xác vùng không bão hòa trên quy mô lớn và phục vụ dự báo rủi ro môi trường.

Tóm tắt ngắn gọn

Đất không bão hòa là môi trường đa pha gồm nước và khí cùng tồn tại trong lỗ rỗng, với áp suất nước âm gây ra lực hút mao dẫn. Đây là vùng trung gian quan trọng trong chu trình nước, điều khiển dòng thấm, bốc hơi, ổn định mái dốc, lan truyền ô nhiễm và phản ứng sinh học. Hiểu rõ đặc tính vật lý, thủy lực và cơ học của đất không bão hòa là nền tảng trong mô hình hóa, thiết kế và quản lý các công trình kỹ thuật và môi trường hiện đại.