Opracowanie modelu konstytutywnego elasto-plastycznego dla gruntów ekspansywnych pod wpływem cykli zmiany wilgotności i przemarzania-odmrażania

Dlaczego pękająca gleba ma znaczenie dla kanałów

W wielu suchych, zimnych rejonach wodę pitną i do nawadniania transportuje się otwartymi kanałami przebiegającymi przez szczególny rodzaj iłu zwanego gruntem ekspansywnym. Ten grunt pęcznieje, gdy pochłania wodę, a kurczy się i pęka podczas wysychania lub zamarzania, co może stopniowo osłabiać brzegi kanałów. Przedstawione tutaj badanie wyjaśnia, krok po kroku, w jaki sposób powtarzające się sezony zawilgacania, wysychania, przemarzania i odmrażania osłabiają takie grunty — od skali niewidocznych porów aż po widoczne spękania i osuwiska — oraz prezentuje nowy model matematyczny, którego inżynierowie mogą użyć do przewidywania tych uszkodzeń.

Od stałego podłoża do pękających skarp

Naukowcy skupili się na dużym kanale transferu wody w północnym Xinjiangu, zimnym obszarze pustynnym, gdzie kanał przebiega przez długie odcinki gruntów ekspansywnych. Latem kanał przewodzi wodę; zimą jest opróżniany i wystawiony na działanie mroźnego powietrza. Ten coroczny cykl nasiąkania, wysychania i zamarzania doprowadził już do powstania złożonych sieci pęknięć, osuwisk skarp i deformacji dna kanału, zmniejszając efektywność transportu wody. Aby zrozumieć przyczyny tych zjawisk, zespół pobrał grunt z kanału, zagęścił go w laboratorium, aby odtworzyć warunki polowe, a następnie poddał próbki do dziewięciu kontrolowanych cykli zmiany wilgotności i przemarzania–odmrażania.

Badanie wytrzymałości i obserwacja wzrostu pęknięć

Na skali widocznej, czyli makroskopowej, badacze zastosowali próby trójosiowe — w których cylindryczne próbki gruntu są ściskane ze wszystkich stron, a następnie powoli zagęszczane — aby śledzić zmiany wytrzymałości po kolejnych cyklach. Krzywe naprężenie–odkształcenie wykazały, że grunt stopniowo stawał się słabszy i bardziej odkształcalny: wytrzymałość na zniszczenie spadła o około 30% po dziewięciu cyklach, przy czym najsilniejszy spadek wystąpił już po pierwszym cyklu. Kluczowa miara wytrzymałości zwana kohezją, odzwierciedlająca przyczepność ziaren, zmniejszyła się łącznie o około jedną czwartą i malała wykładniczo wraz z liczbą cykli. Natomiast kąt tarcia wewnętrznego — związany z wzajemnym ocieraniem i zakleszczaniem ziaren — pozostał niemal niezmieniony, co wskazuje, że to głównie osłabienie spoiwa między cząstkami, a nie tarcie, prowadzi do degradacji.

Łączenie sieci pęknięć ze zmianami w ukrytych porach

Aby uchwycić procesy zachodzące pomiędzy skalą w pełni widoczną a mikroskopową, badacze fotografowali powierzchnie próbek po różnych liczbach cykli i analizowali wzory spękań. Wprowadzili prosty indeks „łączności”, Q, który rośnie gdy pojedyncze pęknięcia łączą się w ciągłą sieć. Początkowo pojawiało się tylko kilka niewielkich szczelin. W miarę kolejnych cykli pionowe, poziome i skośne pęknięcia rozszerzały się i łączyły, ostatecznie dzieląc próbkę na bloki i sygnalizując ogólną utratę integralności strukturalnej. Q rosło szybko na początku, a potem się wypłaszczyło — odzwierciedlając wczesny, gwałtowny spadek wytrzymałości. Na poziomie mikroskopowym obrazy wykonane skaningowym mikroskopem elektronowym pokazały, że wcześniej duże, zespolone agregaty gruntu rozpadały się na wiele mniejszych cząstek, a całkowita powierzchnia zajmowana przez cząstki stałe oraz ich średni rozmiar znacząco się zmniejszyły. Drobne pory stopniowo łączyły się, tworząc kanały, które potem stały się widocznymi pęknięciami. Analiza statystyczna potwierdziła, że utrata obszaru cząstek stałych silnie korelowała zarówno ze spadkiem kohezji, jak i ze wzrostem łączności pęknięć.

Nowy sposób przewidywania osłabienia gruntu

Ponad samym opisem zmian, autorzy zbudowali ulepszony model matematyczny do ich prognozowania. Wyszli od powszechnie stosowanego ramowego modelu mechaniki gruntów znanego jako zmodyfikowany model Cam‑clay, który opisuje, jak iły się ściskają i ścinają pod obciążeniem. Aby uwzględnić spoiwo między cząstkami w gruntach ekspansywnych, dodali parametr „efektywnego naprężenia spajającego”, który przesuwa krzywą naprężeniową modelu. Następnie dopasowali ten parametr i inne do danych z prób dla różnych liczby cykli. Wynikiem był zestaw prostych wzorów wykładniczych opisujących, jak kluczowe właściwości gruntu zmieniają się przy powtarzających się cyklach zmiany wilgotności i przemarzania–odmrażania. Gdy zastosowali te wzory w modelu, przewidywane krzywe naprężenie–odkształcenie i zmiany objętości dobrze odpowiadały eksperymentom, pokazując, że model realistycznie odtwarza postępujące uszkodzenia.

Co to oznacza dla rzeczywistych kanałów

Dla osób niebędących specjalistami główne przesłanie jest takie, że grunty ekspansywne pod działaniem sezonowych zmian wilgotności i temperatury nie zawodzą nagle. Ich wewnętrzne pory przeobrażają się, ich cząstki ulegają rozdrobnieniu, a pęknięcia stopniowo łączą się w sieci, które cicho osłabiają wytrzymałość na długo przed widocznym zawaleniem się skarpy. Łącząc obserwacje od skali porów do skali skarpy i osadzając te powiązania w praktycznym modelu prognostycznym, badanie to dostarcza inżynierom narzędzi do przewidywania tempa degradacji brzegów kanałów w podobnym klimacie oraz do projektowania wzmocnień lub rozwiązań drenażowych zanim wystąpią kosztowne awarie.

Cytowanie: Zhang, H., Yang, M. & Cui, Z. Development of an elastoplastic constitutive model for expansive soil under drying-wetting and freezing-thawing cycles. Sci Rep 16, 5756 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36311-w

Słowa kluczowe: grunt ekspansywny, cykle przemarzania–odmrażania, pękanie gleby, stabilność skarp kanału, model konstytutywny gruntu