Экспериментальная характеристика режимов миграции частиц в несущих безпесчаных (gap-graded) грунтах: плотностно-зависимые шаблоны при инфильтрации дождя

Почему дождь может незаметно ослаблять грунт

Когда мы представляем эрозию, часто думаем о реках, вырезающих каньоны, или о шторме, смывающем плодородный слой почвы. Но часть самых опасных процессов происходит незримо: дождевые потоки просачиваются в грунт и медленно перераспределяют зерна внутри него. Это скрытое перемешивание может ослабить склоны, насыпные сооружения и плотины, способствуя оползням и другим катастрофам. Описанное исследование рассматривает этот процесс зерно за зерном и задаёт простой, но решающий вопрос: насколько плотно уплотнён грунт — может определять, будет ли дождь спокойно проходить через него или постепенно распадать его структуру.

Взгляд внутрь особого типа грунта

Исследователи сосредоточились на так называемых «gap-graded» грунтах — смесях, где крупные зерна образуют скелет, а очень мелкие заполняют пустоты, при этом у промежуточных размеров мало представлено. Такая структура характерна для многих искусственных насыпей и естественных склонов. В таких грунтах вода, протекающая через пустоты, может захватывать мелкие частицы и переносить их глубже — процесс, известный как внутренняя эрозия или suffusion. Со временем это может создавать полости в теле грунта, снижать его прочность и подготавливать условия для разрушения. Понимание того, когда и как это происходит, важно для обеспечения безопасности склонов, дорог, железных дорог и плотин в регионах с дождливым климатом.

Эксперименты с дождём в прозрачном столбе грунта

Чтобы наблюдать скрытые перемещения, команда собрала высокий прозрачный цилиндр, заполнила его тщательно смешанной смесью песка и глины и организовала сверху искусственный дождь через калиброванный распылитель. Были проведены девять опытов, комбинируя три уровня «плотности» грунта (сухие плотности 1,7; 1,8 и 1,9 г/см³) с тремя постоянными интенсивностями дождя (60, 90 и 120 мм/ч). После двух часов моделируемого дождя колонку разрезали на слои и измерили, какая доля каждого класса зерен — крупные, средние и очень мелкие — осталась на каждой глубине. Это позволило восстановить, как частицы мигрировали вверх или вниз внутри колонны во время инфильтрации.

Как уплотнение меняет пути частиц

Результаты показывают, что плотность уплотнения важнее интенсивности дождя. В рыхло упакованных и среднеупакованных образцах средние зерна (приблизительно от 2 мм до 0,075 мм) активно мобилизовались в потоке воды. Их зависимости «масса — глубина» часто принимали формы с одним или двумя отчётливыми пиками, что означает накопление этих зерен в предпочитаемых зонах ниже поверхности. В самых плотных образцах, напротив, зерна практически не перемещались. Кривые становились почти прямыми или демонстрировали лишь поверхностный сдвиг, что указывает на то, что плотно сцементированный скелет крупного материала оставлял мало пространства для выноса частиц потоком.

Четыре простых шаблона скрытых изменений

Сравнив все девять условий испытаний, авторы сгруппировали вертикальные распределения зерен в четыре легко узнаваемых шаблона. «M-образная» кривая показывает две зоны обогащения на разных глубинах, тогда как «n-образная» кривая имеет одну выпуклость, где накапливаются частицы. Почти прямая линия отражает более равномерное состояние без миграции, а «крючковидная» форма сигнализирует об обогащении исключительно вблизи поверхности. Эти шаблоны отражают борьбу между протекающей водой, тянущей за собой зерна, и внутренней сетью контактов — цепочками сил — между зернами, сопротивляющейся перераспределению. Средние зерна были наиболее подвижны при низкой и средней плотности, тогда как самые тонкие частицы обогащались лишь при промежуточной плотности, когда поры были ни слишком широки, ни слишком узки.

От лабораторных колонн к более безопасным откосам

Для неспециалистов, обеспокоенных оползнями или разрушением насыпей, основной вывод ясен. Когда gap-graded грунты уплотнены до высокой плотности в приповерхностном слое, они становятся значительно более устойчивыми к внутренней эрозии, вызванной дождём. В рыхлых или умеренно уплотнённых насыпях дождь может сортировать и перемещать зерна на глубине, постепенно подрывая устойчивость, даже если внешний вид откоса остаётся без изменений. Четыре выявленных в исследовании шаблона распределений дают простой диагностический язык, позволяющий инженерам интерпретировать образцы из кернов и оценивать риск внутренней эрозии. На практике плотная трамбовка верхнего слоя грунта — а не только его формирование и покрытие — может быть одним из самых эффективных средств защиты от того, чтобы дождь незаметно ослаблял грунт изнутри.

Цитирование: Shu, Z., Teng, H., Li, X. et al. Experimental characterization of particle migration regimes in unsaturated gap-graded soils: density-dependent patterns under rainfall infiltration. Sci Rep 16, 8816 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-025-34315-6

Ключевые слова: эрозия, вызванная дождём, suffusion, грунт с пропусками в зерновом составе, стабильность откосов, уплотнение грунта