Разработка упруго‑пластичной модельной зависимости для расширяющейся почвы при циклах намокания‑сушки и промерзания‑оттаивания

Почему растрескивание почв важно для каналов

Во многих сухих, холодных регионах питьевая и орошающая вода транспортируется по открытым канавам, вырезанным в особом виде глины, известной как расширяющаяся почва. Такая почва разбухает при увлажнении и сжимается и трескается при высыхании или промерзании, что со временем подрывает берега каналов. В этом кратком обзоре пошагово объясняется, как повторяющиеся сезоны намокания, сушки, промерзания и оттаивания ослабляют такие почвы — от масштаба невидимых пор до видимых трещин и обрушений откосов — и предлагается новая математическая модель, которую инженеры могут использовать для прогнозирования этого разрушения.

От твердой поверхности к растрескавшимся откосам

Исследователи сосредоточились на крупном водопередающем канале в Северном Синьцзяне, холодной пустынной зоне, где канал проходит через протяженные пласты расширяющейся почвы. Летом канал содержит воду; зимой его сливают и обнажают на морозном воздухе. Ежегодный цикл замачивания, сушки и промерзания уже привел к образованию сложных сетей трещин, оползням откосов и деформации днища канала, что снижает его пропускную способность. Чтобы понять причины, команда взяла образцы почвы из канала, уплотнила их в лаборатории для моделирования полевых условий и подвергла образцы до девяти контролируемых циклов намокания‑сушки и промерзания‑оттаивания.

Испытания прочности и наблюдение за ростом трещин

На видимом, макроскопическом уровне команда применяла трехосные испытания — когда цилиндрические образцы почвы сдавливают со всех сторон, а затем медленно уплотняют — чтобы отслеживать изменения прочности почвы с каждым циклом. Кривые напряжение‑деформация показали, что почва постепенно становилась слабее и более деформируемой: прочность при разрушении снизилась примерно на 30% после девяти циклов, причем наиболее резкое падение наблюдалось уже после первого цикла. Важная характеристика прочности, называемая сцеплением (кохезией), отражающая степень сцепления частиц, в целом упала примерно на четверть и следовала экспоненциальному закону убывания с числом циклов. Напротив, угол внутреннего трения — связанный с тем, как зерна трутся и блокируются друг о друга — почти не изменился, что указывает на то, что в первую очередь разрушается именно связующее сцепление между частицами, а не трение.

Связь сетей трещин с изменениями скрытых пор

Чтобы зафиксировать процессы между полностью видимым и микроскопическим уровнями, исследователи фотографировали поверхности образцов почвы после разного числа циклов и анализировали рисунки трещин. Они ввели простой индекс «связанности» Q, который увеличивается по мере того, как отдельные трещины сливаются в непрерывную сеть. Изначально появлялись лишь несколько мелких трещин. С ростом числа циклов вертикальные, горизонтальные и наклонные трещины расширялись и объединялись, в конце концов разделяя образец на блоки и сигнализируя о полном разрушении структуры. Q быстро росла вначале, а затем выравнивалась — что отражает раннее быстрое падение прочности. На микроскопическом уровне изображения высокого увеличения показали, что ранее крупные связанные агрегаты почвы распадались на множество более мелких частиц, при этом суммарная площадь, заняттая твердыми частицами, и их средний размер заметно уменьшались. Мелкие поры постепенно соединялись, образуя пути, которые позднее становились видимыми трещинами. Статистический анализ подтвердил, что потеря площади твердых частиц тесно коррелировала как с падением сцепления, так и с ростом связности трещин.

Новый способ прогнозировать ослабление почвы

Помимо описания этих изменений, авторы разработали улучшенную математическую модель для их прогнозирования. Они исходили из широко используемой концепции механики грунтов, известной как модифицированная модель Cam‑clay, которая связывает поведение глин при сжатии и сдвиге под нагрузкой. Чтобы учесть сцепление между частицами в расширяющейся почве, они ввели параметр «эффективного связующего напряжения», смещающий кривую напряжения модели. Затем этот и другие параметры были подогнаны под экспериментальные данные для разных чисел циклов. В результате получился набор простых экспоненциальных формул, описывающих эволюцию ключевых свойств почвы при повторяющихся намокании‑сушке и промерзании‑оттаивании. При использовании этих формул модель предсказывала кривые напряжение‑деформация и изменения объема, близкие к экспериментальным, что показывает, что модель адекватно воспроизводит прогрессирующее разрушение.

Что это значит для реальных каналов

Для неспециалистов главный вывод в том, что расширяющиеся почвы при сезонных изменениях влажности и температуры не разрушаются мгновенно. Их внутренние поры перестраиваются, частицы разрушаются, и трещины постепенно соединяются в сети, которые незаметно подрывают прочность задолго до видимого обрушения откоса. Соединив наблюдения от порового до откосного масштабов и встроив эти связи в практическую прогностическую модель, это исследование дает инженерам инструменты для оценки скорости разрушения берегов каналов в подобных климатах и для проектирования усилений или дренажных мер до наступления дорогостоящих отказов.

Цитирование: 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

Ключевые слова: расширяющаяся почва, циклы промерзания‑оттаивания, растрескивание почвы, устойчивость откосов канала, конститутивная модель почвы