Механические свойства грунта зоны сдвига оползня с учётом коэффициента переконсолидации и гранулометрии частиц

Почему изучение скользящего грунта может спасти жизни

Оползни вдоль крупных рек и водохранилищ могут перемещать миллионы кубических метров земли, угрожать плотинам и ставить под опасность целые населённые пункты. То, медленно ли ползёт склон или рушится внезапно, часто зависит от тонкого, скрытого слоя ослабленного грунта, называемого зоной сдвига. В этом исследовании подробно изучается поведение такого слоя на одном из самых контролируемых склонов Китая — гигантском оползне Хуантупо у водохранилища Три ущелья — и показано, что учёт упаковки частиц и истории нагрузок грунта существенно повышает точность прогнозов опасных движений грунта.

Огромный склон в движении

Оползень Хуантупо расположен на южном берегу реки Янцзы в районе водохранилища Три ущелья. Он занимает около 1,35 квадратных километра и содержит огромный объём пород и грунтов, нависающих над рекой и близлежащими населёнными пунктами. Инженеры прорыли туннели через этот склон, чтобы наблюдать за его поведением и добраться до узкой зоны сдвига, где сосредоточено смещение. Там обнаруживают смесь илистых глин, гравия и обломочного камня, обычно толщиной 50–100 сантиметров, расположенную между сдвигающейся массой сверху и прочной известняковой корой снизу. Поскольку этот слой долгое время был сжат весом вышележащего склона, он испытал высокие прошлые давления, которые сильно влияют на его реакцию при дальнейшей загрузке и разгрузке.

Как история нагрузок и состав зерен формируют прочность

Большинство лабораторных испытаний грунтов оползней используют небольшие образцы и удаляют крупные обломки, что упрощает эксперименты, но лишает естественной структуры зоны сдвига. Ранние исследования также, как правило, меняли по одному фактору за раз, например водонасыщённость или текущую нагрузку. На деле же поведение грунта зависит и от смеси частиц, и от «памяти» о том, какое давление он уже выдержал, что выражается коэффициентом переконсолидации (OCR). В зоне сдвига Хуантупо около 60% массы составляют фрагменты размером гравий и 40% — более мелкий материал. Такая смесь формирует гравийный каркас, заполненный мелкими зернами, поэтому любое изменение упаковки, разрушение частиц или перераспределение воды может резко изменить прочность. Авторы спроектировали испытания, которые впервые в таких условиях систематически сочетают эффекты OCR с естественной зерновой градацией.

Два типа сдвиговых испытаний — два типа поведения

Команда использовала два основных лабораторных метода. Кольцевые сдвиговые испытания проводили на просеянном грунте, из которого удаляли частицы крупнее 2 миллиметров, чтобы сосредоточиться на матрице мелких зерен при разных значениях OCR. Крупные прямые сдвиговые испытания выполняли в больших коробах с невскрытым материалом, сохраняя реальную смесь глины, песка и гравия. В кольцевых испытаниях образцы быстро достигали пиковых значений прочности, а затем постепенно слабели — типичный режим, называемый «стрейн-софтенинг» (уменьшение прочности при деформации). Микроскопические снимки показали, что при сдвиге поры открываются, локально перемещается вода, а частички глины выстраиваются вдоль гладкой зоны скольжения — всё это снижает сопротивление. Напротив, крупные прямые испытания на естественном, богатом крупными фракциями материале демонстрировали «стрейн-харденинг»: после первоначального роста прочность продолжала увеличиваться при дальнейших перемещениях, поскольку гравийные зерна замыкались друг с другом, а некоторые более слабые зерна дробились и заполняли пустоты, особенно когда влажность немного снижалась во время нагружения.

Почему прошлые нагрузки важны для будущей устойчивости

Изменяя OCR в обеих сериях испытаний, исследователи показали, что образцы, подвергавшиеся более высокой преднагрузке, а затем сдвигавшиеся при более низком конечном давлении, вели себя существенно иначе, чем образцы с одинаковой консолидацией. Большая преднагрузка уплотняет грунт, вдавливает мелкие частицы в пространство между крупными и укрепляет гравийный каркас, что в целом повышает сдвиговую прочность. Авторы преобразовали измеренные показатели прочности в простые параметры (когезия и угол внутреннего трения) и подставили три различных набора значений в компьютерную модель оползня Хуантупо. Затем они сравнили смоделированные перемещения грунта с полевыми наблюдениями по GPS и приборам в буровых скважинах в течение года изменений уровня водохранилища. Только набор параметров, полученный из крупных прямых сдвиговых испытаний на естественной градации с реалистичным OCR, дал деформации, близкие к зарегистрированному медленному, устойчивому ползучему движению склона.

Что это значит для оценки риска оползней

Для инженеров и планировщиков исследование даёт практическое послание: чтобы надёжно моделировать большие оползни, недостаточно испытывать маленькие, мелкозернистые образцы или игнорировать, насколько была сжата зона сдвига в прошлом. Необходимо воспроизводить в лаборатории и истинную смесь размеров зерен, и историю нагрузок грунта. Когда это делается, как в переконсолидированных крупных прямых сдвиговых испытаниях, полученные значения прочности приводят к моделям, отражающим реальные год за годом перемещения. Это улучшенное понимание того, как грунты зоны сдвига укрепляются или ослабляются при разных условиях, поможет уточнить оценки безопасности для водохранилищ, плотин и сообществ, расположенных ниже нестабильных склонов по всему миру.

Цитирование: Chen, Z., Zhao, M., Jiang, S. et al. Mechanical properties of landslide slip zone soil considering over consolidation ratio and particle grading factors. Sci Rep 16, 5769 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36391-8

Ключевые слова: оползень, прочность грунта, зона сдвига, водохранилище Три ущелья, устойчивость склонов