Экспериментальное и численное исследование температурных характеристик армированных геосинтетикой стенок насыпей в пустыне Такла‑Макан

Почему пустынные стены и тепло важны

По всем крупным пустынным регионам дороги и мосты опираются на высокие земляные насыпные стены, удерживающие проезжие части и съезды. Эти конструкции, называемые армированными грунтовыми подпорными стенами, дешевле и проще в строительстве по сравнению с массивными бетонными стенами, однако им приходится выдерживать суровые колебания температур — от палящих дневных значений до сильных ночных и зимних морозов. В этом исследовании изучается внутренняя часть такой стены в китайской пустыне Такла‑Макан, чтобы понять, как тепло и холод на самом деле распространяются через песок и армирующие слои в течение лет и что это означает для долговременной надежности пустынных магистралей.

Сборка пустынной стены в лаборатории

Исследователи начали с воссоздания дорожной подпорной стены в камере с контролируемой температурой. Вместо полноразмерной конструкции они изготовили тщательно масштабированную модель: видимую лицевую часть составили сборные блоки, слои пластикового геосетчатого армирования имитировали скрытые пояса, уходящие в грунт, а в качестве обратной засыпки использовали сухой пустынный песок из Такла‑Макана. Десятки температурных датчиков были расположены на разных высотах и глубинах внутри стены. Затем камеру прогоняли через серию температурных ступеней, имитируя полный год в пустыне — от летнего тепла до зимних низких температур — и повторили этот цикл пять раз, чтобы проследить, как изменяются внутренние температуры стены.

Как тепло проникает внутрь и выходит наружу

Замеры в модельной стене показали, что песок вблизи открытых поверхностей — лицевой стороны и дорожной поверхности вверху — сильно реагирует на изменения температуры воздуха, тогда как более глубокие слои остаются относительно стабильными. При нагреве или охлаждении воздуха самые горячие и самые холодные точки внутри стены появлялись с задержкой во времени, и эта задержка увеличивалась с каждым циклом, поскольку сухой песок плохо проводит тепло. Возле лицевой поверхности и верха температуры поднимались и падали волнообразно, повторяя внешние колебания климата, но по мере продвижения внутрь эти волны уменьшались и сглаживались. Некоторые датчики у задней части и у основания показали аномалии из‑за небольших зазоров и несовершенств изоляции в испытательной установке, что подчеркивает, как реальные граничные условия могут усложнять температурные поля.

От лабораторной модели к полноразмерной дороге

Чтобы понять поведение реальной дорожной насыпи на протяжении нескольких лет, команда создала детализированную численную модель, воспроизводящую тестовую стену, и верифицировала её на лабораторных данных. После достижения хорошего совпадения модель масштабировали до полноразмерной стены, типичной для дорог Такла‑Макана, включая толстое асфальтовое покрытие сверху и эффект нагрева наружных поверхностей солнечным излучением. Используя реальные пустынные температурные ряды, они смоделировали пять лет суточного нагрева и охлаждения. Результаты показали, что в моменты годового минимума температуры холод проникает в стену по изогнутой «гиперболической» траектории, с наибольшим охлаждением у открытой лицевой поверхности и у гребня. С каждым годом как глубина зимнего промерзания под дорогой, так и горизонтальное распространение промерзшего песка в толще стены постепенно увеличивались.

Скрытые холодные и тёплые ядра внутри стены

Долгосрочные симуляции показали, что внутреннее температурное поле вовсе не просто плавно колеблется вверх‑вниз. По мере перехода от зимы к лету в верхнем переднем углу стены формируется область особенно холодного песка — «ядро промерзания», возникающее потому, что холод поступает в эту зону и с лицевой стороны, и с дорожной поверхности, а затем медленно «стекает» внутрь через слабо проводящий песок. Позже в году, при остывании после максимальных температур, в почти той же области появляется зеркальное «нагревшееся ядро» задержанной теплоты. В течение полного годового цикла внутренняя структура стены меняется от простой слоистой картины к состоянию, доминируемому ядрами, и обратно, тогда как более глубокие зоны у подошвы остаются близкими к исходной умеренной температуре.

Зоны, требующие повышенного внимания

Путём горизонтальных сечений смоделированной стены и построения температурных распределений по этим сечениям авторы выделили «температурно‑чувствительные зоны», где условия быстро меняются во времени и пространстве. В поясе, уходящем на несколько метров за лицо стены — особенно в верхней части — температуры сильно колеблются и температурные градиенты велики, что может ослаблять прочность песка, нарушать сцепление между блоками, песком и геосеткой и способствовать проблемам вроде морозного пучения, растрескивания или длительной утомляемости материалов. Дальше назад температуры становятся почти постоянными и близкими к исходному значению, что означает, что грунт там в значительной степени изолирован от сурового пустынного климата.

Что это значит для более безопасных пустынных дорог

Проще говоря, исследование показывает, что экстремальные пустынные температуры в основном угрожают «поверхностной» части армированных грунтовых стен и ограниченному слою материала сразу за ней, а не всей массе насыпи. Тем не менее наиболее критические конструктивные элементы — лицевые блоки, поверхностный слой песка и армирующие слои, расположенные близко к лицу — находятся именно в этой чувствительной зоне, где с годами формируются холодовые и тепловые ядра. Понимание глубины и силы воздействия этих температурных эффектов даёт инженерам более обоснованную основу для выбора материала обратной засыпки, проектирования деталей армирования и планирования обслуживания, чтобы пустынные магистрали могли лучше выдерживать десятилетия термического воздействия.

Цитирование: Gao, Y., Meng, K., Wang, S. et al. Experimental and numerical study on temperature characteristics of geosynthetics-reinforced soil retaining walls in Taklimakan Desert. Sci Rep 16, 7861 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37260-0

Ключевые слова: пустынная инфраструктура, опорные стены, температурные циклы, геосинтетическое армирование, эолический песок