Новый метод прогнозирования сдвиговой прочности лёсса на основе влажности и объёма крупных и средних пор

Почему этот хрупкий грунт важен

По всей Лёссовой плато Северного Китая города, дороги и плотины возведены на обманчиво мягком, порошкообразном грунте — лёссе. При сухой погоде он может держать сооружения и откосы, но после сильного дождя резко теряет прочность и обрушивается, вызывая оползни и разрушения. Описанное здесь исследование заглядывает внутрь этого грунта — в мельчайшие пустоты между зернами — и показывает, как два простых фактора — влажность и доля больших и средних пор — позволяют предсказать, насколько прочен или уязвим будет лёсс.

Скрытая структура обычного грунта

Лёсс — это не обычная земля. Это отложение, перенесённое ветром, состоящее из тонкого силта, с «метастабильной» структурой: зерна слабо скреплены солями и глинами и разобщены сетью относительно крупных пор. Эта открытая каркасная структура может безопасно нести здания и откосы в сухом состоянии, но она очень чувствительна к воде. Традиционные инженерные формулы прочности грунта часто требуют трудноизмеримых величин, например детальных зависимостей между влагой и давлением, которые особенно ненадёжны для столь хрупких материалов. Авторы предлагают другой подход: сосредоточиться на двух более простых для измерения величинах — влажности и доле порового пространства, занятой крупными и средними порами (они обозначают эту долю как PLM) — и проверить, достаточно ли этих показателей для надёжного предсказания поведения лёсса под нагрузкой.

Как команда изучала прочность и поры

Исследователи отобрали нетронутые блоки лёсса с площадок строительства в окрестностях Сианя на Лёссовой плато и аккуратно сформировали из них цилиндрические образцы, не нарушая естественной слоистости. Затем каждый образец довели до одной из нескольких целевых влажностей — от очень сухой (5%) до довольно влажной (25%), моделируя условия от засухи до сильного дождя. С помощью триаксиальной машины — по сути пресса, сжимающего образец при контролируемом окружающем давлении — они измеряли, какое сдвиговое напряжение способен выдержать образец до разрушения. Параллельно проводили измерения методом впрыска ртути, чтобы картировать размеры и объёмы пор внутри грунта и вычислить PLM — процент от общего объёма пор, приходящийся на крупные и средние поры, формирующие открытый каркас.

Что происходит при изменении воды и давления

Испытания выявили чёткие закономерности, связывающие повседневные условия — осадки и нагрузку от вышележащих масс — с микроскопическими изменениями внутри грунта. При низкой влажности образцы лёсса обладали высокой прочностью, но разрушались хрупко, раскалываясь по резким трещинам. С повышением влажности соли и слабые связи на стенках пор растворялись, вода смазывала контакты между зернами. Крупные и средние поры начинали спадаться, грунт уплотнялся, и его прочность падала, особенно при низком окружном давлении, характерном для участков у поверхности. Подробные измерения пор показали, что объём крупных и средних пор заметно уменьшался после срезания, тогда как объём мелких пор менялся гораздо меньше. Статистически изменения в этих более крупных классах пор были тесно связаны с потерей сдвиговой прочности, тогда как изменения в очень мелких порах такой связи не проявляли. Индекс PLM, таким образом, отражает ту часть поровой системы, которая действительно контролирует, устоит лёсс или рухнет.

Простая модель с двумя практическими ручками

Имея сотни измерений, авторы построили математическую поверхность, связывающую сдвиговую прочность всего с двумя входными параметрами: влажностью и PLM. В этой модели увеличение влажности и увеличение PLM оба ведут к снижению прочности: больше воды ускоряет растворение связей, а большая доля крупных пор означает больше «пустого пространства», склонного к обрушению. Хотя уравнение было подогнано по данным, его форма отражает физическую картину: вода ослабляет связи и всасывающую силу, а PLM показывает, какая часть каркаса состоит из уязвимых открытых пор. При проверке модели на новых образцах предсказанные значения прочности соответствовали измеренным с погрешностью примерно 1,6% — достаточно для большинства практических проектных задач.

Что это значит для безопасности на Лёссовой плато

Для инженеров и планировщиков, работающих в районах с лёссом, это исследование предлагает практический способ предугадать, где откосы, насыпи или фундаменты могут оказаться в зоне риска. Вместо того чтобы опираться на сложные, труднокалибруемые теории, можно измерить влажность и с помощью лабораторных или в будущем полевых методов оценить PLM, а затем подставить эти значения в модель с двумя переменными для оценки сдвиговой прочности. Проще говоря, работа показывает, что степень увлажнённости грунта и доля его объёма, занятого крупными порами, вместе определяют, будет ли лёсс вести себя как прочное тело или как осыпающаяся губка. Количественное описание этой зависимости поможет разрабатывать более безопасные конструкции, улучшать дренаж и проводить более надёжную оценку опасностей в ландшафтах на этом уязвимом грунте.

Цитирование: Zhang, Y., Zhou, C., Bian, M. et al. A new method for predicting the shear strength of loess based on moisture content and large and medium pore volume. Sci Rep 16, 6602 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37476-0

Ключевые слова: лёсс, устойчивость откосов, микроструктура грунта, сдвиговая прочность, ненасыщенный грунт