Гидромеханическая связь и механизм микроструктурной эволюции вспучивающихся грунтов в полном диапазоне всасывания

Почему трескающиеся склоны важны

Во многих местах по всему миру каналы, дороги и фундаменты зданий опираются на сложный тип основания — вспучивающийся грунт. Такой грунт набухает при увлажнении и сжимается при высыхании, что может вызывать трещины в берегах каналов, перекосы дорожных покрытий и повреждения сооружений. Например, проект переноса воды «С юга на север» в Китае проходит сотни километров по таким грунтам. В этом исследовании подробно рассматривается, как движение воды внутрь и из вспучивающегося грунта перестраивает его внутреннюю пористую сеть и, в свою очередь, определяет величину набухания или усадки. Понимание этого скрытого поведения помогает инженерам проектировать более надёжные насыпи и снижать дорогостоящие повреждения.

Грунт, «дышащий» вместе с погодой

Вспучивающийся грунт не является монолитом: это каркас из мелких минеральных частиц с порами между ними и внутри агрегатов зерен. Когда дожди, уровень воды в канале и сезонные колебания вызывают циклы высыхания и увлажнения, вода перетекает из этих пор и обратно. Исследователи сосредоточились на слабом вспучивающемся грунте, использованном при строительстве насыпи канала в центральном Китае. В лаборатории они воспроизвели полевые условия, подготовив уплотнённые образцы грунта с плотностью и влажностью, соответствующими насыпи. Затем эти образцы подвергли повторным циклам высыхания–увлажнения в исключительно широком диапазоне «всасывания» — показателя силы удержания воды грунтом, от почти насыщенных состояний до крайне сухих условий.

Отслеживание прихода и ухода воды

Чтобы построить зависимость того, сколько воды грунт удерживает при каждом уровне всасывания, команда объединила три лабораторных метода, которые в сумме покрывают полный диапазон от очень влажного до крайне сухого. Тесты с пластиночным давлением охватывали низкие значения всасывания, специальные солевые растворы контролировали влажность при очень высоких всасываниях, а девайс с точкой росы заполнял промежутки. По этим данным была построена кривая характеристик вода–грунт — своего рода отпечаток, показывающий, как изменяются водоёмкость, пористость и насыщение при высыхании и повторном увлажнении. Исследователи обнаружили выраженную гистерезисную петлю: путь, по которому грунт проходит при высыхании, не совпадает с путём при увлажнении. При одинаковом всасывании высохший грунт обычно более плотен и удерживает больше воды, чем грунт при повторном увлажнении, поскольку в нём остаются захваченные пузырьки воздуха, формы пор различаются, а углы смачивания и отталкивания воды на поверхности частиц не совпадают.

Скрытая двухуровневая пористая сеть

Чтобы увидеть происходящее внутри, исследователи применили тесты вторжения ртути и сканирующую электронную микроскопию для изучения и измерения пор на разных масштабах. Внутренняя структура грунта оказалась явно двойной: крупные поры размещаются между агрегатами частиц, тогда как гораздо меньшие поры находятся внутри самих агрегатов. Граница между этими двумя семействами пор пролегает примерно на уровне 0,2 микрометра. При всех уровнях всасывания объёмное распределение крошечных внутренних пор остаётся относительно стабильным, в то время как крупные поры меняются значительно. По мере увеличения всасывания и высыхания самые большие поры сжимаются или закрываются, общий объём пор снижается, и грунт сокращается. При повторном увлажнении процесс разворачивается в три этапа: сначала крупные поры закрываются и доминирующий размер пор уменьшается; на промежуточной стадии распределение остаётся относительно неизменным; наконец, по мере увлажнения агрегаты набухают, макропоры частично заполняются и реорганизуются, и весь образец испытывает заметное расширение.

Микроскопические сдвиги, макроскопические повреждения

Изображения в электронном микроскопе демонстрируют эту трансформацию: от гладких пластинчатых структур с широкими, связанными промежутками при низком всасывании к более плотным, зернистым узорам с множеством мелких пор и микротрещин при высоком всасывании. По мере удаления воды силы между частицами усиливаются, пластины распадаются на более мелкие фрагменты, а крупные поры коллапсируют в более мелкие. При увлажнении агрегаты распирают наружу, частично заполняя бывшие пустоты. Поскольку соотношение воды и воздуха в больших и малых порах меняется с разной скоростью, один и тот же общий коэффициент пустотности может соответствовать разным уровням насыщения в зависимости от того, высыхает ли грунт или увлажняется. Эта тесная связь между состоянием воды и геометрией пор означает, что механическое напряжение, которое несёт скелет грунта, развивается по-разному на каждом пути, оставляя после каждого цикла необратимые деформации.

Что это значит для реальных сооружений

Для неспециалистов главный вывод таков: вспучивающийся грунт ведёт себя как «дышащая» губка с двумя различными системами пор — стабильными крошечными порами внутри агрегатов и высокочувствительными крупными порами между ними. Исследование показывает, что открывание, закрывание и перераспределение именно этих крупных пор в течение циклов высыхания–увлажнения объясняет как выраженный гистерезис удержания воды, так и большие изменения объёма, наблюдаемые в полевых условиях. Признание контролирующей роли этой двойной микроструктуры пор позволяет инженерам создавать более точные модели поведения насыпей во времени, улучшать конструкции облицовок и укреплений каналов и предсказывать места, где наиболее вероятно появление повреждений от усадки и набухания.

Цитирование: Wang, D., Li, M. & Wang, Z. Hydro-mechanical coupling and microstructural evolution mechanism of expansive soil under full suction range. Sci Rep 16, 8347 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39828-2

Ключевые слова: вспучивающийся грунт, микроструктура грунта, ненасышенные грунты, всасывание и набухание, устойчивость береговых насыпей каналов