Улучшение фильтрационных свойств сильно выветренных склонов из мула с использованием золы рисовой шелухи

Почему горные дороги могут внезапно разрушаться

Автомагистрали, пролегающие по горам, часто прорезают крутые склоны. В северной провинции Хэбэй (Китай) многие такие откосы сложены рыхлой породой — сильно выветренным мулом, который набухает при увлажнении и усыхает в сухую погоду. Сильный дождь быстро пропитывает этот материал, ослабляет его и вызывает небольшие оползни, угрожающие дорогам и водителям. В этом исследовании изучают неожиданно простое средство — золу рисовой шелухи, сельскохозяйственный отход — чтобы понять, может ли она замедлить движение дождевой воды внутри склонов и повысить их безопасность.

Преобразование сельхозотходов в защиту склона

Зола рисовой шелухи образуется при сжигании шелухи в контролируемых условиях. Она богата кремнезёмом и имеет тонкую пористую структуру. Исследователи смешивали различные количества этой золы (от 2% до 8% по массе) с образцами выветрелого мула, отобранными с откосов автомобильных дорог в северном Хэбэе. В смесь добавляли небольшое количество извести в качестве активатора, затем уплотняли и выдерживали почти месяц, имитируя условия реального строительства. Цель состояла в том, чтобы выяснить, как такая простая добавка изменит проникновение и движение воды в грунте и существует ли оптимальная доза для наилучшей защиты.

Наблюдение за движением воды в колонках грунта

Чтобы проследить поведение дождевой воды внутри склона, команда собрала вертикальные столбцы грунта высотой около 65 см, оснащённые датчиками влажности и натяжения (сухого напряжения) на четырёх глубинах. Специальная система подачи обеспечивала поступление воды сверху при постоянном давлении, моделируя равномерный дождь. По мере продвижения воды датчики фиксировали скорость перемещения «фронта намокания» — границы между сухим и влажным грунтом — и изменение внутреннего водного давления во времени. Параллельно учёные измеряли удержание воды грунтом при разных уровнях натяжения и аппроксимировали это поведение математическими кривыми.

Как зола меняет путь воды

Добавление золы рисовой шелухи заметно изменило поведение воды. Обработанный мул удерживал больше воды, прежде чем началось её стекание, и терял влагу медленнее по мере увеличения натяжения. Это указывает на то, что поровая структура стала тоньше и лучше удерживает воду. В эксперименте по инфильтрации фронт намокания продвигался всё медленнее по мере увеличения содержания золы. При дозе 6% время достижения фронтом глубины 40 см почти удвоилось по сравнению с необработанным грунтом. Иными словами, вода проникала глубже значительно дольше. Измеренная гидравлическая проводимость — ключевой показатель лёгкости течения воды — снизилась до двух порядков при сухих условиях, особенно при больших долях золы. Микроскопические снимки объяснили причину: при 6% золы межчастичные поры равномерно сузились, образовав более извилистые и сопротивляющиеся пути для воды.

Поиск оптимума для безопасности

Интересно, что большее количество золы не всегда давало лучший результат. При 8% частицы начали слипаться и неравномерно закупоривать отдельные поры. Это привело к появлению участков, которые быстро насыщались, и зон со сниженной прочностью грунта, что немного увеличивало поток воды и снижало сцепление по сравнению с смесью 6%. Чтобы лучше предсказать эти сложные эффекты, команда доработала классическую формулу инфильтрации — модель Грина–Эмта — введя в неё учёт дозы золы и показателя пластичности грунта. Обновлённая версия гораздо точнее согласовывалась с экспериментальными данными по сравнению с традиционной моделью и превзошла другие распространённые формулы, предоставив инженерам более надёжный инструмент для оценки скорости движения воды через обработанные склоны.

Что это значит для реальных дорог

Исследование показывает, что умеренное количество золы рисовой шелухи — около 6% по массе — значительно улучшает поведение слабых мулистых склонов в отношении воды: дождевая вода поступает медленнее, проникает менее глубоко и создаёт меньше дестабилизирующего давления. Учитывая, что зола рисовой шелухи является низкозатратным побочным продуктом рисоводства, этот подход представляет собой перспективное и более экологичное решение для снижения оползневой опасности вдоль автомагистралей и земляных сооружений в аналогичных районах с экспансивным мулом, превращая сельскохозяйственный отход в защитный щит для инфраструктуры.

Цитирование: Cui, H., Ma, B., Hu, Z. et al. Improving seepage characteristics of strongly weathered mudstone slopes with rice husk ash. Sci Rep 16, 11966 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40499-2

Ключевые слова: зола рисовой шелухи, устойчивость склона, проникновение дождевой воды, экспансивный мул, устойчивое укрепление грунта