Гидроструктурные и динамические характеристики уплотнённой наньнинской красной глины с учётом воздействий увлажнения и высыхания

Почему трещины в красных почвах важны для обычных дорог

На большой части юга Китая автомагистрали и местные дороги возведены на характерном ржаво-красном грунте, известном как красная глина. Эти латеритные почвы достаточно прочны, чтобы выдерживать движение транспорта, но они работают в жёстких условиях: долгие сезоны жары и высокой влажности с повторяющимся намоканием и высыханием. Со временем такое естественное «дыхание» грунта может незаметно ослабить почву под покрытием, приводя к колеям, трещинам и дорогому ремонту. В этом исследовании подробно изучена распространённая наньнинская красная глина — как изменяются её микропоры, способность удерживать воду и отклик на нагрузку после многих циклов влажности, и как инженеры могут лучше предсказывать её долговечность.

Откуда берётся красная глина

Исследователи сосредоточились на образцах красной глины, взятых примерно на один метр ниже поверхности на стройплощадке кольцевой дороги в Наньнине, субтропическом городе на юге Китая. Как и многие красные почвы, она образовалась в результате медленного разрушения известняка и других пород в тёплом влажном климате, в результате чего остался глинистый материал, богатый оксидами железа, придающими цвет и природную прочность. На практике такой грунт часто уплотняют для формирования несущего слоя, или основания, под тонкими дорожными покрытиями на дорогах низшего класса. Эти основания испытывают небольшое боковое давление от окружающего грунта, но относительно высокие вертикальные напряжения от транспортных средств. Обычно они также частично ненасыщенные, то есть их свойства сильно зависят от содержания воды и её перемещения со временем.

Как команда тестировала грунт

Чтобы имитировать реальные условия строительства, глину в лаборатории уплотняли до её стандартной максимальной плотности и оптимального влагосодержания — состояния, к которому обычно стремятся на стройплощадке. Некоторые образцы оставили в этом «как уплотнённом» состоянии, другие подвергли десяти полным циклам увлажнения–высыхания, от почти насыщенного до почти сухого и обратно, чтобы представить годы сезонных колебаний. Затем команда применила несколько методов. Тесты с вдавливанием ртути картировали размеры пор в грунте. Специальное оборудование измеряло, насколько прочно почва удерживает воду при разных уровнях влажности. Наконец, цилиндрические образцы подвергали 20 000 циклов имитированных дорожных нагрузок в трёхосном приборе, что позволило измерить как упругий отклик (модуль упругости при нагрузке — мера жёсткости), так и накопленную пластическую деформацию.

Что происходит внутри почвы в сезоны дождей и засухи

Свежепуплотнённая красная глина ведёт себя как структура, сложенная из небольших сгустков частиц. Внутри таких сгустков есть мелкие поры, а между сгустками — более крупные, формируя «двойную» поровую систему. Это ясно проявляется в том, как почва удерживает воду: кривая давления воды (сукции) имеет две стадии, где воздух сначала входит в крупные поры, затем — в более мелкие. После десяти циклов увлажнения–высыхания эта внутренняя архитектура меняется. Поры внутри сгустков сжимаются, тогда как промежутки между сгустками и трещины между блоками увеличиваются. Общий объём пор возрастает, и раньше отчётливая двухступенчатая кривая сукции сглаживается. Глина теперь впитывает больше воды при насыщении, но легче теряет её при низкой сукции, то есть хуже удерживает влагу в диапазоне, наиболее важном для поведения дорожного покрытия.

Как нагрузки от транспорта меняются по мере старения грунта

Испытания на нагружение показывают, как эти микроструктурные изменения отражаются на поведении дороги. При повторных нагрузках глина проявляет два ключевых поведения: восстанавливаемую упругую деформацию и накопительную пластическую деформацию, которая растёт с каждым циклом. По мере увеличения воды и снижения внутренней сукции грунт становится мягче (его модуль упругости падает) и аккумулирует больше пластической деформации. После циклирования чувствительность к влажности усиливается. При одинаковом напряжении увлажнённый, прошедший циклы образец может накапливать пластическую деформацию во много раз больше, чем более сухой, нециклированный, и может достигать критических уровней деформации при более низких напряжениях. В то же время жёсткость падает и становится менее чувствительной к изменениям нагрузки после того, как структура была повреждена циклами. Используя простое уравнение, основанное на сукции и степени насыщения грунта, авторы смогли описать эти сильно изогнутые зависимости как для жёсткости, так и для пластической деформации до и после циклирования с помощью одного параметра подгонки, который увеличивается по мере деградации структуры.

Скрытая связь между упругим и пластическим поведением

Одно из примечательных наблюдений состоит в том, что несмотря на разные уровни напряжений, состояния влажности и истории увлажнения–высыхания, зависимость между жёсткостью глины и накопленной пластической деформацией укладывается в одну гладкую кривую. Более жёсткие состояния последовательно соответствуют очень малым пластическим деформациям, тогда как более мягкие состояния — значительно большим. Это указывает на внутреннюю связь между тем, насколько почва восстанавливается под нагрузкой и насколько она ползёт и оседает со временем, что потенциально даёт способ оценивать долговременное образование колей по более простым измерениям жёсткости при проектировании.

Что это означает для дорог на красной глине

Для неспециалистов основной вывод таков: кажущийся прочным красный грунт под многими дорогами далеко не неизменен. Сезонные циклы увлажнения и высыхания перестраивают почву изнутри, создавая больше трещин и увеличивая поры, уменьшая её способность удерживать воду и делая её одновременно мягче и более склонной к постоянным колеям под движением — особенно во влажном состоянии. Связав эти изменения с простыми показателями влажности и сукции и выявив устойчивую связь между жёсткостью и долговременными деформациями, эта работа даёт инженерам лучшие инструменты для прогнозирования старения оснований из красной глины и проектирования покрытий, которые остаются более безопасными и ровными на протяжении срока службы.

Цитирование: Deng, S., Zhang, H., Wei, J. et al. Hydrostructural and dynamic characteristics of compacted Nanning red clay considering wetting-drying impacts. Sci Rep 16, 11483 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41777-9

Ключевые слова: основание из красной глины, циклы увлажнения и высыхания, поровая структура почвы, модуль упругости при нагрузке, поведение дорожного покрытия