Effetto della temperatura sui parametri dinamici dell'argilla limosa in una regione stagionalmente ghiacciata

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 13141 (2023) Citare questo articolo

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L'effetto della temperatura sui parametri dinamici dell'argilla limosa in una regione ghiacciata stagionalmente è stato valutato utilizzando un sistema di prova triassiale dinamica GDS. I parametri di resistenza, modulo elastico dinamico, rapporto di smorzamento e altri parametri dinamici dei campioni di terreno sono stati analizzati in diverse condizioni di temperatura. I risultati hanno dimostrato che i parametri di resistenza al taglio (angolo di attrito interno e coesione) dell’argilla limosa sotto un carico dinamico aumentavano significativamente al diminuire della temperatura, e l’angolo di attrito interno aumentava bruscamente al di sotto di 0 °C. Il modulo elastico dinamico aumentava al diminuire della temperatura e cambiava significativamente nella regione di cambiamento di fase acqua-ghiaccio. La pendenza della curva sforzo-deformazione dinamica del campione di terreno aumenta significativamente al diminuire della temperatura. Quando la temperatura diminuisce, il rapporto di smorzamento si riduce e la capacità del suolo di assorbire le onde sismiche diminuisce. I risultati della ricerca forniscono nuovi dati e informazioni per guidare i progetti di costruzione nella regione stagionalmente ghiacciata.

Il suolo ghiacciato è diffuso in tutto il mondo e copre circa il 70% della superficie terrestre globale1. I terreni ghiacciati possono essere classificati in suoli congelati a breve termine con un tempo di congelamento compreso tra poche ore e mezzo mese, suoli con permafrost con un tempo di congelamento di due o più anni e suoli congelati stagionalmente con un tempo di congelamento compreso tra mezzo mese e un mese. pochi mesi. I suoli ghiacciati stagionalmente e i terreni con permafrost coprono circa il 23% della superficie terrestre globale2. La maggior parte di questi suoli si trovano alle medie e alte latitudini degli emisferi settentrionale e meridionale, aree di estese attività umane, appartengono alla regione stagionalmente ghiacciata. Negli ultimi anni, a causa del riscaldamento globale causato dai cambiamenti ecologici, il suolo in alcune aree ghiacciate pluriennali si è scongelato, determinando un’espansione dei suoli ghiacciati stagionalmente. Pertanto, è fondamentale studiare i parametri meccanici dei suoli nelle regioni stagionalmente ghiacciate per garantire un’edilizia sostenibile.

I cambiamenti che si verificano nei suoli sono più complessi quando vengono applicati carichi dinamici piuttosto che carichi statici. Sono aumentati la ricerca sui terreni ghiacciati e il numero di progetti di costruzione ingegneristica nelle regioni stagionalmente ghiacciate. L'analisi delle proprietà meccaniche dei terreni ghiacciati stagionalmente è particolarmente urgente, soprattutto sotto carichi dinamici. La maggior parte degli studi sulla dinamica del terreno ghiacciato si sono concentrati sulla resistenza del suolo, sulla relazione dinamica sforzo-deformazione, sulle caratteristiche dinamiche di scorrimento, sulle caratteristiche di risposta sismica, sulle caratteristiche dinamiche delle fondazioni su pali e sulla risposta dinamica ai carichi dei treni3. I parametri dinamici dei suoli nelle regioni ghiacciate sono fondamentali per la progettazione ingegneristica di grattacieli, ponti, porti, aeroporti e ferrovie ad alta velocità e sono indispensabili per le simulazioni numeriche. Pertanto, è necessario analizzare i parametri dinamici dei terreni ghiacciati stagionalmente.

Molti esperti e studiosi hanno studiato le proprietà dinamiche dei terreni ghiacciati negli ultimi anni, fornendo risultati di ricerca informativi. Zhao et al.4 hanno scoperto che quando un carico dinamico veniva applicato al terreno ghiacciato, i pori si chiudevano sotto pressione, aumentando la resistenza e il modulo elastico dinamico. La pressione ha causato la dislocazione delle particelle del terreno e la distruzione dei collegamenti, formando crepe, che hanno indebolito il terreno e ridotto il modulo elastico dinamico. Zhu et al.5,6 hanno condotto prove dinamiche di creep triassiale su loess congelato a Lanzhou sotto diverse pressioni circonferenziali. Hanno proposto un modello di creep e hanno discusso il significato dei parametri del modello e gli effetti dei cambiamenti nei valori dei parametri. Wu et al.7 hanno studiato le proprietà meccaniche del loess congelato di Lanzhou rimodellato utilizzando test triassiali dinamici e hanno studiato le proprietà dinamiche del terreno ghiacciato sotto carico sismico. Gidel et al.8 hanno utilizzato un apparato di prova triassiale dinamico per esaminare le caratteristiche di risposta dinamica dei terreni a grana grossa sottoposti a diverse sollecitazioni di deflessione statica. Hanno derivato un'equazione empirica che descrive la relazione tra la deformazione plastica cumulativa, l'entità dello stress e il numero di vibrazioni del carico dinamico. Zhou et al.9 hanno creato un modello di struttura intrinseca per determinare l'effetto della temperatura e della velocità di deformazione sullo stress-deformazione dinamica del terreno. Vinson et al.10 hanno condotto prove di carico sismico simulato su terreni sabbiosi ghiacciati per valutare l'effetto della temperatura sul modulo elastico dinamico e sul rapporto di smorzamento. Zhang et al.11 hanno utilizzato un dispositivo di test dinamico triassiale per studiare l'effetto della temperatura sui parametri dinamici dell'argilla limosa. I risultati hanno mostrato che un cambiamento di temperatura ha avuto un effetto maggiore sul modulo di taglio dinamico e un effetto minore sui rapporti sforzo-deformazione e smorzamento dinamico al di sotto che al di sopra del punto di congelamento Jiao et al.12 hanno condotto test su terreno ghiacciato a -1 °C e analizzato i cicli di isteresi sotto carico dinamico. Si è riscontrato che l'area dei cicli di isteresi aumentava con l'aumento dello stress dinamico massimo, indicando un aumento della dissipazione di energia e un maggiore danneggiamento del campione. Li et al.13 hanno analizzato la relazione tra i parametri dinamici dei terreni ghiacciati e i fattori che li influenzano utilizzando test triassiali dinamici a bassa temperatura. Vision et al.14,15 hanno studiato l'effetto delle temperature di congelamento su terreni polverizzati e hanno scoperto che il modulo elastico dinamico era correlato positivamente con il contenuto di acqua a temperature di congelamento basse e correlato negativamente a temperature di congelamento elevate. Ling et al.16 hanno concluso da test triassiali dinamici a bassa temperatura che il massimo modulo di taglio dinamico dei terreni ghiacciati aumenta significativamente con la diminuzione delle temperature negative, aumenta con l'aumento della pressione e diminuisce con l'aumento della frequenza di vibrazione. Il rapporto del modulo di taglio dinamico aumenta con l'aumento della frequenza di vibrazione nella prima fase di carico17. Xu et al.18 hanno condotto test triassiali sull'argilla limosa di Genhe congelata e non congelata e hanno scoperto che la curva sforzo-deformazione dell'argilla limosa cambiava da rammollimento a indurimento all'aumentare della pressione e della temperatura di confinamento e alla diminuzione della compattazione. Zhao et al.19 hanno condotto un test triassiale dinamico ciclico a bassa temperatura su fondi stradali di terreno limoso ghiacciato sull'altopiano del Qinghai-Tibet. Hanno analizzato le proprietà dinamiche del terreno per diverse temperature di congelamento, contenuto di umidità iniziale, gradi di compattazione e condizioni di pressione di confinamento. È stato osservato che il modulo di taglio dinamico aumenta al diminuire della temperatura di congelamento, all’aumento del contenuto di umidità e all’aumento del grado di compattazione e della pressione di compattazione. Jia et al.20 hanno studiato la perdita di energia e le proprietà dinamiche dei terreni ghiacciati sottoposti a carico dinamico radiale utilizzando prove di compressione con impatto radiale. Hanno scoperto che le proprietà meccaniche dinamiche dei terreni ghiacciati sottoposti a carico dinamico radiale erano strettamente correlate alla velocità di deformazione del carico e alla temperatura. Qiu et al.21 hanno analizzato i terreni salini carbonatici nelle regioni fredde utilizzando test indoor e altri metodi, considerando gli effetti di diversi numeri di cicli di gelo-disgelo e il contenuto di sale sulla resistenza al taglio. I risultati dei test hanno mostrato che la resistenza al taglio dei terreni salini carbonatici e il numero di cicli di gelo-disgelo erano inversamente correlati al contenuto di sale. Lijith et al.22 hanno studiato gli effetti del contenuto volumetrico di ghiaccio, della velocità di taglio e dello stress verticale sulle proprietà di resistenza al taglio della sabbia fine e congelata utilizzando un dispositivo a camera di taglio diretto a temperatura controllata, migliorato e a basso costo. I risultati sperimentali hanno mostrato che la coesione, il modulo della linea di taglio e l’angolo di espansione del taglio aumentavano con la velocità di taglio e il contenuto volumetrico di ghiaccio. Tuttavia, non è stata pubblicata alcuna monografia sulla dinamica dei suoli ghiacciati e la ricerca sui suoli ghiacciati è nella fase iniziale di esplorazione, in particolare sulla dinamica dei suoli ghiacciati stagionalmente. La maggior parte degli studi si sono concentrati su suoli specifici, come il loess, e hanno utilizzato terreni rimodellati, mentre relativamente pochi studi hanno indagato i parametri dinamici delle argille limose ampiamente distribuite.