季節的に凍結する地域におけるシルト質粘土の動的パラメーターに対する温度の影響

Scientific Reports volume 13、記事番号: 13141 (2023) この記事を引用

206 アクセス

メトリクスの詳細

季節的に凍結する地域のシルト質粘土の動的パラメーターに対する温度の影響は、GDS 動的三軸試験システムを使用して評価されました。 土壌サンプルの強度パラメータ、動的弾性率、減衰比、およびその他の動的パラメータをさまざまな温度条件下で分析しました。 その結果、動的荷重下でのシルト質粘土のせん断強度パラメーター (内部摩擦角と凝集力) は温度の低下とともに大幅に増加し、内部摩擦角は 0 °C 以下で急激に増加することが実証されました。 動的弾性率は温度の低下とともに増加し、氷水相変化領域で大きく変化しました。 土壌サンプルの動的応力-ひずみ曲線の傾きは、温度の低下とともに大幅に増加しました。 温度が低下すると減衰比が低下し、土壌の地震波吸収能力が低下します。 研究結果は、季節凍結地域での建設プロジェクトの指針となる新しいデータと情報を提供します。

凍土は世界中で広く発生しており、地球の陸地の約 70% を覆っています1。 凍土は、凍る時間が数時間から半月程度の短期凍土、凍る時間が2年以上の永久凍土、凍る時間が半月から1年程度の季節凍土に分類されます。数ヶ月。 季節的に凍った土壌と永久凍土は、地球の陸地面積の約 23% を覆っています2。 これらの土壌のほとんどは、人間の活動が盛んな北半球と南半球の中高緯度に位置し、季節凍結地域に属します。 近年、生態系の変化による地球温暖化により、一部の数年凍結地域の土壌が解け、季節凍結土壌が拡大しています。 したがって、持続可能な建設を確保するには、季節的に凍結する地域の土壌の機械的パラメータを研究することが重要です。

土壌に生じる変化は、静的荷重ではなく動的荷重が適用された場合により複雑になります。 凍土に関する研究と季節凍結地域での土木建設プロジェクトの数が増加しています。 季節的に凍結した土壌の機械的特性の分析は、特に動的荷重下での緊急性が高くなります。 凍土力学に関するほとんどの研究は、土の強度、動的応力とひずみの関係、動的クリープ特性、地震応答特性、杭基礎の動的特性、および列車荷重に対する動的応答に焦点を当ててきました3。 凍結地域の土壌の動的パラメータは、高層ビル、橋、港、空港、高速鉄道の工学設計にとって重要であり、数値シミュレーションには不可欠です。 したがって、季節凍結土壌の動的パラメータを解析する必要があります。

近年、多くの専門家や学者が凍土の動的特性を研究し、有益な研究結果を提供しています。 Zhao et al.4 は、凍った土壌に動的荷重を加えると、圧力下で細孔が閉じ、強度と動的弾性率が増加することを発見しました。 圧力により土粒子の転位や結合の破壊が生じ、亀裂が生じて土が弱くなり、動的弾性率が低下しました。 Zhu ら 5,6 は、蘭州の凍結黄土に対して、異なる周圧下で動的三軸クリープ試験を実施しました。 彼らはクリープ モデルを提案し、モデル パラメーターの重要性とパラメーター値の変更の影響について議論しました。 Wu ら 7 は、動的三軸試験を使用して改造された蘭州凍土の機械的特性を研究し、地震荷重下での凍土の動的特性を調査しました。 Gidel et al.8 は、動的三軸試験装置を使用して、さまざまな静的たわみ応力下での粗粒土の動的応答特性を調べました。 彼らは、累積塑性ひずみ、応力の大きさ、および動的荷重の振動数の間の関係を記述する経験式を導き出しました。 Zhou ら 9 は、土壌の動的応力 - ひずみに対する温度とひずみ速度の影響を決定するための固有構造モデルを確立しました。 Vinson et al.10 は、動弾性率と減衰比に対する温度の影響を評価するために、凍った砂質土壌で模擬地震荷重試験を実施しました。 Zhang et al.11 は、動的三軸試験装置を使用して、シルト質粘土の動的パラメーターに対する温度の影響を研究しました。 その結果、凝固点以上よりも低い温度では、温度変化が動的せん断弾性率に大きな影響を及ぼし、応力ひずみおよび動的減衰比には小さな影響を与えることが示されました。Jiao et al.12 は、-1 °C の凍結土壌で試験を実施しました。動的荷重下でのヒステリシス ループを解析しました。 ヒステリシス ループの面積は最大動的応力の増加とともに増加することがわかり、これはエネルギー散逸の増加とサンプルへのダメージの増加を示しています。 Li et al.13 は、低温動的三軸試験を使用して、凍土の動的パラメータと影響因子の間の関係を分析しました。 Vision et al.14,15 は、粉砕土壌に対する凍結温度の影響を研究し、動的弾性率が低い凍結温度では含水量と正の相関があり、高い凍結温度では負の相関があることを発見しました。 Ling ら 16 は、低温動的三軸試験から、凍土の最大動的せん断弾性率は、負の温度が低下すると大幅に増加し、圧力が増加すると増加し、振動周波数が増加すると減少すると結論付けました。 動的せん断弾性率は、最初の荷重段階での振動周波数の増加に伴って増加しました17。 Xu ら 18 は、凍結および未凍結の Genhe シルト質粘土に対して三軸試験を実施し、拘束圧力と温度が上昇し、圧縮が低下するにつれて、シルト質粘土の応力-ひずみ曲線が軟化から硬化に変化することを発見しました。 Zhao et al.19 は、青海チベット高原の凍ったシルト土壌路床で低温周期動的三軸試験を実施した。 彼らは、さまざまな凍結温度、初期含水量、圧縮度、拘束圧力条件に対する土壌の動的特性を分析しました。 動的せん断弾性率は、凍結温度の低下、含水量の増加、圧縮度および圧縮圧力の増加とともに増加することが観察されました。 Jia et al.20 は、半径方向衝撃圧縮試験を使用して、半径方向の動的荷重下での凍土のエネルギー損失と動的特性を研究しました。 彼らは、半径方向の動的荷重を受けた凍土の動的機械的特性が、荷重ひずみ速度と温度と密接に関係していることを発見しました。 Qiu ら 21 は、凍結融解サイクルの異なる回数と塩分がせん断強度に及ぼす影響を考慮して、屋内試験やその他の方法を使用して寒冷地域の炭酸塩塩土壌を分析しました。 試験結果は、炭酸塩塩土壌のせん断強度と凍結融解サイクルの回数が塩分含有量と逆相関していることを示しました。 Lijith et al.22 は、改良された低コストの温度制御直接せん断チャンバー装置を使用して、凍結した細かい砂のせん断強度特性に対する氷の体積含有量、せん断速度、垂直応力の影響を調査しました。 実験結果は、凝集力、切断線弾性率、およびせん断膨張角が、せん断速度および体積氷含有量とともに増加することを示しました。 しかし、凍土の動態に関する論文は出版されておらず、凍土に関する研究、特に季節凍土の動態については初期の探索段階にある。 ほとんどの研究は黄土などの特定の土壌に焦点を当てており、改造土壌が使用されていますが、広く分布しているシルト質粘土の動態パラメーターを調査した研究は比較的少数です。