Efeito da temperatura nos parâmetros dinâmicos da argila siltosa em uma região sazonalmente congelada

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 13141 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

O efeito da temperatura nos parâmetros dinâmicos da argila siltosa em uma região sazonalmente congelada foi avaliado usando um sistema de teste triaxial dinâmico GDS. Os parâmetros de resistência, módulo de elasticidade dinâmico, taxa de amortecimento e outros parâmetros dinâmicos das amostras de solo foram analisados ​​sob diferentes condições de temperatura. Os resultados demonstraram que os parâmetros de resistência ao cisalhamento (ângulo de atrito interno e coesão) da argila siltosa sob uma carga dinâmica aumentaram significativamente com a diminuição da temperatura, e o ângulo de atrito interno aumentou acentuadamente abaixo de 0 °C. O módulo de elasticidade dinâmico aumentou à medida que a temperatura diminuiu e mudou significativamente na região de mudança de fase gelo-água. A inclinação da curva dinâmica tensão-deformação da amostra de solo aumentou significativamente com a diminuição da temperatura. À medida que a temperatura diminui, a taxa de amortecimento diminui e a capacidade do solo de absorver as ondas sísmicas diminui. Os resultados da pesquisa fornecem novos dados e informações para orientar projetos de construção em regiões sazonalmente congeladas.

O solo congelado ocorre amplamente em todo o mundo e cobre cerca de 70% da área terrestre global1. Os solos congelados podem ser classificados em solos congelados de curto prazo com um tempo de congelamento de algumas horas a meio mês, solos permafrost com um tempo de congelamento de dois ou mais anos e solos sazonalmente congelados com um tempo de congelamento de meio mês a um poucos meses. Os solos sazonalmente congelados e os solos permafrost cobrem cerca de 23% da área terrestre global2. A maioria desses solos está localizada nas latitudes médias e altas dos hemisférios norte e sul, áreas de extensa atividade humana, pertencentes à região sazonalmente congelada. Nos últimos anos, devido ao aquecimento global causado por mudanças ecológicas, o solo em algumas áreas congeladas há vários anos descongelou, resultando numa expansão dos solos congelados sazonalmente. Portanto, é crucial estudar os parâmetros mecânicos dos solos em regiões sazonalmente congeladas para garantir uma construção sustentável.

As mudanças que ocorrem nos solos são mais complexas quando são aplicadas cargas dinâmicas em vez de cargas estáticas. A pesquisa sobre solos congelados e o número de projetos de construção de engenharia em regiões sazonalmente congeladas aumentaram. A análise das propriedades mecânicas de solos sazonalmente congelados é particularmente urgente, especialmente sob cargas dinâmicas. A maioria dos estudos sobre a dinâmica do solo congelado concentrou-se na resistência do solo, na relação dinâmica tensão-deformação, nas características dinâmicas de fluência, nas características da resposta sísmica, nas características dinâmicas das fundações por estacas e na resposta dinâmica às cargas do trem3. Os parâmetros dinâmicos dos solos em regiões congeladas são críticos para o projeto de engenharia de edifícios altos, pontes, portos, aeroportos e ferrovias de alta velocidade e são indispensáveis ​​para simulações numéricas. Portanto, é necessário analisar os parâmetros dinâmicos dos solos sazonalmente congelados.

Muitos especialistas e acadêmicos pesquisaram as propriedades dinâmicas de solos congelados nos últimos anos, fornecendo resultados de pesquisa informativos. Zhao et al.4 descobriram que quando uma carga dinâmica era aplicada ao solo congelado, os poros fechavam sob pressão, aumentando a resistência e o módulo de elasticidade dinâmico. A pressão causou o deslocamento das partículas do solo e a destruição das ligações, formando fissuras, que enfraqueceram o solo e reduziram o módulo de elasticidade dinâmico. Zhu et al.5,6 conduziram testes de fluência triaxial dinâmica em loess congelado em Lanzhou sob diferentes pressões circunferenciais. Eles propuseram um modelo de fluência e discutiram a importância dos parâmetros do modelo e os efeitos das mudanças nos valores dos parâmetros. Wu et al.7 estudaram as propriedades mecânicas do loess congelado remodelado de Lanzhou usando testes triaxiais dinâmicos e investigaram as propriedades dinâmicas do solo congelado sob carga sísmica. Gidel et al.8 usaram um aparelho de teste triaxial dinâmico para examinar as características de resposta dinâmica de solos de granulação grossa sob diferentes tensões de deflexão estática. Eles derivaram uma equação empírica que descreve a relação entre a deformação plástica cumulativa, a magnitude da tensão e o número de vibrações da carga dinâmica. Zhou et al.9 estabeleceram um modelo de estrutura intrínseca para determinar o efeito da temperatura e da taxa de deformação na dinâmica tensão-deformação do solo. Vinson et al.10 conduziram testes simulados de carga sísmica em solos arenosos congelados para avaliar o efeito da temperatura no módulo de elasticidade dinâmico e na taxa de amortecimento. Zhang et al.11 utilizaram um dispositivo de teste triaxial dinâmico para estudar o efeito da temperatura nos parâmetros dinâmicos da argila siltosa. Os resultados mostraram que uma mudança de temperatura teve um efeito maior no módulo de cisalhamento dinâmico e um efeito menor nas relações tensão-deformação e amortecimento dinâmico abaixo do que acima do ponto de congelamento. Jiao et al.12 conduziram testes em solo congelado a -1 °C. e analisou os loops de histerese sob carregamento dinâmico. Verificou-se que a área dos loops de histerese aumentou com o aumento da tensão dinâmica máxima, indicando aumento na dissipação de energia e mais danos à amostra. Li et al.13 analisaram a relação entre os parâmetros dinâmicos de solos congelados e os fatores de influência usando testes triaxiais dinâmicos de baixa temperatura. Vision et al.14,15 estudaram o efeito das temperaturas de congelamento em solos pulverizados e descobriram que o módulo de elasticidade dinâmico estava positivamente correlacionado com o teor de água em baixas temperaturas de congelamento e negativamente correlacionado em altas temperaturas de congelamento. Ling et al.16 concluíram a partir de testes triaxiais dinâmicos de baixa temperatura que o módulo de cisalhamento dinâmico máximo de solos congelados aumentou significativamente com a diminuição das temperaturas negativas, aumentou com o aumento da pressão e diminuiu com o aumento da frequência de vibração. A relação do módulo de cisalhamento dinâmico aumentou com o aumento da frequência de vibração no primeiro estágio de carregamento17. Xu et al.18 conduziram testes triaxiais em argila siltosa Genhe congelada e descongelada e descobriram que a curva tensão-deformação da argila siltosa mudou de amolecimento para endurecimento à medida que a pressão confinante e a temperatura aumentavam e a compactação diminuía. Zhao et al.19 conduziram um teste triaxial dinâmico cíclico de baixa temperatura em leitos de solo de lodo congelado no planalto Qinghai-Tibete. Eles analisaram as propriedades dinâmicas do solo para diferentes temperaturas de congelamento, teores iniciais de umidade, graus de compactação e condições de pressão confinante. Observou-se que o módulo de cisalhamento dinâmico aumentou com a diminuição da temperatura de congelamento, aumentando o teor de umidade e aumentando o grau de compactação e a pressão de compactação. Jia et al.20 estudaram a perda de energia e as propriedades dinâmicas de solos congelados sob carregamento dinâmico radial utilizando ensaios de compressão por impacto radial. Eles descobriram que as propriedades mecânicas dinâmicas de solos congelados submetidos a carregamento dinâmico radial estavam intimamente relacionadas à taxa de deformação de carregamento e à temperatura. Qiu et al.21 analisaram solos salinos carbonatados em regiões frias usando testes internos e outros métodos, considerando os efeitos de diferentes números de ciclos de congelamento-descongelamento e do teor de sal na resistência ao cisalhamento. Os resultados dos testes mostraram que a resistência ao cisalhamento dos solos salinos carbonáticos e o número de ciclos de congelamento-descongelamento foram inversamente correlacionados com o teor de sal. Lijith et al.22 investigaram os efeitos do conteúdo volumétrico de gelo, taxa de cisalhamento e tensão vertical nas propriedades de resistência ao cisalhamento de areia fina congelada usando um dispositivo de câmara de cisalhamento direto melhorado e de baixo custo, com temperatura controlada. Os resultados experimentais mostraram que a coesão, o módulo da linha de corte e o ângulo de expansão de cisalhamento aumentaram com a taxa de cisalhamento e o conteúdo volumétrico de gelo. No entanto, nenhuma monografia sobre a dinâmica dos solos congelados foi publicada e a investigação sobre solos congelados está numa fase exploratória inicial, especialmente a dinâmica dos solos sazonalmente congelados. A maioria dos estudos concentrou-se em solos específicos, como loess, e utilizou solos remodelados, enquanto relativamente poucos estudos investigaram os parâmetros dinâmicos de argila siltosa amplamente distribuída.