Einfluss der Temperatur auf die dynamischen Parameter von schlammigem Ton in einer saisonal gefrorenen Region

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 13141 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Der Einfluss der Temperatur auf die dynamischen Parameter von schluffigem Ton in einer saisonal gefrorenen Region wurde mithilfe eines dynamischen dreiachsigen GDS-Testsystems bewertet. Die Festigkeitsparameter, der dynamische Elastizitätsmodul, das Dämpfungsverhältnis und andere dynamische Parameter der Bodenproben wurden unter verschiedenen Temperaturbedingungen analysiert. Die Ergebnisse zeigten, dass die Scherfestigkeitsparameter (innerer Reibungswinkel und Kohäsion) des schluffigen Tons unter dynamischer Belastung mit sinkender Temperatur deutlich anstiegen und der innere Reibungswinkel unter 0 °C stark zunahm. Der dynamische Elastizitätsmodul nahm mit abnehmender Temperatur zu und veränderte sich im Eis-Wasser-Phasenänderungsbereich erheblich. Die Steigung der dynamischen Spannungs-Dehnungs-Kurve der Bodenprobe nahm mit sinkender Temperatur deutlich zu. Mit abnehmender Temperatur verringerte sich das Dämpfungsverhältnis und die Fähigkeit des Bodens, seismische Wellen zu absorbieren, nimmt ab. Die Forschungsergebnisse liefern neue Daten und Informationen als Leitfaden für Bauprojekte in saisonal gefrorenen Regionen.

Gefrorener Boden kommt weltweit weit verbreitet vor und bedeckt etwa 70 % der globalen Landfläche1. Gefrorene Böden können in kurzzeitig gefrorene Böden mit einer Gefrierzeit von einigen Stunden bis einem halben Monat, Permafrostböden mit einer Gefrierzeit von zwei oder mehr Jahren und saisonal gefrorene Böden mit einer Gefrierzeit von einem halben Monat bis einem halben Monat eingeteilt werden ein paar Monate. Saisonal gefrorene Böden und Permafrostböden bedecken etwa 23 % der globalen Landfläche2. Die meisten dieser Böden befinden sich in den mittleren und hohen Breiten der nördlichen und südlichen Hemisphäre, Gebieten intensiver menschlicher Aktivität, und gehören zur saisonal gefrorenen Region. Aufgrund der durch ökologische Veränderungen verursachten globalen Erwärmung kam es in den letzten Jahren in einigen mehrjährig gefrorenen Gebieten zu einem Auftauen des Bodens, was zu einer Ausbreitung saisonal gefrorener Böden führte. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, die mechanischen Parameter von Böden in saisonal gefrorenen Regionen zu untersuchen, um eine nachhaltige Bauweise sicherzustellen.

Veränderungen im Boden sind komplexer, wenn dynamische statt statische Lasten einwirken. Die Forschung zu gefrorenen Böden und die Zahl der Ingenieurbauprojekte in saisonal gefrorenen Regionen haben zugenommen. Die Analyse der mechanischen Eigenschaften saisonal gefrorener Böden ist besonders dringlich, insbesondere unter dynamischen Belastungen. Die meisten Studien zur Dynamik gefrorener Böden konzentrierten sich auf die Bodenfestigkeit, die dynamische Spannungs-Dehnungs-Beziehung, die dynamischen Kriecheigenschaften, die seismischen Reaktionseigenschaften, die dynamischen Eigenschaften von Pfahlgründungen und die dynamische Reaktion auf Zuglasten3. Die dynamischen Parameter von Böden in gefrorenen Regionen sind entscheidend für die technische Gestaltung von Hochhäusern, Brücken, Häfen, Flughäfen und Hochgeschwindigkeitsbahnstrecken und für numerische Simulationen unverzichtbar. Daher ist es notwendig, die dynamischen Parameter saisonal gefrorener Böden zu analysieren.

Viele Experten und Wissenschaftler haben in den letzten Jahren die dynamischen Eigenschaften gefrorener Böden erforscht und aufschlussreiche Forschungsergebnisse geliefert. Zhao et al.4 fanden heraus, dass sich die Poren unter Druck schlossen, wenn eine dynamische Belastung auf gefrorenen Boden ausgeübt wurde, was die Festigkeit und den dynamischen Elastizitätsmodul erhöhte. Der Druck verursachte die Verschiebung von Bodenpartikeln und die Zerstörung der Verbindungen, wodurch Risse entstanden, die den Boden schwächten und den dynamischen Elastizitätsmodul verringerten. Zhu et al.5,6 führten dynamische triaxiale Kriechversuche an gefrorenem Löss in Lanzhou unter verschiedenen Umfangsdrücken durch. Sie schlugen ein Kriechmodell vor und diskutierten die Bedeutung der Modellparameter und die Auswirkungen von Änderungen der Parameterwerte. Wu et al.7 untersuchten die mechanischen Eigenschaften von umgestaltetem gefrorenem Lanzhou-Löß mithilfe dynamischer triaxialer Tests und untersuchten die dynamischen Eigenschaften des gefrorenen Bodens unter seismischer Belastung. Gidel et al.8 verwendeten ein dynamisches triaxiales Testgerät, um die dynamischen Reaktionseigenschaften grobkörniger Böden unter verschiedenen statischen Biegespannungen zu untersuchen. Sie leiteten eine empirische Gleichung ab, die die Beziehung zwischen der kumulativen plastischen Dehnung, der Spannungsgröße und der Anzahl der Vibrationen der dynamischen Last beschreibt. Zhou et al.9 haben ein intrinsisches Strukturmodell entwickelt, um den Einfluss von Temperatur und Dehnungsrate auf die dynamische Spannung-Dehnung des Bodens zu bestimmen. Vinson et al.10 führten simulierte seismische Belastungstests auf gefrorenen Sandböden durch, um den Einfluss der Temperatur auf den dynamischen Elastizitätsmodul und das Dämpfungsverhältnis zu bewerten. Zhang et al.11 verwendeten ein dynamisches triaxiales Testgerät, um den Einfluss der Temperatur auf die dynamischen Parameter von schluffigem Ton zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigten, dass eine Temperaturänderung einen größeren Einfluss auf den dynamischen Schermodul und einen geringeren Einfluss auf die Spannungs-Dehnungs- und dynamischen Dämpfungsverhältnisse unterhalb als oberhalb des Gefrierpunkts hatte. Jiao et al.12 führten Tests auf gefrorenem Boden bei -1 °C durch und analysierte die Hystereseschleifen unter dynamischer Belastung. Es wurde festgestellt, dass die Fläche der Hystereseschleifen mit zunehmender maximaler dynamischer Belastung zunahm, was auf einen Anstieg der Energiedissipation und eine stärkere Schädigung der Probe hinweist. Li et al.13 analysierten den Zusammenhang zwischen den dynamischen Parametern gefrorener Böden und den Einflussfaktoren mithilfe dynamischer triaxialer Tieftemperaturtests. Vision et al.14,15 untersuchten die Auswirkung von Gefriertemperaturen auf pulverisierte Böden und stellten fest, dass der dynamische Elastizitätsmodul bei niedrigen Gefriertemperaturen positiv mit dem Wassergehalt und bei hohen Gefriertemperaturen negativ korreliert. Ling et al.16 kamen aus dynamischen triaxialen Tieftemperaturtests zu dem Schluss, dass der maximale dynamische Schermodul gefrorener Böden mit sinkenden negativen Temperaturen signifikant zunahm, mit zunehmendem Druck zunahm und mit zunehmender Vibrationsfrequenz abnahm. Das dynamische Schermodulverhältnis nahm mit zunehmender Vibrationsfrequenz in der ersten Belastungsstufe zu17. Xu et al.18 führten triaxiale Tests an gefrorenem und ungefrorenem Genhe-Schluffton durch und stellten fest, dass sich die Spannungs-Dehnungs-Kurve von Schluffton von Erweichung zu Verhärtung änderte, wenn der Grenzdruck und die Temperatur zunahmen und die Verdichtung abnahm. Zhao et al.19 führten einen zyklischen dynamischen triaxialen Tieftemperaturtest an Straßenbetten aus gefrorenem Schlickboden auf dem Qinghai-Tibet-Plateau durch. Sie analysierten die dynamischen Eigenschaften des Bodens für verschiedene Gefriertemperaturen, anfängliche Feuchtigkeitsgehalte, Verdichtungsgrade und begrenzende Druckbedingungen. Es wurde beobachtet, dass der dynamische Schermodul mit abnehmender Gefriertemperatur, zunehmendem Feuchtigkeitsgehalt und zunehmendem Verdichtungsgrad und Verdichtungsdruck zunahm. Jia et al.20 untersuchten den Energieverlust und die dynamischen Eigenschaften gefrorener Böden unter radialer dynamischer Belastung mithilfe von radialen Stoßkompressionstests. Sie fanden heraus, dass die dynamisch-mechanischen Eigenschaften von gefrorenen Böden, die einer radialen dynamischen Belastung ausgesetzt sind, eng mit der Belastungsdehnungsrate und der Temperatur zusammenhängen. Qiu et al.21 analysierten karbonathaltige Salzböden in kalten Regionen mithilfe von Innenraumtests und anderen Methoden und berücksichtigten dabei die Auswirkungen unterschiedlicher Anzahlen von Gefrier-Tau-Zyklen und des Salzgehalts auf die Scherfestigkeit. Die Testergebnisse zeigten, dass die Scherfestigkeit der karbonatsalzhaltigen Böden und die Anzahl der Gefrier-Tau-Zyklen umgekehrt mit dem Salzgehalt korrelierten. Lijith et al.22 untersuchten die Auswirkungen des volumetrischen Eisgehalts, der Schergeschwindigkeit und der vertikalen Spannung auf die Scherfestigkeitseigenschaften von gefrorenem Feinsand mithilfe einer verbesserten, kostengünstigen temperaturgesteuerten Direktscherkammervorrichtung. Die experimentellen Ergebnisse zeigten, dass die Kohäsion, der Schnittlinienmodul und der Scherausdehnungswinkel mit der Schergeschwindigkeit und dem volumetrischen Eisgehalt zunahmen. Es wurde jedoch keine Monographie zur Dynamik gefrorener Böden veröffentlicht, und die Forschung zu gefrorenen Böden befindet sich noch im frühen Forschungsstadium, insbesondere zur Dynamik saisonal gefrorener Böden. Die meisten Studien konzentrierten sich auf bestimmte Böden wie Löss und verwendeten umgestaltete Böden, wohingegen relativ wenige Studien die dynamischen Parameter von weit verbreitetem Schluffton untersuchten.

Die Literaturübersicht zeigt, dass viele Wissenschaftler die mechanischen Eigenschaften gefrorener Böden analysiert haben, wohingegen sich nur wenige Studien auf die Scherfestigkeitsparameter von schluffigem Ton unter dynamischen Belastungen und unterschiedlichen Temperaturen konzentrierten. Daher verwendeten wir schluffige Tonproben aus einer typischen saisonal gefrorenen Region (Changchun, China) und ein dynamisches dreiachsiges GDS-Testsystem, um die dynamischen Parameter von Bodenproben bei verschiedenen Temperaturen zu vergleichen und den Einfluss der Temperatur auf die dynamischen Parameter von schluffigem Ton zu analysieren eine saisonal gefrorene Region. Die Forschungsergebnisse liefern neue Daten und Informationen zur Steuerung von Bauprojekten in diesen Regionen.

Die Testproben wurden in der Jilin Avenue in Changchun, Jilin, China, einer typischen saisonal gefrorenen Region, entnommen. Die Probenahmestelle und die Bodenproben sind in Abb. 1 dargestellt. Anhand der wetterbedingten, geologischen und sonstigen Informationen zur Probenahmestelle lässt sich erkennen, dass die durchschnittliche Tiefe der gefrorenen Böden 1,7 m beträgt. Unter Ausschluss der Auswirkungen von Gefrieren und Auftauen auf die Bodeneigenschaften im natürlichen Zustand wurde die Probenahmetiefe auf 4–7 m gewählt. Die Proben wurden unmittelbar nach der Probenahme versiegelt und in der gleichen vertikalen Richtung gelagert. Zwölf Bodenproben mit einem Durchmesser von 10 cm und einer Höhe von 20 cm wurden in 36 Proben mit Säulen von 38 mm × 76 mm vorbereitet und Partikelgrößenverteilung, Feuchtigkeitsgehalt, Kompressionskoeffizient, Kompressionsmodul usw. der Bodenproben wurden gemäß der ASTM-Norm23,24,25 gemessen. Die Partikelgrößenverteilung der Bodenproben (Abb. 2) wurde mit einem Laser-Partikelgrößenanalysator ermittelt (Abb. 3). Die Testergebnisse zeigten, dass der Gehalt an Tonpartikeln mit einer Partikelgröße von weniger als 0,005 mm zwischen 8,87 % und 14,65 % lag, mit einem Durchschnittswert von 13,17 %. Der Gehalt an Schluffpartikeln mit Partikelgrößen von 0,005 mm bis 0,075 mm lag zwischen 69,79 % und 76,76 %, mit einem Durchschnittswert von 73,30 %. Der Gleichmäßigkeitskoeffizient CU und der Krümmungskoeffizient CC wurden berechnet. CU > 5 und CC < 1, was darauf hinweist, dass die Bodenprobe homogen war und der Boden lückenhaft eingestuft war. Die Bodenproben enthielten überwiegend Schluff- und Tonpartikel und der Gehalt an Schluffpartikeln war hoch. Die Böden werden nach dem USCS-System als CL identifiziert. Diese Böden haben eine hohe Kapillarwirkung, was ihre physikalischen Eigenschaften bei Frostbedingungen beeinflusst26.

Probenahmestellen und Bodenproben.

Partikelgrößenverteilung des Bodens.

Laser-Partikelgrößenanalysator (BT-9300H).

Die mit der Ringmessermethode gemessene natürliche Dichte betrug 1,86 g/cm3–1,99 g/cm3 und die durchschnittliche Nassdichte betrug 1,89 g/cm3. Der durch Trocknung gemessene Feuchtigkeitsgehalt betrug 20,7–25,8 %, der durchschnittliche Feuchtigkeitsgehalt betrug 22,8 %. Der Flüssigkeitsgrenzwertbereich betrug 31,73–34,06 %, mit einem durchschnittlichen Flüssigkeitsgrenzwert von 33,05 %, und der Kunststoffgrenzwertbereich betrug 20,85 % bis 23,07 %, mit einem durchschnittlichen Kunststoffgrenzwert von 22,06 %. Es wurde mit einem Boden-Flüssigkeit-Kunststoff-Grenzwerttestgerät gemessen. Das Porenverhältnis wurde mithilfe einer Umrechnungsgleichung von 0,64 auf 0,90 umgerechnet und das durchschnittliche Porenverhältnis betrug 0,79. Der Druckmodul wurde mit einem automatischen Konsolidierungstestsystem gemessen. Er betrug 4,82 MPa bis 5,7 MPa und der Kompressionskoeffizient lag zwischen 0,28 MPa−1 und 0,40 MPa−1. Die Dichte, der Wassergehalt, die Flüssigplastizitätsgrenze, das Porenverhältnis sowie der Kompressionsmodul und der Kompressionskoeffizient sind in den Abbildungen dargestellt. 4, 5, 6 und 7 (gezeigt in der ergänzenden Abbildung S1). Dies weist darauf hin, dass es sich bei den Bodenproben in ihrem natürlichen Zustand um mäßig verdichtende Tone handelt.

Dichte von Bodenproben.

Feuchtigkeitsgehalt und Sättigung von Bodenproben.

Flüssigkeitsgrenze und plastische Grenze von Bodenproben.

Porosität von Bodenproben.

Für den Test wurde das dynamische dreiachsige Testsystem GDS verwendet, das gleichzeitig dynamische Belastung, Axialdruck, Begrenzungsdruck, Gegendruck und Temperatur bereitstellen und steuern kann und sich durch eine relativ hohe Genauigkeit in Bezug auf die Temperatur auszeichnet (− 20 °C ± 0,01 °C ~). 60 °C ± 0,01 °C), Verschiebung (90 mm ± 0,0008 mm) usw., bestehend aus einem Controller, einem Porenwasserdrucksensor, einem Datenerfassungssystem und einem GDSLab-Steuerungssystem, wie in der ergänzenden Abbildung S2 dargestellt. Das GDSLab-Steuerungssystem wurde zur Steuerung der dynamischen Belastung, des Axialdrucks, des Begrenzungsdrucks, des Gegendrucks und der Temperatur verwendet. Die Sensoren übermitteln die Messdaten an das Datenerfassungssystem und den Computer. Der Test umfasste vier Phasen: Gegendrucksättigung, Konsolidierung, Abkühlung und dynamische Belastung. In der Sättigungsstufe des Gegendrucks ist der Grenzdruck 20 kPa größer als der Gegendruck. Eine Ladeplatte wird von der Software gesteuert und sorgt dafür, dass der Boden gesättigt ist. Die Sättigungsphase des Gegendrucks ist abgeschlossen, wenn das Drainagevolumen oder der Porendruck gleich dem Gegendruck ist und stabil bleibt. In der Konsolidierungsphase wird eine isotrope Konsolidierung durchgeführt. Die Bodenprobe ist verfestigt, wenn die Entwässerungsrate weniger als 0,1 cm3 pro Stunde beträgt. In der Kühlstufe wird die Temperatur durch Zirkulieren von Glykol-Frostschutzmittel (Gefrierpunkt − 45 °C) in der Wand der äußeren Druckkammer auf die Zieltemperatur abgesenkt. Die dynamische Belastungsphase besteht aus einer abgestuften Belastung. Um seismische Belastungen zu simulieren, wurden aufgrund der vorübergehenden Natur von Erdbeben nicht entwässerte Bedingungen verwendet.

Die Grenze zwischen gefrorenen Hochtemperatur- und Tieftemperaturregionen beträgt −1 °C, d °C27. Die durchschnittliche Wintertemperatur in Changchun wird auf −15 °C geschätzt. Eine Temperaturänderung beeinflusst die dynamischen Eigenschaften hochtemperaturgefrorener Böden stärker bei Temperaturen über − 4 °C. Daher verwendeten wir −15 °C, −4 °C und −1 °C als anfängliche Testtemperaturen und −20 °C und −10 °C als nachfolgende Testtemperaturen. Saisonal gefrorener Boden reagiert aufgrund seiner einzigartigen Struktur sehr empfindlich auf Temperaturschwankungen. Für den dynamischen Festigkeitsparametertest verwendeten wir zum Vergleich Raumtemperatur. Die endgültigen Testtemperaturen waren die Raumtemperatur als Kontrollgruppe (25 °C) und Temperaturen von – 1 °C, – 4 °C, – 10 °C, – 15 °C und – 20 °C.

Das Konsolidierungsspannungsverhältnis des Bodens hängt von der Bodenentwicklung, der Bodenart und anderen Faktoren ab. Der Kc-Wert beträgt im Allgemeinen 0,25–2,5 und der von verdichteter Schüttung im Allgemeinen 0,7–1,25. Bei der isotropen Konsolidierung ist Kc = 1,0 und die Konsolidierung ist abgeschlossen, wenn die Entwässerungsrate der Probe weniger als 0,1 cm3 pro Stunde beträgt. Basierend auf der Versenkungstiefe der Proben wurden Einschlussdrücke von 100 kPa, 200 kPa und 300 kPa verwendet. Studien haben gezeigt, dass die seismische Frequenz (die Frequenz, bei der die Energiedichte seismischer Wellen am größten ist) typischerweise 1,40 bis 7,25 Hz28 beträgt und die Grundfrequenz etwa 1,0 Hz beträgt; Daher haben wir eine Frequenz von 1 Hz verwendet. Seed et al. analysierte große Mengen seismischer Daten29 und stellte fest, dass 65 % der maximalen Lastamplitude der äquivalenten Amplitude der zyklischen Last entsprachen. Daher betrug die Lastamplitude dieses Tests \({\tau }_{e}=\) 0,65 \({\tau }_{max}\).

Es wurde eine abgestufte Belastung verwendet und σmin blieb konstant. Die dynamische Spannungsamplitude σm nahm mit der Anzahl der Belastungsschritte zu. Das schematische Diagramm des dreiachsigen Belastungstests ist in der ergänzenden Abbildung S3 dargestellt, und die Belastungsamplitude auf verschiedenen Ebenen ist in Gleichung (1) definiert. (1).

wobei \(\sigma_{0}\) die anfängliche statische Spannung ist,\(\sigma_{m}\) die dynamische Spannungsamplitude ist,\(\sigma_{m} = \frac{1}{2}\left( {\sigma_{\max } - \sigma_{\min } } \right)\),\(\sigma_{\max }\) ist die maximale Spannung, \(\sigma_{\min }\) ist die minimale Spannung , \(f\) ist die Ladefrequenz und \(t\) ist die Zeit.

Der konsolidierte undrainierte Test wurde gemäß der ASTM-Norm30 (Standard Test Method for Unconsolidated-Undrained Triaxial Compression Test on Cohesive Soils) durchgeführt und die Bodenprobe wurde vor dem Test vakuumgesättigt. Bei weichen Tonböden ist der Versuch beendet, wenn das Dehnungskriterium einen bestimmten Wert erreicht. Bei Kc = 1,0 tritt die Versagensdehnung auf, wenn die zweifache Amplitude der axialen dynamischen Dehnung 2εd 5 % oder 10 % erreicht. In diesem Test betrug die Abbruchbedingung 5 %.

Vor dem Test haben wir die Bodenproben gesättigt. Sie wurden in einen Vakuumsättiger mit einer Form mit drei Platten gegeben und mit destilliertem Wasser injiziert, nachdem sie sich zwei Stunden lang im Vakuumzustand befunden hatten. Anschließend wurde das Belüftungsventil geöffnet, um den Atmosphärendruck wiederherzustellen, und die Proben blieben mehr als 12 Stunden in diesem Zustand. Da der Boden dicht war, wurde die Ruhezeit unter der Bedingung einer ausreichenden Staubsaugung auf 24 bis 48 Stunden verlängert.

Die gesättigte Bodenprobe wurde in die mit Frostschutzmittel gefüllte Druckkammer gegeben, um die Bodenprobe abzukühlen und einen begrenzenden Druck auf sie auszuüben. Der Gegendruck und der Begrenzungsdruck, der 20 kPa höher war als der Gegendruck, wurden angelegt. Die Sättigung des Gegendrucks war abgeschlossen, wenn das Drainagevolumen bzw. der Porendruck dem Grenzdruck entsprach und stabil blieb. Aufgrund der geringen Porengröße von schluffigem Ton ist es schwierig, bei mehrstufiger Gegendrucksättigung einen B-Wert größer als 0,95 zu erreichen. Die Konsolidierungszeit des Tests betrug 12 Stunden. Die Zieltemperatur wurde durch das erweiterte Lademodul eingestellt und die Probe wurde mithilfe der Frostschutzzirkulation gekühlt. Die Druckkammer wurde mit Frischhaltefolie abgedeckt, um die Hitze zu bewahren.

Bei einem undränierten Versuch wird die dynamische Belastung der Schadensoberfläche vom Porenwasser29 getragen und führt nicht zu einer Bodenverdichtung. Daher hängt die dynamische Festigkeit eines gesättigten Bodens mit der statischen positiven Spannung σs auf der Schadensoberfläche zusammen. Die der Schwingungszeit entsprechende Amplitude σd ist σ1 überlagert, also σ1d = σ1 + σd und die kleine Hauptspannung σ3d = σ3, und der Mohrsche Spannungskreis hat einen Durchmesser von σ1 + σd-σ3d. Der Schnittpunkt und die Steigung der Hülltangente entsprechen dem dynamischen Zusammenhalt bzw. dem dynamischen inneren Reibungswinkel. Mohrs Spannungskreise bei verschiedenen Temperaturen für Grenzdrücke von 100 kPa, 200 kPa und 300 kPa mit einer Amplitude von \({\tau }_{e}=\) 0,65 \({\tau }_{max}\). dargestellt in der ergänzenden Abbildung S4. Die dynamische Kohäsion und der dynamische innere Reibungswinkel des Bodens sind in der ergänzenden Abbildung S5 dargestellt. Die blauen Linien in Abb. S5 zeigen die Trends der Kohäsion bei – 20 °C, – 15 °C, – 10 °C, – 4 °C, – 1 °C und bei Raumtemperatur. Die Kohäsion nimmt mit sinkender Temperatur zu und nimmt im Eis-Wasser-Phasenumwandlungsbereich nahe 0 °C stark zu. Der gefrorene Boden besteht aus nicht gefrorenem Wasser, Eiskristallen, Bodenpartikeln, Gas und anderen mehrphasigen Medien. Wenn das Medium einer dynamischen Belastung mit vier Phasen ausgesetzt wird, wirken sich Bewegung, Migration, Diffusion und Phasenwechsel auf die physikalischen Eigenschaften des Bodens aus. Wenn die Temperatur in der Eis-Wasser-Phasenänderungsregion nahe 0 °C liegt, nehmen der Eiskristallgehalt im Boden und die Bindungsstärke zwischen den Bodenpartikeln zu. Die innere Struktur der Eiskristalle verändert sich und die Wasserstoffionenaktivität nimmt mit sinkender Temperatur ab31. Die Zementierungskapazität des Bodens nimmt zu, wenn die Temperatur 0 °C nähert, was zu einem starken Anstieg der Bodenkohäsion führt. Wenn dagegen die Temperatur niedriger als die Eis-Wasser-Phasenübergangszone ist, ist die Wachstumsrate der Eiskristallpartikel gering und der Hauptfaktor, der den Bodenzusammenhalt beeinflusst, ist die Wasserstoffionenaktivität.

Der Einfluss der Temperatur auf den inneren Reibungswinkel ist in Abb. S5 dargestellt. Der innere Reibungswinkel nimmt mit sinkender Temperatur zu. Sie steigt langsam an, wenn die Temperatur über 0 °C liegt, und stark, wenn die Temperatur unter 0 °C liegt. Das nicht gefrorene Wasser im Boden diente als Schmiermittel für die Partikel. Wenn die Temperatur höher als die Gefriertemperatur ist, der Grad des Wasser-Eis-Phasenübergangs gering und der nicht gefrorene Wassergehalt hoch ist, ist die Schmierung zwischen den Bodenpartikeln relativ groß. Zu diesem Zeitpunkt ist die Okklusionskraft zwischen den Partikeln gering , der Winkel der inneren Reibung ist klein. Wenn die Temperatur unter 0 °C sinkt, nimmt der Gehalt an nicht gefrorenem Wasser stark ab. Die Poren zwischen den Bodenpartikeln werden mit Eiskristallen gefüllt und die Kraft, die erforderlich ist, um die Bodenpartikel zu bewegen, steigt schlagartig an. Der innere Reibungswinkel nimmt stark zu und die Änderungsrate nimmt mit sinkender Temperatur ab.

Zur Beurteilung der dynamischen Eigenschaften gefrorener Böden ist eine Analyse der dynamischen Spannungs-Dehnungs-Kurve erforderlich. Die dynamische Spannungs-Dehnungs-Kurve kann zur Bestimmung von drei Bodeneigenschaften verwendet werden: Hysterese, Dehnungsakkumulation und Nichtlinearität. Unter Hysterese versteht man eine Verzögerungszeit zwischen dem Einsetzen der dynamischen Belastung im Vergleich zur dynamischen Belastung. Zur Analyse der Hysterese wird eine Hysteresekurve verwendet. Ergänzende Abbildung S6 zeigt den Zusammenhang zwischen der dynamischen Scherspannung τ und der dynamischen Scherdehnung γ in einem Zyklus. Die Nichtlinearität der dynamischen Dehnung spiegelt sich in der Rückgratkurve wider, die den Zusammenhang zwischen der maximalen dynamischen Scherspannung \(\pm \tau_{m}\) und der maximalen dynamischen Scherdehnung \(\pm \gamma_{m}\ beschreibt. ) des Bodens unter zyklischer Belastung. Die Hysteresekurve ist in der ergänzenden Abbildung S7 dargestellt.

Die dynamische Spannungs-Dehnungs-Beziehung bei verschiedenen negativen Temperaturen in der ergänzenden Abbildung S8 zeigt, dass die dynamische Spannung, die zum Erreichen der gleichen Dehnung erforderlich ist, umso größer ist, je niedriger die Temperatur ist. Die dynamischen Spannungen, die erforderlich sind, um eine dynamische Dehnung von 5 % bei verschiedenen Temperaturen zu erreichen, sind wie folgt: 0,911 MPa bei – 1 °C, 1,14 MPa bei – 4 °C, 1,56 MPa bei – 10 °C, 2,42 MPa bei – 15 °C und 3,053 MPa bei − 20 °C. Der Grund für den Unterschied liegt darin, dass eine niedrigere Temperatur dazu führt, dass das nicht gefrorene Wasser im Boden zu Eiskristallen gefriert. Die innere Struktur ist dichter, da feste Eiskristalle steifer sind als flüssiges Wasser. Je niedriger die Temperatur, desto höher ist daher die dynamische Belastung, die erforderlich ist, um die gleiche Dehnung zu erreichen.

Der dynamische Elastizitätsmodul gibt den Grad der Steifigkeitserweichung des Bodens unter zyklischer Belastung an, also die Fähigkeit des Bodens, Verformungen zu widerstehen. In der Elastizitätstheorie bezeichnet \({E}_{d}\) die dynamische Spannungs-Dehnungs-Beziehung, wenn der Boden einer zyklischen Belastung ausgesetzt ist, ausgedrückt als \({E}_{d}={\sigma }_{ d}/{\varepsilon }_{d}\). Mit anderen Worten, der dynamische Elastizitätsmodul des Bodens ist gleich der Steigung, die der angepassten Kurve entspricht, die aus der hyperbolischen Hardin-Drnevich-Gleichung32 (Gleichungen (2) bis (4)) erhalten wird. Die Beziehungskurve für 1/\({\sigma }_{d}/{\varepsilon }_{d}\) bei verschiedenen Temperaturen wurde mithilfe des Hardin-Drnevich-Modells aufgezeichnet und angepasst (ergänzende Abbildung S9):

Dabei ist \({\varepsilon }_{d}\) die dynamische Dehnungsamplitude,\({\sigma }_{d}\) die dynamische Spannungsamplitude und a und b sind Testparameter. Wenn die dynamische Dehnung gegen 0 geht, tendiert a gegen 1/\({E}_{d}\); Wenn die dynamische Dehnung \({\varepsilon }_{d}\) gegen Unendlich geht, ist b die Umkehrung von \({\sigma }_{d}\).

Die Anpassungsergebnisse der Testdaten bei verschiedenen negativen Temperaturen sind in der Ergänzungstabelle S1 zusammengefasst. Die R2-Werte sind alle größer als 0,98, was darauf hinweist, dass das Hardin-Drnevich-Modell eine gute Anpassung an die dynamischen Spannungs-Dehnungs-Daten liefert. Die Prüfparameter a und b werden maßgeblich von der Temperatur beeinflusst und steigen beide mit der Temperatur.

Ergänzende Abbildung S9 zeigt, dass der dynamische Elastizitätsmodul mit abnehmender Temperatur zunimmt. Die Steigung nimmt zu und der dynamische Elastizitätsmodul weist die größte Änderungsrate auf, wenn die Temperatur im Eis-Wasser-Phasenänderungsbereich liegt. Der Grund dafür ist, dass der Gehalt an nicht gefrorenem Wasser abnimmt und die Zementierungskapazität des Bodens mit sinkender Temperatur zunimmt, wodurch sich der dynamische Elastizitätsmodul erhöht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Temperatur den dynamischen Elastizitätsmodul erheblich beeinflusst.

Bei einem Erdbeben wirkt der Baugrund dämpfend auf die Ausbreitung seismischer Wellen. Unter Dämpfung versteht man die Umwandlung dynamischer Energie in Wärme oder andere Energie, was zu einem Energieverlust aufgrund innerer Reibung führt, wenn der Boden einer dynamischen Einwirkung ausgesetzt ist. Der Grad der Energieabsorption durch den Boden spiegelt sich in der Größe des Dämpfungsverhältnisses λ wider, einem kritischen Parameter für die Bodenschwingungsreaktion des Bodens. λ wird wie folgt berechnet:

Daher,

Dabei ist \(\Delta W\) die Energie, die der Boden in einem Zyklus verliert, und \(W\) bezeichnet die Gesamtenergie.

Die dynamischen Spannungs-Dehnungs-Daten bei verschiedenen dynamischen Belastungsniveaus werden aufgezeichnet, um die Hysteresekurve zu erhalten. Da gefrorener Boden kein ideal viskoelastisches Material ist, ist die Hysteresekurve bei mehrstufiger Belastung nicht geschlossen, sondern weist eine elliptische Form auf. Der erste und der letzte Datenpunkt werden verbunden, um die Kurve zu schließen. Das Dämpfungsverhältnis wird mit Gl. berechnet. (8):

Dabei bezieht sich \(A_{0}\) auf die Fläche des von der in der ergänzenden Abbildung S10 gezeigten Hysteresekurve eingeschlossenen Bereichs, die ungefähr dem Energieverlust \(\Delta W\) entspricht. \(A_{r}\) ist die Fläche des Dreiecks \(OAA^{\prime}\), die gleich der maximalen im Boden gespeicherten elastischen Dehnungsenergie ist.

Die Beziehung zwischen dem Dämpfungsverhältnis und der dynamischen Scherdehnung bei verschiedenen negativen Temperaturen ist in der ergänzenden Abbildung S11 dargestellt. Das Dämpfungsverhältnis nimmt mit zunehmender dynamischer Scherdehnung zu, und die Steigerungsrate nimmt aufgrund der zunehmenden Scherdehnung und des Verlusts bzw. der Energie zu, wodurch das Dämpfungsverhältnis zunimmt. Bei gleicher dynamischer Belastung ist das Dämpfungsverhältnis umso geringer, je niedriger die Temperatur der Bodenprobe ist. Die niedrigere Temperatur führt dazu, dass das Wasser im Boden zu Eiskristallen gefriert. Die Härte und Festigkeit des Bodens nehmen zu, die Fähigkeit des Bodens, seismische Wellen zu absorbieren, wird geschwächt und der Energieverlust des Bodens nimmt ab, wodurch sich das Dämpfungsverhältnis verringert.

Es wurden dynamische triaxiale Tests durchgeführt, um die dynamischen Festigkeitsparameter, die Spannungs-Dehnungs-Beziehung, den Elastizitätsmodul und das Dämpfungsverhältnis von schluffigem Ton in einer saisonal gefrorenen Region bei unterschiedlichen Temperaturen zu bewerten. Die folgenden Schlussfolgerungen wurden gezogen.

Als die Temperatur sank und das nicht gefrorene Wasser im Boden nach Erreichen der Eis-Wasser-Phasenübergangszone gefror, nahmen der Zementierungsgrad, die Kohäsion und der innere Reibungswinkel des Bodens zu. Der innere Reibungswinkel stieg bei Temperaturen über 0 °C langsamer an und bei Temperaturen unter 0 °C stärker.

Mit abnehmender Temperatur nahmen der Eiskristallgehalt und die Steifigkeit des Bodens zu. Die Bodenporen wurden dichter, wodurch die Steigung der dynamischen Spannungs-Dehnungs-Kurve des Bodens mit sinkender Temperatur zunahm. Somit erhöhte sich die erforderliche Spannung, um die gleiche Dehnung zu erreichen.

Die maximale Zementierungskapazität des Bodens trat in der Eis-Wasser-Phasenübergangszone auf. Der dynamische Elastizitätsmodul nahm mit sinkender Temperatur zu und die angepassten Parameter a und b nahmen ab. Die angepasste Kurve wurde steiler und dieser Effekt war im Bereich der Eis-Wasser-Phasenänderung stärker ausgeprägt.

Das Dämpfungsverhältnis λ wurde verwendet, um die Absorptionsfähigkeit des Bodens für seismische Wellen widerzuspiegeln. Als die Temperatur sank, gefror das nicht gefrorene Wasser im Boden. Die Steifigkeit des Bodens nahm zu und verringerte seine Fähigkeit, seismische Wellen zu absorbieren. Die Verlustrate der seismischen Energie nahm ab und das Dämpfungsverhältnis nahm mit der Temperatur ab.

Bei den Personen in Abb. 1 handelt es sich nicht um die Autoren selbst, sondern um das Personal der Probenehmer, die alle nach Aufklärung der Veröffentlichung identifizierender Informationen/Bilder in der Online-Open-Access-Publikation zugestimmt haben.

Die Daten, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, sind wahr und verfügbar und wurden von allen Autoren autorisiert. Bitte wenden Sie sich an den entsprechenden Autor, wenn Sie auf die Studiendaten zugreifen möchten.

Xu, XZ & Ding, DW Aktueller Stand und Perspektiven der Forschung zur Veränderung und Nutzung gefrorener Böden. In Proceedings of the Fourth National Frozen Soils Academic Conference (Geocryology) 191–199 (Science Press, 1990).

Google Scholar

Zhou, Z., Ma, W., Zhang, S., Mu, Y. & Liu, G. Einfluss von Gefrier-Tau-Zyklen auf das mechanische Verhalten von gefrorenem Löss. Kaltreg. Wissenschaft. Technol. 146, 9–18 (2018).

Artikel Google Scholar

Chen, D., Ma, W., Zhao, SP & Mu, YH Aktuelle Forschungsfortschritte und Aussichten auf die Dynamik gefrorener Böden. J. Glaciol. Geocryol. 39(04), 868–883 (2017).

Google Scholar

Zhao, SP, Zhu, YL, He, P. & Wang, DY Teststudie zu dynamischen mechanischen Parametern von gefrorenem Boden. Kinn. J. Rock Mech. Ing. S2, 2677–2681 (2003).

Google Scholar

Zhu, YL, He, P., Zhang, JY & Wang, JC Triaxiales Kriechmodell für Permafrost unter Vibrationsbelastung. Adv. Natl. Wissenschaft. 01, 62–64 (1998).

Google Scholar

Zhu, YL, He, P., Zhang, JY & Wang, JC Einfluss des Begrenzungsdrucks auf die Kriecheigenschaften von gefrorenem Schlickboden unter Vibrationsbelastung. J. Glaciol. Geocryol. S1, 20–25 (1995).

Google Scholar

Wu, ZJ, Ma, W., Wang, LM, Cheng, JJ & Feng, WJ Experimentelle Studie über den Einfluss von Temperatur und Umgebungsdruck auf die Festigkeit gefrorener Böden unter seismischer Belastung. J. Glaciol. Geocryol. 06, 648–652 (2003).

Google Scholar

Gidel, G. et al. Ein neuer Ansatz zur Untersuchung des bleibenden Verformungsverhaltens von ungebundenem körnigem Material unter Verwendung des triaxialen Geräts mit wiederholter Belastung. Stier. Des Lab. des Ponts et Chaussees 6(8), 5–21 (2001).

Google Scholar

Zhou, ZW et al. Mehrachsiges Kriechen von gefrorenem Löss. Mech. Mater. 95, 172–191 (2016).

Artikel Google Scholar

Vinson, TS & Li, JC Dynamische Eigenschaften, wenn gefrorener Sand die Erdbebenbelastungsbedingungen nicht simulierte. Im Rahmen der 7. Weltkonferenz für Erdbebentechnik (Hrsg. Vinson, TS) 65–72 (Türkisches Nationalkomitee für Erdbebentechnik, 1980).

Google Scholar

Zhang, ZL & Cui, ZD Einfluss von Gefrier-Tauen auf die dynamischen Eigenschaften des schluffigen Tons unter K0-konsolidierten Bedingungen. Kaltreg. Wissenschaft. Technol. 146, 32–42 (2018).

Artikel Google Scholar

Jiao, GD, Zhao, SP, Ma, W., Luo, F. & Kong, XB Evolutionsgesetze von Hystereseschleifen von gefrorenem Boden unter zyklischer Belastung. Kinn. J. Geotech. Ing. 35(07), 1343–1349 (2013).

Google Scholar

Li, JC, Baladi, GY & Andersland, OB Zyklische triaxiale Tests an gefrorenem Sand. Ing. Geol. 13(4), 233–246 (1979).

Artikel Google Scholar

Vision, TS Geotechnical Engineering in Cold Regions 405–458 (McGraw-Hill Book Company Tnc, 1978).

Google Scholar

Vision, TS, Wilson, CR & Bolander, P. Dynamische Eigenschaften von natürlich gefrorenem Schlick. Im Rahmen der vierten internationalen Konferenz über Permafrost (Hrsg. Vision, TS) 1315–1320 (National Academy Press, 1983).

Google Scholar

Ling, XZ et al. Dynamischer Elastizitätsmodul für gefrorenen Boden vom Damm des Beiluhe-Beckens entlang der Qinghai-Tibet-Eisenbahn. Kalte Regionen Sci. Technol. 57(1), 7–12 (2009).

Artikel Google Scholar

Zhang, KX & Xie, JF Soil Dynamics 153–161 (Earthquake Press, 1989).

Google Scholar

Xu, X. et al. Festigkeits- und Verformungseigenschaften von schluffigem Ton im gefrorenen und ungefrorenen Zustand. Kaltreg. Wissenschaft. Technol. 172, 102982 (2020).

Artikel Google Scholar

Zhao, F., Chang, L. & Zhang, W. Experimentelle Untersuchung des dynamischen Schermoduls und des Dämpfungsverhältnisses von gefrorenem Qinghai-Tibet-Schlamm unter mehrstufiger zyklischer Belastung. Kaltreg. Wissenschaft. Technol. 170, 102938 (2020).

Artikel Google Scholar

Jia, J., Tang, H. & Chen, H. Dynamische mechanische Eigenschaften und Energiedissipationseigenschaften von gefrorenem Boden unter passiv begrenztem Druck. Acta Mech. Solida Sin. 34(2), 184–203 (2021).

Artikel Google Scholar

Kaichi, Q. et al. Experimentelle Untersuchung der Scherfestigkeit von karbonathaltigem Salzboden bei Frost-Tau-Zyklen. Atmosphäre 13(12), 2063–2063 (2022).

Artikel Google Scholar

Lijith, KP, Sharma, V. & Singh, DN Scherfestigkeitseigenschaften von gefrorenem Feinsand unter direkten Schertestbedingungen. Int. J. Geomech. https://doi.org/10.1061/(ASCE)GM.1943-5622.0002228 (2022).

Artikel Google Scholar

ASTM D422–63 (2007) Standardtestmethode für die Partikelgrößenanalyse von Böden. ASTM D422–63, ASTM International, West Conshohocken, PA, USA

ASTM D2216–10 Standardtestmethoden zur Laborbestimmung des Wasser- (Feuchtigkeits-)Gehalts von Boden und Gestein nach Masse. ASTM D2216–10, ASTM International, West Conshohocken, PA, USA

ASTM D2435/D2435M-11 Standardtestmethoden für eindimensionale Konsolidierungseigenschaften von Böden unter Verwendung inkrementeller Belastung. ASTM D2435/D2435M-11, ASTM International, West Conshohocken, PA, USA

Chen, H. et al. Einfluss der Temperatur auf die Festigkeitseigenschaften von ungesättigtem Schluffton in saisonal gefrorenen Regionen. J. Civil Eng. KSCE 24(9), 2610–2620 (2020).

Artikel Google Scholar

Railway First Survey and Design Institute. Vorläufige Vorschriften für die technische Vermessung in der Zone des gefrorenen Bodens der Qinghai-Tibet-Eisenbahn (The First Railway Survey and Design Institute, 2003).

Google Scholar

Peng, SQ, Zhao, QH & Huang, RQ Studie zu dynamischen triaxialen Tests an Ton in Chengdu. J. Geol. Gefahren Umwelt. Konserv. 13(1), 57–60 (2002).

Google Scholar

Seed, HB & Idriss, IM Vereinfachtes Verfahren zur Bewertung des Bodenverflüssigungspotenzials. J. Bodenmechaniker Gefunden. Abt. 97(9), 1249–1273 (1971).

Artikel Google Scholar

ASTM D2850–03a (2007) Standardtestmethode für nicht konsolidierte und nicht entwässerte dreiachsige Kompressionstests auf bindigen Böden. ASTM D2850–03a, ASTM International, West Conshohocken, PA, USA

Yinghui, C. Untersuchung der dynamischen Eigenschaften von warmem gefrorenem Boden basierend auf dem Permafrost-Dynamik-Direktscherapparat (Beijing Jiaotong University, 2015).

Google Scholar

Hardin, BO & Drnevich, VP Schermodul und Dampingi-Böden: Entwurfsgleichungen und -kurven. J. Bodenmechaniker Gefunden. Abt. ASCE 98(SM7), 667–692 (1972).

Artikel Google Scholar

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Diese Arbeit wurde durch das Young Elite Scientists Sponsorship Program von CAST (Grant No.2021QNRC001), dem Science and Technology Development Project der Provinz Jinlin, China (Grant No.YDZJ202201ZYTS490) unterstützt.

Fakultät für Geometrie und Prospektionstechnik, Jilin Jianzhu University, Changchun, 130118, China

Haotian Guo, Yuli Lin, Chao Sun und Xin Mao

Hochschule für Bauingenieurwesen, Jilin-Universität, Changchun, 130026, China

Jinfeng Li

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GHT und LYL haben den Hauptteil des Manuskripts geschrieben, die Experimente abgeschlossen und den Großteil der Datenverarbeitung durchgeführt. SC und MX zeichneten die Bilder und Tabellen im Manuskript. LJF hat die Details des Manuskripts geändert. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Haotian Guo.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Guo, H., Lin, Y., Sun, C. et al. Einfluss der Temperatur auf die dynamischen Parameter von schlammigem Ton in einer saisonal gefrorenen Region. Sci Rep 13, 13141 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-40261-y

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Eingegangen: 30. Dezember 2022

Angenommen: 08. August 2023

Veröffentlicht: 12. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-40261-y

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