계절적으로 동결된 지역의 미사질 점토의 동적 매개변수에 대한 온도의 영향

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 13141(2023) 이 기사 인용

206 액세스

측정항목 세부정보

계절적으로 동결된 지역에서 미사질 점토의 동적 매개변수에 대한 온도의 영향은 GDS 동적 삼축 테스트 시스템을 사용하여 평가되었습니다. 토양 시료의 강도 매개변수, 동적 탄성 계수, 감쇠비 및 기타 동적 매개변수를 다양한 온도 조건에서 분석했습니다. 결과는 동적 하중 하에서 미사질 점토의 전단 강도 매개변수(내부 마찰각 및 응집력)가 온도가 감소함에 따라 크게 증가하고 내부 마찰각이 0°C 미만에서 급격히 증가한다는 것을 보여주었습니다. 얼음-물 상변화 영역에서는 온도가 감소함에 따라 동적탄성계수가 증가하고 변화가 크게 나타났다. 토양 시료의 동적 응력-변형률 곡선의 기울기는 온도가 감소함에 따라 크게 증가했습니다. 온도가 감소함에 따라 감쇠비가 감소하고, 지진파를 흡수하는 토양의 능력이 저하됩니다. 연구 결과는 계절적으로 동결되는 지역의 건설 프로젝트를 안내할 수 있는 새로운 데이터와 정보를 제공합니다.

동토는 전 세계적으로 광범위하게 발생하며 전 세계 육지 면적의 약 70%를 차지합니다1. 동토는 어는 시간이 몇 시간에서 반달 정도인 단기 동토, 어는 시간이 2년 이상인 영구동토층, 어는 시간이 반달에서 한 달 정도 되는 계절동토로 분류할 수 있다. 몇달. 계절에 따라 동결된 토양과 영구 동토층 토양은 전 세계 육지 면적의 약 23%를 차지합니다2. 이러한 토양의 대부분은 인간 활동이 활발한 북반구와 남반구의 중위도 및 고위도에 위치하며 계절적으로 동결되는 지역에 속합니다. 최근에는 생태학적 변화로 인한 지구 온난화로 인해 다년간 동결된 일부 지역의 토양이 녹아 계절에 따라 동결된 토양이 확대되었습니다. 따라서 지속 가능한 건설을 보장하기 위해서는 계절적으로 동결된 지역의 토양의 기계적 매개변수를 연구하는 것이 중요합니다.

토양에서 발생하는 변화는 정적 하중보다 동적 하중이 적용될 때 더 복잡합니다. 동토에 대한 연구와 계절적으로 동파되는 지역의 엔지니어링 건설 프로젝트 수가 증가했습니다. 계절에 따라 동결된 토양의 기계적 특성을 분석하는 것은 특히 동적 하중 하에서 시급합니다. 동토 역학에 관한 대부분의 연구는 지반 강도, 동적 응력-변형률 관계, 동적 크리프 특성, 지진 응답 특성, 말뚝 기초의 동적 특성 및 열차 하중에 대한 동적 응답에 중점을 두고 있습니다3. 동결 지역 토양의 동적 매개변수는 고층 건물, 교량, 항만, 공항 및 고속철도의 엔지니어링 설계에 매우 중요하며 수치 시뮬레이션에 필수적입니다. 따라서 계절동토의 동적변수를 분석하는 것이 필요하다.

최근 많은 전문가와 학자들이 동토의 동적 특성을 연구하여 유익한 연구 결과를 제공하고 있습니다. Zhao 등4은 동토에 동적 하중이 가해질 때 압력 하에서 공극이 닫혀 강도와 동적 탄성 계수가 증가한다는 사실을 발견했습니다. 압력은 토양 입자의 이탈과 결합의 파괴를 유발하여 균열을 형성하고 토양을 약화시키고 동적 탄성 계수를 감소시킵니다. Zhu et al.5,6은 다양한 원주 압력 하에서 Lanzhou의 얼어붙은 황토에 대해 동적 3축 크리프 테스트를 수행했습니다. 그들은 크리프 모델을 제안하고 모델 매개변수의 중요성과 매개변수 값의 변화에 ​​따른 영향을 논의했습니다. Wu et al.7은 동적 삼축 시험을 사용하여 리모델링된 Lanzhou 동결 황토의 기계적 특성을 연구하고 지진 하중 하에서 동결 토양의 동적 특성을 조사했습니다. Gidel et al.8은 동적 3축 시험 장치를 사용하여 다양한 정적 처짐 응력 하에서 거친 입자 토양의 동적 응답 특성을 조사했습니다. 그들은 누적 소성 변형률, 응력 크기 및 동적 하중의 진동 수 사이의 관계를 설명하는 경험적 방정식을 도출했습니다. Zhou et al.9는 토양의 동적 응력-변형률에 대한 온도와 변형률 속도의 영향을 결정하기 위해 고유 구조 모델을 확립했습니다. Vinson et al.10은 온도가 동적 탄성계수와 감쇠비에 미치는 영향을 평가하기 위해 동결된 모래 토양에 대해 모의 지진 하중 테스트를 수행했습니다. Zhang 등11은 미사질 점토의 동적 매개변수에 대한 온도의 영향을 연구하기 위해 동적 3축 시험 장치를 사용했습니다. 결과는 온도 변화가 동적 전단 계수에 더 큰 영향을 미치고 어는점 이상보다 낮은 응력-변형률 및 동적 감쇠비에 더 작은 영향을 미친다는 것을 보여주었습니다. Jiao et al.12는 -1 °C에서 동결된 토양에 대한 테스트를 수행했습니다. 동적 하중 하에서 히스테리시스 루프를 분석했습니다. 최대 동적 응력이 증가함에 따라 히스테리시스 루프의 면적이 증가하는 것으로 나타났습니다. 이는 에너지 소산이 증가하고 샘플에 더 많은 손상이 있음을 나타냅니다. Li et al.13은 저온 동적 삼축시험을 이용하여 동토의 동적변수와 영향요인 간의 관계를 분석하였다. Vision et al.14,15은 분쇄된 토양에 대한 동결 온도의 영향을 연구하여 동적 탄성 계수가 낮은 동결 온도에서는 수분 함량과 양의 상관 관계가 있고 높은 동결 온도에서는 음의 상관 관계가 있음을 발견했습니다. Ling et al.16은 저온 동적 삼축 시험을 통해 동결 토양의 최대 동적 전단 계수가 음의 온도가 감소함에 따라 크게 증가하고, 압력이 증가함에 따라 증가하며, 진동 주파수가 증가함에 따라 감소한다는 결론을 내렸습니다. 첫 번째 로딩 단계에서 진동 주파수가 증가함에 따라 동적 전단 계수 비율이 증가했습니다. Xu et al.18은 동결 및 동결되지 않은 Genhe 미사질 점토에 대해 3축 테스트를 수행한 결과, 가두는 압력과 온도가 증가하고 압축이 감소함에 따라 미사질 점토의 응력-변형률 곡선이 연화에서 경화로 변한다는 것을 발견했습니다. Zhao 등19은 Qinghai-Tibet 고원의 얼어붙은 미사토 노반에 대해 저온 순환 동적 3축 테스트를 수행했습니다. 그들은 다양한 동결 온도, 초기 수분 함량, 압축 정도 및 구속 압력 조건에 대한 토양의 동적 특성을 분석했습니다. 동결온도가 감소하고, 수분함량이 증가하고, 다짐도와 다짐압력이 증가함에 따라 동적전단탄성계수는 증가하는 것으로 관찰되었다. Jia et al.20은 방사형 충격 압축 시험을 사용하여 방사형 동적 하중 하에서 동결된 토양의 에너지 손실과 동적 특성을 연구했습니다. 그들은 방사형 동적 하중을 받는 동결 토양의 동적 기계적 특성이 하중 변형율 및 온도와 밀접한 관련이 있음을 발견했습니다. Qiu et al.21은 다양한 동결-융해 주기 횟수와 염분 함량이 전단강도에 미치는 영향을 고려하여 실내 시험 및 기타 방법을 사용하여 추운 지역의 탄산 염분 토양을 분석했습니다. 실험 결과, 탄산 염분 토양의 전단강도와 동결-융해 주기 횟수는 염분 함량과 반비례 관계가 있는 것으로 나타났다. Lijith et al.22는 개선된 저비용 온도 제어 직접 전단 챔버 장치를 사용하여 얼음 고운 모래의 전단 강도 특성에 대한 체적 얼음 함량, 전단 속도 및 수직 응력의 영향을 조사했습니다. 실험 결과, 전단속도와 부피얼음함량이 증가함에 따라 응집력, 절단선 계수, 전단팽창각이 증가하는 것으로 나타났다. 그러나 동토 역학에 관한 논문은 출판되지 않았으며, 동토에 대한 연구는 초기 탐색 단계에 있으며, 특히 계절 동토의 동역학에 관한 연구는 더욱 그렇습니다. 대부분의 연구는 황토와 같은 특정 토양에 초점을 맞추고 리모델링된 토양을 사용한 반면, 널리 분포된 미사질 점토의 역학 매개변수를 조사한 연구는 상대적으로 적습니다.