Efecto de la temperatura sobre los parámetros dinámicos de la arcilla limosa en una región estacionalmente helada

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 13141 (2023) Citar este artículo

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El efecto de la temperatura sobre los parámetros dinámicos de la arcilla limosa en una región estacionalmente helada se evaluó utilizando un sistema de prueba triaxial dinámico GDS. Los parámetros de resistencia, módulo elástico dinámico, relación de amortiguación y otros parámetros dinámicos de las muestras de suelo se analizaron en diferentes condiciones de temperatura. Los resultados demostraron que los parámetros de resistencia al corte (ángulo de fricción interna y cohesión) de la arcilla limosa bajo una carga dinámica aumentaron significativamente al disminuir la temperatura, y el ángulo de fricción interna aumentó bruscamente por debajo de 0 °C. El módulo elástico dinámico aumentó a medida que la temperatura disminuyó y cambió significativamente en la región de cambio de fase hielo-agua. La pendiente de la curva dinámica tensión-deformación de la muestra de suelo aumentó significativamente al disminuir la temperatura. A medida que la temperatura disminuyó, la relación de amortiguación se redujo y la capacidad del suelo para absorber ondas sísmicas disminuye. Los resultados de la investigación proporcionan nuevos datos e información para guiar los proyectos de construcción en una región estacionalmente helada.

El suelo congelado se encuentra ampliamente distribuido en todo el mundo y cubre alrededor del 70% de la superficie terrestre mundial1. Los suelos congelados se pueden clasificar en suelos congelados a corto plazo con un tiempo de congelación de unas pocas horas a medio mes, suelos de permafrost con un tiempo de congelación de dos o más años y suelos congelados estacionalmente con un tiempo de congelación de medio mes a un pocos meses. Los suelos estacionalmente congelados y los suelos de permafrost cubren aproximadamente el 23% de la superficie terrestre mundial2. La mayoría de estos suelos se encuentran en latitudes medias y altas de los hemisferios norte y sur, áreas de extensa actividad humana, pertenecen a la región estacionalmente helada. En los últimos años, debido al calentamiento global causado por cambios ecológicos, el suelo en algunas áreas congeladas durante varios años se ha descongelado, lo que ha resultado en una expansión de suelos congelados estacionalmente. Por lo tanto, es crucial estudiar los parámetros mecánicos de los suelos en regiones estacionalmente heladas para garantizar una construcción sostenible.

Los cambios que ocurren en los suelos son más complejos cuando se aplican cargas dinámicas en lugar de cargas estáticas. Han aumentado las investigaciones sobre suelos helados y el número de proyectos de construcción de ingeniería en regiones estacionalmente heladas. Analizar las propiedades mecánicas de los suelos estacionalmente congelados es particularmente urgente, especialmente bajo cargas dinámicas. La mayoría de los estudios sobre la dinámica del suelo congelado se han centrado en la resistencia del suelo, la relación tensión-deformación dinámica, las características dinámicas de fluencia, las características de respuesta sísmica, las características dinámicas de los cimientos de pilotes y la respuesta dinámica a las cargas del tren3. Los parámetros dinámicos de los suelos en regiones heladas son críticos para el diseño de ingeniería de edificios de gran altura, puentes, puertos, aeropuertos y ferrocarriles de alta velocidad y son indispensables para las simulaciones numéricas. Por tanto, es necesario analizar los parámetros dinámicos de suelos estacionalmente congelados.

Muchos expertos y académicos han investigado las propiedades dinámicas de los suelos congelados en los últimos años, proporcionando resultados de investigación informativos. Zhao et al.4 encontraron que cuando se aplicaba una carga dinámica al suelo congelado, los poros se cerraban bajo presión, aumentando la resistencia y el módulo elástico dinámico. La presión provocó la dislocación de las partículas del suelo y la destrucción de los enlaces, formando grietas, que debilitaron el suelo y redujeron el módulo elástico dinámico. Zhu et al.5,6 realizaron pruebas dinámicas de fluencia triaxial en loess congelado en Lanzhou bajo diferentes presiones circunferenciales. Propusieron un modelo de fluencia y discutieron la importancia de los parámetros del modelo y los efectos de los cambios en los valores de los parámetros. Wu et al.7 estudiaron las propiedades mecánicas del loess congelado de Lanzhou remodelado mediante pruebas triaxiales dinámicas e investigaron las propiedades dinámicas del suelo congelado bajo carga sísmica. Gidel et al.8 utilizaron un aparato de prueba triaxial dinámico para examinar las características de respuesta dinámica de suelos de grano grueso bajo diferentes tensiones de deflexión estática. Derivaron una ecuación empírica que describe la relación entre la deformación plástica acumulada, la magnitud de la tensión y el número de vibraciones de la carga dinámica. Zhou et al.9 establecieron un modelo de estructura intrínseca para determinar el efecto de la temperatura y la tasa de deformación sobre la tensión-deformación dinámica del suelo. Vinson et al.10 realizaron pruebas de carga sísmica simuladas en suelos arenosos congelados para evaluar el efecto de la temperatura sobre el módulo elástico dinámico y la relación de amortiguación. Zhang et al.11 utilizaron un dispositivo de prueba triaxial dinámico para estudiar el efecto de la temperatura sobre los parámetros dinámicos de la arcilla limosa. Los resultados mostraron que un cambio de temperatura tenía un efecto mayor sobre el módulo de corte dinámico y un efecto menor sobre las relaciones tensión-deformación y amortiguamiento dinámico por debajo que por encima del punto de congelación. Jiao et al.12 realizaron pruebas en suelo congelado a -1 °C. y analizó los bucles de histéresis bajo carga dinámica. Se encontró que el área de los bucles de histéresis aumentó con un aumento en la tensión dinámica máxima, lo que indica un aumento en la disipación de energía y más daño a la muestra. Li et al.13 analizaron la relación entre los parámetros dinámicos de suelos congelados y los factores que influyen mediante pruebas triaxiales dinámicas de baja temperatura. Vision et al.14,15 estudiaron el efecto de las temperaturas bajo cero en suelos pulverizados y encontraron que el módulo elástico dinámico se correlacionaba positivamente con el contenido de agua a bajas temperaturas bajo cero y negativamente a altas temperaturas bajo cero. Ling et al.16 concluyeron a partir de pruebas triaxiales dinámicas a baja temperatura que el módulo de corte dinámico máximo de los suelos congelados aumentó significativamente al disminuir las temperaturas negativas, aumentó al aumentar la presión y disminuyó al aumentar la frecuencia de vibración. La relación del módulo de corte dinámico aumentó con un aumento en la frecuencia de vibración en la primera etapa de carga17. Xu et al.18 realizaron pruebas triaxiales en arcilla limosa Genhe congelada y no congelada y encontraron que la curva tensión-deformación de la arcilla limosa cambiaba de ablandamiento a endurecimiento a medida que aumentaban la presión y la temperatura de confinamiento y disminuía la compactación. Zhao et al.19 llevaron a cabo una prueba triaxial dinámica cíclica de baja temperatura en lechos de carreteras con suelo de limo congelado en la meseta Qinghai-Tíbet. Analizaron las propiedades dinámicas del suelo para diferentes temperaturas de congelación, contenidos de humedad iniciales, grados de compactación y condiciones de presión de confinamiento. Se observó que el módulo de corte dinámico aumentó al disminuir la temperatura de congelación, aumentar el contenido de humedad y aumentar el grado y la presión de compactación. Jia et al.20 estudiaron la pérdida de energía y las propiedades dinámicas de suelos congelados bajo carga dinámica radial utilizando pruebas de compresión de impacto radial. Descubrieron que las propiedades mecánicas dinámicas de los suelos congelados sometidos a cargas dinámicas radiales estaban estrechamente relacionadas con la velocidad de deformación de la carga y la temperatura. Qiu et al.21 analizaron suelos salinos carbonatados en regiones frías utilizando pruebas en interiores y otros métodos, considerando los efectos de diferentes números de ciclos de congelación-descongelación y el contenido de sal sobre la resistencia al corte. Los resultados de las pruebas mostraron que la resistencia al corte de los suelos salinos carbonatados y el número de ciclos de congelación-descongelación estaban inversamente correlacionados con el contenido de sal. Lijith et al.22 investigaron los efectos del contenido volumétrico de hielo, la velocidad de corte y la tensión vertical sobre las propiedades de resistencia al corte de arena fina congelada utilizando un dispositivo mejorado y de bajo costo con cámara de corte directo con temperatura controlada. Los resultados experimentales mostraron que la cohesión, el módulo de la línea de corte y el ángulo de expansión de corte aumentaron con la velocidad de corte y el contenido volumétrico de hielo. Sin embargo, no se ha publicado ninguna monografía sobre la dinámica de los suelos congelados y la investigación sobre suelos congelados se encuentra en la etapa exploratoria inicial, especialmente la dinámica de los suelos congelados estacionalmente. La mayoría de los estudios se han centrado en suelos específicos, como el loess, y han utilizado suelos remodelados, mientras que relativamente pocos estudios investigaron los parámetros dinámicos de la arcilla limosa ampliamente distribuida.

La revisión de la literatura indica que muchos estudiosos han analizado las propiedades mecánicas de suelos congelados, mientras que pocos estudios se centraron en los parámetros de resistencia al corte de arcilla limosa bajo cargas dinámicas y diferentes temperaturas. Por lo tanto, utilizamos muestras de arcilla limosa de una región típica estacionalmente helada (Changchun, China) y un sistema de prueba triaxial dinámico GDS para comparar los parámetros dinámicos de muestras de suelo a diferentes temperaturas y analizar el efecto de la temperatura sobre los parámetros dinámicos de la arcilla limosa en una región estacionalmente helada. Los resultados de la investigación proporcionan nuevos datos e información para guiar los proyectos de construcción en estas regiones.

Las muestras de prueba se obtuvieron de la avenida Jilin en Changchun, Jilin, China, una región típica estacionalmente helada. El sitio de muestreo y las muestras de suelo se muestran en la Fig. 1. Según la información meteorológica, geológica y otra información relacionada del lugar de muestreo, se puede ver que la profundidad promedio de los suelos congelados es de 1,7 m. Excluyendo el efecto de la congelación y descongelación sobre las propiedades del suelo en su estado natural, la profundidad de muestreo se seleccionó entre 4 y 7 m. Las muestras se sellaron inmediatamente después del muestreo y se almacenaron en la misma dirección vertical. Se prepararon doce muestras de suelo de 10 cm de diámetro por 20 cm de altura en 36 muestras de columnas de 38 mm × 76 mm, y se analizó la distribución del tamaño de las partículas, el contenido de humedad, el coeficiente de compresión, El módulo de compresión, etc. de las muestras de suelo se midieron de acuerdo con la norma ASTM23,24,25. La distribución del tamaño de partículas de las muestras de suelo (Fig. 2) se obtuvo mediante un analizador láser de tamaño de partículas (Fig. 3). Los resultados de las pruebas demostraron que el contenido de partículas de arcilla con un tamaño de partícula inferior a 0,005 mm osciló entre 8,87% y 14,65%, con un valor promedio de 13,17%. El contenido de partículas de limo con tamaños de partícula de 0,005 mm a 0,075 mm osciló entre 69,79% y 76,76%, con un valor promedio de 73,30%. Se calcularon el coeficiente de uniformidad CU y el coeficiente de curvatura CC. CU > 5 y CC < 1, lo que indica que la muestra de suelo era homogénea y el suelo estaba clasificado en espacios. Las muestras de suelo contenían predominantemente partículas de limo y arcilla, y el contenido de partículas de limo era alto. Los suelos se identifican según el sistema uscs como CL. Estos suelos tienen alta acción capilar, afectando sus propiedades físicas en condiciones de congelación26.

Lugares de muestreo y muestras de suelo.

Distribución granulométrica del suelo.

Analizador de tamaño de partículas láser (BT-9300H).

La densidad natural medida por el método del cuchillo anular fue de 1,86 g/cm3-1,99 g/cm3, y la densidad húmeda promedio fue de 1,89 g/cm3. El contenido de humedad medido mediante secado fue de 20,7 a 25,8% y el contenido de humedad promedio fue de 22,8%. El rango de límite líquido fue de 31,73 a 34,06 %, con un límite líquido promedio de 33,05 %, y el rango de límite plástico fue de 20,85 % ~ 23,07 %, con un límite plástico promedio de 22,06 %. Se midió utilizando un instrumento de prueba de límite líquido-plástico del suelo. La relación de poros se convirtió de 0,64 a 0,90 usando una ecuación de conversión, y la relación de poros promedio fue 0,79. El módulo de compresión se midió utilizando un sistema de prueba de consolidación automático. Era de 4,82 MPa a 5,7 MPa y el coeficiente de compresión osciló entre 0,28 MPa-1 y 0,40 MPa-1. La densidad, el contenido de agua, el límite líquido-plástico, la relación de poros y el módulo y coeficiente de compresión se muestran en las Figs. 4, 5, 6 y 7 (se muestra en la figura complementaria S1), respectivamente. Esto indica que las muestras de suelo son arcillas moderadamente compresivas en su estado natural.

Densidad de las muestras de suelo.

Contenido de humedad y saturación de muestras de suelo.

Límite líquido y límite plástico de muestras de suelo.

Porosidad de muestras de suelo.

La prueba utilizó el sistema de prueba triaxial dinámico GDS, que puede proporcionar y controlar simultáneamente la carga dinámica, la presión axial, la presión de confinamiento, la contrapresión y la temperatura, y se caracteriza por una precisión relativamente alta en términos de temperatura (- 20 °C ± 0,01 °C ~ 60 °C ± 0,01 °C), desplazamiento (90 mm ± 0,0008 mm), etc., que consta de un controlador, un sensor de presión de agua intersticial, un sistema de adquisición de datos y un sistema de control GDSLab, como se muestra en la figura complementaria S2. El sistema de control GDSLab se utilizó para controlar la carga dinámica, la presión axial, la presión de confinamiento, la contrapresión y la temperatura. Los sensores transmiten los datos medidos al sistema de adquisición de datos y a la computadora. La prueba incluyó cuatro etapas: saturación de contrapresión, consolidación, enfriamiento y carga dinámica. En la etapa de saturación de contrapresión, la presión de confinamiento es 20 kPa mayor que la contrapresión. El software controla una placa de carga para garantizar que el suelo esté saturado. La etapa de saturación de contrapresión se completa cuando el volumen de drenaje o presión de poro es igual a la contrapresión y permanece estable. La consolidación isotrópica se realiza en la etapa de consolidación. La muestra de suelo se ha consolidado cuando la tasa de drenaje es inferior a 0,1 cm3 por h. En la etapa de enfriamiento, la temperatura se reduce a la temperatura objetivo haciendo circular anticongelante de glicol (punto de congelación - 45 °C) en la pared de la cámara de presión exterior. La etapa de carga dinámica consiste en una carga gradual. Para simular la carga sísmica, se utilizaron condiciones no drenadas debido a la naturaleza transitoria de los terremotos.

El límite entre las regiones congeladas de alta y baja temperatura es − 1 °C, es decir, en las regiones congeladas de baja temperatura, T < − 1 °C, y en las regiones congeladas de alta temperatura, − 1 °C ≤ T ≤ 0 °C27. Se estima que la temperatura media en invierno en Changchun es de -15 °C. Un cambio de temperatura afecta más las propiedades dinámicas de los suelos congelados a altas temperaturas a temperaturas superiores a -4 °C. Por lo tanto, utilizamos − 15 ° C, − 4 ° C y − 1 ° C como temperaturas de prueba iniciales y − 20 ° C y − 10 ° C como temperaturas de prueba posteriores. El suelo congelado estacionalmente es muy sensible a los cambios de temperatura debido a su estructura única. Utilizamos la temperatura ambiente para comparar en la prueba de parámetros de resistencia dinámica. Las temperaturas de prueba finales fueron la temperatura ambiente como grupo de control (25 °C) y temperaturas de −1 °C, −4 °C, −10 °C, −15 °C y −20 °C.

La relación de tensión de consolidación del suelo está relacionada con el desarrollo del suelo, el tipo de suelo y otros factores. El valor de Kc es generalmente de 0,25 a 2,5 y el del relleno compactado es generalmente de 0,7 a 1,25. En la consolidación isotrópica, Kc = 1,0 y la consolidación se completa cuando la tasa de drenaje de la muestra es inferior a 0,1 cm3 por h. Según la profundidad de enterramiento de las muestras, se utilizaron presiones de confinamiento de 100 kPa, 200 kPa y 300 kPa. Los estudios han demostrado que la frecuencia sísmica (la frecuencia a la que la densidad de energía de las ondas sísmicas es mayor) suele ser de 1,40 a 7,25 Hz28, y la frecuencia fundamental es de aproximadamente 1,0 Hz; por tanto, utilizamos una frecuencia de 1 Hz. Semilla y col. analizaron grandes cantidades de datos sísmicos29 y encontraron que el 65% de la amplitud de carga máxima era la amplitud equivalente de la carga cíclica. Por lo tanto, la amplitud de carga de esta prueba fue \({\tau }_{e}=\) 0.65 \({\tau }_{max}\).

Se utilizó una carga gradual y σmin permaneció constante. La amplitud de la tensión dinámica σm aumentó con el número de pasos de carga. El diagrama esquemático de la prueba de carga triaxial se muestra en la figura complementaria S3, y la amplitud de carga en diferentes niveles se define en la ecuación. (1).

donde \(\sigma_{0}\) es la tensión estática inicial,\(\sigma_{m}\) es la amplitud de la tensión dinámica,\(\sigma_{m} = \frac{1}{2}\left( {\sigma_{\max } - \sigma_{\min } } \right)\),\(\sigma_{\max }\) es la tensión máxima, \(\sigma_{\min }\) es la tensión mínima , \(f\) es la frecuencia de carga y \(t\) es el tiempo.

La prueba consolidada no drenada se realizó de acuerdo con la norma ASTM30 (Método de prueba estándar para prueba de compresión triaxial no consolidada-sin drenaje en suelos cohesivos), y la muestra de suelo se saturó al vacío antes de la prueba. Para suelos arcillosos blandos, el final del ensayo se produce cuando el criterio de deformación alcanza un valor específico. Cuando Kc = 1,0, la deformación de falla ocurre cuando dos veces la amplitud de la deformación dinámica axial 2εd alcanza el 5% o el 10%. En esta prueba, la condición de terminación fue del 5%.

Antes de la prueba, saturamos las muestras de suelo. Se colocaron en un saturador de vacío con un molde de tres placas y se les inyectó agua destilada después de estar en estado de vacío durante dos horas. Posteriormente se abrió la válvula de ventilación para restablecer la presión atmosférica y las muestras permanecieron en esta condición durante más de 12 h. Dado que el suelo era denso, el tiempo de descanso se extendió a 24 h-48 h bajo la condición de aspiración suficiente.

La muestra de suelo saturada se colocó en la cámara de presión llena de anticongelante para enfriar la muestra de suelo y aplicarle una presión de confinamiento. Se aplicó la contrapresión y la presión de confinamiento, que era 20 kPa mayor que la contrapresión. La saturación de contrapresión se completó cuando el volumen de drenaje o la presión de poro fue igual a la presión de confinamiento y permaneció estable. Debido al pequeño tamaño de poro de la arcilla limosa, es difícil lograr un valor B superior a 0,95 durante la saturación de contrapresión en múltiples etapas. El tiempo de consolidación de la prueba fue de 12 h. La temperatura objetivo se estableció mediante el módulo de carga avanzado y la muestra se enfrió mediante circulación anticongelante. La cámara de presión se cubrió con una película adhesiva para preservar el calor.

En una prueba sin drenaje, la tensión dinámica sobre la superficie dañada la soporta el agua de los poros29 y no causa la compactación del suelo. Por lo tanto, la resistencia dinámica del suelo saturado está relacionada con la tensión estática positiva σs en la superficie dañada. La amplitud σd correspondiente al tiempo de vibración se superpone a σ1, es decir, σ1d = σ1 + σd y la pequeña tensión principal σ3d = σ3, y el círculo de tensión de Mohr tiene un diámetro de σ1 + σd-σ3d. La intersección y la pendiente de la línea tangente envolvente corresponden a la cohesión dinámica y al ángulo de fricción interna dinámica, respectivamente. Los círculos de tensión de Mohr a diferentes temperaturas para presiones de confinamiento de 100 kPa, 200 kPa y 300 kPa con una amplitud de \({\tau }_{e}=\) 0,65 \({\tau }_{max}\) son se muestra en la figura complementaria S4. La cohesión dinámica y el ángulo de fricción interna dinámica del suelo se muestran en la figura complementaria S5. Las líneas azules en la Fig. S5 muestran las tendencias de la cohesión a − 20 °C, − 15 °C, − 10 °C, − 4 °C, − 1 °C y a temperatura ambiente. La cohesión aumenta al disminuir la temperatura y aumenta bruscamente en la región de cambio de fase hielo-agua cerca de 0 °C. El suelo congelado se compone de agua no congelada, cristales de hielo, partículas de suelo, gas y otros medios multifásicos. Cuando se aplica una carga dinámica al medio con cuatro fases, el movimiento, migración, difusión y cambio de fase afectan las propiedades físicas del suelo. Cuando la temperatura se acerca a 0 °C en la región de cambio de fase hielo-agua, aumenta el contenido de cristales de hielo en el suelo y la fuerza de unión entre las partículas del suelo. La estructura interna de los cristales de hielo cambia y la actividad de los iones de hidrógeno disminuye a medida que disminuye la temperatura31. La capacidad de cementación del suelo aumenta a medida que la temperatura se acerca a 0 °C, provocando un fuerte aumento de la cohesión del suelo. Por el contrario, cuando la temperatura es inferior a la zona de cambio de fase hielo-agua, la tasa de aumento de las partículas de cristales de hielo es baja y el principal factor que afecta la cohesión del suelo es la actividad de los iones de hidrógeno.

El efecto de la temperatura sobre el ángulo de fricción interna se muestra en la Fig. S5. El ángulo de fricción interna aumenta a medida que disminuye la temperatura. Aumenta lentamente cuando la temperatura es superior a 0 °C y bruscamente cuando la temperatura es inferior a 0 °C. El agua descongelada del suelo se utilizó como lubricante para las partículas. Cuando la temperatura es más alta que la temperatura de congelación, el grado de transición de la fase agua-hielo es pequeño y el contenido de agua no congelada es alto, la lubricación entre las partículas del suelo es relativamente grande. En este momento, la fuerza oclusal entre las partículas es pobre. , el ángulo de fricción interna es pequeño. Cuando la temperatura desciende por debajo de 0 °C, el contenido de agua no congelada disminuye drásticamente. Los poros entre las partículas del suelo están llenos de cristales de hielo y la fuerza necesaria para mover las partículas del suelo aumenta repentinamente. El ángulo de fricción interna aumenta bruscamente y la tasa de cambio disminuye a medida que disminuye la temperatura.

Es necesario un análisis de la curva dinámica tensión-deformación para evaluar las propiedades dinámicas de los suelos congelados. La curva dinámica tensión-deformación se puede utilizar para determinar tres propiedades del suelo: histéresis, acumulación de deformación y no linealidad. La histéresis se refiere a un retraso en el inicio de la deformación dinámica en comparación con la tensión dinámica. Se utiliza una curva de histéresis para analizar la histéresis. La figura complementaria S6 muestra la relación entre la tensión cortante dinámica τ y la tensión cortante dinámica γ en un ciclo. La no linealidad de la deformación dinámica se refleja en la curva principal, que describe la relación entre la tensión de corte dinámica máxima \(\pm \tau_{m}\) y la deformación de corte dinámica máxima \(\pm \gamma_{m}\ ) del suelo bajo carga cíclica. La curva de histéresis se muestra en la figura complementaria S7.

La relación tensión-deformación dinámica a diferentes temperaturas negativas en la figura complementaria S8 muestra que cuanto menor es la temperatura, mayor es la tensión dinámica necesaria para alcanzar la misma deformación. Las tensiones dinámicas necesarias para lograr una deformación dinámica del 5% a diferentes temperaturas son las siguientes: 0,911 MPa a -1 °C, 1,14 MPa a -4 °C, 1,56 MPa a -10 °C, 2,42 MPa a -15 °C y 3,053 MPa a -20 °C. La razón de la diferencia es que una temperatura más baja hace que el agua no congelada del suelo se congele y forme cristales de hielo. La estructura interna es más densa ya que los cristales de hielo sólidos son más rígidos que el agua líquida. Por tanto, cuanto menor sea la temperatura, mayor será el esfuerzo dinámico necesario para alcanzar la misma deformación.

El módulo dinámico de elasticidad indica el grado de rigidez y ablandamiento del suelo bajo cargas cíclicas, es decir, la capacidad del suelo para resistir la deformación. En la teoría de la elasticidad, \({E}_{d}\) denota la relación dinámica tensión-deformación cuando el suelo está sometido a cargas cíclicas, expresada como \({E}_{d}={\sigma }_{ d}/{\varepsilon }_{d}\). En otras palabras, el módulo dinámico de elasticidad del suelo es igual a la pendiente correspondiente a la curva ajustada obtenida de la ecuación hiperbólica de Hardin-Drnevich32 (Ecs. (2) a (4)). La curva de relación para 1/\({\sigma }_{d}/{\varepsilon }_{d}\) a diferentes temperaturas se trazó y ajustó utilizando el modelo de Hardin-Drnevich (Figura complementaria S9):

donde \({\varepsilon }_{d}\) es la amplitud de la deformación dinámica,\({\sigma }_{d}\) es la amplitud de la tensión dinámica, y a y b son los parámetros de prueba. Cuando la deformación dinámica tiende a 0, a tiende a 1/\({E}_{d}\); cuando la deformación dinámica \({\varepsilon }_{d}\) tiende al infinito, b es la inversa de \({\sigma }_{d}\).

Los resultados de ajuste de los datos de prueba a diferentes temperaturas negativas se resumen en la Tabla complementaria S1. Todos los valores de R2 son mayores que 0,98, lo que indica que el modelo de Hardin-Drnevich proporcionó un buen ajuste para los datos dinámicos de tensión-deformación. Los parámetros de prueba a y b están significativamente influenciados por la temperatura y ambos aumentan con la temperatura.

La figura complementaria S9 muestra que el módulo elástico dinámico aumenta con una disminución de la temperatura. La pendiente aumenta y el módulo elástico dinámico muestra la mayor tasa de cambio cuando la temperatura está en la región de cambio de fase hielo-agua. La razón es que el contenido de agua no congelada disminuye y la capacidad cementante del suelo aumenta a medida que disminuye la temperatura, aumentando el módulo elástico dinámico. Los resultados demuestran que la temperatura afecta significativamente el módulo elástico dinámico.

Durante un terremoto, el suelo de cimentación tiene un efecto amortiguador sobre la propagación de ondas sísmicas. La amortiguación se refiere a la conversión de energía dinámica en calor u otra energía, lo que resulta en una pérdida de energía debido a la fricción interna cuando el suelo se somete a una acción dinámica. El grado de absorción de energía por el suelo se refleja en la magnitud de la relación de amortiguación λ, un parámetro crítico en la respuesta del suelo a la vibración del suelo. λ se calcula de la siguiente manera:

Por lo tanto,

donde \(\Delta W\) es la energía perdida por el suelo en un ciclo, y \(W\) denota la energía total.

Los datos dinámicos de tensión-deformación a diferentes niveles de carga dinámica se trazan para obtener la curva de histéresis. Dado que el suelo congelado no es un material viscoelástico ideal, la curva de histéresis no está cerrada bajo carga de múltiples etapas sino que tiene forma elíptica. El primer y el último punto de datos están conectados para cerrar la curva. La relación de amortiguamiento se calcula utilizando la ecuación. (8):

donde \(A_{0}\) se refiere al área de la región encerrada por la curva de histéresis que se muestra en la figura complementaria S10, que es aproximadamente igual a la pérdida de energía \(\Delta W\). \(A_{r}\) es el área del triángulo \(OAA^{\prime}\), que es igual a la energía de deformación elástica máxima almacenada en el suelo.

La relación entre la relación de amortiguación y la deformación cortante dinámica a diferentes temperaturas negativas se muestra en la figura complementaria S11. La relación de amortiguamiento aumenta con un aumento en la deformación cortante dinámica, y la tasa de aumento aumenta debido al aumento de la deformación cortante y la pérdida de energía, lo que aumenta la relación de amortiguamiento. A la misma deformación dinámica, cuanto menor sea la temperatura de la muestra de suelo, menor será la relación de amortiguamiento. La temperatura más baja hace que el agua dentro del suelo se congele y forme cristales de hielo. La dureza y resistencia del suelo aumentan, la capacidad del suelo para absorber ondas sísmicas se debilita y la energía perdida por el suelo disminuye, reduciendo la relación de amortiguación.

Se realizaron pruebas triaxiales dinámicas para evaluar los parámetros de resistencia dinámica, la relación tensión-deformación, el módulo de elasticidad y la relación de amortiguamiento de la arcilla limosa en una región estacionalmente helada bajo diferentes temperaturas. Se sacaron las siguientes conclusiones.

A medida que la temperatura disminuyó y el agua no congelada en el suelo se congeló después de alcanzar la zona de transición de la fase hielo-agua, el grado de cementación, la cohesión y el ángulo de fricción interna del suelo aumentaron. El ángulo de fricción interna aumentó más lentamente a temperaturas superiores a 0 °C y más bruscamente a temperaturas inferiores a 0 °C.

A medida que disminuyó la temperatura, aumentó el contenido de cristales de hielo y la rigidez del suelo. Los poros del suelo se volvieron más densos, aumentando la pendiente de la curva dinámica de tensión-deformación del suelo a medida que disminuía la temperatura. Por tanto, aumentó la tensión necesaria para alcanzar la misma deformación.

La máxima capacidad de cementación del suelo se produjo en la zona de transición de la fase hielo-agua. El módulo elástico dinámico aumentó a medida que disminuyó la temperatura y los parámetros ajustados a y b disminuyeron. La curva ajustada se hizo más pronunciada y este efecto fue más pronunciado en la región de cambio de fase de hielo-agua.

La relación de amortiguación λ se utilizó para reflejar la capacidad de absorción del suelo de ondas sísmicas. A medida que la temperatura disminuyó, el agua no congelada del suelo se congeló. La rigidez del suelo aumentó, reduciendo su capacidad para absorber ondas sísmicas. La tasa de pérdida de energía sísmica disminuyó y la relación de amortiguamiento disminuyó con la temperatura.

Las personas en la Fig. 1 no son los autores en sí, son el personal de muestreo, todos los cuales dieron su consentimiento informado para la divulgación de información/imágenes de identificación en la publicación de acceso abierto en línea.

Los datos que respaldan los hallazgos de este estudio son verdaderos y están disponibles, y están autorizados por todos los autores. Comuníquese con el autor correspondiente si desea acceder a los datos del estudio.

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Este trabajo fue apoyado por el Programa de Patrocinio de Jóvenes Científicos de Élite de CAST (Subvención No.2021QNRC001), el Proyecto de Desarrollo Científico y Tecnológico de la Provincia de Jinlin, China (Subvención No.YDZJ202201ZYTS490).

Escuela de Geometría e Ingeniería de Prospección, Universidad Jilin Jianzhu, Changchun, 130118, China

Haotian Guo, Yuli Lin, Chao Sun y Xin Mao

Facultad de Ingeniería de la Construcción, Universidad de Jilin, Changchun, 130026, China

Jinfeng Li

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GHT y LYL escribieron la parte principal del manuscrito, completaron los experimentos y la mayor parte del procesamiento de datos. SC y MX hicieron los dibujos y tablas del manuscrito. LJF modificó los detalles del manuscrito. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Haotian Guo.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Guo, H., Lin, Y., Sun, C. et al. Efecto de la temperatura sobre los parámetros dinámicos de la arcilla limosa en una región estacionalmente helada. Representante científico 13, 13141 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-40261-y

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Recibido: 30 de diciembre de 2022

Aceptado: 08 de agosto de 2023

Publicado: 12 de agosto de 2023

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

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