Effet de la température sur les paramètres dynamiques de l'argile limoneuse dans une région saisonnièrement gelée

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 13141 (2023) Citer cet article

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L'effet de la température sur les paramètres dynamiques de l'argile limoneuse dans une région saisonnièrement gelée a été évalué à l'aide d'un système d'essai triaxial dynamique GDS. Les paramètres de résistance, le module élastique dynamique, le taux d'amortissement et d'autres paramètres dynamiques des échantillons de sol ont été analysés dans différentes conditions de température. Les résultats ont démontré que les paramètres de résistance au cisaillement (angle de frottement interne et cohésion) de l'argile limoneuse sous une charge dynamique augmentaient de manière significative avec la diminution de la température, et que l'angle de frottement interne augmentait fortement en dessous de 0 °C. Le module d'élasticité dynamique augmente à mesure que la température diminue et change de manière significative dans la région de changement de phase glace-eau. La pente de la courbe dynamique contrainte-déformation de l'échantillon de sol augmente de manière significative avec la diminution de la température. À mesure que la température diminue, le taux d’amortissement diminue et la capacité du sol à absorber les ondes sismiques diminue. Les résultats de la recherche fournissent de nouvelles données et informations pour guider les projets de construction dans les régions saisonnièrement gelées.

Les sols gelés sont répandus dans le monde entier et couvrent environ 70 % de la superficie terrestre mondiale1. Les sols gelés peuvent être classés en sols gelés à court terme avec un temps de gel de quelques heures à un demi-mois, en sols de pergélisol avec un temps de gel de deux ans ou plus et en sols gelés de façon saisonnière avec un temps de gel d'un demi-mois à un demi-mois. quelques mois. Les sols gelés de façon saisonnière et les sols de permafrost couvrent environ 23 % de la superficie terrestre mondiale2. La plupart de ces sols sont situés aux latitudes moyennes et élevées des hémisphères nord et sud, zones d'activités humaines étendues, appartenant à la région gelée saisonnièrement. Ces dernières années, en raison du réchauffement climatique provoqué par les changements écologiques, le sol de certaines zones gelées depuis plusieurs années a dégelé, entraînant une expansion des sols gelés de façon saisonnière. Il est donc crucial d’étudier les paramètres mécaniques des sols dans les régions saisonnièrement gelées pour garantir une construction durable.

Les changements survenant dans les sols sont plus complexes lorsque des charges dynamiques plutôt que statiques sont appliquées. Les recherches sur les sols gelés et le nombre de projets de construction technique dans les régions saisonnièrement gelées ont augmenté. L'analyse des propriétés mécaniques des sols gelés de façon saisonnière est particulièrement urgente, notamment sous des charges dynamiques. La plupart des études sur la dynamique des sols gelés se sont concentrées sur la résistance du sol, la relation contrainte-déformation dynamique, les caractéristiques de fluage dynamique, les caractéristiques de réponse sismique, les caractéristiques dynamiques des fondations sur pieux et la réponse dynamique aux charges des trains3. Les paramètres dynamiques des sols dans les régions gelées sont essentiels à la conception technique des immeubles de grande hauteur, des ponts, des ports, des aéroports et des voies ferrées à grande vitesse et sont indispensables aux simulations numériques. Il est donc nécessaire d’analyser les paramètres dynamiques des sols gelés de façon saisonnière.

De nombreux experts et universitaires ont étudié les propriétés dynamiques des sols gelés ces dernières années, fournissant ainsi des résultats de recherche informatifs. Zhao et al.4 ont découvert que lorsqu'une charge dynamique était appliquée sur un sol gelé, les pores se fermaient sous pression, augmentant ainsi la résistance et le module d'élasticité dynamique. La pression a provoqué la dislocation des particules du sol et la destruction des liaisons, formant des fissures, ce qui a fragilisé le sol et réduit le module d'élasticité dynamique. Zhu et al.5,6 ont mené des essais de fluage triaxial dynamique sur du loess gelé à Lanzhou sous différentes pressions circonférentielles. Ils ont proposé un modèle de fluage et ont discuté de l'importance des paramètres du modèle et des effets des changements dans les valeurs des paramètres. Wu et al.7 ont étudié les propriétés mécaniques du loess gelé de Lanzhou remodelé à l'aide d'essais triaxiaux dynamiques et ont étudié les propriétés dynamiques du sol gelé sous charge sismique. Gidel et al.8 ont utilisé un appareil d'essai triaxial dynamique pour examiner les caractéristiques de réponse dynamique de sols à gros grains soumis à différentes contraintes de déflexion statique. Ils ont dérivé une équation empirique décrivant la relation entre la déformation plastique cumulée, l'ampleur de la contrainte et le nombre de vibrations de la charge dynamique. Zhou et al.9 ont établi un modèle de structure intrinsèque pour déterminer l'effet de la température et de la vitesse de déformation sur la contrainte-déformation dynamique du sol. Vinson et al.10 ont mené des tests de charges sismiques simulées sur des sols sableux gelés pour évaluer l'effet de la température sur le module d'élasticité dynamique et le taux d'amortissement. Zhang et al.11 ont utilisé un dispositif d'essai triaxial dynamique pour étudier l'effet de la température sur les paramètres dynamiques de l'argile limoneuse. Les résultats ont montré qu'un changement de température avait un effet plus important sur le module de cisaillement dynamique et un effet plus faible sur les rapports contrainte-déformation et d'amortissement dynamique en dessous qu'au-dessus du point de congélation. Jiao et al.12 ont effectué des tests sur un sol gelé à -1 °C. et analysé les boucles d'hystérésis sous chargement dynamique. Il a été constaté que la surface des boucles d'hystérésis augmentait avec une augmentation de la contrainte dynamique maximale, indiquant une augmentation de la dissipation d'énergie et davantage de dommages à l'échantillon. Li et al.13 ont analysé la relation entre les paramètres dynamiques des sols gelés et les facteurs d'influence à l'aide d'essais triaxiaux dynamiques à basse température. Vision et al.14,15 ont étudié l’effet des températures de gel sur les sols pulvérisés et ont découvert que le module d’élasticité dynamique était positivement corrélé à la teneur en eau à basses températures de gel et négativement corrélé à des températures de gel élevées. Ling et al.16 ont conclu à partir d'essais triaxiaux dynamiques à basse température que le module de cisaillement dynamique maximal des sols gelés augmentait de manière significative avec la diminution des températures négatives, augmentait avec l'augmentation de la pression et diminuait avec l'augmentation de la fréquence de vibration. Le rapport du module de cisaillement dynamique a augmenté avec une augmentation de la fréquence de vibration lors de la première étape de chargement17. Xu et al.18 ont mené des essais triaxiaux sur de l'argile limoneuse de Genhe, gelée et non gelée, et ont découvert que la courbe contrainte-déformation de l'argile limoneuse passait du ramollissement au durcissement à mesure que la pression et la température de confinement augmentaient et que le compactage diminuait. Zhao et al.19 ont mené un essai triaxial dynamique cyclique à basse température sur des plates-formes de sol limoneux gelé sur le plateau Qinghai-Tibet. Ils ont analysé les propriétés dynamiques du sol pour différentes températures de gel, teneurs initiales en humidité, degrés de compactage et conditions de pression de confinement. Il a été observé que le module de cisaillement dynamique augmentait avec la diminution de la température de congélation, l'augmentation de la teneur en humidité et l'augmentation du degré de compactage et de la pression de compactage. Jia et al.20 ont étudié la perte d'énergie et les propriétés dynamiques des sols gelés soumis à une charge dynamique radiale à l'aide d'essais de compression par impact radial. Ils ont constaté que les propriétés mécaniques dynamiques des sols gelés soumis à un chargement dynamique radial étaient étroitement liées à la vitesse de déformation et à la température. Qiu et al.21 ont analysé les sols salins carbonatés dans les régions froides à l’aide d’essais en intérieur et d’autres méthodes, en tenant compte des effets de différents nombres de cycles de gel-dégel et de la teneur en sel sur la résistance au cisaillement. Les résultats des tests ont montré que la résistance au cisaillement des sols salins carbonatés et le nombre de cycles de gel-dégel étaient inversement corrélés à la teneur en sel. Lijith et al.22 ont étudié les effets de la teneur volumétrique en glace, du taux de cisaillement et de la contrainte verticale sur les propriétés de résistance au cisaillement du sable fin gelé à l'aide d'un dispositif amélioré et peu coûteux à chambre de cisaillement direct à température contrôlée. Les résultats expérimentaux ont montré que la cohésion, le module de la ligne de coupe et l'angle d'expansion par cisaillement augmentaient avec le taux de cisaillement et la teneur volumétrique en glace. Cependant, aucune monographie sur la dynamique des sols gelés n'a été publiée, et la recherche sur les sols gelés en est à ses premiers stades exploratoires, en particulier la dynamique des sols gelés de façon saisonnière. La plupart des études se sont concentrées sur des sols spécifiques, tels que le loess, et ont utilisé des sols remodelés, alors que relativement peu d'études ont étudié les paramètres dynamiques d'argiles limoneuses largement distribuées.