Estudio experimental sobre las características estructurales y colapsables del material de loess preparado artificialmente.

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 4113 (2023) Citar este artículo

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La colapsabilidad y la estructura son dos de las características típicas del loess natural intacto. Es de gran importancia simular eficazmente la colapsabilidad y la estructura del loess natural mediante la preparación de loess artificial. Sin embargo, los métodos existentes para preparar artificialmente loess colapsable son complejos y la colapsabilidad de las muestras preparadas es difícil de controlar. En este artículo, se volvió a analizar el mecanismo de colapsabilidad del loess y, sobre esta base, se propuso un nuevo método para preparar loess colapsable artificial utilizando loess remoldeado, sal industrial, partículas de CaO y polvo de yeso. El principio básico es: las partículas de CaO tienen resistencia estructural y se transferirían a Ca(OH)2 después del remojo; este progreso puede simular la desaparición de la resistencia estructural perdida; La disolución de la sal industrial puede simular el colapso de los poros internos del loess, la colapsabilidad del loess artificial se puede ajustar ajustando el porcentaje de sal industrial; El yeso en polvo puede simular la cementación de loess como material adhesivo. Se realizaron los ensayos de corte, de consolidación y de colapsabilidad del loess preparado artificialmente y del loess no perturbado. Los resultados de las pruebas de loess artificial se compararon con los de loess no perturbado. Los resultados muestran que: el límite plástico y el límite líquido del loess preparado artificialmente es menor que el del loess no perturbado; El contenido de humedad óptimo y la densidad seca máxima son cercanos a los del loess no perturbado; El coeficiente de colapsabilidad de las muestras preparadas artificialmente aumenta primero y luego disminuye con el aumento del nivel de carga, y aumenta gradualmente con el aumento del contenido de partículas de sal industrial; Los parámetros estructurales de las muestras de loess preparadas artificialmente primero aumentan y luego disminuyen con el proceso de cizallamiento, pero los parámetros estructurales del loess preparado artificialmente y del loess no perturbado son diferentes bajo diferentes condiciones de presión de confinamiento.

El loess está ampliamente distribuido en todo el mundo, como Estados Unidos, Europa, Rusia y China. Entre ellos, China tiene el área de distribución más amplia y el mayor espesor1. Como suelo típicamente estructurado, el loess se caracteriza por ser poroso, estructural y colapsable2,3,4,5,6,7,8. En consecuencia, es importante estudiar la colapsabilidad del loess para el diseño de cimientos, ya que las deformaciones diferenciales por colapso del loess podrían causar grietas en las estructuras superiores9,10,11,12,13. Como todos sabemos, la prueba del modelo físico es uno de los métodos probados para investigar la influencia de la colapsabilidad del loess en la estructura superior; sin embargo, la prueba del modelo físico necesita suficiente loess colapsable sin perturbaciones como material dieléctrico para realizarse. Durante la recogida de muestras, es muy fácil alterar la porosidad y la estructura. Además, el volumen de la muestra de loess utilizada en el modelo es grande, las impurezas como la grava y las raíces de las plantas hacen que los suelos estructurados naturales sean homogéneos y afectan las características estructurales del suelo. Por lo tanto, preparar el loess artificial para el uso de pruebas de modelos físicos es un método eficaz.

Hasta ahora, algunos estudiosos han explorado la viabilidad y eficacia de la preparación de suelos artificiales. Las investigaciones sugieren que el suelo artificial es consistente con el suelo natural intacto en cuanto a estructura y resistencia homogéneas. El loess artificial es más adecuado para la prueba del modelo físico que el loess no perturbado. Maccarini (Universidad de Londres, Reino Unido) preparó por primera vez arenas artificiales mediante el método de combustión. Posteriormente, para preparar diferentes tipos de suelos artificiales, se agregaron diferentes aditivos al material del suelo ajustando la mezcla. Los aditivos incluyen cemento14, mezcla de cemento y partículas de hielo15, escoria de cobre16, yeso17, sal industrial18 y otros materiales19. El suelo artificial fue un método de aprobación para simular las características del suelo natural no perturbado.

En cuanto al loess artificial, Hu et al. prepararon el loess artificial empujando el CO2 a la mezcla de CaO y el loess original, y compararon su colapsabilidad con el loess no alterado20. Zhang et al. El loess, fuertemente colapsable, se fabricó mediante el método de caída libre mediante polvo de cuarzo no cohesivo, arena y bentonita adhesiva, yeso y sal industrial21. Assalla creó el loess artificial mediante varios métodos y estudió el comportamiento de colapso mediante experimentos con edómetro; las muestras artificiales imitan notablemente el comportamiento del loess real22; Jiang mezcló CaO con suelo original, compactó la mezcla en capas para hacer muestras, saturó al vacío las muestras y luego inyectó CO2 o envolvió las muestras con suficiente Drikold para formar una cementación de CaCO3 entre las partículas23; Medero presentó un suelo colapsable que se produjo agregando partículas de poliestireno expandido a una mezcla de suelo-cemento, el potencial de colapso se evaluó en muestras con y sin cementación24; Arroyo preparó cinco mezclas diferentes de suelo (un saprolito de granito) y cemento (con contenidos de cemento en el rango de 0% a 7% en peso seco), y probó su compresión en cuatro niveles diferentes de contenido de agua25. Como puede verse desde arriba, los métodos utilizados para preparar el loess artificial son complicados y es difícil ajustar con precisión la colapsabilidad.

En este artículo, se discute el principio de colapsabilidad del loess desde la perspectiva de la microestructura. Se presentó un nuevo método para preparar loess artificial. Se tomaron como materiales originales el loess perturbado, la sal industrial, el CaO y el yeso, el CaO y la sal industrial podían simular el gránulo soluble, el yeso podía simular el material cementante. La resistencia estructural y la resistencia a la colapsabilidad del loess preparado artificialmente podrían ajustarse cambiando la sal industrial. Se probaron los parámetros físicos básicos, los parámetros de resistencia al corte y los parámetros estructurales del loess artificial en diferentes diseños de mezcla. El mejor diseño de mezcla se sugirió comparando el loess artificial con el loess no perturbado. El loess artificial presentado en este artículo proporciona la base para la prueba del modelo físico en interiores.

La colapsabilidad es una de las características típicas del loess. Hasta ahora se han presentado múltiples teorías sobre el principio de colapsabilidad del loess. Entre ellas, la teoría más aceptada por los investigadores es la teoría de la disolución cementosa entre partículas26. Según la teoría de la disolución cementosa, el loess se compone de partículas esqueléticas, sustancia cementosa y poros internos. Las partículas del esqueleto están conectadas entre sí a través de una sustancia cementosa y se forman ciertos poros entre las partículas del esqueleto. Cuando el suelo está en estado insaturado, el contenido de agua intersticial en los poros es menor, la sustancia cementosa tiene una alta fuerza de unión y el loess tiene una estructura obvia; Cuando la inmersión en agua alcanza el estado casi saturado, la sustancia cementosa entre las partículas del esqueleto comienza a disolverse y la fuerza de unión disminuye. Bajo la acción de una carga de peso propio o una carga externa, los macroporos entre las partículas del esqueleto comienzan a colapsar y se produce el desplazamiento relativo entre las partículas del esqueleto, lo que da como resultado una cierta cantidad de deformación por colapso; Cuando el suelo está completamente saturado, la resistencia de la sustancia cementosa entre las partículas del esqueleto es completamente inválida y los macroporos entre las partículas del esqueleto están completamente colapsados, el suelo tiene una deformación por colapso evidente. El progreso del colapso se muestra en la Fig. 1. Como se puede ver desde arriba, la cementación entre las partículas del esqueleto proporciona la fuerza de unión, que es la clave para la formación de macroporos en el loess. Debido al aumento gradual del contenido de agua en el proceso de saturación por inmersión, la fuerza de unión entre las partículas proporcionada por la cementación desaparece gradualmente, lo cual es la clave para la deformación por colapso del loess. Por lo tanto, en la preparación de loess artificial colapsable, la clave para una preparación exitosa es utilizar un material adecuado para simular la fuerza de unión del material cementoso.

Principio de colapsabilidad del loess natural desde la perspectiva de la microestructura.

Las investigaciones anteriores muestran que los métodos de preparación de loess artificial son complejos y la colapsabilidad es difícil de controlar. Es de gran importancia proponer un método de preparación nuevo y eficaz de loess artificial plegable. Según el principio de colapso mencionado anteriormente, la razón fundamental del colapso del loess es que la cementación entre partículas se disuelve en agua e induce el colapso de los poros internos. Teniendo en cuenta la condición de que el CaO genera Ca (OH) 2 cuando se encuentra con agua, que es parcialmente soluble en agua, utilizamos el CaO para simular la estructura del loess no perturbado. El proceso por el cual CaO forma Ca(OH)2 y se disuelve en agua puede considerarse aproximadamente como el proceso de daño estructural del loess no perturbado; La sal industrial se puede disolver completamente en agua, y la disolución completa de la sal industrial después de saturar el loess con agua puede simular el proceso de colapso de la estructura de los poros en el loess; El yeso en polvo tiene una alta fuerza de unión bajo la condición de bajo contenido de agua, y el yeso en polvo falla gradualmente después de saturarse con agua. Por lo tanto, el yeso en polvo es adecuado para ser utilizado como material cementoso de loess. Entonces, en este artículo, el loess colapsable artificial se prepara agregando partículas de CaO, sal industrial y yeso en polvo con loess remoldeado como materia prima básica. El grado de colapsabilidad y la resistencia estructural del loess artificial podrían cambiarse ajustando el porcentaje de CaO y sal industrial. El método de preparación de loess artificial propuesto en este artículo se ajusta estrechamente al mecanismo plegable del loess, que es más simple y eficaz que los métodos tradicionales. El método propuesto en este artículo proporciona una manera de preparar y aplicar a gran escala loess artificial plegable.

Cuando el loess artificial se utiliza como material para pruebas de modelos en interiores, la cantidad es grande, por lo que la materia prima para preparar loess artificial plegable debe ser económica. El loess remodelado, las partículas de CaO y las sales industriales seleccionadas en este artículo tienen un costo bajo y el costo del yeso en polvo es ligeramente mayor, pero la cantidad es menor, por lo que el costo total está dentro de un rango controlable. El loess remodelado se obtiene alterando completamente el loess natural intacto que se tomó de la estación Qujiangchi de la línea 4 del metro en Xi'an. Los parámetros físicos del loess sin alterar se muestran en la Tabla 1. El loess sin alterar se trituró hasta obtener energía y se secó, luego se pasó por un tamiz de 2 mm para obtener el loess remodelado. El CaO se seleccionó como partículas con un diámetro de aproximadamente 1 mm. También se seleccionó sal industrial granulada con un diámetro de 0,5 a 1 mm; El yeso en polvo adopta yeso en polvo en polvo de alta calidad. Los materiales de prueba se muestran en la Fig. 2.

Materiales de prueba.

En los estudios anteriores, el polvo de yeso se utiliza principalmente como material cementoso para simular la sustancia cementosa interna del loess. Los resultados muestran que el efecto de simulación es bueno cuando el polvo de yeso es del 5% y del 8%21. En este trabajo, la proporción de yeso en polvo también se tomó como 5% y 8%. La característica estructural del loess intacto está controlada por los granos de CaO; la proporción de CaO se tomó como 1%. La característica colapsable del loess no perturbado se relacionó con la proporción de sal industrial, se seleccionó el porcentaje de 2%, 4%, 6% y 8% respectivamente para realizar las pruebas comparativas. La proporción específica de cada material se muestra en la Tabla 2. Las pruebas de corte, las pruebas de consolidación y las pruebas de colapsabilidad se realizaron respectivamente utilizando loess artificial preparado y loess natural no perturbado.

Para comparar mejor la colapsabilidad y la estructura del loess preparado artificialmente y el loess no perturbado, la densidad y el contenido de humedad de la muestra de suelo preparada artificialmente son consistentes con el loess no perturbado. Las muestras de suelo artificial se pueden obtener mediante el método de muestra por presión. Los pasos específicos del método de presión de la muestra son los siguientes: en primer lugar, la masa total del loess remodelado, las partículas de CaO, la sal industrial y el polvo de yeso se calculó a partir del volumen de la muestra de prueba (como el cuchillo anular grande de la prueba plegable, el cuchillo de anillo pequeño de la prueba de corte, etc.); en segundo lugar, la masa de cada componente requerida para cada muestra podría calcularse según la tabla de proporciones de muestras; En tercer lugar, el consumo de agua se puede calcular combinando el contenido de humedad. En este artículo, se tomó como ejemplo la muestra de cuchilla anular grande para lograr la masa de cada componente de la muestra utilizando el método anterior; los resultados se muestran en la Tabla 3. Después de obtener la masa de cada componente, la muestra de cuchilla anular requerida se puede compactar directamente mediante el método de prensado de muestra (Fig. 2). De esta manera, podemos lograr muestras de suelo artificiales, que son similares al suelo no perturbado. Las muestras de prueba requeridas se preparan de acuerdo con los métodos anteriores. Cabe señalar que solo se configura el suelo remodelado durante la configuración del contenido de agua en el proceso de preparación de la muestra y el agua quedará bloqueada total y uniformemente durante 48 h. Luego se mezclaron las partículas de CaO, la sal industrial y el polvo de yeso con el suelo remodelado. Las partículas de CaO no se pueden mezclar previamente con agua, de lo contrario se producirá una reacción y no se podrá simular su estructura.

Es difícil hacer que todos los parámetros mecánicos del loess preparado artificialmente sean completamente compatibles con el loess no alterado. En este artículo, el propósito de preparar loess colapsable es utilizarlo como material de simulación para pruebas de modelos en interiores; la principal preocupación es si los parámetros mecánicos básicos, la colapsabilidad y los parámetros estructurales del loess preparado artificialmente son consistentes con los del loess no perturbado. Por lo tanto, primero se prueban los parámetros físicos básicos del loess artificial, luego se prueban los parámetros de resistencia, los parámetros de deformación, el coeficiente de colapsabilidad y el parámetro estructural mediante prueba de corte, prueba de consolidación, prueba de coeficiente de colapsabilidad y prueba de corte triaxial.

Los parámetros de resistencia del loess podrían probarse mediante la prueba de corte directo. En la prueba de corte directo se utilizó el aparato de corte directo controlado por tensión cuádruple tipo ZJ producido por la compañía de instrumentos Nanjing Soil (que se muestra en la Fig. 3a). El instrumento de corte directo de tipo deformación se compone de una caja de corte, un dispositivo de carga vertical, un dispositivo de transmisión de corte, un anillo de medición de fuerza y ​​un sistema de medición de desplazamiento (el valor de división del calibre es 0,01 mm, el rango de medición es 10 mm , y la precisión del sensor es cero). La presión vertical de la probeta es de 50 kPa, 100 kPa, 200 kPa y 300 kPa respectivamente. El proceso de prueba se llevó a cabo en estricta conformidad con los requisitos del .

Equipo de pruebas.

Los parámetros de deformación del loess podrían probarse mediante la prueba de consolidación. Se utilizó el consolidador de palanca única WG para la prueba de consolidación (que se muestra en la Fig. 3b). La presión de consolidación de la prueba de consolidación es 50 kPa, 100 kPa, 200 kPa, 300 kPa y 400 kPa respectivamente, y el siguiente nivel de carga se puede cargar sólo después de que la deformación del nivel de carga anterior sea estable (la deformación dentro de 1 h es inferior a 0,01 mm).

El coeficiente de colapsabilidad se puede probar mediante la prueba de colapsabilidad. Para la prueba de colapsabilidad también se utilizó el consolidador monomando WG. La prueba de colapsabilidad se llevó a cabo mediante el método de una sola línea y la tensión vertical de cinco muestras también se estableció en 50 kPa, 100 kPa, 200 kPa, 300 kPa y 400 kPa. De acuerdo con los requisitos de la prueba, cada muestra también se cargó en etapas (50 kPa por etapa), y la siguiente etapa de carga se llevó a cabo después de que la carga y la deformación de cada etapa alcanzaron la estabilidad. La muestra se puede remojar hasta que la deformación de la última etapa alcance estabilidad. Se obtendría el coeficiente de colapsabilidad bajo diferentes presiones de peso propio de cada muestra.

La característica estructural es una de las características típicas del loess. Xie et al. propuso la expresión del parámetro estructural: \({m}_{\sigma }={\left({\sigma }_{1}-{\sigma }_{3}\right)}_{o}^{2 }/\left[{\left({\sigma }_{1}-{\sigma }_{3}\right)}_{r}{\left({\sigma }_{1}-{\sigma }_{3}\right)}_{s}\right]\), donde \({m}_{\sigma }\) son los parámetros estructurales del tipo de tensión, \({\left({\sigma }_ {1}-{\sigma }_{3}\right)}_{o}\), \({\left({\sigma }_{1}-{\sigma }_{3}\right)} _{r}\), \({\left({\sigma }_{1}-{\sigma }_{3}\right)}_{s}\) son los valores de tensión cortante correspondientes del loess no perturbado, loess remoldeado y loess saturado en la deformación por corte \(\varepsilon\). Para estudiar las diferencias de características estructurales entre el loess artificial y el loess no perturbado, también se llevaron a cabo ensayos triaxiales de muestras de suelo no perturbado, remoldeado y saturado. Las pruebas triaxiales se realizaron utilizando el aparato de corte triaxial que se muestra en la Fig. 3c.

En primer lugar, se midieron los parámetros físicos básicos de cada muestra de muestras preparadas artificialmente. El contenido de humedad límite líquido y el contenido de humedad límite plástico de cada muestra se midieron mediante el método de determinación conjunta del límite plástico líquido. Se tomó como límite plástico el contenido de humedad correspondiente al cono de 76 g con una profundidad de suelo de 2 mm, y como límite líquido el contenido de humedad correspondiente a una profundidad de suelo de 17 mm. El mejor contenido de humedad y la máxima densidad seca de cada muestra se obtuvieron mediante prueba de compactación estándar. Los parámetros físicos básicos de cada muestra se muestran finalmente en la Tabla 4.

Para analizar las características de resistencia al corte, se llevaron a cabo pruebas de corte directo de muestras de loess no perturbadas y muestras preparadas artificialmente, respectivamente. Se seleccionaron pequeñas muestras de cuchilla anular con un diámetro de 61,8 mm, la velocidad de corte fue de 0,8 mm/min y la presión vertical se tomó como 50 kPa, 100 kPa, 200 kPa y 300 kPa respectivamente. Se obtuvo la relación entre la resistencia al corte y la presión vertical de cada muestra (ver en la Fig. 4). Los valores de \(\mathrm{cohesion }c\), ángulo de fricción interna \(\varphi\) de diferentes muestras preparadas artificialmente se obtuvieron mediante ajuste de curvas, como se muestra en la Tabla 5.

Resultados de pruebas de corte directo.

Como se puede ver en la Fig. 4 y la Tabla 5, la cohesión \(c\) y el ángulo de fricción interna \(\varphi\) están relacionados con el contenido de sal industrial y yeso en polvo. Con el aumento del contenido de sal industrial, la cohesión disminuye gradualmente y el ángulo de fricción interna aumenta gradualmente. Con el aumento de la potencia del yeso, el ángulo de fricción interna aumenta gradualmente. La cohesión de la muestra 3 es cercana a la del loess no perturbado, pero el ángulo de fricción interna es relativamente menor que el del loess no perturbado. En vista de que el ángulo de fricción interna está relacionado con el contenido de yeso en polvo, se puede considerar cambiar el ángulo de fricción interna cambiando el contenido de yeso en polvo.

Se llevaron a cabo las pruebas de consolidación estándar de muestras preparadas artificiales. Los niveles de carga de consolidación se seleccionan como 50 kPa, 100 kPa, 200 kPa, 300 kPa y 400 kPa respectivamente. La curva \(ep\) se dibujó en la Fig. 5. El coeficiente de compresibilidad y el módulo de compresibilidad se calcularon de acuerdo con la fórmula de especificación y los resultados se muestran en la Tabla 6.

Resultados de la prueba de consolidación.

Como puede verse en la Fig. 5, con el aumento de la carga, la proporción de vacíos de la muestra disminuye gradualmente. El proceso de compresión se puede dividir en dos etapas: etapa de cambio rápido y etapa de cambio lento. La proporción de la mezcla influye en la compresibilidad de las muestras. Como puede verse en la Tabla 6, el coeficiente de compresibilidad y el módulo de compresibilidad están relacionados con el contenido de sal industrial y yeso en polvo. Con el aumento del contenido de sal industrial, el coeficiente de compresión disminuye y el módulo de compresión aumenta. Con el aumento de yeso en polvo, aumenta el módulo de compresión. El coeficiente de compresibilidad y el módulo de compresibilidad de la muestra 3 son los más cercanos al loess no perturbado.

El coeficiente de colapsabilidad es uno de los parámetros importantes del loess. La colapsabilidad es el índice clave para el éxito de la preparación de loess artificial. En este artículo, probamos la colapsabilidad de muestras artificiales y loess no perturbado utilizando el método de una sola línea. Para medir el coeficiente de colapsabilidad bajo diferentes presiones, los niveles de carga se seleccionan como 50 kPa, 100 kPa, 200 kPa, 300 kPa y 400 kPa respectivamente. Los coeficientes de colapsabilidad de cada muestra bajo diferentes niveles de carga se muestran en la Fig. 6.

Coeficiente de colapsabilidad de diferentes cargas.

Como puede verse en la Fig. 6, el coeficiente de colapsabilidad aumenta primero y luego disminuye con el aumento de la carga externa. Esto se debe a que tanto el loess preparado artificialmente como el loess no perturbado tienen una resistencia estructural inherente. El coeficiente de colapsabilidad de la muestra 1 es el más pequeño, la carga externa requerida para alcanzar la colapsabilidad máxima es de 100 kPa; El coeficiente de colapsabilidad de la muestra 4 es mayor; la carga externa requerida para alcanzar la colapsabilidad máxima es de 130 kPa. Cuando la carga externa es menor que la resistencia estructural del loess, la consolidación del suelo es insuficiente y el coeficiente de colapsabilidad aumentará con el aumento de la carga externa. Si la carga externa es mayor que la resistencia estructural del loess, el suelo tendrá un efecto de preconsolidación y los poros internos se comprimen. En este momento, el coeficiente de colapsabilidad disminuirá. El coeficiente de colapsabilidad del loess preparado artificialmente se ve obviamente afectado por el efecto de acoplamiento de la carga y el remojo debido a la existencia de una resistencia estructural inherente. Bajo el mismo nivel de carga, el coeficiente de colapsabilidad de las muestras preparadas artificiales aumenta con el aumento del contenido de sal industrial; sin embargo, el efecto de aumento no es obvio en el nivel de carga bajo. El coeficiente de colapsabilidad de la muestra 3 es cercano al del loess no perturbado. Tome la muestra 3 como ejemplo para analizar la colapsabilidad acumulativa de muestras bajo diferentes niveles de carga.

La deformación colapsable acumulativa de la muestra 3 bajo diferentes niveles de carga se muestra en la Fig. 7. Como se puede ver en la Fig. 7, la curva de cambio de colapsabilidad acumulativa con el tiempo se puede dividir en tres etapas: ① la etapa de cambio rápido, ② la etapa de cambio lento, ③ la etapa estable. Cuanto menor es el nivel de carga, más lenta es la velocidad de deformación inicial de la muestra y menor es la deformación colapsable acumulativa final. Con el aumento del nivel de carga, aumentan la tasa de deformación inicial y la deformación plegable acumulada. Cuando la carga externa es de 100 kPa, la deformación colapsable acumulativa final es la mayor. Cuando la carga aumenta aún más, la deformación colapsable acumulativa final de la muestra disminuye debido al efecto de preconsolidación. Este resultado indica que cuando el nivel de carga externa está cerca de la resistencia estructural de la muestra, su colapsabilidad es la más obvia. Por lo tanto, al evaluar la colapsabilidad del loess en la práctica, se deben considerar plenamente la carga superior y la preconsolidación del loess.

Colapsobilidad acumulativa de la muestra 3.

Según el análisis anterior, los parámetros de resistencia, los parámetros de deformación y el coeficiente de colapsabilidad de la muestra 3 son los más cercanos a los del loess no perturbado. Seleccionamos la muestra 3 para analizar los parámetros estructurales. Según la expresión del parámetro estructural propuesta por xie et al.: \({m}_{\sigma }={\left({\sigma }_{1}-{\sigma }_{3}\right)}_ {o}^{2}/\left[{\left({\sigma }_{1}-{\sigma }_{3}\right)}_{r}{\left({\sigma }_{ 1}-{\sigma }_{3}\right)}_{s}\right]\), donde \({m}_{\sigma }\) son los parámetros estructurales del tipo de tensión, \({\left ({\sigma }_{1}-{\sigma }_{3}\right)}_{o}\), \({\left({\sigma }_{1}-{\sigma }_{ 3}\right)}_{r}\), \({\left({\sigma }_{1}-{\sigma }_{3}\right)}_{s}\) son el corte correspondiente valores de tensión de loess no perturbado, loess remoldeado y loess saturado en la deformación por corte \(\varepsilon\). Se realizaron pruebas de corte triaxial de la muestra artificial 3, loess no perturbado, loess remodelado y loess saturado. Los parámetros estructurales del loess no perturbado y de la muestra artificial 3 se calcularon mediante el método anterior.

La ley de evolución de los parámetros estructurales de la muestra 3 y el loess no perturbado con un proceso de corte triaxial se muestran en las Figs. 8 y 9 respectivamente. Se puede observar que los parámetros estructurales primero aumentan y luego gradualmente tienden a ser estables con la falla por corte del loess (el valor de la deformación por corte aumenta) bajo diferentes presiones de confinamiento. Esto indica que el potencial estructural se libera gradualmente durante el proceso de corte. Después de la falla por corte, la estructura del loess tiende gradualmente a desaparecer y los parámetros estructurales tienden gradualmente a cero. También se puede ver que los cambios de los parámetros estructurales fueron diferentes bajo diferentes presiones de confinamiento. Cuando la presión de confinamiento es de 200 kPa, la estructura del loess artificial es la más obvia. Esto se debe al hecho de que cuando la presión de confinamiento es pequeña, el efecto vinculante de la presión de confinamiento externa sobre el suelo no es obvio y el rendimiento de la resistencia estructural no es significativo. Con el aumento de la presión de confinamiento, el efecto vinculante de la acción externa sobre el loess aumenta gradualmente, lo que equivale a aumentar la resistencia al corte del suelo y dar como resultado un aumento de la resistencia estructural del suelo. Sin embargo, cuando la presión de confinamiento aumenta aún más, la estructura disminuirá, lo que puede deberse a que la presión de confinamiento externa excede la resistencia estructural del suelo, causando perturbaciones en el suelo, lo que equivale a una deformación que destruye la resistencia estructural del suelo. y resultando en la reducción de sus parámetros estructurales. Cuando la presión de confinamiento es de 50 kPa, la estructura del loess no perturbado es la más obvia. Con el aumento de la presión de confinamiento, los parámetros estructurales disminuyen gradualmente. A partir de los resultados generales, la ley de evolución estructural del loess colapsable preparado artificialmente es consistente con la del loess no perturbado.

Ley de variación de parámetros estructurales de la muestra 3.

Ley de variación de parámetros estructurales del loess no perturbado.

Para observar la estructura de los poros internos del loess artificial y del loess no perturbado, se realizaron algunas pruebas SEM con el microscopio electrónico de barrido de emisión de campo frío S-4800. Los resultados se muestran en la Fig. 10. Como puede verse en la Fig. 10a, el esqueleto sólido es obvio. Las partículas sólidas están conectadas por una sustancia cementosa para formar el esqueleto sólido. Los poros grandes se distribuyen en el esqueleto sólido. La cementación proporciona fuerza de unión con bajo contenido de agua. Con el aumento del contenido de agua, la fuerza de unión de la cementación desaparecerá gradualmente y el poro grande colapsará. En cuanto a la Fig. 10b, hay partículas de loess remodeladas, sal industrial, partículas de CaO distribuidas en el suelo interno. Existen algunos poros grandes en el suelo, pero no tan obvios en comparación con el loess no perturbado. Las partículas de sal industrial son obvias, la sal industrial se disolverá en agua gradualmente con el aumento del contenido de agua. Este proceso podría simular el colapso del loess no perturbado. Por lo tanto, el loess artificial tiene la misma característica de colapso que el loess no perturbado que resulta de la microestructura.

Imágenes de microestructura.

En este artículo se analiza el principio colapsable del loess natural e inalterado. Basado en el principio colapsable, se propuso un nuevo método de preparación de loess artificial utilizando loess remodelado, partículas de CaO, sal industrial y yeso en polvo. Se llevaron a cabo la prueba de corte directo, la prueba de consolidación, la prueba del coeficiente de colapsabilidad y la prueba de corte triaxial para investigar las características principales del loess artificial preparado y del loess no perturbado. Las principales observaciones son las siguientes:

La prueba de corte y la prueba de consolidación muestran que con el aumento del contenido de sal industrial, la cohesión del loess colapsable preparado artificialmente disminuye gradualmente, el ángulo de fricción interna aumenta gradualmente, el coeficiente de compresión disminuye y el módulo de compresión aumenta.

Tanto la proporción del material como el nivel de carga influyen en la colapsabilidad del loess preparado artificialmente. Bajo la misma proporción de material, el coeficiente de colapsabilidad aumenta primero y luego disminuye con el aumento de la carga externa. Bajo el mismo nivel de carga, el coeficiente de colapsabilidad de las muestras preparadas artificialmente aumenta con el aumento del contenido de partículas de sal industrial.

La ley de variación de los parámetros estructurales de muestras de loess preparadas artificialmente es similar a la del loess no perturbado. Los parámetros estructurales primero aumentan y luego disminuyen con el proceso de corte. Sin embargo, debido a las limitaciones de las muestras preparadas artificialmente, los parámetros estructurales del loess preparado artificialmente bajo diferentes condiciones de presión de confinamiento son diferentes.

Los datos estarán disponibles previa solicitud. Se debe contactar a Yuwei Zhang si alguien desea solicitar los datos de este estudio.

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Este estudio fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (NSFC, No. 52178393), el Proyecto General del Programa de Investigación Básica de Ciencias Naturales de Shaanxi (2023-JC-YB-297) y el Plan de Apoyo a la Capacidad de Innovación de Shaanxi: Equipo de Innovación en Ciencia y Tecnología. (2020TD-005).

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Yuwei Zhang, Zhangping Song y Haochun Chen

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Canción de Yuwei Zhang y Zhangping

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Lei Ruan

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Simei él

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YZ: conceptualización, redacción—borrador original. ZS: conceptualización, redacción: revisión y edición. HC: edición. LR: pruebas en interior. SH: investigación.

Correspondencia a Yuwei Zhang o Zhanping Song.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Zhang, Y., Song, Z., Chen, H. et al. Estudio experimental sobre las características estructurales y colapsables del material loess preparado artificialmente. Representante científico 13, 4113 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-31397-y

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Recibido: 04 de diciembre de 2022

Aceptado: 10 de marzo de 2023

Publicado: 13 de marzo de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-31397-y

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