Experimentelle Untersuchung zu kollabierbaren und strukturellen Eigenschaften von künstlich aufbereitetem Lössmaterial

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 4113 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Kollabierbarkeit und Struktur sind zwei typische Merkmale des natürlichen, ungestörten Lösses. Es ist von großer Bedeutung, die Kollabierbarkeit und Struktur von natürlichem Löss durch künstliche Lössaufbereitung effektiv zu simulieren. Die bestehenden Methoden zur künstlichen Aufbereitung von kollabierbarem Löss sind jedoch komplex und die Kollabierbarkeit der vorbereiteten Proben lässt sich nur schwer kontrollieren. In dieser Arbeit wurde der Kollapsmechanismus von Löss erneut analysiert und auf dieser Grundlage eine neue Methode zur Herstellung künstlichen kollabierbaren Lösses unter Verwendung von umgeformtem Löss, Industriesalz, CaO-Partikeln und Gipspulver vorgeschlagen. Das Grundprinzip ist: Die CaO-Partikel haben eine strukturelle Festigkeit und würden nach dem Einweichen in Ca(OH)2 übergehen. Dieser Fortschritt kann das Verschwinden der strukturellen Festigkeit des Lösses simulieren; Die Auflösung von Industriesalz kann den Kollaps der inneren Poren des Lösses simulieren, die Kollabierbarkeit von künstlichem Löss kann durch Anpassung des Industriesalzanteils eingestellt werden; Das Gipspulver kann die Zementierung von Löss als Bindemittel simulieren. Es wurden der Schertest, der Konsolidierungstest und der Kollapstest von künstlich aufbereitetem Löss und ungestörtem Löss durchgeführt. Die Versuchsergebnisse von künstlichem Löss wurden mit ungestörtem Löss verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass: die Plastizitäts- und Flüssigkeitsgrenze des künstlich aufbereiteten Lösses kleiner ist als die des ungestörten Lösses; Der optimale Feuchtigkeitsgehalt und die maximale Trockendichte liegen nahe an denen des ungestörten Lösses; Der Kollabierbarkeitskoeffizient künstlich hergestellter Proben steigt zunächst an, nimmt dann mit zunehmender Belastung ab und nimmt mit zunehmendem Industriesalzpartikelgehalt allmählich zu. Die Strukturparameter von künstlich aufbereiteten Lössproben nehmen mit dem Scherprozess zunächst zu und dann ab, aber die Strukturparameter von künstlich aufbereitetem Löss und ungestörtem Löss unterscheiden sich unter verschiedenen Grenzdruckbedingungen.

Löss ist auf der ganzen Welt verbreitet, beispielsweise in Amerika, Europa, Russland und China. Unter ihnen hat China das größte Verbreitungsgebiet und die größte Mächtigkeit1. Als typisch strukturierter Boden ist Löss porös, strukturell und kollabierbar2,3,4,5,6,7,8. Dementsprechend ist es wichtig, die Kollabierbarkeit von Löss für die Fundamentkonstruktion zu untersuchen, da unterschiedliche Kollapsverformungen im Löss zu Rissen in oberen Strukturen führen können9,10,11,12,13. Wie wir alle wissen, ist der physikalische Modelltest eine der bewährten Methoden, um den Einfluss der Lösskollabierbarkeit auf die obere Struktur zu untersuchen. Für die Durchführung des physikalischen Modelltests ist jedoch ausreichend ungestörter, kollabierbarer Löss als dielektrisches Material erforderlich. Während der Probenentnahme können Porosität und Struktur sehr leicht gestört werden. Darüber hinaus ist das Volumen der im Modell verwendeten Lössprobe groß, Verunreinigungen wie Kies und Pflanzenwurzeln machen natürlich strukturierte Böden homogen und beeinflussen die Bodenstruktureigenschaften. Daher ist die Vorbereitung des künstlichen Lösses für den Einsatz physikalischer Modelltests eine effiziente Methode.

Bisher haben einige Wissenschaftler die Machbarkeit und Wirksamkeit der Vorbereitung künstlicher Böden untersucht. Die Untersuchungen legen nahe, dass der künstliche Boden in seiner homogenen Struktur und Festigkeit mit dem natürlichen, ungestörten Boden übereinstimmt. Für den physikalischen Modellversuch ist der künstliche Löss besser geeignet als der ungestörte Löss. Maccarini (University of London, UK) stellte erstmals künstliche Sande mithilfe der Verbrennungsmethode her. Anschließend wurden dem Bodenmaterial durch Anpassung der Mischung verschiedene Zusatzstoffe zugesetzt, um verschiedene Arten von künstlichen Böden herzustellen. Zu den Zusatzstoffen gehören Zement14, Mischungen aus Zement und Eispartikeln15, Kupferschlacke16, Gips17, Industriesalz18 und andere Materialien19. Der künstliche Boden war eine Zulassungsmethode, um die Eigenschaften eines natürlichen, ungestörten Bodens zu simulieren.

Was den künstlichen Löss betrifft, so haben Hu et al. präparierten den künstlichen Löss, indem sie das CO2 zu der Mischung aus CaO und dem ursprünglichen Löss drückten, und verglichen seine Kollabierbarkeit mit dem ungestörten Löss20. Zhang et al. stellte den stark kollabierbaren Löss aus nichtbindigem Quarzmehl, Sand und anhaftendem Bentonit, Gips und Industriesalz im Freifallverfahren her21. Assalla schuf den künstlichen Löss mit verschiedenen Methoden und untersuchte das Kollapsverhalten durch Ödometerexperimente. Die künstlichen Proben ahmen das Verhalten von echtem Löss bemerkenswert gut nach22; Jiang vermischte CaO mit dem ursprünglichen Boden, verdichtete die Mischung in Schichten, um Proben herzustellen, sättigte die Proben mit Vakuum und injizierte dann CO2 oder wickelte die Proben mit ausreichend Drikold ein, um eine CaCO3-Zementierung zwischen den Partikeln zu bilden23; Medero stellte einen kollabierbaren Boden vor, der durch Zugabe von Partikeln aus expandiertem Polystyrol zu einer Boden-Zement-Mischung hergestellt wurde. Das Kollapspotenzial wurde an Proben mit und ohne Zementierung bewertet24; Arroyo stellte fünf verschiedene Mischungen aus Erde (ein Granit-Saprolit) und Zement (mit Zementgehalten im Bereich von 0 % bis 7 % auf Trockengewichtsbasis) her und testete deren Kompression bei vier verschiedenen Wassergehaltsniveaus25. Wie aus oben ersichtlich ist, sind die Methoden zur Herstellung des künstlichen Lösses kompliziert und die Kollabierbarkeit lässt sich nur schwer genau einstellen.

In dieser Arbeit wurde das Kollabierbarkeitsprinzip von Löss aus der Perspektive der Mikrostruktur diskutiert. Es wurde eine neue Methode zur Aufbereitung von künstlichem Löss vorgestellt. Als Ausgangsmaterialien wurden der gestörte Löss, Industriesalz, CaO und Gips herangezogen, das CaO und das Industriesalz konnten das lösliche Granulat simulieren, der Gips konnte das Zementmaterial simulieren. Durch den Wechsel des Industriesalzes konnte die Strukturfestigkeit und Kollapsfestigkeit von künstlich aufbereitetem Löss eingestellt werden. Es wurden die grundlegenden physikalischen Parameter, Scherfestigkeitsparameter und Strukturparameter von künstlichem Löss in verschiedenen Mischungsdesigns getestet. Der beste Mischungsentwurf wurde durch den Vergleich des künstlichen Lösses mit dem ungestörten Löss vorgeschlagen. Der in dieser Arbeit vorgestellte künstliche Löss bildet die Grundlage für den physikalischen Modelltest in Innenräumen.

Die Faltbarkeit ist eine der typischen Eigenschaften von Löss. Bisher wurden mehrere Theorien zum Prinzip der Lösskollabierbarkeit aufgestellt. Unter diesen ist die von Forschern am meisten akzeptierte Theorie die Theorie der zementären Auflösung zwischen Partikeln26. Nach der Theorie der zementären Auflösung besteht Löss aus Skelettpartikeln, zementärer Substanz und inneren Poren. Skelettpartikel sind durch eine zementartige Substanz miteinander verbunden, und zwischen den Skelettpartikeln bilden sich bestimmte Poren. Wenn sich der Boden in einem ungesättigten Zustand befindet, ist der Porenwassergehalt in den Poren geringer, die zementartige Substanz weist eine hohe Bindungsfestigkeit auf und der Löss weist eine deutliche Struktur auf; Wenn das Eintauchen in Wasser den quasi gesättigten Zustand erreicht, beginnt sich die zementartige Substanz zwischen den Skelettpartikeln aufzulösen und die Bindungsfestigkeit nimmt ab. Unter der Einwirkung von Eigengewicht oder äußerer Belastung beginnen die Makroporen zwischen den Skelettpartikeln zu kollabieren, und es kommt zu einer relativen Verschiebung zwischen den Skelettpartikeln, was zu einer gewissen kollabierenden Verformung führt; Wenn der Boden vollständig gesättigt ist, ist die Festigkeit der zementären Substanz zwischen den Skelettpartikeln völlig ungültig und die Makroporen zwischen den Skelettpartikeln sind vollständig kollabiert, was zu einer deutlichen kollabierenden Verformung des Bodens führt. Der Kollapsfortschritt ist in Abb. 1 dargestellt. Wie oben zu sehen ist, sorgt die Verkittung zwischen den Skelettpartikeln für die Bindungsfestigkeit, die der Schlüssel zur Bildung von Makroporen im Löss ist. Aufgrund des allmählichen Anstiegs des Wassergehalts beim Sättigungsprozess durch Einweichen verschwindet die durch die Zementierung bereitgestellte Bindungsstärke zwischen den Partikeln allmählich, was der Schlüssel zur Kollapsverformung des Lösses ist. Daher ist bei der Aufbereitung von künstlichem kollabierbarem Löss die Verwendung eines geeigneten Materials zur Simulation der Haftfestigkeit von zementhaltigem Material der Schlüssel für eine erfolgreiche Aufbereitung.

Das Kollabierbarkeitsprinzip von natürlichem Löss bildet die Perspektive der Mikrostruktur.

Die bisherigen Untersuchungen zeigen, dass die Methoden zur Herstellung von künstlichem Löss komplex und die Kollabierbarkeit schwer zu kontrollieren sind. Es ist von großer Bedeutung, eine neue und wirksame Methode zur Herstellung von künstlichem, kollabierbarem Löss vorzuschlagen. Nach dem oben erwähnten Kollapsprinzip besteht der Hauptgrund für das Kollabieren von Löss darin, dass sich die Zementierung zwischen den Partikeln im Wasser auflöst und einen inneren Porenkollaps auslöst. Unter Berücksichtigung der Bedingung, dass CaO beim Auftreffen auf Wasser Ca(OH)2 erzeugt, das teilweise in Wasser löslich ist, haben wir CaO verwendet, um die Struktur von ungestörtem Löss zu simulieren. Der Prozess der Bildung von Ca(OH)2 und der Auflösung von CaO in Wasser kann näherungsweise als Prozess der Strukturschädigung von ungestörtem Löss angesehen werden; Industriesalz kann vollständig in Wasser aufgelöst werden, und die vollständige Auflösung von Industriesalz nach der Sättigung des Lösses mit Wasser kann den Kollapsprozess der Porenstruktur im Löss simulieren; Gipspulver weist bei niedrigem Wassergehalt eine hohe Haftfestigkeit auf, und Gipspulver versagt nach der Sättigung mit Wasser allmählich. Daher eignet sich Gipsmehl als zementäres Material für Löss. In dieser Arbeit wird also künstlicher kollabierbarer Löss durch Zugabe von CaO-Partikeln, Industriesalz und Gipspulver mit umgeformtem Löss als Grundrohstoff hergestellt. Der Kollabierbarkeitsgrad und die Strukturfestigkeit von künstlichem Löss könnten durch Anpassung des Anteils an CaO und Industriesalz verändert werden. Die in diesem Artikel vorgeschlagene Herstellungsmethode für künstlichen Löss passt genau zum Zusammenbruchmechanismus von Löss, der einfacher und effektiver ist als herkömmliche Methoden. Die in diesem Artikel vorgeschlagene Methode bietet eine Möglichkeit für die großflächige Aufbereitung und Anwendung von künstlichem kollabierbarem Löss.

Wenn künstlicher Löss als Material für den Innenmodelltest verwendet wird, ist die Menge groß, sodass das Rohmaterial für die Herstellung von künstlichem, zusammenklappbarem Löss wirtschaftlich sein sollte. Der in diesem Artikel ausgewählte umgeformte Löss, CaO-Partikel und Industriesalz sind kostengünstig, und die Kosten für Gipspulver sind etwas höher, aber die Menge ist geringer, sodass die Gesamtkosten in einem kontrollierbaren Bereich liegen. Der umgeformte Löss wird durch vollständige Auflockerung des natürlichen, ungestörten Lösses gewonnen, der vom Bahnhof Qujiangchi der U-Bahn-Linie Nr. 4 in Xi'an entnommen wurde. Die physikalischen Parameter von ungestörtem Löss sind in Tabelle 1 aufgeführt. Der ungestörte Löss wurde zu Pulver zerkleinert, getrocknet und anschließend durch ein 2-mm-Sieb gegeben, um den umgeformten Löss zu erhalten. Das CaO wurde als Partikel mit einem Durchmesser von etwa 1 mm ausgewählt. Industriesalz wurde ebenfalls körnig mit einem Durchmesser von 0,5–1 mm ausgewählt; Gipspulver verwendet hochwertiges Gipspulver. Die Testmaterialien sind in Abb. 2 dargestellt.

Materialien testen.

In den bisherigen Studien wurde Gipspulver hauptsächlich als zementäres Material verwendet, um die innere zementäre Substanz von Löss zu simulieren. Die Ergebnisse zeigen, dass der Simulationseffekt gut ist, wenn der Gipspulveranteil 5 % und 8 % beträgt21. In dieser Arbeit wurde der Anteil an Gipspulver ebenfalls mit 5 % und 8 % angenommen. Die Strukturcharakteristik des ungestörten Lösses wird durch die CaO-Körner gesteuert, der Anteil an CaO wurde mit 1 % angenommen. Die Faltbarkeit von ungestörtem Löss wurde mit dem Anteil an Industriesalz in Zusammenhang gebracht, wobei für die Durchführung der Vergleichsversuche jeweils ein Anteil von 2 %, 4 %, 6 % und 8 % gewählt wurde. Der spezifische Anteil jedes Materials ist in Tabelle 2 aufgeführt. Die Schertests, Konsolidierungstests und Kollabierbarkeitstests wurden jeweils mit künstlich aufbereitetem Löss und natürlichem, ungestörtem Löss durchgeführt.

Um die Kollabierbarkeit und Struktur von künstlich aufbereitetem Löss und ungestörtem Löss besser vergleichen zu können, stimmen Dichte und Feuchtigkeitsgehalt der künstlich aufbereiteten Bodenprobe mit dem ungestörten Löss überein. Die künstlichen Bodenproben können durch Pressprobenverfahren gewonnen werden. Die spezifischen Schritte beim Pressen der Probenmethode sind wie folgt: Zunächst wurde die Gesamtmasse des umgeformten Lösses, der CaO-Partikel, des Industriesalzes und des Gipspulvers aus dem Volumen der Testprobe (z. B. dem großen Ringmesser des zusammenklappbaren Tests) berechnet kleines Ringmesser des Schertests usw.); Zweitens könnte die für jede Probe erforderliche Masse jeder Komponente anhand der Probenverhältnistabelle berechnet werden. Drittens kann der Wasserverbrauch durch Kombination des Feuchtigkeitsgehalts berechnet werden. In diesem Artikel wurde die große Ringmesserprobe als Beispiel genommen, um die Masse jeder Komponente der Probe mit der oben genannten Methode zu ermitteln. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 aufgeführt. Nach Erhalt der Masse jeder Komponente wurde die erforderliche Ringmesserprobe ermittelt kann durch das Probenpressverfahren direkt verdichtet werden (Abb. 2). Auf diese Weise können wir künstliche Bodenproben erhalten, die dem ungestörten Boden ähneln. Die erforderlichen Prüfmuster werden nach den oben genannten Methoden vorbereitet. Es ist zu beachten, dass während der Konfiguration des Wassergehalts im Probenvorbereitungsprozess nur umgeformter Boden konfiguriert wird und das Wasser 48 Stunden lang vollständig und gleichmäßig blockiert wird. Anschließend wurden die CaO-Partikel, Industriesalz und Gipspulver mit dem umgeformten Boden vermischt. Die CaO-Partikel dürfen nicht mit Wasser vorgemischt werden, da es sonst zu einer Reaktion kommt und ihre Struktur nicht nachgebildet werden kann.

Es ist schwierig, alle mechanischen Parameter von künstlich aufbereitetem Löss vollständig mit dem ungestörten Löss in Einklang zu bringen. In dieser Arbeit soll der Zweck der Herstellung von kollabierbarem Löss als Simulationsmaterial für Indoor-Modelltests verwendet werden. Dabei geht es vor allem darum, ob die grundlegenden mechanischen Parameter, die Kollabierbarkeit und die strukturellen Parameter von künstlich hergestelltem Löss mit denen von ungestörtem Löss übereinstimmen. Daher werden zunächst die grundlegenden physikalischen Parameter von künstlichem Löss getestet, dann wurden die Festigkeitsparameter, Verformungsparameter, der Kollabierbarkeitskoeffizient und die Strukturparameter durch Schertest, Konsolidierungstest, Kollabierbarkeitskoeffiziententest und triaxialen Schertest getestet.

Die Festigkeitsparameter von Löss konnten durch den direkten Scherversuch überprüft werden. Für den direkten Schertest wurde das von der Nanjing Soil Instrument Company hergestellte Vierfach-Dehnungs-kontrollierte Direktschergerät vom Typ ZJ verwendet (siehe Abb. 3a). Das direkte Scherinstrument vom Dehnungstyp besteht aus einem Scherkasten, einer vertikalen Belastungsvorrichtung, einer Scherübertragungsvorrichtung, einem Kraftmessring und einem Wegmesssystem (der Teilungswert des Messgeräts beträgt 0,01 mm, der Messbereich beträgt 10 mm). und die Genauigkeit des Sensors ist Null). Der vertikale Druck des Prüflings beträgt 50 kPa, 100 kPa, 200 kPa bzw. 300 kPa. Der Testprozess wurde in strikter Übereinstimmung mit den Anforderungen des durchgeführt.

Ausrüstung testen.

Die Verformungsparameter von Löss konnten durch den Konsolidierungstest überprüft werden. Für den Konsolidierungstest wurde der WG-Einhebelkonsolidierer verwendet (siehe Abb. 3b). Der Konsolidierungsdruck des Konsolidierungstests beträgt 50 kPa, 100 kPa, 200 kPa, 300 kPa bzw. 400 kPa, und die nächste Laststufe kann erst belastet werden, nachdem die Verformung der vorherigen Laststufe stabil ist (die Verformung innerhalb von 1). h ist kleiner als 0,01 mm).

Der Kollabierkoeffizient kann mit dem Kollabierbarkeitstest getestet werden. Der WG-Einhebelkonsolidator wurde auch für den Zusammenklappbarkeitstest verwendet. Der Kollapstest wurde mit der Einlinienmethode durchgeführt und die vertikale Spannung von fünf Proben wurde ebenfalls auf 50 kPa, 100 kPa, 200 kPa, 300 kPa und 400 kPa eingestellt. Gemäß den Testanforderungen wurde jede Probe auch stufenweise belastet (50 kPa pro Stufe), und die nächste Belastungsstufe wurde durchgeführt, nachdem die Belastung und Verformung jeder Stufe Stabilität erreicht hatte. Die Probe kann eingeweicht werden, bis die Verformung der letzten Stufe Stabilität erreicht hat. Der Kollabierbarkeitskoeffizient unter unterschiedlichen Eigengewichtsdrücken jeder Probe würde ermittelt.

Das Strukturmerkmal ist eines der typischen Merkmale von Löss. Xie et al. schlug den Ausdruck des Strukturparameters vor: \({m}_{\sigma }={\left({\sigma }_{1}-{\sigma }_{3}\right)}_{o}^{2 }/\left[{\left({\sigma }_{1}-{\sigma }_{3}\right)}_{r}{\left({\sigma }_{1}-{\sigma }_{3}\right)}_{s}\right]\), wobei \({m}_{\sigma }\) die Strukturparameter des Spannungstyps sind, \({\left({\sigma }_ {1}-{\sigma }_{3}\right)}_{o}\), \({\left({\sigma }_{1}-{\sigma }_{3}\right)} _{r}\), \({\left({\sigma }_{1}-{\sigma }_{3}\right)}_{s}\) sind die entsprechenden Schubspannungswerte von ungestörtem Löss, umgeformter Löss und gesättigter Löss bei der Scherdehnung \(\varepsilon\). Um die Unterschiede der strukturellen Eigenschaften zwischen künstlichem Löss und ungestörtem Löss zu untersuchen, wurden auch triaxiale Tests von ungestörten, umgeformten und gesättigten Bodenproben durchgeführt. Die triaxialen Tests wurden mit der in Abb. 3c gezeigten triaxialen Schervorrichtung durchgeführt.

Zunächst wurden die grundlegenden physikalischen Parameter jeder Probe künstlich hergestellter Proben gemessen. Der Flüssigkeits-Grenzfeuchtigkeitsgehalt und der Kunststoff-Grenzfeuchtigkeitsgehalt jeder Probe wurden mit der Methode zur gemeinsamen Bestimmung der Flüssig-Kunststoff-Grenze gemessen. Als plastische Grenze wurde der Feuchtigkeitsgehalt entsprechend dem 76-g-Kegel mit einer Bodentiefe von 2 mm und als Flüssigkeitsgrenze der Feuchtigkeitsgehalt entsprechend einer Bodentiefe von 17 mm angenommen. Der beste Feuchtigkeitsgehalt und die maximale Trockendichte jeder Probe wurden durch einen Standardverdichtungstest ermittelt. Die grundlegenden physikalischen Parameter jeder Probe sind abschließend in Tabelle 4 aufgeführt.

Zur Analyse der Scherfestigkeitseigenschaften wurden direkte Scherversuche an ungestörten Lössproben bzw. künstlich aufbereiteten Proben durchgeführt. Es wurden kleine Ringmesserproben mit einem Durchmesser von 61,8 mm ausgewählt, die Schergeschwindigkeit betrug 0,8 mm/min und der vertikale Druck wurde mit 50 kPa, 100 kPa, 200 kPa bzw. 300 kPa angenommen. Für jede Probe wurde der Zusammenhang zwischen der Scherfestigkeit und dem Vertikaldruck ermittelt (siehe Abb. 4). Die Werte von \(\mathrm{Kohäsion }c\) und dem inneren Reibungswinkel \(\varphi\) verschiedener künstlich hergestellter Proben wurden durch Kurvenanpassung erhalten, wie in Tabelle 5 gezeigt.

Ergebnisse direkter Schertests.

Wie aus Abb. 4 und Tabelle 5 ersichtlich ist, hängen die Kohäsion \(c\) und der innere Reibungswinkel \(\varphi\) mit dem Gehalt an Industriesalz und Gipspulver zusammen. Mit zunehmendem Industriesalzgehalt nimmt die Kohäsion allmählich ab und der innere Reibungswinkel nimmt allmählich zu. Mit zunehmender Gipskraft nimmt der innere Reibungswinkel allmählich zu. Die Kohäsion von Probe 3 kommt der von ungestörtem Löss nahe, der innere Reibungswinkel ist jedoch relativ kleiner als der von ungestörtem Löss. Da der innere Reibungswinkel mit dem Gipspulvergehalt zusammenhängt, kann davon ausgegangen werden, dass sich der innere Reibungswinkel durch Änderung des Gipspulvergehalts ändert.

Es wurden die Standardkonsolidierungstests an künstlich hergestellten Proben durchgeführt. Die Konsolidierungslastniveaus werden als 50 kPa, 100 kPa, 200 kPa, 300 kPa bzw. 400 kPa ausgewählt. Die \(ep\)-Kurve wurde in Abb. 5 gezeichnet. Der Kompressibilitätskoeffizient und der Kompressibilitätsmodul wurden gemäß der Spezifikationsformel berechnet und die Ergebnisse sind in Tabelle 6 aufgeführt.

Ergebnisse des Konsolidierungstests.

Wie aus Abb. 5 ersichtlich ist, nimmt der Hohlraumanteil der Probe mit zunehmender Belastung allmählich ab. Der Komprimierungsprozess kann in zwei Phasen unterteilt werden: die Phase des schnellen Wechsels und die Phase des langsamen Wandels. Das Mischungsverhältnis hat Einfluss auf die Kompressibilität von Proben. Wie aus Tabelle 6 hervorgeht, hängen der Kompressibilitätskoeffizient und der Kompressibilitätsmodul mit dem Gehalt an Industriesalz und Gipspulver zusammen. Mit steigendem Industriesalzgehalt sinkt der Kompressionskoeffizient und der Kompressionsmodul steigt. Mit der Zunahme des Gipspulvers steigt der Kompressionsmodul. Der Kompressibilitätskoeffizient und der Kompressibilitätsmodul von Probe 3 kommen denen von ungestörtem Löss am nächsten.

Der Kollabierbarkeitskoeffizient ist einer der wichtigen Parameter von Löss. Die Kollabierbarkeit ist der Schlüsselindikator für den Erfolg der künstlichen Lössaufbereitung. In dieser Arbeit haben wir die Kollabierbarkeit von künstlichen Proben und ungestörtem Löss mithilfe der Einzellinienmethode getestet. Um den Kollabierbarkeitskoeffizienten unter verschiedenen Drücken zu messen, werden die Belastungsniveaus als 50 kPa, 100 kPa, 200 kPa, 300 kPa bzw. 400 kPa ausgewählt. Die Kollapskoeffizienten jeder Probe unter verschiedenen Belastungsniveaus sind in Abb. 6 dargestellt.

Kollabierbarkeitskoeffizient verschiedener Lasten.

Wie aus Abb. 6 ersichtlich ist, steigt der Kollabierbarkeitskoeffizient zunächst an und nimmt dann mit zunehmender äußerer Belastung ab. Denn sowohl künstlich aufbereiteter Löss als auch ungestörter Löss verfügen über eine inhärente Strukturfestigkeit. Der Kollabierbarkeitskoeffizient von Probe 1 ist am kleinsten, die zum Erreichen der maximalen Kollabierbarkeit erforderliche äußere Belastung beträgt 100 kPa; Der Kollabierbarkeitskoeffizient von Probe 4 ist am größten, die zum Erreichen der maximalen Kollabierbarkeit erforderliche äußere Belastung beträgt 130 kPa. Wenn die äußere Belastung geringer ist als die strukturelle Festigkeit des Lösses, ist die Bodenverfestigung unzureichend und der Kollabierbarkeitskoeffizient steigt mit zunehmender äußerer Belastung. Ist die äußere Belastung größer als die Strukturfestigkeit des Lösses, kommt es zu einer Vorverfestigung des Bodens und zu einer Verdichtung der inneren Poren. Zu diesem Zeitpunkt nimmt der Kollabierbarkeitskoeffizient ab. Der Kollabierbarkeitskoeffizient von künstlich aufbereitetem Löss wird aufgrund der inhärenten strukturellen Festigkeit offensichtlich durch den Kopplungseffekt von Belastung und Durchnässung beeinflusst. Bei gleicher Belastung erhöht sich der Kollapskoeffizient künstlich hergestellter Proben mit zunehmendem Industriesalzgehalt, bei niedriger Belastung ist der Erhöhungseffekt jedoch nicht offensichtlich. Der Kollabierbarkeitskoeffizient von Probe 3 liegt nahe an dem von ungestörtem Löss. Nehmen Sie Probe 3 als Beispiel, um die kumulative Kollabierbarkeit von Proben unter verschiedenen Belastungsniveaus zu analysieren.

Die kumulative kollabierbare Verformung von Probe 3 unter verschiedenen Lastniveaus ist in Abb. 7 dargestellt. Wie aus Abb. 7 ersichtlich ist, kann die Änderungskurve der kumulativen Kollabierbarkeit mit der Zeit in drei Phasen unterteilt werden: ① die schnelle Änderungsphase, ② die langsame Änderungsphase, ③ die stabile Phase. Je kleiner das Lastniveau ist, desto langsamer ist die anfängliche Verformungsrate der Probe und desto kleiner ist die endgültige kumulative kollabierbare Verformung. Mit zunehmendem Lastniveau nehmen die anfängliche Verformungsrate und die kumulative kollabierende Verformung zu. Wenn die äußere Belastung 100 kPa beträgt, ist die endgültige kumulative kollabierbare Verformung am größten. Wenn die Last weiter erhöht wird, nimmt die endgültige kumulative kollabierende Verformung der Probe aufgrund des Vorkonsolidierungseffekts ab. Dieses Ergebnis zeigt, dass die Kollabierbarkeit am offensichtlichsten ist, wenn die äußere Belastung nahe an der strukturellen Festigkeit der Probe liegt. Daher sollten bei der Beurteilung der Kollabierbarkeit von Löss in der Praxis die Oberlast und die Vorverfestigung des Lösses vollständig berücksichtigt werden.

Kumulative Kollabierbarkeit von Probe 3.

Gemäß der obigen Analyse kommen die Festigkeitsparameter, Verformungsparameter und der Kollabierbarkeitskoeffizient von Probe 3 denen von ungestörtem Löss am nächsten. Wir haben die Probe 3 ausgewählt, um die Strukturparameter zu analysieren. Gemäß dem von xie et al. vorgeschlagenen Ausdruck des Strukturparameters: \({m}_{\sigma }={\left({\sigma }_{1}-{\sigma }_{3}\right)}_ {o}^{2}/\left[{\left({\sigma }_{1}-{\sigma }_{3}\right)}_{r}{\left({\sigma }_{ 1}-{\sigma }_{3}\right)}_{s}\right]\), wobei \({m}_{\sigma }\) die Strukturparameter des Spannungstyps sind, \({\left ({\sigma }_{1}-{\sigma }_{3}\right)}_{o}\), \({\left({\sigma }_{1}-{\sigma }_{ 3}\right)}_{r}\), \({\left({\sigma }_{1}-{\sigma }_{3}\right)}_{s}\) sind die entsprechende Scherung Spannungswerte von ungestörtem Löss, umgeformtem Löss und gesättigtem Löss bei der Scherdehnung \(\varepsilon\). Es wurden triaxiale Scherversuche an künstlicher Probe 3, ungestörtem Löss, umgestaltetem Löss und gesättigtem Löss durchgeführt. Die Strukturparameter von ungestörtem Löss und künstlicher Probe 3 wurden nach der oben genannten Methode berechnet.

Das Entwicklungsgesetz der Strukturparameter von Probe 3 und ungestörtem Löss mit triaxialem Scherprozess ist in den Abbildungen dargestellt. 8 bzw. 9. Es ist ersichtlich, dass die Strukturparameter mit dem Scherversagen des Lösses (der Scherdehnungswert steigt an) unter verschiedenen Grenzdrücken zunächst ansteigen und dann allmählich dazu neigen, stabil zu bleiben. Dies weist darauf hin, dass das Strukturpotential während des Scherprozesses allmählich freigesetzt wird. Nach dem Scherversagen verschwindet die Struktur des Lösses allmählich und die Strukturparameter gehen allmählich gegen Null. Es ist auch zu erkennen, dass die Änderungen der Strukturparameter bei unterschiedlichen Grenzdrücken unterschiedlich waren. Bei einem Sperrdruck von 200 kPa ist die Struktur von künstlichem Löss am deutlichsten zu erkennen. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass bei geringem Begrenzungsdruck die Bindungswirkung des äußeren Begrenzungsdrucks auf den Boden nicht offensichtlich ist und die Leistung der strukturellen Festigkeit nicht signifikant ist. Mit zunehmendem Grenzdruck nimmt die Bindungswirkung äußerer Einwirkungen auf den Löss allmählich zu, was einer Erhöhung der Scherfestigkeit des Bodens gleichkommt und zu einer Erhöhung der Strukturfestigkeit des Bodens führt. Wenn jedoch der Begrenzungsdruck weiter ansteigt, verringert sich die Struktur, was darauf zurückzuführen sein kann, dass der äußere Begrenzungsdruck die Strukturfestigkeit des Bodens übersteigt und Störungen im Boden verursacht, was einer Verformung gleichkommt, die die Strukturfestigkeit des Bodens zerstört und führt zu einer Reduzierung seiner Strukturparameter. Bei einem Sperrdruck von 50 kPa ist die Struktur von ungestörtem Löss am deutlichsten zu erkennen. Mit zunehmendem Grenzdruck nehmen die Strukturparameter allmählich ab. Aus den Gesamtergebnissen geht hervor, dass das strukturelle Evolutionsgesetz von künstlich aufbereitetem kollabierbarem Löss mit dem von ungestörtem Löss übereinstimmt.

Variationsgesetz der Strukturparameter von Probe 3.

Variationsgesetz der Strukturparameter ungestörten Lösses.

Um die innere Porenstruktur von künstlichem und ungestörtem Löss zu beobachten, wurden einige REM-Tests mit dem Kaltfeldemissions-Rasterelektronenmikroskop S-4800 durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Abb. 10 dargestellt. Wie aus Abb. 10a ersichtlich ist, ist das solide Skelett offensichtlich. Feste Partikel werden durch zementäre Substanz zu einem festen Skelett verbunden. Die großen Poren verteilen sich im festen Skelett. Die Zementierung sorgt für die Haftfestigkeit bei geringem Wassergehalt. Mit zunehmendem Wassergehalt nimmt die Haftfestigkeit der Zementierung allmählich ab und die große Pore kollabiert. In Abb. 10b sind umgeformte Lösspartikel, Industriesalz und CaO-Partikel im inneren Boden verteilt. Es gibt einige große Poren im Boden, die jedoch im Vergleich zum ungestörten Löss nicht so offensichtlich sind. Die Industriesalzpartikel sind offensichtlich, das Industriesalz löst sich mit zunehmendem Wassergehalt allmählich im Wasser auf. Dieser Prozess könnte den Zusammenbruch von ungestörtem Löss simulieren. Daher weist der künstliche Löss die gleiche Kollapscharakteristik auf wie der ungestörte Löss, wodurch sich die Mikrostruktur ergibt.

Mikrostrukturbilder.

In dieser Arbeit wurde das Faltungsprinzip des natürlichen, ungestörten Lösses diskutiert. Basierend auf dem Faltprinzip wurde eine neue Methode zur Herstellung von künstlichem Löss aus umgeformtem Löss, CaO-Partikeln, Industriesalz und Gipspulver vorgeschlagen. Zur Untersuchung der Hauptmerkmale von künstlich aufbereitetem Löss und ungestörtem Löss wurden der direkte Scherversuch, der Konsolidierungstest, der Kollapsibilitätskoeffiziententest und der triaxiale Scherversuch durchgeführt. Die wichtigsten Bemerkungen lauten wie folgt:

Der Schertest und der Konsolidierungstest zeigen, dass mit zunehmendem Industriesalzgehalt die Kohäsion des künstlich hergestellten kollabierbaren Löss allmählich abnimmt, der innere Reibungswinkel allmählich zunimmt, der Kompressionskoeffizient abnimmt und der Kompressionsmodul zunimmt.

Sowohl Materialverhältnis als auch Belastungsgrad haben Einfluss auf die Kollabierbarkeit von künstlich aufbereitetem Löss. Bei gleichem Materialverhältnis steigt der Kollabierbarkeitskoeffizient zunächst an und nimmt dann mit zunehmender äußerer Belastung ab. Bei gleicher Belastung erhöht sich der Kollababilitätskoeffizient künstlich hergestellter Proben mit zunehmendem Industriesalzpartikelgehalt.

Das Variationsgesetz der Strukturparameter künstlich aufbereiteter Lössproben ähnelt dem von ungestörtem Löss. Mit dem Schervorgang nehmen die Strukturparameter zunächst zu und dann ab. Aufgrund der Einschränkungen künstlich hergestellter Proben sind jedoch die Strukturparameter von künstlich hergestelltem Löss unter verschiedenen Grenzdruckbedingungen unterschiedlich.

Daten werden auf Anfrage zur Verfügung gestellt. Yuwei Zhang sollte kontaktiert werden, wenn jemand die Daten dieser Studie anfordern möchte.

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Diese Studie wurde von der National Natural Science Foundation of China (NSFC, Nr. 52178393), dem General Project of Shaanxi Natural Science Basic Research Program (2023-JC-YB-297) und dem Shaanxi Innovation Capability Support Plan – Science and Technology Innovation Team unterstützt (2020TD-005).

Fakultät für Bauingenieurwesen, Universität für Architektur und Technologie Xi'an, Xi'an, 710055, Volksrepublik China

Yuwei Zhang, Zhanping Song & Haochun Chen

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Yuwei Zhang & Zhanping Song

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Ruan-Gesetz

Die 5th Engineering Co. Ltd. der China Railway Construction Bridge Engineering Bureau Group, Chengdu, 610500, China

Shimei He

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YZ: Konzeptualisierung, Schreiben – Originalentwurf. ZS: Konzeptualisierung, Schreiben – Überprüfung und Bearbeitung. HC: Bearbeitung. LR: Indoor-Tests. SH: Untersuchung.

Korrespondenz mit Yuwei Zhang oder Zhanping Song.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Zhang, Y., Song, Z., Chen, H. et al. Experimentelle Untersuchung zu kollabierbaren und strukturellen Eigenschaften von künstlich aufbereitetem Lössmaterial. Sci Rep 13, 4113 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-31397-y

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Eingegangen: 04. Dezember 2022

Angenommen: 10. März 2023

Veröffentlicht: 13. März 2023

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

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