Estudio experimental sobre las características colapsables y estructurales 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 no perturbado. Es de gran importancia simular de manera efectiva 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 remodelado, sal industrial, partículas de CaO y polvo de yeso. El principio básico es: las partículas de CaO tienen fuerza estructural y se transferirían a Ca(OH)2 después del remojo, este progreso puede simular la desaparición de la fuerza estructural del loess; 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 polvo de yeso puede simular la cementación de loess como material de unión. Se realizó la prueba de cizallamiento, la prueba de consolidación y la prueba de colapsabilidad de loess preparado artificialmente y loess no perturbado. Los resultados de las pruebas de loess artificial se compararon con 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 máxima densidad seca son similares 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 preparado artificialmente primero aumentan y luego disminuyen con el proceso de cizallamiento, pero los parámetros estructurales del loess preparado artificialmente y el loess no perturbado son diferentes bajo diferentes condiciones de presión de confinamiento.

Loess está ampliamente distribuido en todo el mundo, como América, 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 cimentaciones, ya que las deformaciones diferenciales de colapso en el 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 no perturbado como material dieléctrico para llevar a cabo. Durante la recolección de muestras, la porosidad y la estructura se alteran muy fácilmente. 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 vuelven homogéneos los suelos estructurados naturales y afectan las características estructurales del suelo. Por lo tanto, preparar el loess artificial para el uso de la prueba del modelo físico es un método eficiente.

Hasta ahora, algunos estudiosos han explorado la factibilidad y eficacia de preparar suelos artificiales. Las investigaciones sugieren que el suelo artificial es consistente con el suelo natural no perturbado en 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) primero preparó arenas artificiales utilizando el método de combustión. Posteriormente, para preparar diferentes tipos de suelos artificiales, se añadieron 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 perturbado20. Zhang et al. hizo el loess fuertemente colapsable utilizando polvo de cuarzo no cohesivo, arena y bentonita adhesiva, yeso, sal industrial por el método de caída libre21. Assalla creó el loess artificial mediante varios métodos y estudió el comportamiento del colapso mediante experimentos con edómetros, las muestras artificiales imitan notablemente bien el comportamiento del loess real22; Jiang mezcló CaO con el 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 la cementación de CaCO3 entre las partículas23; Medero presentó un suelo colapsable que se produjo mediante la adición de partículas de poliestireno expandido a una mezcla de suelo y cemento, el potencial de colapso se evaluó en muestras con y sin cementación24; Arroyo preparó cinco mezclas diferentes de suelo (granito saprolito) 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 discutió el principio de colapsabilidad del loess desde la perspectiva de la microestructura. Se presentó un nuevo método de preparación de loess artificial. El loess perturbado, la sal industrial, el CaO y el yeso se tomaron como materiales originales, el CaO y la sal industrial podrían simular el gránulo soluble, el yeso podría 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 documento proporciona la base para la prueba del modelo físico en interiores.

La colapsabilidad es una de las características típicas del loess. Hasta el momento 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. De acuerdo con la teoría de la disolución cementosa, el loess se compone de partículas de esqueleto, 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 no saturado, 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 evidente; 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 la carga del peso propio o la carga externa, los macroporos entre las partículas del esqueleto comienzan a colapsarse y se produce el desplazamiento relativo entre las partículas del esqueleto, lo que resulta en una cierta cantidad de deformación por colapso; Cuando el suelo está completamente saturado, la fuerza de la sustancia cementosa entre las partículas del esqueleto es completamente inválida, y los macroporos entre las partículas del esqueleto se colapsan por completo, 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 remojo, la fuerza de unión entre las partículas proporcionada por la cementación desaparece gradualmente, que es la clave para la deformación por colapso del loess. Por lo tanto, en la preparación de loess colapsable artificial, el uso de un material adecuado para simular la fuerza de unión del material cementoso es la clave para una preparación exitosa.

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

Las investigaciones anteriores muestran que los métodos para preparar loess artificial son complejos y la colapsabilidad es difícil de controlar. Es de gran importancia proponer un nuevo y eficaz método de preparación de loess colapsable artificial. Según el principio de colapso mencionado anteriormente, la razón fundamental del colapso del loess es que la cementación entre las 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, usamos el CaO para simular la estructura del loess no perturbado. El proceso de CaO que 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 que el loess se satura con agua puede simular el proceso de colapso de la estructura de los poros en el loess; El polvo de yeso tiene una alta fuerza de unión en condiciones de bajo contenido de agua, y el polvo de yeso falla gradualmente después de saturarse con agua. Por lo tanto, el polvo de yeso es adecuado para ser utilizado como material cementoso de loess. Entonces, en este documento, se prepara loess colapsable artificial mediante la adición de partículas de CaO, sal industrial y polvo de yeso con loess remodelado 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 documento se ajusta mucho al mecanismo colapsable de loess, que es más simple y efectivo que los métodos tradicionales. El método propuesto en este documento proporciona una forma para la preparación y aplicación a gran escala de loess colapsable artificial.

Cuando el loess artificial se utiliza como material para la prueba del modelo de interior, la cantidad es grande, por lo que la materia prima para preparar loess plegable artificial debe ser económica. El loess remodelado, las partículas de CaO y la sal industrial seleccionadas en este documento tienen un costo bajo, y el costo del polvo de yeso 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 perturbando por completo 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 no perturbado se muestran en la Tabla 1. El loess no perturbado se trituró 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. La sal industrial también se seleccionó granular con un diámetro de 0,5 a 1 mm; El polvo de yeso adopta polvo de yeso 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 usa 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 5% y 8%21. En este trabajo, la proporción de polvo de yeso también se tomó como 5% y 8%. La característica estructural del loess no perturbado está controlada por los granos de CaO, la proporción de CaO se tomó como 1%. Se relacionó la característica colapsable del loess no perturbado 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 cizallamiento, las pruebas de consolidación y las pruebas de colapsabilidad se realizaron respectivamente utilizando loess preparado artificialmente 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 presionando el método de muestra. Los pasos específicos del método de muestra de prensado 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 pequeño cuchillo de anillo de la prueba de corte, etc.); en segundo lugar, la masa de cada componente requerida para cada muestra podría calcularse de acuerdo con la tabla de proporciones de muestra; En tercer lugar, el consumo de agua se puede calcular combinando el contenido de humedad. En este documento, la muestra de cuchilla anular grande se tomó como ejemplo para lograr la masa de cada componente de la muestra usando 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 muestras (Fig. 2). De esta manera, podemos lograr muestras de suelo artificial, que es similar 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 se bloqueará total y uniformemente durante 48 h. Luego, las partículas de CaO, la sal industrial y el polvo de yeso se mezclaron con el suelo remodelado. Las partículas de CaO no se pueden premezclar con agua, de lo contrario habrá una reacción y su estructura no se puede simular.

Es difícil hacer que todos los parámetros mecánicos del loess preparado artificialmente sean completamente consistentes con el loess no perturbado. En este documento, el propósito de preparar loess colapsable es utilizarlo como material de simulación para la prueba 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 la prueba de cizallamiento, la prueba de consolidación, la prueba del coeficiente de colapsabilidad y la prueba de cizallamiento triaxial.

Los parámetros de resistencia del loess podrían probarse mediante la prueba de corte directo. El aparato de corte directo controlado por deformación cuádruple tipo ZJ producido por Nanjing Soil instrument company se utilizó en la prueba de corte directo (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 de loess podrían probarse mediante la prueba de consolidación. El consolidador de palanca única WG se utilizó para la prueba de consolidación (que se muestra en la Fig. 3b). La presión de consolidación de la prueba de consolidación es de 50 kPa, 100 kPa, 200 kPa, 300 kPa y 400 kPa respectivamente, y el siguiente nivel de carga se puede cargar solo 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 colapsable se puede probar mediante la prueba de colapsabilidad. El consolidador de palanca única WG también se utilizó para la prueba de colapso. La prueba de colapsabilidad se llevó a cabo por el método de una sola línea, y la tensión vertical de cinco muestras también se fijó 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 alcanzaran la estabilidad. La muestra se puede remojar hasta que la deformación de la última etapa alcance la 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 esfuerzo cortante correspondientes del loess no perturbado, loess remodelado y loess saturado en la tensión de corte \(\varepsilon\). Para estudiar las diferencias de las características estructurales entre el loess artificial y el loess no perturbado, también se llevaron a cabo ensayos triaxiales de muestras de suelo no perturbado, remodelado 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 del límite líquido y el contenido de humedad del 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 la profundidad del suelo de 2 mm y como límite líquido el contenido de humedad correspondiente al suelo de 17 mm de profundidad. El mejor contenido de humedad y la máxima densidad seca de cada muestra se obtuvieron mediante la 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 ensayos de corte directo de muestras de loess no perturbadas y muestras preparadas artificialmente, respectivamente. Se seleccionaron muestras de cuchillo de anillo pequeño 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 \(\mathrm{cohesión }c\), 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 puras directas.

Como puede verse 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 polvo de yeso. Con el aumento del contenido de sal industrial, la cohesión disminuye gradualmente y el ángulo de fricción interna aumenta gradualmente. Con el aumento del poder 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 polvo de yeso, se puede considerar cambiar el ángulo de fricción interna cambiando el contenido de polvo de yeso.

Se llevaron a cabo las pruebas estándar de consolidación de muestras preparadas artificialmente. 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 relación 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 polvo de yeso. Con el aumento del contenido de sal industrial, el coeficiente de compresión disminuye y el módulo de compresión aumenta. Con el aumento de polvo de yeso, 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 de 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 comprimirán. 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 artificialmente aumenta con el aumento del contenido de sal industrial, sin embargo, el efecto de aumento no es evidente en el bajo nivel de carga. 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 acumulada 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 más pequeño es el nivel de carga, más lenta es la tasa de deformación inicial de la muestra y más pequeña es la deformación colapsable acumulada final. Con el aumento del nivel de carga, aumentan la tasa de deformación inicial y la deformación colapsable acumulada. Cuando la carga externa es de 100 kPa, la deformación colapsable acumulada final es la más grande. Cuando la carga aumenta aún más, la deformación colapsable acumulada final de la muestra disminuye debido al efecto de consolidación previa. Este resultado indica que cuando el nivel de carga externa está cerca de la resistencia estructural de la muestra, su colapsabilidad es más obvia. Por lo tanto, al evaluar la colapsabilidad del loess en la práctica, la carga superior y la preconsolidación del loess deben considerarse completamente.

Colapso acumulativo de la muestra 3.

De acuerdo con 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 las fuerzas cortantes correspondientes valores de tensión de loess no perturbado, loess remodelado y loess saturado en la tensión de corte \(\varepsilon\). Se realizaron ensayos de corte triaxial de la muestra artificial 3, loess no perturbado, loess remodelado y loess saturado. Los parámetros estructurales del loess no perturbado y 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 el proceso de corte triaxial se muestran en las Figs. 8 y 9 respectivamente. Se puede ver que los parámetros estructurales primero aumentan y luego gradualmente tienden a ser estables con la falla por cortante del loess (el valor de la deformación por cortante 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 cortante, 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 externo sobre el suelo no es evidente y el rendimiento de la resistencia estructural no es significativo. Con el aumento de la presión de confinamiento, el efecto de unión de la acción externa sobre el loess aumenta gradualmente, lo que equivale a aumentar la resistencia al corte del suelo y da 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 externo supera la resistencia estructural del suelo, lo que provoca perturbaciones en el suelo, lo que equivale a la 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 los parámetros estructurales de la muestra 3.

Ley de variación de los parámetros estructurales del loess no perturbado.

Para observar la estructura interna de los poros del loess artificial y el 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 evidente. Las partículas sólidas están conectadas por una sustancia cementosa para formar el esqueleto sólido. El poro grande se distribuye en el esqueleto sólido. La cementación proporciona la 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 remodelado, sal industrial, partículas de CaO distribuidas en el suelo interno. Existen algunos poros grandes en el suelo, pero no tan evidentes 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 de loess no perturbado. Por lo tanto, el loess artificial tiene la misma característica de colapso que el loess no perturbado de los resultados de la microestructura.

Imágenes de microestructura.

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

La prueba de cizallamiento 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 de material como el nivel de carga tienen un impacto en la colapsabilidad del loess preparado artificialmente. Bajo la misma relación 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 las 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 a petición. 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, Zhanping Song y Haochun Chen

Laboratorio clave de ingeniería geotécnica y espacial subterránea, provincia de Shaanxi/Universidad de Arquitectura y Tecnología de Xi'an, Xi'an, 710055, República Popular de China

Yuwei Zhang y la canción de Zhanping

China State Construction Silkroad Construction Investment Group Co., Ltd., Xi'an, 710075, República Popular China

Ley Ruana

The 5th Engineering Co. Ltd. of China Railway Construction Bridge Engineering Bureau Group, Chengdu, 610500, China

Simei He

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YZ: conceptualización, redacción—borrador original. ZS: conceptualización, redacción—revisión y edición. CH: edición. LR: pruebas de 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 de las características colapsables y estructurales del material de loess preparado artificialmente. Informe científico 13, 4113 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-31397-y

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Recibido: 04 Diciembre 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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