Étude expérimentale sur les caractéristiques pliables et structurelles du matériau de loess préparé artificiellement

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 4113 (2023) Citer cet article

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L'affaissement et la structure sont deux des caractéristiques typiques du loess naturel non perturbé. Il est très important de simuler efficacement l'affaissement et la structure du loess naturel en préparant artificiellement du loess. Cependant, les méthodes existantes de préparation artificielle de loess collapsable sont complexes et la collapsibilité des échantillons préparés est difficile à contrôler. Dans cet article, le mécanisme de collapsibilité du loess a été réanalysé et, sur cette base, une nouvelle méthode de préparation de loess compressible artificiel utilisant du loess remoulé, du sel industriel, des particules de CaO et de la poudre de gypse a été proposée. Le principe de base est le suivant : les particules de CaO ont une résistance structurale et se transfèreraient en Ca(OH)2 après trempage, cette progression peut simuler la disparition de la résistance structurale du loess ; La dissolution du sel industriel peut simuler l'effondrement des pores internes du loess, la capacité d'effondrement du loess artificiel peut être ajustée en ajustant le pourcentage de sel industriel ; la poudre de gypse peut simuler la cimentation du loess comme matériau de liaison. L'essai de cisaillement, l'essai de consolidation et l'essai de collapsibilité du loess préparé artificiellement et du loess non perturbé ont été effectués. Les résultats des tests de loess artificiel ont été comparés avec du loess non perturbé. Les résultats montrent que : la limite plastique et la limite de liquidité du loess préparé artificiellement sont inférieures à celles du loess non perturbé ; La teneur en humidité optimale et la densité sèche maximale sont proches de celles du loess non perturbé ; Le coefficient de collapsibilité des échantillons préparés artificiels augmente d'abord, puis diminue avec l'augmentation du niveau de charge, et augmente progressivement avec l'augmentation de la teneur en particules de sel industriel ; Les paramètres structuraux des échantillons de loess préparés artificiellement augmentent d'abord puis diminuent avec le processus de cisaillement, mais les paramètres structuraux du loess artificiel préparé et du loess non perturbé sont différents dans différentes conditions de pression de confinement.

Loess est largement distribué partout dans le monde, comme l'Amérique, l'Europe, la Russie et la Chine. Parmi eux, la Chine a la zone de distribution la plus large et la plus grande épaisseur1. En tant que sol typiquement structuré, le loess se caractérise par sa porosité, sa structure et son affaissement2,3,4,5,6,7,8. En conséquence, il est important d'étudier la capacité d'effondrement du loess pour la conception des fondations, car les déformations différentielles d'effondrement dans le loess pourraient provoquer des fissures dans les structures supérieures9,10,11,12,13. Comme nous le savons tous, l'essai sur modèle physique est l'une des méthodes éprouvées pour étudier l'influence de l'affaissement du loess sur la structure supérieure, cependant, l'essai sur modèle physique nécessite suffisamment de loess pliable non perturbé comme matériau diélectrique pour être effectué. Lors du prélèvement de l'échantillon, la porosité et la structure sont très facilement perturbées. De plus, le volume de l'échantillon de loess utilisé dans le modèle est important, les impuretés telles que le gravier et les racines des plantes rendent les sols structurés naturels homogènes et affectent les caractéristiques structurelles du sol. Par conséquent, la préparation du loess artificiel pour l'utilisation d'un test sur modèle physique est une méthode efficace.

Jusqu'à présent, certains chercheurs ont exploré la faisabilité et l'efficacité de la préparation de sols artificiels. Les investigations suggèrent que le sol artificiel est compatible avec le sol naturel non perturbé dans sa structure et sa résistance homogènes. Le loess artificiel convient mieux à l'essai sur modèle physique que le loess non perturbé. Maccarini (Université de Londres, Royaume-Uni) a d'abord préparé des sables artificiels en utilisant la méthode de combustion. Par la suite, afin de préparer différents types de sols artificiels, différents additifs ont été ajoutés au matériau du sol en ajustant le mélange. Les additifs comprennent du ciment14, un mélange de ciment et de particules de glace15, des scories de cuivre16, du gypse17, du sel industriel18 et d'autres matériaux19. Le sol artificiel était une méthode d'approbation pour simuler les caractéristiques d'un sol naturel non perturbé.

Quant au lœss artificiel, Hu et al. ont préparé le loess artificiel en poussant le CO2 vers le mélange de CaO et de loess d'origine, et ont comparé sa collapsibilité avec le loess non perturbé20. Zhang et al. a fabriqué le loess fortement affaissé en utilisant la poudre de quartz non cohésive, le sable et la bentonite adhésive, le gypse, le sel industriel par la méthode de la chute libre21. Assalla a créé le loess artificiel par diverses méthodes et a étudié le comportement d'effondrement par des expériences d'oedomètre, les échantillons artificiels imitent remarquablement bien le comportement du loess réel22 ; Jiang a mélangé du CaO avec le sol d'origine, a compacté le mélange en couches pour faire des échantillons, a saturé les échantillons sous vide, puis a injecté du CO2 ou enveloppé les échantillons avec suffisamment de Drikold pour former une cémentation de CaCO3 entre les particules23 ; Medero a présenté qu'un sol affaissé a été produit en ajoutant des particules de polystyrène expansé à un mélange sol-ciment, le potentiel d'effondrement a été évalué sur des échantillons avec et sans cimentation24 ; Arroyo a préparé cinq mélanges différents de sol (un saprolite granitique) et de ciment (avec des teneurs en ciment comprises entre 0 % et 7 % en poids sec) et a testé sa compression à quatre niveaux de teneur en eau différents25. Comme on peut le voir ci-dessus, les méthodes utilisées pour préparer le loess artificiel sont compliquées et la collapsibilité est difficile à ajuster avec précision.

Dans cet article, le principe de collapsibilité du loess a été discuté du point de vue de la microstructure. Une nouvelle méthode de préparation de lœss artificiel a été présentée. Le loess perturbé, le sel industriel, le CaO et le gypse ont été pris comme matériaux d'origine, le CaO et le sel industriel pouvaient simuler le granule soluble, le gypse pouvait simuler le matériau de cimentation. La résistance structurelle et la résistance à l'écrasement du loess préparé artificiellement pourraient être ajustées en changeant le sel industriel. Les paramètres physiques de base, les paramètres de résistance au cisaillement et les paramètres structurels du loess artificiel dans différentes conceptions de mélange ont été testés. La meilleure conception de mélange a été suggérée en comparant le loess artificiel avec le loess non perturbé. Le loess artificiel présenté dans cet article fournit une base pour le test du modèle physique intérieur.

La collapsibilité est l'une des caractéristiques typiques du loess. Jusqu'à présent, plusieurs théories sur le principe de la collapsibilité du loess ont été présentées. Parmi elles, la théorie la plus acceptée par les chercheurs est la théorie de la dissolution cimentaire entre particules26. Selon la théorie de la dissolution cimentaire, le loess est composé de particules de squelette, de substance cimentaire et de pores internes. Les particules de squelette sont reliées les unes aux autres par une substance cimentaire et certains pores se forment entre les particules de squelette. Lorsque le sol est à l'état non saturé, la teneur en eau interstitielle dans les pores est moindre, la substance cimentaire a une force de liaison élevée et le loess a une structure évidente; Lorsque l'immersion dans l'eau atteint l'état quasi saturé, la substance cimentaire entre les particules du squelette commence à se dissoudre et la force de liaison diminue. Sous l'action de la charge de poids propre ou de la charge externe, les macropores entre les particules du squelette commencent à s'effondrer et le déplacement relatif entre les particules du squelette se produit, entraînant une certaine quantité de déformation par effondrement; Lorsque le sol est complètement saturé, la résistance de la substance cimentaire entre les particules de squelette est complètement invalide et les macropores entre les particules de squelette sont complètement effondrés, le sol présente une déformation d'effondrement évidente. La progression de l'effondrement est illustrée à la Fig. 1. Comme on peut le voir ci-dessus, la cimentation entre les particules du squelette fournit la force de liaison, qui est la clé de la formation de macropores dans le loess. En raison de l'augmentation progressive de la teneur en eau dans le processus de saturation par trempage, la force de liaison entre les particules fournie par la cimentation disparaît progressivement, ce qui est la clé de la déformation par effondrement du loess. Par conséquent, dans la préparation de loess artificiel pliable, l'utilisation d'un matériau approprié pour simuler la force de liaison du matériau cimentaire est la clé d'une préparation réussie.

Le principe de collapsibilité du loess naturel forme la perspective de la microstructure.

Les recherches précédentes montrent que les méthodes de préparation du loess artificiel sont complexes et que la collapsibilité est difficile à contrôler. Il est d'une grande importance de proposer une méthode de préparation nouvelle et efficace de loess affaissé artificiel. Selon le principe d'effondrement mentionné ci-dessus, la raison fondamentale de l'effondrement du loess est que la cimentation entre les particules se dissout dans l'eau et induit l'effondrement des pores internes. Compte tenu de la condition selon laquelle CaO génère du Ca(OH)2 lorsqu'il rencontre de l'eau, qui est partiellement soluble dans l'eau, nous avons donc utilisé le CaO pour simuler la structure du loess non perturbé. Le processus de CaO formant Ca(OH)2 et se dissolvant dans l'eau peut être approximativement considéré comme le processus d'endommagement structurel du loess non perturbé ; Le sel industriel peut être complètement dissous dans l'eau, et la dissolution complète du sel industriel après que le loess est saturé d'eau peut simuler le processus d'effondrement de la structure des pores dans le loess; La poudre de gypse a une force de liaison élevée dans des conditions de faible teneur en eau, et la poudre de gypse échoue progressivement après avoir été saturée d'eau. Par conséquent, la poudre de gypse convient pour être utilisée comme matériau cimentaire de loess. Ainsi, dans cet article, le loess artificiel pliable est préparé en ajoutant des particules de CaO, du sel industriel et de la poudre de gypse avec du loess remoulé comme matière première de base. Le degré de collapsibilité et la résistance structurelle du loess artificiel pourraient être modifiés en ajustant le pourcentage de CaO et de sel industriel. La méthode de préparation du loess artificiel proposée dans cet article correspond étroitement au mécanisme de repliement du loess, qui est plus simple et plus efficace que les méthodes traditionnelles. La méthode proposée dans cet article fournit un moyen pour la préparation et l'application à grande échelle de loess pliable artificiel.

Lorsque le loess artificiel est utilisé comme matériau pour le test de modèle intérieur, la quantité est importante, de sorte que la matière première pour préparer le loess artificiel pliable doit être économique. Le loess remoulé, les particules de CaO et le sel industriel sélectionnés dans cet article ont un faible coût, et le coût de la poudre de gypse est légèrement plus élevé, mais la quantité est inférieure, de sorte que le coût global se situe dans une plage contrôlable. Le loess remodelé est obtenu en perturbant complètement le loess naturel non perturbé qui a été extrait de la station Qujiangchi de la ligne de métro n ° 4 à Xi'an. Les paramètres physiques du loess non perturbé sont présentés dans le tableau 1. Le loess non perturbé a été broyé en poudre et séché, puis passé à travers un tamis de 2 mm pour obtenir le loess remodelé. Le CaO a été sélectionné sous forme de particules d'un diamètre d'environ 1 mm. Le sel industriel a également été sélectionné sous forme de granulés d'un diamètre de 0,5 à 1 mm; La poudre de gypse adopte une poudre de gypse en poudre de haute qualité. Les matériaux de test sont illustrés à la Fig. 2.

Tester les matériaux.

Dans les études précédentes, la poudre de gypse est principalement utilisée comme matériau cimentaire pour simuler la substance cimentaire interne du loess. Les résultats montrent que l'effet de simulation est bon lorsque la poudre de gypse est à 5% et 8%21. Dans cet article, la proportion de poudre de gypse a également été prise à 5% et 8%. La caractéristique structurelle du loess non perturbé est contrôlée par les grains de CaO, la proportion de CaO a été prise à 1%. La caractéristique d'affaissement du loess non remanié était liée à la proportion de sel industriel, les pourcentages de 2%, 4%, 6% et 8% ont été retenus respectivement pour réaliser les essais comparatifs. La proportion spécifique de chaque matériau est indiquée dans le tableau 2. Les tests de cisaillement, les tests de consolidation et les tests de collapsibilité ont été effectués respectivement en utilisant le loess artificiel préparé et le loess naturel non perturbé.

Afin de mieux comparer l'affaissement et la structure du loess préparé artificiellement et du loess non perturbé, la densité et la teneur en humidité de l'échantillon de sol préparé artificiellement sont compatibles avec le loess non perturbé. Les échantillons de sol artificiels peuvent être obtenus en appuyant sur la méthode de l'échantillon. Les étapes spécifiques de la méthode de l'échantillon de pressage sont les suivantes : premièrement, la masse totale du loess remoulé, des particules de CaO, du sel industriel et de la poudre de gypse a été calculée à partir du volume de l'échantillon d'essai (comme le grand couteau annulaire du test pliable, le petit couteau annulaire du test de cisaillement, etc.) ; deuxièmement, la masse de chaque composant nécessaire pour chaque échantillon pourrait être calculée selon le tableau des ratios d'échantillons ; Troisièmement, la consommation d'eau peut être calculée en combinant la teneur en humidité. Dans cet article, le grand échantillon de couteau annulaire a été pris comme exemple pour obtenir la masse de chaque composant de l'échantillon en utilisant la méthode ci-dessus, les résultats sont présentés dans le tableau 3. Après avoir obtenu la masse de chaque composant, l'échantillon de couteau annulaire requis peut être directement compacté par la méthode de pressage de l'échantillon (Fig. 2). De cette façon, nous pouvons réaliser les échantillons de sol artificiels, qui sont similaires au sol non perturbé. Les échantillons d'essai requis sont préparés selon les méthodes ci-dessus. Il convient de noter que seul le sol remoulé est configuré lors de la configuration de la teneur en eau dans le processus de préparation de l'échantillon et l'eau sera complètement et uniformément bloquée pendant 48 h. Ensuite, les particules de CaO, le sel industriel et la poudre de gypse ont été mélangés avec le sol remoulé. Les particules de CaO ne peuvent pas être pré-mélangées avec de l'eau, sinon il y aura une réaction et sa structure ne pourra pas être simulée.

Il est difficile de rendre tous les paramètres mécaniques du loess préparé artificiellement complètement cohérents avec le loess non perturbé. Dans cet article, le but de la préparation de loess pliable est d'être utilisé comme matériau de simulation pour le test de modèle intérieur, la principale préoccupation est de savoir si les paramètres mécaniques de base, la collapsibilité et les paramètres structurels du loess préparé artificiellement sont compatibles avec ceux du loess non perturbé. Par conséquent, les paramètres physiques de base du loess artificiel sont d'abord testés, puis les paramètres de résistance, les paramètres de déformation, le coefficient de collapsibilité et le paramètre structurel ont été testés par un test de cisaillement, un test de consolidation, un test de coefficient de collapsibilité et un test de cisaillement triaxial.

Les paramètres de résistance du loess ont pu être testés par le test de cisaillement direct. L'appareil de cisaillement direct contrôlé par quadruple déformation de type ZJ produit par la société d'instruments Nanjing Soil a été utilisé dans le test de cisaillement direct (illustré à la Fig. 3a). L'instrument de cisaillement direct de type déformation est composé d'une boîte de cisaillement, d'un dispositif de chargement vertical, d'un dispositif de transmission de cisaillement, d'un anneau de mesure de force et d'un système de mesure de déplacement (la valeur de division de la jauge est de 0,01 mm, la plage de mesure est de 10 mm et la précision du capteur est nulle). La pression verticale de l'éprouvette est respectivement de 50 kPa, 100 kPa, 200 kPa et 300 kPa. Le processus d'essai a été effectué en stricte conformité avec les exigences du .

Test de l'Équipement.

Les paramètres de déformation du loess ont pu être testés par le test de consolidation. Le groupeur à levier unique WG a été utilisé pour le test de consolidation (illustré à la Fig. 3b). La pression de consolidation du test de consolidation est respectivement de 50 kPa, 100 kPa, 200 kPa, 300 kPa et 400 kPa, et le niveau de charge suivant ne peut être chargé qu'après que la déformation du niveau de charge précédent est stable (la déformation en 1 h est inférieure à 0,01 mm).

Le coefficient de repliement peut être testé par le test de repliement. Le groupeur à levier unique WG a également été utilisé pour le test de collapsibilité. Le test de collapsibilité a été effectué par la méthode de la ligne unique, et la contrainte verticale de cinq échantillons a également été fixée à 50 kPa, 100 kPa, 200 kPa, 300 kPa et 400 kPa. Selon les exigences du test, chaque échantillon a également été chargé par étapes (50 kPa par étape), et l'étape suivante de chargement a été effectuée après que la charge et la déformation de chaque étape ont atteint la stabilité. L'échantillon peut être trempé jusqu'à ce que la déformation du dernier étage atteigne la stabilité. Le coefficient de collapsibilité sous différentes pressions de poids propre de chaque échantillon serait obtenu.

La caractéristique structurale est l'une des caractéristiques typiques du loess. Xie et al. a proposé l'expression du paramètre structurel : \({m}_{\sigma }={\left({\sigma }_{1}-{\sigma }_{3}\right)}_{o}^{2}/\left[{\left({\sigma }_{1}-{\sigma }_{3}\right)}_{r}{\left({\sigma }_{1}-{\sigma }_{3}\right)} _{s}\right]\), où \({m}_{\sigma }\) est les paramètres structurels du type de contrainte, \({\left({\sigma }_{1}-{\sigma }_{3}\right)}_{o}\), \({\left({\sigma }_{1}-{\sigma }_{3}\right)}_{r}\), \({\left({\sigma }_{1}-{ \sigma }_{3}\right)}_{s}\) sont les valeurs de contrainte de cisaillement correspondantes du loess non perturbé, du loess remoulé et du loess saturé à la déformation de cisaillement \(\varepsilon\). Afin d'étudier les différences de caractéristiques structurales entre le loess artificiel et le loess non remanié, des essais triaxiaux d'échantillons de sol non remaniés, remoulés et saturés ont également été effectués. Les essais triaxiaux ont été effectués à l'aide de l'appareil de cisaillement triaxial illustré à la Fig. 3c.

Premièrement, les paramètres physiques de base de chaque échantillon d'échantillons préparés artificiellement ont été mesurés. La teneur en humidité limite de liquide et la teneur en humidité limite plastique de chaque échantillon ont été mesurées par la méthode de détermination conjointe de la limite plastique liquide. La teneur en humidité correspondant au cône de 76 g avec une profondeur de sol de 2 mm a été prise comme limite plastique, et la teneur en humidité correspondant à une profondeur de sol de 17 mm a été prise comme limite de liquidité. La meilleure teneur en humidité et la densité sèche maximale de chaque échantillon ont été obtenues par un test de compactage standard. Les paramètres physiques de base de chaque échantillon ont finalement été présentés dans le tableau 4.

Afin d'analyser les caractéristiques de résistance au cisaillement, les essais de cisaillement direct d'échantillons de loess non perturbés et d'échantillons préparés artificiellement ont été effectués respectivement. De petits échantillons de couteau annulaire d'un diamètre de 61,8 mm ont été sélectionnés, la vitesse de cisaillement était de 0,8 mm/min et la pression verticale a été prise à 50 kPa, 100 kPa, 200 kPa et 300 kPa respectivement. La relation entre la résistance au cisaillement et la pression verticale de chaque échantillon a été obtenue (voir Fig. 4). Les valeurs de \(\mathrm{cohésion}c\), angle de frottement interne \(\varphi\) de différents échantillons préparés artificiellement ont été obtenues par ajustement de courbe, comme indiqué dans le tableau 5.

Résultats des tests de cisaillement directs.

Comme on peut le voir sur la Fig. 4 et le Tableau 5, la cohésion \(c\) et l'angle de frottement interne \(\varphi\) sont liés à la teneur en sel industriel et en poudre de gypse. Avec l'augmentation de la teneur en sel industriel, la cohésion diminue progressivement et l'angle de frottement interne augmente progressivement. Avec l'augmentation de la puissance du gypse, l'angle de frottement interne augmente progressivement la cohésion de l'échantillon 3 est proche de celle du loess non perturbé, mais l'angle de frottement interne est relativement plus petit que celui du loess non perturbé. Étant donné que l'angle de frottement interne est lié à la teneur en poudre de gypse, il peut être envisagé de modifier l'angle de frottement interne en modifiant la teneur en poudre de gypse.

Les tests de consolidation standard d'échantillons artificiels préparés ont été effectués. Les niveaux de charge de consolidation sont sélectionnés à 50 kPa, 100 kPa, 200 kPa, 300 kPa et 400 kPa respectivement. La courbe \(ep\) a été dessinée sur la Fig. 5. Le coefficient de compressibilité et le module de compressibilité ont été calculés selon la formule de spécification, et les résultats sont présentés dans le tableau 6.

Résultats du test de consolidation.

Comme on peut le voir sur la figure 5, avec l'augmentation de la charge, le taux de vide de l'échantillon diminue progressivement. Le processus de compression peut être divisé en deux étapes : une étape de changement rapide et une étape de changement lent. La proportion de mélange a une influence sur la compressibilité des échantillons. Comme on peut le voir dans le tableau 6, le coefficient de compressibilité et le module de compressibilité sont liés à la teneur en sel industriel et en poudre de gypse. Avec l'augmentation de la teneur en sel industriel, le coefficient de compression diminue et le module de compression augmente. Avec l'augmentation de la poudre de gypse, le module de compression augmente. Le coefficient de compressibilité et le module de compressibilité de l'échantillon 3 sont les plus proches du loess non perturbé.

Le coefficient de collapsibilité est l'un des paramètres importants du loess. La collapsibilité est l'indice clé du succès de la préparation du loess artificiel. Dans cet article, nous avons testé la collapsibilité d'échantillons artificiels et de loess non perturbés en utilisant la méthode de la ligne unique. Afin de mesurer le coefficient de collapsibilité sous différentes pressions, les niveaux de charge sont sélectionnés comme 50 kPa, 100 kPa, 200 kPa, 300 kPa et 400 kPa respectivement. Les coefficients de collapsibilité de chaque échantillon sous différents niveaux de charge sont illustrés à la Fig. 6.

Coefficient de collapsibilité de charge différente.

Comme on peut le voir sur la figure 6, le coefficient de collapsibilité augmente d'abord puis diminue avec l'augmentation de la charge externe. En effet, le loess préparé artificiellement et le loess non perturbé ont une résistance structurelle inhérente. Le coefficient de collapsibilité de l'échantillon 1 est le plus petit, la charge externe requise pour atteindre la collapsibilité maximale est de 100 kPa ; Le coefficient de collapsibilité de l'échantillon 4 est le plus grand, la charge externe requise pour atteindre la collapsibilité maximale est de 130 kPa. Lorsque la charge externe est inférieure à la résistance structurelle du loess, la consolidation du sol est insuffisante et le coefficient de collapsibilité augmentera avec l'augmentation de la charge externe. Si la charge externe est supérieure à la résistance structurelle du loess, le sol aura un effet de préconsolidation et les pores internes seront comprimés. À ce moment, le coefficient de collapsibilité diminuera. Le coefficient de collapsibilité du loess artificiel préparé est évidemment affecté par l'effet de couplage de la charge et du trempage en raison de l'existence d'une résistance structurelle inhérente. Sous le même niveau de charge, le coefficient de collapsibilité des échantillons artificiels préparés augmente avec l'augmentation de la teneur en sel industriel, cependant, l'effet d'augmentation n'est pas évident au faible niveau de charge. Le coefficient de collapsibilité de l'échantillon 3 est proche de celui du loess non remanié. Prenez l'échantillon 3 comme exemple pour analyser la capacité de fusion cumulée des échantillons sous différents niveaux de charge.

La déformation pliable cumulée de l'échantillon 3 sous différents niveaux de charge a été illustrée à la Fig. 7. Comme on peut le voir sur la Fig. 7, la courbe de changement de la déformation cumulée avec le temps peut être divisée en trois étapes : ① l'étape de changement rapide, ② l'étape de changement lent, ③ l'étape stable. Plus le niveau de charge est petit, plus le taux de déformation initial de l'échantillon est lent et plus la déformation rétractable cumulative finale est petite. Avec l'augmentation du niveau de charge, le taux de déformation initial et la déformation pliable cumulée augmentent. Lorsque la charge externe est de 100 kPa, la déformation pliable cumulée finale est la plus importante. Lorsque la charge est encore augmentée, la déformation pliable cumulée finale de l'échantillon diminue en raison de l'effet de pré-consolidation. Ce résultat indique que lorsque le niveau de charge externe est proche de la résistance structurelle de l'échantillon, son effondrement est le plus évident. Par conséquent, lors de l'évaluation de l'affaissement du loess dans la pratique, la charge supérieure et la préconsolidation du loess doivent être pleinement prises en compte.

Effondrement cumulatif de l'échantillon 3.

Selon l'analyse ci-dessus, les paramètres de résistance, les paramètres de déformation et le coefficient de collapsibilité de l'échantillon 3 sont les plus proches de ceux du loess non perturbé. Nous avons sélectionné l'échantillon 3 pour analyser les paramètres structuraux. D'après l'expression du paramètre structurel proposée par xie et al. : \({m}_{\sigma }={\left({\sigma }_{1}-{\sigma }_{3}\right)}_{o}^{2}/\left[{\left({\sigma }_{1}-{\sigma }_{3}\right)}_{r}{\left({\sigma }_{1}-{\sigma } _{3}\right)}_{s}\right]\), où \({m}_{\sigma }\) est les paramètres structurels du type de contrainte, \({\left({\sigma }_{1}-{\sigma }_{3}\right)}_{o}\), \({\left({\sigma }_{1}-{\sigma }_{3}\right)}_{r}\), \({\left({\sigma }_{1}-{\sigma }_{3}\right)}_{s}\) sont les valeurs de contrainte de cisaillement correspondantes du loess non perturbé, du loess remoulé et du loess saturé à la déformation de cisaillement \(\varepsilon\). Des essais de cisaillement triaxiaux de l'échantillon artificiel 3, du loess non perturbé, du loess remodelé et du loess saturé ont été effectués. Les paramètres structuraux du loess non perturbé et de l'échantillon artificiel 3 ont été calculés par la méthode ci-dessus.

La loi d'évolution des paramètres structuraux de l'échantillon 3 et du loess non perturbé avec un processus de cisaillement triaxial est illustrée aux Figs. 8 et 9 respectivement. On peut voir que les paramètres structuraux augmentent d'abord puis tendent progressivement à se stabiliser avec la rupture par cisaillement du loess (la valeur de déformation par cisaillement augmente) sous différentes pressions de confinement. Cela indique que le potentiel structurel est progressivement libéré au cours du processus de cisaillement. Après la rupture par cisaillement, la structure du loess tend progressivement à disparaître, et les paramètres structuraux tendent progressivement vers zéro. On peut également voir que les changements des paramètres structuraux étaient différents sous différentes pressions de confinement. Lorsque la pression de confinement est de 200 kPa, la structure du lœss artificiel est la plus évidente. Cela est dû au fait que lorsque la pression de confinement est faible, l'effet contraignant de la pression de confinement externe sur le sol n'est pas évident et la performance de la résistance structurelle n'est pas significative. Avec l'augmentation de la pression de confinement, l'effet de liaison de l'action externe sur le loess augmente progressivement, ce qui équivaut à augmenter la résistance au cisaillement du sol et entraîne une augmentation de la résistance structurelle du sol. Cependant, lorsque la pression de confinement augmente encore, la structure diminue, ce qui peut être dû au fait que la pression de confinement externe dépasse la résistance structurelle du sol, provoquant une perturbation du sol, ce qui équivaut à une déformation détruisant la résistance structurelle du sol et entraînant la réduction de ses paramètres structuraux. Lorsque la pression de confinement est de 50 kPa, la structure du loess non perturbé est la plus évidente. Avec l'augmentation de la pression de confinement, les paramètres structuraux diminuent progressivement. D'après les résultats globaux, la loi d'évolution structurale du loess affaissé préparé artificiellement est cohérente avec celle du loess non perturbé.

Loi de variation des paramètres structuraux de l'échantillon 3.

Loi de variation des paramètres structuraux du loess non perturbé.

Afin d'observer la structure interne des pores du loess artificiel et du loess non perturbé, certains tests SEM ont été effectués par le microscope électronique à balayage à émission de champ froid S-4800. Les résultats ont été présentés sur la figure 10. Comme on peut le voir sur la figure 10a, le squelette solide est évident. Les particules solides sont reliées par une substance cimentaire pour former le squelette solide. Les gros pores se répartissent dans le squelette solide. La cimentation fournit la force de liaison avec une faible teneur en eau. Avec l'augmentation de la teneur en eau, la force de liaison de la cimentation disparaîtra progressivement et le grand pore s'effondrera. Comme pour la Fig. 10b, il y a des particules de lœss remaniées, du sel industriel, des particules de CaO réparties dans le sol interne. Certains gros pores existent dans le sol mais pas si évidents par rapport au loess non perturbé. Les particules de sel industriel sont évidentes, le sel industriel se dissoudra progressivement dans l'eau avec l'augmentation de la teneur en eau. Ce processus pourrait simuler l'effondrement de loess non perturbé. Par conséquent, le loess artificiel a la même caractéristique d'effondrement que le loess non perturbé à partir des résultats de microstructure.

Images de microstructures.

Dans cet article, le principe d'effondrement du loess naturel non perturbé a été discuté. Basée sur le principe de l'écrasement, une nouvelle méthode de préparation de loess artificiel utilisant du loess remoulé, des particules de CaO, du sel industriel et de la poudre de gypse a été proposée. L'essai de cisaillement direct, l'essai de consolidation, l'essai du coefficient de collapsibilité et l'essai de cisaillement triaxial ont été effectués pour étudier la principale caractéristique du loess artificiel préparé et du loess non perturbé. Les principales remarques sont les suivantes :

Le test de cisaillement et le test de consolidation montrent qu'avec l'augmentation de la teneur en sel industriel, la cohésion du loess pliable préparé artificiellement diminue progressivement, l'angle de frottement interne augmente progressivement, le coefficient de compression diminue et le module de compression augmente.

Le rapport des matériaux et le niveau de charge ont un impact sur l'affaissement du loess préparé artificiellement. Sous le même rapport de matériau, le coefficient de collapsibilité augmente d'abord puis diminue avec l'augmentation de la charge externe. Sous le même niveau de charge, le coefficient de collapsibilité des échantillons préparés artificiellement augmente avec l'augmentation de la teneur en particules de sel industriel.

La loi de variation des paramètres structuraux des échantillons de loess préparés artificiellement est similaire à celle du loess non perturbé. Les paramètres structuraux augmentent d'abord puis diminuent avec le processus de cisaillement. Cependant, en raison des limites des échantillons artificiels préparés, les paramètres structuraux du loess préparé artificiellement dans différentes conditions de pression de confinement sont différents.

Les données seront mises à disposition sur demande. Yuwei Zhang doit être contacté si quelqu'un souhaite demander les données de cette étude.

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Cette étude a été soutenue par la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (NSFC, n ° 52178393), le projet général du programme de recherche fondamentale sur les sciences naturelles du Shaanxi (2023-JC-YB-297) et le plan de soutien des capacités d'innovation du Shaanxi - équipe d'innovation scientifique et technologique (2020TD-005).

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Shimei il

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YZ : conceptualisation, écriture — brouillon original. ZS : conceptualisation, rédaction—révision et édition. HC : montage. LR : essais en salle. SH : enquête.

Correspondance à Yuwei Zhang ou Zhanping Song.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Zhang, Y., Song, Z., Chen, H. et al. Étude expérimentale sur les caractéristiques pliables et structurelles du matériau de loess préparé artificiellement. Sci Rep 13, 4113 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-31397-y

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Reçu : 04 décembre 2022

Accepté : 10 mars 2023

Publié: 13 mars 2023

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

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