بررسی رفتار تنش-کرنش خاک رس منجمد با بهره‌گیری از آزمایش سه‌محوری

اسمعیلی فلک, مهزاد; سرخانی بنماران, رضا

doi:10.22065/jsce.2022.332406.2747

بررسی رفتار تنش-کرنش خاک رس منجمد با بهره‌گیری از آزمایش سه‌محوری

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان

¹ استادیار، گروه مهندسی عمران، واحد تهران شمال، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران

² فارغ التحصیل ژئوتکنیک، گروه مهندسی عمران، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

10.22065/jsce.2022.332406.2747

چکیده

روش‌های غیردائمی بهسازی خاک، همواره جزء دغدغه‌های مهندسین ژئوتکنیک بوده است. امروزه استفاده از روش‌هایی همچون میخکوبی و مهارکوبی جزء روش‌های متداول در کشور ایران است، در حالی که در کشورهای پیشرفته از روش‌های نوینی همچون انجماد مصنوعی خاک نیز استفاده می‌شود. دلیل گسترش روزافزون استفاده از روش انجماد مصنوعی زمین علاوه بر مزایای فنی، اقتصادی و زیست‌محیطی، قابلیت استفاده از آن در تمامی شرایط مرزی و تمامی انواع خاک‌ها است. با توجه به مطالعه ناچیز آزمایشگاهی بر روی رفتار رس منجمد، در این مقاله پس از انجام آزمایش‌های اولیه، بالغ بر 130 آزمایش سه‌محوری تحکیم‌نیافته زهکشی نشده بر روی نمونه‌های رسی تهیه شده از ساختگاه دریاچه شورابیل (واقع در شهرستان اردبیل)، انجام شده است. در این آزمایش‌های سه‌محوری تأثیر انجماد، کاهش دما، افزایش سرعت بارگذاری و افزایش فشار محدود کننده بر رفتار تنش – کرنش نمونه‌های رسی اشباع به طور کامل بررسی شده است. نتایج این مطالعه نشان می‌دهند که کاهش دما به طور قابل ملاحظه‌ای مقامت برشی و مدول الاستیسیته نمونه‌های رسی منجمد را افزایش می‌دهد. همچنین به دلیل حضور ماتریس یخ در ساختار رس منجمد، سرعت بارگذاری تا حدود زیادی بر مقاومت برشی رس منجمد تأثیرگذار است، به طوری که منجر به افزایش مقاومت برشی و مدول الاستیسیته نمونه‌ها می‌گردد. همچنین تمامی نمونه‌ها رفتار سخت‌شوندگی کرنشی از خود نشان داده و در هیچ کدام از نمونه‌ها گسیختگی ترد مشاهده نمی‌شود. بنابراین استفاده از روش انجماد مصنوعی زمین در خاک‌های رسی قابل استفاده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

مهندسی ژئوتکینک

عنوان مقاله [English]

Investigating the stress-strain behavior of frozen clay using triaxial test

نویسندگان [English]

Mahzad Esmaeili Falak ¹
Reza Sarkhani Benemaran ²

¹ Assistant Professor, Department of Civil Engineering, North Tehran Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran.

² Dept. of Civil Engineering, Tabriz, University, Tabriz, Iran

چکیده [English]

Temporary soil improvement methods have always been a concern of geotechnical engineers. Today, the use of methods such as nailing and anchorage is one of the common methods in Iran, while in developed countries, new methods such as artificial ground freezing are also used. The reason for the increasing use of artificial ground freezing, in addition to technical, economic and environmental benefits, is its ability to be used in all boundary conditions and all types of soils. Due to the insignificant laboratory study on the behavior of frozen clay, in this paper, after conducting initial experiments, over 130 unconsolidated-undrained triaxial experiments have been performed on clay samples prepared from the Shurabil Lake site (located in Ardabil). In these triaxial experiments, the effect of freezing, temperature decrease, strain rate increase and confining pressure increase on stress-strain behavior of saturated clay samples has been completely investigated. The results of this study show that decreasing the temperature significantly increases the shear strength and modulus of elasticity of frozen clay samples. Also, due to the presence of ice matrix in the structure of frozen clay, the effect of strain rate is to a large extent, which leads to an increase in shear strength and modulus of elasticity of the samples. Also, all samples showed strain hardening behavior and none of the samples showed brittle rupture. Therefore, the use of artificial ground freezing method in clay soils can be used.

کلیدواژه‌ها [English]

Soil Improvement
Frozen clay
Stress-strain behavior
Triaxial test
Artificial Ground Freezing

مراجع

[1] Sarkhani Benemaran R, Esmaeili-Falak M, Katebi H. Physical and numerical modelling of pile-stabilised saturated layered slopes. Proc Inst Civ Eng Eng 2020:1–16. https://doi.org/https://doi.org/10.1680/jgeen.20.00152.

[2] Sarkhani Benemaran R. Experimental and analytical study of pile-stabilized layered slopes. Thesis, University of Tabriz, 2017.

[3] Esmaeili-Falak M. Effect of System’s Geometry on the Stability of Frozen Wall in Excavation of Saturated Granular Soils. Doctoral Dissertation, University of Tabriz, 2017.

[4] Esmaeili-Falak M, Katebi H, Javadi A. Experimental study of the mechanical behavior of frozen soils-A case study of tabriz subway. Period Polytech Civ Eng 2018;62:117–25. https://doi.org/https://doi.org/10.3311/PPci.10960.

[5] Esmaeili-Falak M, Katebi H, Javadi A, Rahimi S. Experimental investigation of stress and strain characteristics of frozen sandy soils-A case study of Tabriz subway. Modares Civ Eng J 2017;17:13–23.

[6] Andersland OB, Ladanyi B. Frozen ground engineering. John Wiley & Sons; 2003.

[7] Benemaran RS, Esmaeili-Falak M. Optimization of cost and mechanical properties of concrete with admixtures using MARS and PSO. Comput Concr 2020;26:309–16. https://doi.org/http://dx.doi.org/10.12989/cac.2020.26.4.309.

[8] Esmaeili-Falak M, Katebi H, Vadiati M, Adamowski J. Predicting triaxial compressive strength and Young’s modulus of frozen sand using artificial intelligence methods. J Cold Reg Eng 2019;33:4019007. https://doi.org/https://doi.org/10.1061/(ASCE)CR.1943-5495.0000188.

[9] Wang J, Nishimura S, Tokoro T. Laboratory study and interpretation of mechanical behavior of frozen clay through state concept. Soils Found 2017;57:194–210.

[10] Evirgen B. Comparison of individual and sequential copper piping systems in an experimental artificial ground freezing model. Arab J Geosci 2021;14:1–12.

[11] Zhang Y, Liu S, Lu Y, Li Z. Experimental study of the mechanical behavior of frozen clay–gravel composite. Cold Reg Sci Technol 2021;189:103340.

[12] Lee MY, FOSSUM AF, Costin LS, BRONOWSKI DR, JUNG J. Frozen soil material testing and constitutive modeling. Sandia National Lab.(SNL-NM), Albuquerque, NM (United States); Sandia …; 2002.

[13] Li HP, Zhu YL, Pan WD. Uniaxial compressive strength of saturated frozen silt. 8th Int. Conf. Permafr., 2003, p. 679–84.

[14] Nguyen AD, Sego CD, Arenson UL, Biggar WK. The dependence of strength and modulus of frozen saline sand on temperature, strain rate and salinity. Proc. 63rd Can. Geotech. Conf., 2010, p. 467–75.

[15] Evirgen B, Onur MI, Tuncan M, Tuncan A. Determination of the freezing effect on unconfined compression strength and permeability of saturated granular soils. GEOMATE J 2015;8:1283–7.

[16] Esmaeili-Falak M, Katebi H, Javadi AA. Effect of Freezing on Stress–Strain Characteristics of Granular and Cohesive Soils. J Cold Reg Eng 2020;34:5020001. https://doi.org/https://doi.org/10.1061/(ASCE)CR.1943-5495.0000205.

[17] Tounsi H, Rouabhi A, Jahangir E, Guérin F. Mechanical behavior of frozen metapelite: Laboratory investigation and constitutive modeling. Cold Reg Sci Technol 2020;175:103058.

[18] Li H, Zhu Y, Zhang J, Lin C. Effects of temperature, strain rate and dry density on compressive strength of saturated frozen clay. Cold Reg Sci Technol 2004;39:39–45.

[19] Xu X, Wang Y, Bai R, Fan C, Hua S. Comparative studies on mechanical behavior of frozen natural saline silty sand and frozen desalted silty sand. Cold Reg Sci Technol 2016;132:81–8.

[20] Xu X, Li Q, Xu G. Investigation on the behavior of frozen silty clay subjected to monotonic and cyclic triaxial loading. Acta Geotech 2020;15:1289–302.

[21] Shastri A, Sánchez M, Gai X, Lee MY, Dewers T. Mechanical behavior of frozen soils: Experimental investigation and numerical modeling. Comput Geotech 2021;138:104361.

[22] Yugui Y, Feng G, Yuanming L, Hongmei C. Experimental and theoretical investigations on the mechanical behavior of frozen silt. Cold Reg Sci Technol 2016;130:59–65.

[23] Nassr A, Esmaeili-Falak M, Katebi H, Javadi A. A new approach to modeling the behavior of frozen soils. Eng Geol 2018;246:82–90.

[24] ASTM D2850-15. Standard test method for unconsolidated-undrained triaxial compression test on cohesive soils. ASTM International; 2016.