Einfrieren

Mar 27, 2023

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 5706 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Da die mechanischen Eigenschaften des Bodens vom Feuchtigkeitsgehalt, dem Durchmesser der Bodenpartikel und der Bodentemperatur beeinflusst werden, haben wir piezoelektrische Keramiksensoren verwendet, um den Gefrier-Tau-Zyklus verschiedener Böden bei unterschiedlichen Temperaturen und unterschiedlichem Feuchtigkeitsgehalt zu überwachen. Durch die Untersuchung der Energiedämpfung von Spannungswellen, die sich in gefrierendem und tauendem Boden ausbreiten, wurde dessen mechanische Festigkeit bestimmt. Die Ergebnisse zeigten, dass die Dauer des Gefrier-Tau-Prozesses mit der Bodenart und dem anfänglichen Wassergehalt zusammenhängt. Bei gleichem Wassergehalt und größerer Bodenpartikelgröße sind die Amplitude und Energie des empfangenen Signals größer. Bei gleicher Bodenart und höherem Wassergehalt sind die Amplitude und Energie des empfangenen Signals stärker. Diese Studie bietet eine praktikable Überwachungsmethode für den Infrastrukturbau in Gebieten mit komplexen geologischen Bedingungen, wie z. B. gefrorenem Boden in Qinghai-Tibet.

Die Wechselwirkung zwischen der Umgebung des gefrorenen Bodens und dem Ingenieurbau ist von großer Bedeutung, wenn langfristige Bauarbeiten in Regionen mit niedrigen Temperaturen durchgeführt werden, und auch die Einflussfaktoren der Festigkeit des gefrorenen Bodens1 sind von großer Bedeutung. Aus mikroskopischer Sicht setzt sich die Festigkeit der gefrorenen Bodenschicht aus drei Arten von Verbindungen zusammen: molekulare Verbindungen (Van-der-Waals-Kräfte), strukturelle Bindungen und Eis-Zement-Verbindungen2, wobei Eis-Zement-Verbindungen eine dominierende Rolle spielen. Bezüglich des Verstärkungsmechanismus von gefrorenem Boden. Ting et al.3 schlussfolgerten, dass der Boden in gefrorenem Boden als Verstärkung des Eises wirkt und so die Gesamtfestigkeit des gefrorenen Bodens verbessert. Umgebungstemperatur4, Bodenart5 und Wassergehalt6 waren die ersten Faktoren, die bei der Untersuchung der Permafrostfestigkeit berücksichtigt wurden. Chamberlain et al.7 führten Gefrierexperimente an gesättigtem Sand und schluffigem Sand durch und stellten fest, dass unterschiedliche Bodentypen zu Veränderungen in der Festigkeit des gefrorenen Bodens führten.

Bei der Überwachung der Änderung der Festigkeit des gefrorenen Bodens müssen die Grundbedingungen der Umgebung des gefrorenen Bodens berücksichtigt und entsprechende Überwachungsmethoden und -mittel ausgewählt werden. Bei der Überwachung des Wassergehalts von gefrorenem Boden: Zhang et al.8 verwendeten die thermische Impulssondenmethode, um den Feuchtigkeitsgehalt von gefrorenem Boden zu messen. Schwank et al.9 verwendeten Mikrowellentechnologie zur Überwachung der Bodenfeuchtigkeit. Zhao et al.10 nutzten die passive Mikrowellenbildgebung AMSR-E, um den Feuchtigkeitsgehalt des Bodens auf Basis der Mikrowellentechnologie zu überwachen. Um die Genauigkeit der Überwachung zu verbessern, verwendeten Gao et al.11 die Algorithmen AMSR-E und AMSR2, um die Gefrier- und Auftaubedingungen des Bodens zu bewerten, was die Wirkung der Überwachung der Festigkeit des gefrorenen Bodens verbesserte. Bei der Messung großflächiger gefrorener Bodenbedingungen verwendeten Zhang et al.12 einen Satelliten zur Überwachung und Analyse von Änderungen des Bodenwassergehalts, der zur Überwachung des Wassergehalts im Boden über einem großen Gebiet genutzt werden konnte. Mavrovic et al.13 verwendeten zwei verschiedene Instrumente zur Messung der Dielektrizitätskonstante und schlugen vor, dass die Verbesserung des Dielektrizitätsmodells den Nutzen der Satelliten-Frost-Tau-Erkennung erheblich verbessern könnte.

Piezoelektrische Keramik wird für den Einsatz in verschiedenen Bereichen gefördert. Piezoelektrische Materialien14 können mechanische Energie direkt in elektrische Energie umwandeln. Daher sind ihre Funktionsweise und ihr Prinzip sehr einfach und gut verständlich. Auf dieser Grundlage können verbesserte piezoelektrische Keramikmaterialien15 in mehr Anwendungen eingesetzt werden. Tseng et al.16 beschrieben die Anwendung und Entwicklung von Bleizirkonattitanat (PZT)-Keramik. Schulz et al.17 nutzten piezokeramische Pflaster zur Überwachung und aktiven Kontrolle, um den Zustand von Verbundstrukturen zu verstehen. Song et al.18 nutzten piezoelektrische Keramik und drahtlose Sensornetzwerke, um den Zustand der Rotorblätter von Windkraftanlagen zu überwachen. Liu et al.19 führten eine explorative Studie zur Versickerungsüberwachung von Betonstrukturen mithilfe eines intelligenten piezoelektrischen Keramikaggregats durch.

Der Einsatz piezoelektrischer Keramik zur Veränderung der Festigkeit von gefrorenem Boden unter verschiedenen Bedingungen wie Temperatur, Feuchtigkeitsgehalt und Porosität. Mit der weit verbreiteten Anwendung piezoelektrischer Keramik erkannten Forscher nach und nach die Vorteile der Verwendung piezoelektrischer Keramik zur Untersuchung des Gefrier-Tau-Zyklus von gefrorenem Boden20. Kong et al.21 verwendeten ein intelligentes Aggregat aus piezoelektrischer Keramik, um den Gefrier-Tau-Prozess des Bodens zu überwachen, und erzielten gute Ergebnisse. Zhang et al.22 verwendeten die elektromechanische Impedanzmethode der PZT, um den Gefrier-Tau-Prozess im Boden zu überwachen. Piezoelektrische Keramik überwacht aktiv die Gebäudestruktur, ohne die Gebäudestruktur zu beschädigen, was sich besser für die Langzeitüberwachung der Gebäudestruktur im Projekt eignet.

In dieser Studie wurden zwei piezokeramische Sensoren zum Senden und Empfangen von Signalen verwendet. Die Wellenform und die Amplitude des vom Signalsender gesendeten Signals waren gleich, und der Energieverbrauch der sich in verschiedenen Böden ausbreitenden Spannungswelle war unterschiedlich. Im Gefrier-Tau-Zyklus des Bodens wurde die Festigkeit des gefrorenen Bodens bestimmt, indem der Einfluss der Bodenart und des Feuchtigkeitsgehalts auf die Energiedämpfung der Spannungswelle untersucht wurde. Die Ergebnisse zeigen, dass diese Methode zur Untersuchung der Gefrier-Tau-Eigenschaften von Böden wirksam ist.

Die Gefrier-Tau-Zyklen von Ton und mittlerem Sand wurden mithilfe eines piezoelektrischen Keramiksensors überwacht. In diesem Experiment wurden zwei piezoelektrische Keramiksensoren verwendet, von denen einer mit einem Signalsender zur Übertragung von Spannungswellensignalen und der andere mit einem Signalempfänger zum Empfang von Spannungswellensignalen verbunden war. Die Ausbreitung von Spannungswellen wird durch das Medium zwischen Sender und Empfänger beeinflusst. Im Gefrier-Tau-Zyklus von Boden unterliegt Wasser oder Eis ständig einer Phasenumwandlung. Wasser oder Eis verbinden sich mit Bodenpartikeln und bilden verschiedene Bodenmikrostrukturen, die die mechanischen Eigenschaften des gefrorenen Bodens beeinflussen. Die Spannungswellensignale reagieren aufgrund der Veränderung des Bodenmediums im Gefrier-Tau-Zyklus unterschiedlich, und der Phasenumwandlungsprozess von Wasser und Eis läuft wie folgt ab:

Erster Gegenstand; Wenn sich im Boden nur flüssiges Wasser befindet, ist Wasser ein dämpfender Faktor und die Ausbreitung von Spannungswellen wird erheblich beeinträchtigt.

Zweiter Punkt; Die Wassermoleküle im Boden befinden sich in einem Zustand der Fest-Flüssigkeit-Koexistenz23. In diesem Stadium, mit zunehmendem Eisgehalt, breitet sich die Spannungswelle besser im Boden aus, und wenn der Boden einen hohen Feuchtigkeitsgehalt hat, dauert sein Transformationsprozess relativ länger.

Drittens Artikel; Das gesamte Wasser im Boden liegt in einem festen Zustand vor: In diesem Zustand nimmt die Steifigkeit des Bodens insgesamt zu, und der Boden ist in diesem Zustand der beste Zustand für die Ausbreitung von Spannungswellen.

In dieser Studie untersuchten wir den Einfluss des Bodentyps und des anfänglichen Wassergehalts auf die Spannungswellenreaktion des Bodens während des Gefrier-Tau-Zyklus und versuchten, die Änderung der mechanischen Eigenschaften des gefrorenen Bodens während des Gefrier-Tau-Prozesses mithilfe von a abzuschätzen Piezoelektrischer Keramiksensor.

Die Übertragung der Spannungswellenenergie durch die Bodenprobe korreliert empfindlich mit den mechanischen Eigenschaften des Bodens, und daher kann die am Sensor aufgezeichnete Energiereaktion als Indikator zur Beschreibung der mechanischen Eigenschaften des Bodens und sogar der Frost-Tau-Situation verwendet werden24. Das am Sensor aufgezeichnete Signal wird anhand einer Zeitbereichsanalyse in eine Gruppe von Frequenzbändern zerlegt. Die Gesamtenergie der Spannungswelle der Bodenprobe kann berechnet werden, indem die gesamte Energie der Signale in verschiedenen Zeitbereichen akkumuliert wird. Bei der Zeitbereichsanalyse umfassen die statistischen Eigenwerte den Maximalwert, den Minimalwert, den Durchschnittswert, den mittleren Quadratwert, die Signalamplitudenvarianz sowie die Signalenergie und -leistung. Die Energiestatistik der Signale ist der am häufigsten verwendete Parameter. Die Gleichung zur Berechnung der Signalenergie lautet.

Dabei stellt Xi einen Satz diskreter Datensignale dar, die vom Sensor in einer bestimmten Abtastzeit abgetastet werden. In Xij stellt j den Abtastzeitpunkt des Sensorwerts zum gleichen Zeitpunkt dar. Die Gesamtzahl der Probenahmepunkte beträgt m in jeder Probenahmedauer.

Die Dämpfung der Signalenergie wird mit Hi bezeichnet, was definiert ist als

Dabei sind \(x_{0}\) und \(E_{0}\) die Amplitude bzw. Energie des vom Signalgenerator gesendeten Signals. Hi kann als Index zur Beschreibung des Gefrier-Tau-Prozesses des Bodens verwendet werden und ist ein potenzieller Index für die mechanischen Eigenschaften des Bodens, wie z. B. die Bodenfestigkeit.

In diesen Experimenten wurden zwei Bodentypen verwendet, nämlich Lehmboden und mittlerer Sand. Die Tonbodenpartikel waren sehr fein (Durchmesser zwischen 0,005 mm und 0,05 mm) und hatten eine hohe Plastizität und geringe Durchlässigkeit. Darüber hinaus lag die Partikelgröße von mittlerem Sand zwischen 0,35 mm und 0,5 mm, mit geringer Plastizität und hoher Permeabilität.

In jede Probe wurden zwei piezoelektrische Keramiksensoren im Abstand von 10 cm und ein Thermometer eingesetzt. Der Feuchtigkeitsgehalt der Tonprobe betrug etwa 30 %, und der Feuchtigkeitsgehalt der mittelschweren Sandproben betrug 10 %, 15 % und 20 %. Wie in Abb. 1b dargestellt, wurden zwei quadratische Zementrohre mit einer Querschnittsseitenlänge von 5 cm in die Testbodenprobe eingeführt. Darunter befinden sich auf beiden Seiten alle 9 cm piezoelektrische PZT-Patches, deren Energiewelle von einem Signal durch den Signalstartpfahl nach der Pfahlbodenprobe bis zum Empfang durch den Ladungsverstärker-Verstärkungsenergieindikator reicht. Abschließend wurden die Daten vom Signalempfänger erfasst. Wie in Abb. 1a dargestellt, betrugen die Länge, Breite und Höhe der Testkammer 30 cm, 20 cm bzw. 40 cm. Die vom Signalgeber ausgesendete Rechteckwelle hatte eine Frequenz von 1000 Hz und eine Amplitude von 100.000 mV.

Schematische Darstellung der Versuchsapparatur. (a) Beispielgerät. (b) Anordnung der Versuchsausrüstung.

Um die Gefrierumgebung zu simulieren, wurde ein Kühlschrank mit steuerbarer Temperatur zum Kühlen der Probe verwendet. Bei einer Raumtemperatur von 26 °C wurden Lehmboden und mittlerer Sand ausgewählt, um mithilfe eines elektrischen Heiztrockners ihre ursprüngliche Feuchtigkeit zu trocknen; Zur Herstellung von Testbodenproben mit Feuchtigkeitsgehalten von 10 %, 15 %, 20 %, 25 % und 30 % wurde Lehmboden verwendet, und für die Herstellung von Testbodenproben mit Feuchtigkeitsgehalten von 10 %, 15 % und 30 % wurde mittlerer Sand verwendet 20 %. Insgesamt wurden 8 Gruppen von Bodenproben hergestellt. Spezifische Parameter der Bodenprobenproduktion sind in Tabelle 1 aufgeführt. Zunächst werden zwei Betonpfähle mit piezoelektrischen Keramiksensoren vertikal in die Testbox gestellt. Gleichzeitig wird die Testbox mit Bodenproben gefüllt und verdichtet und anschließend in den Kühlschrank gestellt, wobei die Temperatur der Bodenproben auf − 20 °C gesenkt wird; Dann wird die Temperatur des Kühlschranks auf −20 °C gehalten, der Signalgenerator sendet kontinuierlich Signale an den Boden und der Empfänger empfängt kontinuierlich Signale. Insgesamt wurden mehr als acht Gruppen von Betriebsversuchen durchgeführt und Versuchsdaten aufgezeichnet.

Der Feuchtigkeitsgehalt der Tonproben betrug 10 %, 15 %, 20 %, 25 % und 30 %. Als die Temperatur auf 0 °C sank, betrugen die Testzeiten etwa 72 Minuten, 105 Minuten, 120 Minuten, 150 Minuten bzw. 156 Minuten, wie in den Abbildungen dargestellt. 2 und 3. Der Feuchtigkeitsgehalt der mittleren Sandproben betrug 10 %, 15 % bzw. 20 % und die Testzeiten betrugen etwa 75 Minuten, 129 Minuten bzw. 135 Minuten, wenn die Temperatur auf 0 °C fiel. wie in Abb. 3 dargestellt. Anschließend wurde die Temperatur von 0 °C auf –15 °C gesenkt und die Testzeiten der fünf Tonproben betrugen 186 Minuten, 183 Minuten, 210 Minuten, 210 Minuten bzw. 218 Minuten , wie in den Abb. gezeigt. 2a und 3. Die Testzeiten für die drei mittelgroßen Sandproben betrugen 117 Minuten, 99 Minuten bzw. 105 Minuten, wie in den Abbildungen gezeigt. 2b und 3. Wie in Abb. 3 gezeigt, war bei einem höheren anfänglichen Feuchtigkeitsgehalt der Probe nach dem Einfrieren eine größere Menge Eis in der entsprechenden Probe enthalten. Dadurch war die Gefrierzeit länger.

Temperaturänderung von Proben mit unterschiedlichem Feuchtigkeitsgehalt. (a) Temperaturänderung von Tonproben mit unterschiedlichem Feuchtigkeitsgehalt; (b) Temperaturänderung von mittelschweren Sandproben mit unterschiedlichem Feuchtigkeitsgehalt.

Temperaturänderung von Proben mit gleichem, aber unterschiedlichem Feuchtigkeitsgehalt. (a) Zwei Proben mit jeweils einem Feuchtigkeitsgehalt von 10 %; (b) Zwei Proben mit einem Feuchtigkeitsgehalt von 15 %; (c) Zwei Proben mit einem Wassergehalt von jeweils 20 %.

Ein Vergleich der beiden unterschiedlichen Proben mit einem Feuchtigkeitsgehalt von 10 %, 15 % und 20 % zeigt, dass die Gefriergeschwindigkeit der mittelsandigen Bodenproben schneller ist als die der tonigen Bodenproben, wie in Abb. 3 dargestellt. Mittelsandig Bodenproben haben große Poren und eine starke Durchlässigkeit. Daher unterliegt der Wasserfluss im mittelsandigen Boden nicht der Kapillarwirkung zwischen Wasser und Boden. Im Gegensatz dazu hat der Kapillardurchmesser von Ton einen erheblichen Einfluss auf den Wasserfluss. Für eine höhere Fließfähigkeit des Wassers ist die Gefriergeschwindigkeit der Bodenprobe schneller25,26.

Um Störungen durch Schwankungen zu beseitigen, die durch externe Magnetfelder in der experimentellen Studie verursacht werden, werden externe Energiewellenformen erfasst, wenn der Startpfahl nicht funktioniert, wie in Abb. 4 dargestellt. Zu diesem Zeitpunkt befand sich die Bodenprobe zwischen den beiden Pfählen Ton mit einem Feuchtigkeitsgehalt von 15 % und einer Temperatur von 0 °C. Das von der Signalempfangssäule beim Einschalten des Signalgenerators empfangene Signal ist in Abb. 5 dargestellt. Somit ist klar, dass das von der Signalempfangssäule empfangene Signal tatsächlich das von der Signalsendesäule ausgesendete Signal ist.

Signalantwortdiagramm unter Einfluss von Umgebungsgeräuschen.

Erfassung von Spannungsschwankungen während der Messung von gefrorenem Boden.

Wie in Abb. 6a dargestellt, betragen die Signalamplituden der Tonproben mit einem anfänglichen Wassergehalt von 20 % bei vier verschiedenen Temperaturen (– 0,6 °C, – 6 °C, – 11 °C und – 13,8 °C) 49,7 mV, 63,13 mV, 129,66 mV bzw. 221,52 mV. Wie in Abb. 6b gezeigt, erreicht die mittlere Sandprobe mit einem anfänglichen Wassergehalt von 20 % während des Gefrierens bei vier verschiedenen Temperaturen (− 0,6 °C, − 5,9 °C, − 9,7 °C und − 14,0 °C). Mit sinkender Temperatur nimmt also die Amplitude des von den beiden Proben empfangenen Signals zu. Gleichzeitig erhöht sich auch die Festigkeit des Bodens und somit kann mehr Signalwellenenergie vom Empfänger empfangen werden. Daher spiegelt sich die Stärke des Bodens in der Amplitude des Signals wider.

Spannungsänderungen von Proben bei unterschiedlichen Temperaturen erfassen. (a) Diagramm der Sensorspannungsschwankung von Tonproben bei verschiedenen Temperaturen. (b) Sensorspannungsschwankungsdiagramm von mittelgroßen Sandproben bei verschiedenen Temperaturen.

Bei –13,6 °C betragen die Signalamplituden der fünf Tonproben 147,58 mV, 199,77 mV, 229,61 mV, 365,41 mV bzw. 446,34 mV, wie in Abb. 7a dargestellt. Unterdessen betragen die Signalamplituden der drei mittleren Sandproben bei –14 °C 20,91 mV, 28,34 mV bzw. 50,01 mV, wie in Abb. 7b dargestellt. Basierend auf dieser Analyse nimmt die Amplitude des vom Sensor empfangenen Signals mit zunehmendem anfänglichen Wassergehalt der Probe während des Gefrierens zu. Beim Gefrieren verbinden sich Ton- oder mittelschwere Sandpartikel mit Eispartikeln und bilden eine harte Bodenprobe. Mit zunehmendem anfänglichen Wassergehalt bilden sich beim Gefriervorgang mehr Eispartikel, die sich mit mehr Bodenpartikeln zu einer härteren Bodenprobe verbinden können. Zu diesem Zeitpunkt wird die mechanische Festigkeit der Bodenprobe kontinuierlich erhöht. Daher korreliert die Amplitude des vom Sensor empfangenen Probensignals bei gefrorener Bodenprobe positiv mit ihrem Wassergehalt.

Spannungsänderungen der beiden Proben mit unterschiedlichem Feuchtigkeitsgehalt erfassen; (a) Spannungsschwankungsdiagramm von Tonproben mit unterschiedlichem Feuchtigkeitsgehalt; (b) Änderungen im induzierten Spannungsdiagramm von Sandproben mit unterschiedlichem Feuchtigkeitsgehalt.

Bei −13,8 °C, wenn der Feuchtigkeitsgehalt sowohl der Tonprobe als auch der mittleren Sandprobe 10 % beträgt, betragen die von den Sensoren in den beiden Proben empfangenen Signalamplituden 147,58 mV bzw. 20,91 mV, wie in Abb. 8 dargestellt Aus den Daten geht hervor, dass die Amplitude des von der Tonprobe empfangenen Signals deutlich größer ist als die der mittelschweren Sandprobe. Im Gefrier-Tau-Zyklus sind die Partikel in der Tonprobe kompakter als die in der mittleren Sandprobe und die Spannungswelle ist im Übertragungsprozess stabiler. Die Signalamplitude der Tonprobe ist höher als die der mittleren Sandprobe. Daher korreliert der Signalamplitudenwert der Probe auch positiv mit der Stärke der Probe27.

Energiewellenform verschiedener Proben mit demselben Feuchtigkeitsgehalt.

Um den Grad der Abschwächung der Spannungswelle im Ausbreitungsprozess zu überwachen, wurde der entsprechende Energieindikator für den Gefrier-Tau-Prozess verschiedener Böden berechnet; Dabei wird der Energieindikator durch den Quadratwert der Signalamplitude im statistischen Kennwert ausgedrückt. Anhand dieses Index wurden die Bodenart und der anfängliche Wassergehalt untersucht und der Einfluss des Wassergehalts auf die Gefrier- und Auftauprozesse des Bodens analysiert. Wie in Abb. 9 dargestellt, steigt während des Gefriervorgangs der Energieindikator des Bodens weiter an, während die Temperatur weiter sinkt. Dies steht im Einklang mit der Zunahme der Festigkeit des gefrorenen Bodens, wenn die Temperatur sinkt. Im gesamten Frost-Tau-Wechseltest sinkt die Temperatur auf den niedrigsten Wert, die Festigkeit der Ton- und Mittelsandproben erreicht gleichzeitig auch die höchsten Werte und der Energieindikator erreicht sein Maximum. Anschließend steigt die Bodentemperatur allmählich an, die Eispartikel in der Probe schmelzen langsam und der Energieindikator der Signalwelle nimmt ab, wie in Abb. 9 dargestellt. Dies zeigt, dass die Festigkeit der Bodenproben mit steigender Temperatur abnimmt. Mit zunehmendem Ausgangswassergehalt steigt auch der Energieindikator. Der Analyse zufolge werden beim Gefrierprozess des Bodens mehr Eispartikel erzeugt, wenn der anfängliche Feuchtigkeitsgehalt der Probe höher ist, und die Eispartikel sind dichter mit Bodenpartikeln verbunden, wodurch die Festigkeit der Bodenprobe erhöht wird. Wie in Abb. 10 dargestellt, ist bei gleichem Anfangswassergehalt die von den Tonproben im Gefrier-Tau-Zyklus aufgenommene Energie höher als die von den mittelschweren Sandproben aufgenommene Energie. Dies weist darauf hin, dass die Festigkeiten der Tonproben im Gefrier-Tau-Zyklus höher sind als die der mittelschweren Sandproben. Dies liegt daran, dass bei gleichem Wassergehalt die Bodenkohäsion der Tonproben höher ist als die der mittelsandigen Proben. Infolgedessen weisen die Tonproben eine stärkere Kohäsionskraft auf, was zu einem stärkeren Energieindikator und einer größeren Festigkeit führt. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass der in diesem Experiment verwendete Energieindikator die Veränderungen der physikalischen Eigenschaften des Bodens während Frost-Tau-Zyklen genau widerspiegeln kann.

Energieindikatordiagramm von Proben mit unterschiedlichem Feuchtigkeitsgehalt. (a) Energieindikator von Tonproben mit unterschiedlichem Feuchtigkeitsgehalt; (b) Energieindikator von Sandproben mit unterschiedlichem Wassergehalt.

Energieindikatordiagramm verschiedener Proben mit gleichem Wassergehalt.

Während des Gefrier-Tau-Prozesses können die Eigenschaften des Bodens durch Überwachung der Signalstärke bestimmt werden. Mit sinkender Temperatur gefriert das Wasser im Boden allmählich und die Festigkeit des Bodens nimmt zu, wodurch die Energiedämpfung im Prozess der Spannungswellenausbreitung verringert wird. Der Schwerpunkt dieser Studie liegt auf der Bestimmung der Bodenfestigkeit anhand der Stärke der Energieübertragung. Im Gefrier-Tau-Zyklus führen unterschiedliche Wassergehalte und Partikelgrößen zu unterschiedlichen Mikrostrukturen und mechanischen Eigenschaften. Wenn der anfängliche Wassergehalt der Probe gleich ist und die Partikelgröße größer ist, ist die vom Signalempfangsstapel empfangene Signalenergie stärker. Bei gleichem Bodentyp und höherem Anfangswassergehalt der Probe ist die vom signalempfangenden Pfahl empfangene Signalenergie stärker. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass piezoelektrische Keramiken die Eigenschaften von gefrorenem Boden basierend auf dem Energieindex der Signalwellenenergiedämpfung während der Ausbreitung effektiv überwachen können. In Kombination mit der aktiven Überwachungswirkung piezoelektrischer Keramik kann es umfassender bei der Überwachung der Eigenschaften gefrorener Böden eingesetzt werden.

Die experimentellen Daten, die zur Untermauerung der Ergebnisse dieser Studie verwendet wurden, sind im Artikel enthalten.

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Die Autoren danken dem Science and Technology Research Project of Education, Department of Jiangxi Province (Grant No. GJJ190497), dem Research Project for High-level Talents der Jiangxi University of Science and Technology (Grant No. jxncbs19009) für die finanzielle Unterstützung Wissenschafts- und Technologieprojekt des Ministeriums für Wohnungsbau und Stadt-Land-Entwicklung der Provinz Gansu (Zuschuss Nr. JK2023-26).

School of Civil and Surveying & Mapping Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou, 341000, China

Daopei Zhu & Zhongyong Lai

Gansu Academy of Building Research (Group) Corporation Limited, Lanzhou, 730070, China

Zhangli Wang

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Konzeptualisierung, DZ und ZW; Datenkuration, ZL; Fördermittelakquise, DZ; Untersuchung, ZL; Methodik, DZ und ZW; Schreiben – Originalentwurf, DZ und ZW; Schreiben – Rezension & Lektorat, ZW

Korrespondenz mit Zhangli Wang.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Zhu, D., Lai, Z. & Wang, Z. Gefrier-Tau-Prozess des Bodens zwischen zwei Pfählen, überwacht durch einen piezoelektrischen Keramiksensor. Sci Rep 13, 5706 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-32929-2

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Eingegangen: 30. November 2022

Angenommen: 04. April 2023

Veröffentlicht: 07. April 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-32929-2

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