凍る

Mar 27, 2023

Scientific Reports volume 13、記事番号: 5706 (2023) この記事を引用

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土壌の機械的特性は水分含有量、土壌粒子の直径、土壌温度の影響を受けるため、圧電セラミックセンサーを使用して、異なる温度および異なる水分含有量でのさまざまな土壌の凍結融解サイクルを監視しました。 凍結融解土壌内を伝播する応力波のエネルギー減衰を研究することにより、その機械的強度が決定されました。 その結果、凍結融解プロセスの期間は土壌の種類と初期の水分含有量に関係していることがわかりました。 同じ含水量とより大きな土壌粒子サイズの場合、受信信号の振幅とエネルギーはより大きくなります。 同じ土壌タイプで水分含有量が高い場合、受信信号の振幅とエネルギーはより強くなります。 この研究は、青海チベット凍土などの複雑な地質条件を持つ地域におけるインフラ建設の実現可能なモニタリング方法を提供します。

低温地域で長期間の建設が行われる場合、凍土環境と土木構造の相互作用は非常に重要であり、凍土強度1の影響因子も非常に重要です。 ミクロな観点から見ると、凍土層の強度は分子結合（ファンデルワールス力）、構造結合、氷セメント結合2の3種類の結合で構成されており、このうち氷セメント結合が支配的な役割を果たしています。 凍土の強化メカニズムについて。 Ting ら 3 は、凍った土壌では、土壌が氷の補強材として機能し、その結果、凍った土壌の全体的な強度が向上すると推測しました。 永久凍土の強度を研究する際に最初に考慮すべき要素は、環境温度4、土壌の種類5、および水分含有量6でした。 Chamberlain ら 7 は、飽和砂とシルト質砂の凍結実験を実施し、土壌の種類が異なると凍結土壌の強度が変化することを発見しました。

凍土強度の変化を監視する過程では、凍土環境の基本条件を考慮し、対応する監視方法と手段を選択する必要があります。 凍土の水分含有量を監視する場合: Zhang et al.8 は、熱パルスプローブ法を使用して凍土の水分含有量を測定しました。 Schwank et al.9 は、土壌水分を監視するためにマイクロ波技術を使用しました。 Zhao et al.10 は、AMSR-E パッシブマイクロ波イメージングを使用して、マイクロ波技術に基づいて土壌水分含量を監視しました。 モニタリングの精度を向上させるために、Gao et al.11 は AMSR-E および AMSR2 アルゴリズムを使用して土壌の凍結および融解状態を評価し、これにより凍土強度のモニタリング効果が向上しました。 Zhang et al.12 は、広範囲の凍土状態を測定する際に、衛星を使用して土壌水分含有量の変化を監視および分析しました。これは、広範囲にわたる地面土壌の水分含有量を監視するために使用できる可能性があります。 Mavrovic et al.13 は、2 つの異なる機器を使用して誘電率を測定し、誘電モデルの改善により衛星の凍結融解検出の利点が大幅に改善される可能性があると提案しました。

圧電セラミックスはさまざまな分野での応用が進められています。 圧電材料 14 は、機械エネルギーを電気エネルギーに直接変換できます。 したがって、その動作と原理は非常に単純であり、よく理解されています。 これに基づいて、改良された圧電セラミック材料 15 をより多くの用途に使用できるようになります。 Tseng et al.16 は、チタン酸ジルコン酸鉛 (PZT) セラミックの応用と開発について説明しています。 Schulz et al.17 は、複合構造の健全性を理解するために、モニタリングとアクティブ制御に圧電セラミック パッチを使用しました。 Song ら 18 は、圧電セラミックと無線センサー ネットワークを使用して、風力タービンのブレードの状態を監視しました。 Liu et al.19 は、圧電セラミックインテリジェント骨材を使用したコンクリート構造物の浸透モニタリングに関する予備研究を実施しました。

圧電セラミックを使用して、温度、水分含有量、空隙率などのさまざまな条件下で凍土の強度を変化させます。 圧電セラミックスの広範な応用により、研究者は凍った土壌の凍結融解サイクルを研究するために圧電セラミックスを使用する利点を徐々に認識してきました20。 Kong ら 21 は、圧電セラミックのインテリジェント骨材を使用して土壌の凍結融解プロセスを監視し、良好な結果を達成しました。 Zhang et al.22 は、PZT の電気機械インピーダンス法を使用して土壌の凍結融解プロセスを監視しました。 圧電セラミックスは、建物の構造に損傷を与えることなく建物の構造をアクティブに監視するため、プロジェクトの建物構造の長期監視に適しています。

この研究では、信号の送受信に 2 つの圧電セラミック センサーが使用されました。 信号送信機から送信される信号の波形と振幅は同じであり、異なる土壌を伝播する応力波によって消費されるエネルギーは異なりました。 土壌の凍結融解サイクルにおいて、応力波のエネルギー減衰に対する土壌の種類と水分含有量の影響を研究することにより、凍結土壌の強度が決定されました。 結果は、この方法が土壌の凍結融解特性を研究するのに有効であることを示しています。

粘土と中程度の砂の凍結融解サイクルは、圧電セラミックセンサーを使用して監視されました。 この実験では、2 つの圧電セラミック センサーを使用し、1 つは応力波信号を送信する信号送信機に接続し、もう 1 つは応力波信号を受信する信号受信機に接続しました。 応力波の伝播は、送信機と受信機の間の媒体の影響を受けます。 土壌、水、氷の凍結融解サイクルでは、常に相変化が起こります。 水または氷は土壌粒子と結合してさまざまな土壌微細構造を形成し、それが凍った土壌の機械的特性に影響を与えます。 応力波信号は、凍結融解サイクルにおける土壌媒体の変化により異なる応答を持ち、水と氷の相変態プロセスは次のとおりです。

最初の項目; 土壌中に液体の水しか存在しない場合、水は減衰因子となり、応力波の伝播に大きな影響を与えます。

2番目の項目。 土壌中の水分子は固液共存状態にあります23。 この段階では、氷の含有量が増加すると、応力波が土壌内でよりよく伝播し、土壌の水分含有量が高い場合、その変態プロセスは比較的長くなります。

3番目の項目。 土壌中の水分はすべて固体の状態で存在しており、この状態では土壌全体の剛性が高まり、応力波の伝播に最適な状態となります。

この研究では、凍結融解サイクル中の土壌の応力波応答に対する土壌の種類と初期含水量の影響を調査し、凍結融解プロセス中の凍結土壌の機械的特性の変化を推定することを試みました。圧電セラミックセンサー。

土壌標本を通る応力波エネルギーの伝達は、土壌の機械的特性と敏感に相関しているため、センサーで記録されたエネルギー応答は、土壌の機械的特性、さらには凍結融解の状況を説明するための指標として使用できます24。 センサーに記録された信号は、時間領域分析に基づいて周波数帯域のグループに分解されます。 土壌サンプルの応力波の総エネルギーは、さまざまな時間領域の信号のすべてのエネルギーを累積することで計算できます。 時間領域解析では、統計的固有値には、最大値、最小値、平均値、二乗平均値、信号振幅分散、信号エネルギーと信号パワーが含まれます。 信号のエネルギー統計は、最も広く使用されているパラメーターです。 信号エネルギーを計算する式は次のとおりです。

ここで、Xi は、特定のサンプリング時間内にセンサーによってサンプリングされた一連の離散データ信号を表します。 Xijにおいて、jは同時刻のセンサ値のサンプリング時刻を表す。 各サンプリング期間の合計サンプリング ポイントは m 個です。

信号エネルギーの減衰は Hi で表され、次のように定義されます。

ここで、\(x_{0}\) と \(E_{0}\) は、それぞれ信号発生器によって送信される信号の振幅とエネルギーです。 Hi は土壌の凍結融解プロセスを説明するための指標として使用でき、土壌の強度などの土壌の機械的特性の指標となる可能性があります。

これらの実験では、粘土質土壌と中程度の砂の 2 種類の土壌を使用しました。 粘土質土壌の粒子は非常に細かく（直径は 0.005 mm から 0.05 mm の範囲）、高い可塑性と低い浸透性を持っていました。 また、中砂の粒径は0.35mm～0.5mmであり、可塑性が低く、浸透性が高い。

10 cm 離れた 2 つの圧電セラミック センサーと温度計を各サンプルに挿入しました。 粘土サンプルの含水率は約 30%、中砂サンプルの含水率は 10%、15%、20% でした。 図 1b に示すように、断面の辺の長さが 5 cm の 2 本の正方形のセメント管を試験土壌サンプルに挿入しました。 このうち、9cm間隔のPZT圧電パッチを両側に配置し、信号からの発射エネルギー波を信号発射杭を介して土壌試料を積み上げてから受信し、チャージアンプによる増幅エネルギー表示器で検出します。 最後に、信号受信機によってデータが収集されました。 図1aに示すように、テストチャンバーの長さ、幅、高さはそれぞれ30cm、20cm、40cmでした。 信号送信機から放射された方形波の周波数は 1000 Hz、振幅は 100,000 mV でした。

実験装置の概略図。 (a) サンプルデバイス。 (b) 実験装置の配置。

凍結環境をシミュレートするために、温度制御可能な冷蔵庫を使用してサンプルを冷却しました。 室温 26 °C で、粘土質の土壌と中程度の砂を選択し、電気加熱乾燥機を使用して元の水分を乾燥させました。 粘土質土壌を使用して含水率 10%、15%、20%、25%、および 30% の試験土壌サンプルを作成し、中砂を使用して含水率 10%、15%、および 30% の試験土壌サンプルを作成しました。 20%。 合計 8 グループの土壌サンプルを作成しました。土壌サンプル作成の具体的なパラメーターを表 1 に示します。まず、圧電セラミックセンサーを備えた 2 つのコンクリート杭を試験ボックス内に垂直に置きます。 同時に、試験箱に土壌サンプルを詰めて圧縮し、冷蔵庫に入れて土壌サンプルの温度を-20℃に下げます。 その後、冷蔵庫の温度を-20℃に保ち、信号発生器は継続的に土壌に信号を送信し、受信機は継続的に信号を受信します。 合計8グループ以上の動作実験を実施し、実験データを記録しました。

粘土サンプルの含水率は 10%、15%、20%、25%、および 30% でした。 温度が 0 °C に低下したときの試験時間は、図 3 と図 4 に示すように、それぞれ約 72 分、105 分、120 分、150 分、156 分でした。 中砂サンプルの含水率はそれぞれ 10%、15%、20% で、温度が 0 °C に下がったときの試験時間はそれぞれ約 75 分、129 分、135 分でした。図3に示すように、温度を0℃から-15℃に下げ、5つの粘土サンプルの試験時間はそれぞれ186分、183分、210分、210分、218分でした。 、図２および図３に示すように。 図２ａおよび３に示すように、３つの中程度の砂サンプルの試験時間は、それぞれ１１７分、９９分、および１０５分であった。 図３に示すように、サンプルの初期含水率が高いほど、凍結後の対応するサンプル中に含まれる氷の量が多くなります。 したがって、凍結時間は長くなりました。

含水率の異なるサンプルの温度変化。 (a) 異なる含水量を持つ粘土サンプルの温度変化、(b) 異なる含水量を持つ中砂サンプルの温度変化。

水分含有量が同じで異なるサンプルの温度変化。 (a) 2 つのサンプル、それぞれの水分含有量は 10%。 (b) 含水率 15% の 2 つのサンプル。 (c) 含水量がそれぞれ 20% の 2 つのサンプル。

含水率 10%、15%、20% の 2 つの異なるサンプルを比較すると、図 3 に示すように、中程度の砂質土壌サンプルの凍結速度が粘土質土壌サンプルの凍結速度よりも速いことがわかります。土壌サンプルは大きな細孔と強い浸透性を持っています。 したがって、中程度の砂質土壌中の水の流れは、水と土壌の間の毛細管現象の影響を受けません。 対照的に、粘土の毛細管径は水の流れに大きな影響を与えます。 水の流動性を高めるために、土壌サンプルの凍結速度は速くなります25,26。

実験研究では、外部磁場による変動の干渉を排除するために、図4に示すように、発射杭が稼働していないときに外部エネルギー波形を収集します。この時点で、2つの杭の間の土壌サンプルは、水分含有量15%、温度0℃の粘土。 信号発生器がオンになったときに信号受信パイルが受信した信号を図 5 に示します。したがって、信号受信パイルが受信した信号は、実際に信号送信パイルが発信した信号であることがわかります。

環境ノイズの影響下での信号応答図。

凍土測定時の電圧変動を検知。

図6aに示すように、4つの異なる温度（-0.6℃、-6℃、-11℃、および-13.8℃）における初期含水量20％の粘土サンプルの信号振幅は49.7です。それぞれ、mV、63.13 mV、129.66 mV、221.52 mV。 一方、図6bに示すように、初期含水量20％の中砂サンプルは、4つの異なる温度（-0.6℃、-0.6℃、 −5.9℃、−9.7℃、−14.0℃）。 したがって、温度が低下すると、2 つのサンプルが受信する信号の振幅が増加します。 同時に土壌の強度も増加するため、より多くの信号波エネルギーを受信機が受信できるようになります。 したがって、土壌の強度は信号の振幅に反映されます。

異なる温度でのサンプルの電圧変化を検知します。 (a) 異なる温度における粘土サンプルのセンサー電圧変化図。 (b) 異なる温度における中砂サンプルのセンサー電圧変化図。

図7aに示すように、-13.6℃では、5つの粘土サンプルの信号振幅はそれぞれ147.58mV、199.77mV、229.61mV、365.41mV、および446.34mVです。 一方、図7bに示すように、-14℃における3つの中砂サンプルの信号振幅は、それぞれ20.91 mV、28.34 mV、50.01 mVです。 この分析に基づいて、センサーが受信する信号の振幅は、凍結中のサンプルの初期水分含有量の増加に応じて増加します。 凍結中に、粘土または中程度の砂の粒子が氷の粒子と結合して、硬い土壌サンプルが形成されます。 初期の水分含有量が増加すると、凍結プロセス中により多くの氷の粒子が形成され、より多くの土壌粒子と結合して、より硬い土壌サンプルが形成される可能性があります。 このとき、土壌サンプルの機械的強度は継続的に強化されます。 したがって、土壌サンプルが凍結しているときにセンサーが受信するサンプル信号の振幅は、その水分含有量と正の相関があります。

含水率の異なる 2 つのサンプルの電圧変化を検出。 (a) 異なる含水量の粘土サンプルの検出電圧変化図。 (b) 含水率が異なる砂サンプルの誘導電圧図の変化。

− 13.8 °C で、粘土サンプルと中砂サンプルの両方の含水率が 10% の場合、図 8 に示すように、2 つのサンプルのセンサーが受信した信号振幅はそれぞれ 147.58 mV と 20.91 mV になります。データから、粘土サンプルが受信した信号の振幅が中程度の砂サンプルが受信した信号の振幅よりも大幅に大きいことが明らかです。 凍結融解サイクルでは、粘土サンプルの粒子は中程度の砂サンプルの粒子よりも緻密であり、応力波は伝達過程でより安定します。 粘土サンプルの信号振幅は、中程度の砂サンプルの信号振幅よりも高くなります。 したがって、サンプルの信号振幅値もサンプルの強度と正の相関があります27。

同じ水分含有量の異なるサンプルのエネルギー波形。

伝播プロセスにおける応力波の減衰の程度を監視するために、さまざまな土壌の凍結融解プロセスに対して対応するエネルギー指標が計算されました。 ここで、エネルギー指標は統計特性値における信号振幅の二乗値で表されます。 この指標を使用して、土壌の種類と初期含水量を調査し、土壌の凍結および融解過程に及ぼす含水量の影響を分析しました。 図9に示すように、凍結プロセス中、土壌のエネルギー指標は増加し続けますが、温度は低下し続けます。 これは、温度が低下すると凍った土壌の強度が増加することと一致しています。 凍結融解サイクル試験全体で、温度は最低値まで低下し、粘土と中程度の砂のサンプルの強度も同時に最高値に達し、エネルギー指標は最大値に達します。 その後、図9に示すように、土壌温度が徐々に上昇し、サンプル内の氷粒子がゆっくりと溶け、信号波のエネルギー指標が減少します。これは、土壌サンプルの強度が温度の上昇とともに低下することを示しています。 初期含水量が増加すると、エネルギー指標も増加します。 分析によると、サンプルの初期含水率が高いほど、土壌の凍結過程でより多くの氷粒子が生成され、氷粒子と土壌粒子の密度が高くなり、土壌サンプルの強度が増加します。 図 10 に示すように、同じ初期含水量の場合、凍結融解サイクルで粘土サンプルが受け取るエネルギーは、中程度の砂サンプルが受け取るエネルギーよりも高くなります。 これは、凍結融解サイクルにおける粘土サンプルの強度が中砂サンプルの強度よりも高いことを示しています。 これは、同じ含水量の下では、粘土サンプルの土壌凝集力が中砂サンプルよりも高いためです。 その結果、粘土サンプルはより強い凝集力を持ち、その結果、より強いエネルギー指標とより大きな強度が得られます。 実験結果は、この実験で使用されたエネルギー指標が凍結融解サイクル中の土壌の物理的特性の変化を正確に反映できることを示しています。

異なる含水量を持つサンプルのエネルギー指標図。 (a) 異なる含水量の粘土サンプルのエネルギー指標。 (b) 異なる含水量の砂サンプルのエネルギー指標。

同じ含水量の異なるサンプルのエネルギー指標図。

凍結融解プロセス中に、信号強度を監視することで土壌の特性を判断できます。 温度が低下すると、土壌中の水が徐々に凍結し、土壌の強度が増加し、応力波の伝播過程でのエネルギーの減衰が減少します。 この研究は、エネルギー伝達の強さに基づいて土壌の強度を決定することに焦点を当てています。 凍結融解サイクルでは、水分含有量と粒子サイズが異なると、微細構造と機械的特性も異なります。 サンプルの初期含水量が同じ場合、粒子サイズが大きいほど、信号受信パイルが受信する信号エネルギーはより強くなります。 同じ土壌タイプであっても、サンプルの初期含水量が高いほど、信号受信パイルが受信する信号エネルギーはより強くなります。 要約すると、圧電セラミックは、伝播中の信号波エネルギー減衰のエネルギー指標に基づいて凍土の特性を効果的に監視できます。 圧電セラミックスのアクティブモニタリング効果と組み合わせることで、凍土特性のモニタリングにさらに幅広く使用できます。

この研究の結果を裏付けるために使用された実験データは、記事内に含まれています。

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著者らは、江西省教育省科学技術研究プロジェクト（助成金番号 GJJ190497）、江西省科学技術大学のハイレベル人材研究プロジェクト（助成金番号 jxncbs19009）、および甘粛省住宅・都市農村開発局の科学技術プロジェクト (補助金番号 JK2023-26)。

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王張麗

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概念化、DZ および ZW。 データキュレーション、ZL; 資金調達、DZ。 調査、ZL; 方法論、DZ および ZW。 執筆 - 原案、DZ および ZW。 執筆 – レビューと編集、ZW

王張麗氏への対応。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガー ネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

Zhu, D.、Lai, Z.、Wang, Z. 圧電セラミック センサーで監視された 2 つの杭の間の土壌の凍結融解プロセス。 Sci Rep 13、5706 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-32929-2

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受領日: 2022 年 11 月 30 日

受理日: 2023 年 4 月 4 日

公開日: 2023 年 4 月 7 日

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

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