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Mar 27, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 5706 (2023) Citare questo articolo

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Poiché le proprietà meccaniche del suolo sono influenzate dal contenuto di umidità, dal diametro delle particelle del suolo e dalla temperatura del suolo, abbiamo utilizzato sensori ceramici piezoelettrici per monitorare il ciclo di gelo-disgelo di diversi terreni a diverse temperature e diverso contenuto di umidità. Studiando l'attenuazione energetica delle onde di stress che si propagano nel terreno gelido-disgelo, è stata determinata la sua resistenza meccanica. I risultati hanno mostrato che la durata del processo di congelamento-scongelamento era correlata al tipo di terreno e al contenuto iniziale di acqua. A parità di contenuto di acqua e di dimensioni maggiori delle particelle di terreno, l’ampiezza e l’energia del segnale ricevuto sono maggiori. Per lo stesso tipo di terreno e un maggiore contenuto di acqua, l'ampiezza e l'energia del segnale ricevuto sono più forti. Questo studio fornisce un metodo di monitoraggio fattibile per la costruzione di infrastrutture in aree con condizioni geologiche complesse, come il suolo ghiacciato del Qinghai-Tibet.

L'interazione tra l'ambiente del terreno ghiacciato e la costruzione ingegneristica è di grande importanza quando la costruzione a lungo termine viene eseguita in regioni a bassa temperatura, e anche i fattori che influenzano la resistenza del terreno ghiacciato1 sono di grande importanza. Da un punto di vista microscopico, la resistenza dello strato di terreno ghiacciato è composta da tre tipi di legami: legami molecolari (forze di van der Waals), legami strutturali e legami ghiaccio-cemento2, tra i quali i legami ghiaccio-cemento svolgono un ruolo dominante. Per quanto riguarda il meccanismo di rinforzo del terreno ghiacciato. Ting et al.3 hanno dedotto che nel terreno ghiacciato, il terreno agisce come un rinforzo nel ghiaccio, migliorando così la resistenza complessiva del terreno ghiacciato. La temperatura ambientale4, il tipo di suolo5 e il contenuto di acqua6 sono stati i primi fattori da considerare nello studio sulla resistenza del permafrost. Chamberlain et al.7 hanno condotto esperimenti di congelamento su sabbia satura e sabbia limosa e hanno scoperto che diversi tipi di terreno portavano a cambiamenti nella resistenza del terreno ghiacciato.

Nel processo di monitoraggio del cambiamento della resistenza del suolo ghiacciato, è necessario considerare le condizioni di base dell'ambiente del suolo ghiacciato e scegliere i metodi e i mezzi di monitoraggio corrispondenti. Durante il monitoraggio del contenuto di acqua del terreno ghiacciato: Zhang et al.8 hanno utilizzato il metodo della sonda a impulsi termici per misurare il contenuto di umidità dei terreni ghiacciati. Schwank et al.9 hanno utilizzato la tecnologia a microonde per monitorare l'umidità del suolo. Zhao et al.10 hanno utilizzato l'imaging passivo a microonde AMSR-E per monitorare il contenuto di umidità del suolo basato sulla tecnologia a microonde. Al fine di migliorare l'accuratezza del monitoraggio, Gao et al.11 hanno utilizzato gli algoritmi AMSR-E e AMSR2 per valutare le condizioni di congelamento e scongelamento del suolo, che hanno migliorato l'effetto del monitoraggio della resistenza del suolo ghiacciato. Quando hanno misurato le condizioni del terreno ghiacciato su una vasta area, Zhang et al.12 hanno utilizzato un satellite per monitorare e analizzare i cambiamenti del contenuto di acqua nel suolo, che potrebbe essere utilizzato per monitorare il contenuto di acqua nel suolo su una vasta area. Mavrovic et al.13 hanno utilizzato due diversi strumenti per misurare la costante dielettrica e hanno proposto che il miglioramento del modello dielettrico potrebbe migliorare notevolmente il vantaggio del rilevamento del congelamento-scongelamento satellitare.

La ceramica piezoelettrica viene promossa per l'uso in vari campi. I materiali piezoelettrici14 possono convertire direttamente l'energia meccanica in energia elettrica. Pertanto, il loro funzionamento e il loro principio sono molto semplici e ben compresi. Su questa base, i materiali ceramici piezoelettrici migliorati15 possono essere utilizzati in più applicazioni. Tseng et al.16 hanno descritto l'applicazione e lo sviluppo di ceramiche di piombo zirconato titanato (PZT). Schulz et al.17 hanno utilizzato patch piezoceramici per il monitoraggio e il controllo attivo per comprendere la salute delle strutture composite. Song et al.18 hanno utilizzato ceramiche piezoelettriche e reti di sensori wireless per monitorare lo stato delle pale delle turbine eoliche. Liu et al.19 hanno condotto uno studio esplorativo sul monitoraggio delle infiltrazioni di strutture in calcestruzzo utilizzando un aggregato ceramico piezoelettrico intelligente.