Испытание деформационных характеристик и механизм стержневого почвенного комплекса древостоя в тропических лесах

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 5732 (2023) Цитировать эту статью

346 Доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

В ходе этого исследования были проведены крупномасштабные испытания на одиночный сдвиг красной глины Хайкоу и стержневого корня древостоя, чтобы изучить эффект противодействия скольжению и характеристики деформации корней деревьев тропического леса при неглубоком оползне. Выявлены закон деформации корней и механизм взаимодействия корня с почвой. Результаты показали значительное усиливающее влияние корней деревьев на прочность на сдвиг и пластичность почвы, которые увеличивались с уменьшением нормального напряжения. Механизм укрепления почвы корнями деревьев был объяснен их эффектами трения и удержания посредством анализа движения частиц почвы и характера деформации корней во время процесса сдвига. Корневую морфологию беседок при разрушении при сдвиге можно описать с помощью экспоненциальной функции. Следовательно, была предложена усовершенствованная модель Ву, которая лучше отражала напряженное состояние и деформацию корней, основанную на концепции суперпозиции сегментов кривой. Считается, что полученные результаты создают надежную экспериментальную и теоретическую основу для углубленного изучения влияния консолидации почвы и сопротивления скольжению корней деревьев, а также закладывают основу для защиты склонов корнями деревьев.

С развитием национальной экономики множество инфраструктурных сооружений серьезно повлияли на окружающую среду. В результате искусственной вырубки склонов образовалось несколько искусственных склонов, что усугубило эрозию почвы и нанесло серьезный ущерб экологической среде. Традиционная технология защиты склонов в основном использует для укрепления железобетон; однако он дорог, имеет сложный процесс строительства, плохую долговечность и однообразный ландшафтный эффект. Экологическая защита склонов – это комплексная технология защиты склонов, включающая только растения или сочетание техники и растений, которая может помочь в реализации как инженерного строительства, так и экологической защиты. Следовательно, он стал центром исследований многих ученых со всего мира.

В последние годы ученые провели несколько исследований влияния корней растений на уплотнение почвы. Испытания в помещении или в полевых условиях подтвердили способность корней растений значительно улучшать прочность на сдвиг и пластичность почвы1,2,3,4,5,6,7,8,9. Результаты этих исследований показали, что естественные свойства корней значительно влияют на эффект консолидации почвы, такие как их вид10,11,12,13,14,15, возраст роста16,17,18,19 и морфология корней20,21,22. 23,24. В целом было обнаружено, что содержание корней положительно коррелирует с прочностью на сдвиг комплекса корней и почвы25,26,27,28, в то время как Yang et al.29, Li et al.30, Liao et al.31 и Wang и др.32 в ходе испытаний обнаружили, что существует оптимальное содержание корней для их укрепляющего воздействия на почву. Кроме того, Дэн и др.33, Гай и др.34 и Фэн и др.35 показали, что распределение и расположение корней также существенно влияют на эффект консолидации почвы. Большинство исследований в основном сосредоточено на уплотнении почвы травами и кустарниками; однако исследования крупномасштабных испытаний корней деревьев на сдвиг скудны. Более того, из-за ограниченности экспериментальных приборов и методов обнаружения сообщения о морфологических характеристиках корней и механизме взаимодействия корней с почвой редки. Вэнь и др.36 и Чжао и др.37 провели крупномасштабное испытание на прямой сдвиг комплекса корней и почвы с различными методами распределения корней на примере стержневого корня каучукового дерева Хайкоу. Деформация корня осуществлялась путем соединения с корнем высокопрочного волокна ПВХ; однако испытание привело к искусственному созданию поверхности разрушения при сдвиге, которая не смогла по-настоящему отразить сдвиговую деформацию почвы и корня в процессе сдвига.

Чтобы изучить теорию и механизм консолидации почвы корнями, Уолдрон38, Ву и др.39, а также Грей и Охаши40 совместно разработали модель консолидации корней и почвы (модель Ву), основанную на теории прочности Мора-Кулона. Однако эта модель предполагала, что все корни были удалены одновременно, что в целом приводило к большей прочности на сдвиг. Поллен и Саймон41 построили модель пучка волокон (FBM) для описания консолидации корней. В его основе лежало прогрессирующее разрушение корней в процессе сдвига почвы. Хотя результаты расчетов были ближе к испытанию на прямой сдвиг, чем к модели Ву, распределение силы корня определялось в соответствии с вероятностью полевых измерений, что не считалось надежным. Суй и Йи42 использовали механику разрушения и функциональные принципы для создания механической модели консолидации корневой почвы. Результаты испытаний на прямой сдвиг показали высокую точность расчета; однако ключевые параметры трещиностойкости в модели были связаны как с диаметром корня, так и с возрастом роста. Более того, модель все еще нуждается в дальнейшей проверке и совершенствовании. Все вышеперечисленные типичные механические модели консолидации корневой почвы были направлены на разрушение и разрушение корней трав; однако существует острая необходимость изучения модели армирования почвы корнями деревьев.