Test delle caratteristiche di deformazione e meccanismo del complesso del terreno a fittone pergolato nelle foreste pluviali

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 5732 (2023) Citare questo articolo

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Questo studio ha eseguito prove di taglio singole su larga scala sull'argilla rossa di Haikou e sul fittone del pergolato per esplorare l'effetto anti-scivolo e le caratteristiche di deformazione delle radici del pergolato della foresta pluviale sotto una frana poco profonda. Sono state rivelate la legge della deformazione delle radici e il meccanismo di interazione radice-suolo. I risultati hanno indicato il significativo effetto rinforzante delle radici del pergolato sulla resistenza al taglio e sulla duttilità del terreno, che aumenta con la diminuzione dello stress normale. Il meccanismo di rinforzo del suolo delle radici del pergolato è stato attribuito ai loro effetti di attrito e ritenzione attraverso un'analisi del movimento delle particelle di terreno e del modello di deformazione delle radici durante il processo di taglio. La morfologia delle radici degli alberi sottoposti a rottura a taglio potrebbe essere descritta utilizzando una funzione esponenziale. Di conseguenza, è stato proposto un modello Wu avanzato che riflette meglio lo stato di stress e la deformazione delle radici basato sul concetto di sovrapposizione dei segmenti di curva. Si ritiene che i risultati costituiscano una base sperimentale e teorica affidabile per lo studio approfondito del consolidamento del suolo e degli effetti di resistenza allo scorrimento delle radici del pergolato, e gettino inoltre le basi per la protezione del pendio da parte delle radici del pergolato.

Con lo sviluppo dell’economia nazionale, la moltitudine di costruzioni di infrastrutture ha gravemente colpito l’ambiente. Il taglio artificiale dei pendii ha prodotto diversi pendii artificiali, che hanno esacerbato l'erosione del suolo e causato gravi danni all'ambiente ecologico. L'ingegneria tradizionale per la protezione dei pendii adotta per lo più i cementi armati per il rinforzo; tuttavia, è costoso con un processo di costruzione complesso, scarsa durabilità e un effetto paesaggistico monotono. La protezione ecologica dei pendii è una tecnologia completa per la protezione dei pendii, che coinvolge solo gli impianti o la combinazione di ingegneria e impianti, che può aiutare nella realizzazione sia della costruzione ingegneristica che della protezione ecologica. Di conseguenza, è diventato un punto caldo di ricerca di numerosi studiosi in tutto il mondo.

Negli ultimi anni gli studiosi hanno condotto diversi studi sull’effetto di consolidamento del suolo esercitato dalle radici delle piante. Test indoor o sul campo hanno confermato la capacità delle radici delle piante di migliorare significativamente la resistenza al taglio e la duttilità del terreno1,2,3,4,5,6,7,8,9. Questi risultati della ricerca hanno dimostrato che gli attributi naturali delle radici influenzano notevolmente l'effetto di consolidamento del suolo, come la loro specie10,11,12,13,14,15, l'età di crescita16,17,18,19 e la morfologia delle radici20,21,22, 23,24. In generale, è stato riscontrato che il contenuto delle radici era correlato positivamente con la resistenza al taglio del complesso radice-terreno25,26,27,28, mentre Yang et al.29, Li et al.30, Liao et al.31 e Wang et al.32 hanno scoperto attraverso i test che c'era un contenuto ottimale di radici per il loro effetto rinforzante sul suolo. Inoltre, Deng et al.33, Gai et al.34 e Feng et al.35 hanno rivelato che anche la distribuzione e la posizione delle radici hanno influenzato significativamente l’effetto di consolidamento del suolo. La maggior parte degli studi si sono concentrati principalmente sul consolidamento del suolo da parte di erbe e arbusti; tuttavia, gli studi sulle prove di taglio su larga scala delle radici del pergolato sono scarsi. Inoltre, limitati da strumenti sperimentali e metodi di rilevamento, i rapporti sulle caratteristiche morfologiche delle radici e sul meccanismo di interazione radice-suolo sono rari. Wen et al.36 e Zhao et al.37 hanno condotto un test di taglio diretto su larga scala del complesso radice-terreno con diversi metodi di distribuzione delle radici nel caso di un fittone dell'albero della gomma Haikou. La deformazione della radice è stata realizzata collegando la fibra in PVC ad alta resistenza con la radice; tuttavia, il test ha prodotto un assetto artificiale della superficie di rottura a taglio, che non è stata in grado di riflettere realmente la deformazione di taglio del suolo e della radice nel processo di taglio.

Per esplorare la teoria e il meccanismo delle radici che consolidano il suolo, Waldron38, Wu et al.39, Gray e Ohashi40 hanno stabilito congiuntamente il modello di consolidamento radice-suolo (modello Wu) basato sulla teoria della forza di Mohr-Coulomb. Tuttavia, questo modello presupponeva che tutte le radici venissero staccate simultaneamente, con conseguente resistenza al taglio generalmente maggiore. Pollen e Simon41 hanno costruito un modello di fascio di fibre (FBM) per descrivere il consolidamento delle radici. Si basava sulla progressiva frattura delle radici durante il processo di tosatura del terreno. Sebbene i risultati del calcolo fossero più vicini alla prova di taglio diretto rispetto al modello Wu, la distribuzione della resistenza della radice è stata determinata in base alla probabilità delle misurazioni sul campo, che non è stata considerata affidabile. Sui e Yi42 hanno adottato la meccanica della frattura e i principi funzionali per costruire un modello meccanico di consolidamento del terreno radicale. I risultati dei dati della prova di taglio diretto hanno indicato un'elevata precisione di calcolo; tuttavia, i parametri chiave di tenacità alla frattura nel modello erano correlati sia al diametro della radice che all'età di crescita. Inoltre, il modello necessita ancora di essere ulteriormente validato e migliorato. I modelli meccanici tipici di consolidamento del terreno radicale sopra menzionati erano tutti mirati alla frattura e al cedimento delle radici delle erbe; tuttavia è urgente studiare il modello delle radici arboree che rinforzano il suolo.