Test der Verformungseigenschaften und Mechanismus des Pfahlwurzel-Bodenkomplexes in Regenwäldern

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 5732 (2023) Diesen Artikel zitieren

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In dieser Studie wurden groß angelegte Einzelschertests an rotem Ton und Pfahlwurzeln von Haikou durchgeführt, um die Anti-Rutsch-Wirkung und die Verformungseigenschaften von Wurzeln von Lauben im Regenwald unter einem flachen Erdrutsch zu untersuchen. Das Gesetz der Wurzelverformung und der Mechanismus der Wurzel-Boden-Wechselwirkung wurden enthüllt. Die Ergebnisse zeigten die signifikante verstärkende Wirkung von Laubenwurzeln auf die Scherfestigkeit und Duktilität des Bodens, die mit der Abnahme der Normalspannung zunahm. Der Bodenverstärkungsmechanismus von Laubenwurzeln wurde durch eine Analyse der Bewegung von Bodenpartikeln und des Verformungsmusters der Wurzeln während des Schervorgangs auf ihre Reibungs- und Haltewirkung zurückgeführt. Die Wurzelmorphologie von Dornen bei Scherversagen könnte mithilfe einer Exponentialfunktion beschrieben werden. Folglich wurde ein erweitertes Wu-Modell vorgeschlagen, das den Spannungszustand und die Verformung von Wurzeln besser widerspiegelt und auf dem Konzept der Kurvensegmentüberlagerung basiert. Man geht davon aus, dass die Ergebnisse eine verlässliche experimentelle und theoretische Grundlage für die eingehende Untersuchung der Bodenverfestigungs- und Gleitwiderstandseffekte von Laubenwurzeln darstellen und darüber hinaus eine Grundlage für den Hangschutz durch Laubenwurzeln legen.

Mit der Entwicklung der Volkswirtschaft hat die Vielzahl der Infrastrukturbauten erhebliche Auswirkungen auf die Umwelt. Durch die künstliche Böschungsbearbeitung sind mehrere künstliche Böschungen entstanden, die die Bodenerosion verstärkt und schwere Schäden an der ökologischen Umwelt verursacht haben. Bei der traditionellen Technik zur Hangsicherung wird zur Verstärkung meist Stahlbeton eingesetzt; Allerdings ist es teuer, da es sich um einen komplexen Bauprozess, eine geringe Haltbarkeit und einen eintönigen Landschaftseffekt handelt. Der ökologische Hangschutz ist eine umfassende Technologie zum Hangschutz, die nur Pflanzen oder eine Kombination aus Technik und Pflanzen umfasst und bei der Verwirklichung sowohl des Ingenieurbaus als auch des Umweltschutzes helfen kann. Dadurch ist es zum Forschungs-Hotspot zahlreicher Wissenschaftler weltweit geworden.

In den letzten Jahren haben Wissenschaftler mehrere Studien zur Bodenverfestigungswirkung von Pflanzenwurzeln durchgeführt. Tests in Innenräumen oder auf dem Feld haben die Fähigkeit von Pflanzenwurzeln bestätigt, die Scherfestigkeit und Duktilität des Bodens deutlich zu verbessern1,2,3,4,5,6,7,8,9. Diese Forschungsergebnisse haben gezeigt, dass die natürlichen Eigenschaften der Wurzeln den Bodenverfestigungseffekt erheblich beeinflussen, wie z. B. ihre Art10,11,12,13,14,15, ihr Wachstumsalter16,17,18,19 und ihre Wurzelmorphologie20,21,22. 23,24. Im Allgemeinen wurde festgestellt, dass der Wurzelgehalt positiv mit der Scherfestigkeit des Wurzel-Boden-Komplexes korreliert25,26,27,28, während Yang et al.29, Li et al.30, Liao et al.31 und Wang et al.32 fanden durch Tests heraus, dass es einen optimalen Wurzelgehalt für ihre stärkende Wirkung auf den Boden gab. Darüber hinaus zeigten Deng et al.33, Gai et al.34 und Feng et al.35, dass die Verteilung und Lage der Wurzeln auch den Bodenverfestigungseffekt maßgeblich beeinflusste. Die meisten Studien haben sich hauptsächlich auf die Bodenverfestigung durch Kräuter und Sträucher konzentriert; Studien zu groß angelegten Schertests an Laubwurzeln sind jedoch rar. Darüber hinaus sind Berichte über die morphologischen Eigenschaften von Wurzeln und den Mechanismus der Wurzel-Boden-Wechselwirkung aufgrund experimenteller Instrumente und Nachweismethoden selten. Wen et al.36 und Zhao et al.37 führten im Fall einer Haikou-Gummibaum-Pfahlwurzel einen groß angelegten direkten Schertest des Wurzel-Boden-Komplexes mit verschiedenen Wurzelverteilungsmethoden durch. Die Wurzelverformung wurde durch die Verbindung hochfester PVC-Fasern mit der Wurzel realisiert; Der Test führte jedoch zu einer künstlichen Einstellung der Scherversagensoberfläche, die die Scherverformung von Boden und Wurzeln beim Scherprozess nicht wirklich widerspiegeln konnte.

Um die Theorie und den Mechanismus der Bodenverfestigung durch Wurzeln zu untersuchen, haben Waldron38, Wu et al.39 sowie Gray und Ohashi40 gemeinsam das Wurzel-Boden-Verfestigungsmodell (Wu-Modell) entwickelt, das auf der Mohr-Coulomb-Festigkeitstheorie basiert. Dieses Modell ging jedoch davon aus, dass alle Wurzeln gleichzeitig abgezogen wurden, was im Allgemeinen zu einer größeren Scherfestigkeit führte. Pollen und Simon41 konstruierten ein Faserbündelmodell (FBM) zur Beschreibung der Wurzelkonsolidierung. Es basierte auf dem fortschreitenden Bruch der Wurzeln während der Bodenscherung. Obwohl die Berechnungsergebnisse näher am direkten Schertest als am Wu-Modell lagen, wurde die Wurzelfestigkeitsverteilung anhand der Wahrscheinlichkeit von Feldmessungen bestimmt, was nicht als zuverlässig angesehen wurde. Sui und Yi42 nutzten Bruchmechanik und Funktionsprinzipien, um ein mechanisches Modell der Wurzelbodenkonsolidierung zu erstellen. Die Ergebnisse der direkten Schertestdaten zeigten eine hohe Berechnungsgenauigkeit; Die wichtigsten Bruchzähigkeitsparameter im Modell hingen jedoch sowohl vom Wurzeldurchmesser als auch vom Wachstumsalter ab. Darüber hinaus muss das Modell noch weiter validiert und verbessert werden. Die oben genannten typischen mechanischen Modelle der Wurzelbodenverfestigung zielten alle auf den Bruch und das Versagen von Kräuterwurzeln ab; Es besteht jedoch dringender Bedarf, das Modell der Bodenverstärkung durch Laubenwurzeln zu untersuchen.

Unter Berücksichtigung der weit verbreiteten Laubwurzeln und des roten Tons in Hainan als Forschungsobjekt führte diese Studie einen groß angelegten Schertest am Wurzel-Boden-Komplex durch. Die Anti-Rutsch-Wirkung von Wurzeln auf dem Boden und das Gesetz der Wurzelverformung wurden aufgedeckt und der Mechanismus der Wurzel-Boden-Wechselwirkung untersucht. Infolgedessen wurde das Wu-Modell basierend auf der Morphologie und den Belastungen der Wurzeln verbessert. Es wird erwartet, dass die Forschungsergebnisse eine wichtige Rolle bei der Prävention und Kontrolle geologischer Katastrophen bei häufigem Taifun- und Regenwetter in der Provinz Hainan spielen werden. Darüber hinaus können sie die Priorisierung von Vegetationstypen bei der ökologischen Behandlung sowie Hangschutz- und Verstärkungsmaßnahmen nach der Bepflanzung steuern.

Das verwendete Testgerät umfasste ein selbst entworfenes großes Einzelschergerät für den Wurzel-Boden-Komplex43, wie in Abb. 1 dargestellt. Es bestand aus sechs Teilen: Reaktionsrahmen, Scherstapelkasten, vertikales Belastungssystem, horizontales Belastungssystem, Scherverschiebungsmessung System und Wurzelverformungsmesssystem. Die Scherstapelbox bestand aus 13 Lagen quadratischer Stapelringe mit einem Innendurchmesser von 40 × 40 cm und einer Höhe von 4 cm. Zur Reduzierung der Reibung wurde zwischen den Stapelkästen eine Nadel mit 1 mm Durchmesser eingebaut. Der oberste Stapelkasten wurde über die Schraube und den Reaktionsrahmen horizontal begrenzt. Darüber hinaus wurde der untere Stapelkasten mit 9 Löchern versehen, um die Wurzeln auf unterschiedliche Positionen zu beschränken, und 4 Rollen wurden angeschweißt, um die Reibung zu reduzieren. Darüber hinaus umfasste das Spannungsmessgerät einen MCK-S-Zweikanal-Controller und einen JLBU-1-Speichen-Zugdrucksensor (Zhongwan Jinnao) mit einer umfassenden Messgenauigkeit von 0,05 %. Sie wurden zur Überwachung des Normaldrucks bzw. des horizontalen Schubs verwendet, wobei der horizontale Schub auf die unteren drei Schichten gestapelter Kisten einwirkte, um zehn mögliche Gleitflächen zu bilden. Darüber hinaus wurde die Scherverschiebung jeder Stapelbox mit einem Klebelineal und einem Edelstahlhobel gemessen. Darüber hinaus umfasste das Wurzelverformungsmesssystem ein Messseil und ein Messlineal.

Großer einzelner Scherapparat für Wurzel-Boden-Komplexe.

Hainan liegt am Rande der Tropen und erlebt ein tropisches Monsun-Seeklima. Es ist hohen Temperaturen und Regen, starken Witterungseinflüssen wie Taifunen und starken Regenfällen ausgesetzt und anfällig für Erdrutsche. Die Testbodenprobe wurde an einem Hang in der Stadt Guilin Yang, Bezirk Meilan, Stadt Haikou, entnommen. Es handelte sich um ziegelroten Ton, wie in Abb. 2 dargestellt. In einer Tiefe von 1,5–2 m war der Boden gleichmäßig, mit der Kornverteilungskurve wie in Abb. 3 dargestellt. Die grundlegenden physikalischen Eigenschaften sind in Tabelle 1 aufgeführt. Banyan ist eine repräsentative Laube im tropischen Regenwaldgebiet von Hainan mit langer Lebensdauer, schneller Wachstumsrate, gut entwickeltem Wurzelsystem, guter Windbeständigkeit und Anpassungsfähigkeit an die Umwelt und ein gutes Beispiel für die Förderung des Vegetationsmanagements. Alle für den Test benötigten Wurzeln wurden durch angemessene Feldsammlung gewonnen und waren gleichmäßig dick, mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 22 mm und einer Länge von etwa 56 cm.

Bodenprobe testen.

Summenkurve der Partikelabstufung.

Das Experiment umfasste einzelne Schertests von einfachem Boden und Bodenkomplexen mit drei parallelen Wurzeln. Der Wassergehalt des roten Tons wurde auf 31 % festgelegt, die Trockendichte betrug 1,06 g/cm3. Die Anordnung des Wurzelsystems ist in Abb. 4 dargestellt (der schattierte Teil in der Abbildung zeigt die Position des Wurzelsystems an). Vor der Versuchsdurchführung wurde die Bodenprobe entsprechend dem voreingestellten Wassergehalt aufbereitet und einen Tag und eine Nacht ruhen lassen. Darüber hinaus wurde das Wurzelsystem vor dem Einfüllen der Bodenprobe parallel durch die Lochpositionen des unteren Stapelkastens in die Einzelschervorrichtung geführt. Anschließend wurde die Bodenprobe sechsmal gefüllt und verdichtet. Anschließend wurden die Proben mit einem Schabermesser aus den Lagenzwischenräumen herausgeschabt, wobei die Messseile in den Lücken zwischen den Stapelboxen Nr. 1–2, 3–4, 5–6, 7–8 und 9 am Wurzelsystem festgebunden wurden –10, wie in Abb. 5 dargestellt. Es wurde sichergestellt, dass das Wurzelsystem während des Füllvorgangs der Probe immer vertikal war. Darüber hinaus wurden die Tests durchgeführt, nachdem alle Bodenproben eingefüllt und 12 Stunden lang ruhen gelassen wurden.

Anordnung des Wurzelsystems.

Anordnung der Messseile.

Unter Berücksichtigung des Spannungszustands bei der tatsächlichen Eindringtiefe der Wurzeln wurde die Normalspannung auf 20, 40 bzw. 60 kPa eingestellt. Nach der Druckbeaufschlagung nach 1, 2, 5, 10, 20, 30 und 60 Minuten usw. wird der Wert der vertikalen Verformung bis zur Stabilität gemessen. Der Stabilitätsstandard für die Probenverformung beträgt nicht mehr als 0,03 mm pro Stunde. Anschließend wurde der manuelle Schertest gestartet und die horizontale Belastungsgeschwindigkeit auf 1/8 Kreis/Zeit geregelt. Nach jeder Belastungsstufe wurden die vertikale Bodenverformung, die horizontale Verschiebung der 11-lagigen Stapelkästen, die Wurzelverformung und der horizontale Schub erfasst. Der gesamte Test dauerte etwa 2 Stunden, als die Verschiebung 60 mm erreichte. Gemäß der Norm für geotechnische Prüfverfahren44 wurde als Scherfestigkeit die Scherkraft bei Spannungsspitze oder einer Verschiebung von 40 mm (10 % der Stapelkastenlänge) berücksichtigt. Infolgedessen entstand die Gradientenoberfläche während des Scherversagens, wie in Abb. 6 dargestellt.

Probe nach einmaligem Scherversagen.

Abbildung 7 zeigt die Beziehungskurve zwischen den Scherspannungen und Scherverschiebungen von ebenem Boden und Bodenkomplex mit drei parallelen Wurzeln unter unterschiedlichen Normalspannungen. Als Wurzelboden wurde hier der Bodenkomplex mit drei parallelen Wurzeln bezeichnet.

Beziehungskurve zwischen Schubspannungen und Schubverschiebungen.

Wie aus Abb. 7 hervorgeht, stiegen sowohl die Scherspannungen von Flach- als auch von Wurzelböden mit der Zunahme ihrer Scherverschiebungen und beide wiesen die Merkmale des Kaltverfestigungstyps auf. Dies lag daran, dass es bei Einzelscherung keine künstlich festgelegte Scherversagensfläche gab. Die gescherte Bodenprobe erfuhr einen allmählichen Versagensprozess und die Scherfestigkeit des Wurzelbodens war größer als die der Bodenprobe selbst. Darüber hinaus trat das Scherversagen häufig innerhalb eines bestimmten Bereichs des Bodens auf; Daher wuchs die Scherspannung mit zunehmender Scherverschiebung. Darüber hinaus war die Scherspannung des Wurzelbodens bei gleichem Normalspannungszustand deutlich höher als die des einfachen Bodens, was darauf hindeutet, dass die Laubwurzeln die Scherfestigkeit des Bodens deutlich verbesserten und zu seiner Verfestigung führten.

Die verstärkende Wirkung des Wurzelsystems am Hang wurde anhand des Wurzelgehalts im Boden analysiert. Die Berechnungsformel des Wurzelflächenverhältnisses45 lautet:

Dabei ist RAR das Wurzelflächenverhältnis (%), Ar die Summe der Querschnittsflächen aller Wurzeln, As die Querschnittsfläche der Probe, di der Durchmesser einer einzelnen Wurzel, l und b die Länge und Breite des einzelnen Scherapparats, und n ist die Anzahl der Wurzeln.

Das Wu-Modell29,30,31 geht davon aus, dass sich die verstärkende Wirkung von Pflanzenwurzeln auf den Boden hauptsächlich in der Erhöhung der Kohäsion widerspiegelt, während der Einfluss auf den inneren Reibungswinkel minimal ist. Gemäß dieser Berechnung sind die Scherfestigkeitsindizes von Flach- und Wurzelböden in Tabelle 2 aufgeführt, und die Scherfestigkeitskurve ist in Abb. 8 dargestellt. Wie ersichtlich, war die Kohäsion von Wurzelböden (RAR = 0,71 %) deutlich höher als der von einfachem Boden und erreicht 51,58 %.

Scherfestigkeitskurve.

Nach Sortierung des Scherfestigkeitswachstums unter jedem Normalspannungszustand, wie in Abb. 9 dargestellt, wurde festgestellt, dass das Scherfestigkeitswachstum gemäß dem Potenzgesetz mit zunehmender Normalspannung abnimmt. Bei einem Anstieg der Normalspannung von 20 auf 60 kPa verringerte sich der Scherfestigkeitszuwachs von 25,3 auf 10,2 %. Darüber hinaus war im Falle eines flachen Erdrutschs der Bodenverfestigungseffekt des Wurzelsystems offensichtlich. Allerdings nahm mit zunehmender Tiefe auch die Scherfestigkeit des Bodens aufgrund der Eigengewichtsverfestigung zu, wohingegen die stärkende Wirkung des Wurzelsystems auf den Boden allmählich abnahm.

Wachstumskurve der Scherfestigkeit.

Für eine Scherverschiebung von 4 cm sind die Scherverformungsmuster von Boden- und Wurzelbodenproben, die unter verschiedenen Normalspannungen erhalten wurden, wie in Abb. 10 dargestellt.

Schubverformungsmuster jeder Stapelbox.

Wie ersichtlich, erreichte die Schubverschiebung dort ihr Maximum, wo die Schubspannung ihre Wirkung entfaltete. Darüber hinaus verringerte sich die Scherverschiebung mit zunehmendem Abstand von der wirkenden Oberfläche der Scherspannung. Unter gleicher Normalspannung waren die Scherverformungen in verschiedenen Höhen der Wurzelbodenprobe alle deutlich geringer als die des ebenen Bodens. Der Unterschied zwischen ihnen nahm jedoch mit zunehmender Normalspannung allmählich ab, was darauf hindeutet, dass die Anti-Rutsch-Wirkung des Wurzelsystems auf den Boden mit zunehmender Normalspannung allmählich abnahm.

Tabelle 3 listet die Schubverschiebungen des unteren Stapelkastens unter Einwirkung typischer Normal- und Scherspannungen im Scherprozess aus Abb. 7 auf. Die Scherverformung des Wurzelbodens war im Allgemeinen um 37,5 % geringer als die des ebenen Bodens. Dies zeigte die Fähigkeit der Laubenwurzeln, die Fähigkeit des Hangs, Verformungen zu widerstehen und das Auftreten von Erdrutschen zu verzögern, wirksam zu verbessern.

Die Wurzelverformung beim Scheren ist entscheidend für die Konsolidierungsleistung des Bodens. Dies ist die Voraussetzung für die Untersuchung des Mechanismus der Wurzel-Boden-Wechselwirkung. Da die Schubverformungsmuster der Wurzeln Nr. 1, 2 und 3 gleich waren, zeigt Abb. 11 nur die Ergebnisse der Wurzel Nr. 1 unter unterschiedlichen Normalspannungen.

Wurzelverformungen beim Scheren unter verschiedenen Normalspannungen (Wurzel Nr. 1).

Es ist ersichtlich, dass die Wurzelverformung mit der Zunahme der Scherverschiebung allmählich zunahm und die Wurzelmorphologie allmählich von einer geraden Linie zu einer Kurve wechselte. Bei einer Scherspannung τ = 15 kPa nahm die Wurzelverformung mit zunehmender Normalspannung allmählich ab. Als die Normalspannung von 20 auf 60 kPa anstieg, verringerte sich der Wurzelverformungswinkel um 82 %, wie in Abb. 12 dargestellt. Dies bestätigte, dass der hohe Spannungszustand nicht dazu beitrug, den bodenhaltenden Effekt des Wurzelsystems hervorzurufen.

Wurzelverformungen unter verschiedenen Normalspannungen bei τ = 15 kPa (Wurzel Nr.3).

Abbildung 13 zeigt die Wurzelverformungsmuster unter verschiedenen Normalspannungszuständen, wenn die Scherverschiebung 4 cm betrug (Wurzel Nr. 1). Wie offensichtlich war, war die Wurzelmorphologie im Scherversagenszustand eine konvexe Kurve, die durch \(y = y_{0} + A \cdot \exp (x/t)\) beschrieben werden konnte. Die konvexe Verformung der Wurzeln nahm mit dem Wachstum unter normalem Stress allmählich von unten nach oben zu, was darauf hindeutet, dass die bodenhaltende Wirkung des oberen Teils des Wurzelsystems mit zunehmendem normalen Stress immer deutlicher hervortrat. Im Test wurde die Unterseite des Wurzelsystems in horizontaler Richtung eingeschränkt, während die Oberseite durch den um die Wurzel herum vorhandenen Boden beeinflusst wurde. Mit der Erhöhung der Normalspannung nahm die Scherspannung zu und die Bewegung der Bodenpartikel in der Stapelbox verstärkte sich. Aufgrund der bodenrückhaltenden Wirkung der Unterseite der Baumwurzeln wurde die Aufwärtsbewegung der Bodenpartikel verstärkt; Daher trat die unterschiedliche Verformung des oberen Wurzelsystems allmählich hervor.

Wurzelverformungen von Schubversagen unter verschiedenen Normalspannungen (Wurzel Nr.1).

Basierend auf den Ergebnissen der normalen und horizontalen Belastungstests wurden die Einflüsse der Bodenpartikelbewegung und der Wurzelverformung auf die Anti-Rutsch-Wirkung untersucht, um den Mechanismus der Wurzel-Boden-Wechselwirkung aufzudecken.

Abbildung 14 zeigt die Setzungsmuster von Flach- und Wurzelbodenproben bei normaler Belastung. Es ist ersichtlich, dass es sich bei der Setzungsverformung unter verschiedenen Normalspannungen in erster Linie um eine augenblickliche Setzung handelte, die im Wesentlichen dazu neigte, sich innerhalb von 30 Minuten zu stabilisieren. Unter dem gleichen Normalstresszustand war die stabile Setzung von Flachboden größer als die von Wurzelboden; Allerdings verringerte sich der Abstand zwischen ihnen mit zunehmender Normalspannung allmählich, wie in Abb. 15 dargestellt. Dies lag daran, dass das Vorhandensein von Baumwurzeln die Gesamtsteifigkeit des Bodens erhöhte und seine Drucktragfähigkeit verbesserte.

Mit der Zeit variierende Setzungskurven unter unterschiedlichen Normalspannungen.

Beziehungskurve zwischen stabilen Setzungen und Normalspannungen von Flach- und Wurzelböden.

Abbildung 16 zeigt die normalen Verformungsmuster verschiedener Teile auf der Oberfläche von Flach- und Wurzelböden während der Scherung. Die Bodenpartikel zeigten zwei Bewegungszustände: Translation und Rotation. Unter der Wirkung des horizontalen Schubs bewegten sich die Bodenpartikel an der Rückseite des Stapelkastens nach vorne, und die an der Vorderseite sammelten sich aufgrund von Randbedingungen unter der Förderung horizontaler Scherspannungen und der Anwesenheit von Bodenpartikeln an der Rückseite an. Mit der allmählichen Zunahme der Scherspannung bewegten sich die Bodenpartikel an der Vorderseite zwangsläufig nach oben, nachdem sie sich gegenseitig zusammengedrückt und gerollt hatten, wodurch das Phänomen entstand, dass sie vorne höher und hinten niedriger waren.

Beziehungskurve zwischen Normalverformung und Scherverschiebung an verschiedenen Teilen.

Abbildung 17 zeigt die Beziehungskurve zwischen den Durchschnittswerten der Normalverformungen und den Scherverschiebungen von Flach- und Wurzelböden unter verschiedenen Normalspannungen während des Schervorgangs. Es ist offensichtlich, dass ebener Boden unter der gemeinsamen Wirkung von Normal- und Horizontalkräften einen Scherschrumpfungseffekt zeigte, der sich mit zunehmender Normalspannung verstärkte. Für σn = 20 oder 40 kPa wurde der Scherausdehnungseffekt beobachtet, während für σn = 60 kPa der Scherschrumpfungseffekt auftrat. Bei einer Scherverschiebung von 4 cm lag die Setzung des Wurzelbodens unter der von normalem Boden, und der Abstand zwischen diesen verringerte sich mit zunehmender Normalspannung allmählich, wie in Abb. 18 dargestellt. Dies deutete darauf hin, dass das Vorhandensein von Wurzeln förderlich war Der Boden widerstand Schersetzungen, und der Effekt war im Zustand geringer Spannung signifikanter.

Beziehungskurve zwischen den Durchschnittswerten der Normalverformungen und den Scherverschiebungen von Flach- und Wurzelböden.

Beziehungskurve zwischen den Durchschnittswerten der Normalverformungen und den Normalspannungen von Flach- und Wurzelböden (Scherverschiebung von 4 cm).

Da der Einzelschertest nicht auf die Scherversagensoberfläche beschränkt war, gab es bestimmte Bewegungen der Bodenpartikel an der Scheroberfläche und im Inneren der Bodenproben wie folgt: Translation und Rotation. Bei glattem Boden bewegten sich die Bodenpartikel hauptsächlich unter der Wirkung der Scherbeanspruchung frei, und die Poren innerhalb der Bodenprobe wurden effektiv komprimiert, was zu einem Scherschrumpfungseffekt führte. Im Gegensatz dazu war beim Wurzelboden das Wurzelsystem einer Biegeverformung unter Scherung ausgesetzt. Es zeigte vorne bzw. hinten die Spannungszustände Zug und Druck, was zu Reibungs- und Schubwirkungen auf die Bodenpartikel führte, wie in Abb. 19a,b dargestellt. Wenn sich die Bodenpartikel beim Schervorgang in die Nähe des Wurzelsystems bewegten, fungierte dieses als Bodenhaltebarriere, die die Bewegung der Bodenpartikel einschränkte und sie zur Rotation zwang. Bei geringer Normalspannung war die Beschränkung der Wurzelreibung auf die Rotation der Bodenpartikel begrenzt; daher zeigte ihre Aufwärtsbewegung den Effekt einer Scherexpansion. Unter hoher Normalspannung, mit zunehmender Wurzelverformung und maximaler Scherspannung, schränkte die Wurzelreibung jedoch effektiv die Rotation der Bodenpartikel um die Wurzel ein und zwang sie, durch die Wurzelspalte zu gelangen, was zum Phänomen des „Fließens“ führte um". Folglich wurde die Kompression und Verdichtung des Bodens aufgrund des Scherschrumpfungseffekts beobachtet.

Bewegungsdiagramm von Bodenpartikeln.

Der Kern der Wechselwirkung zwischen Laubwurzeln und Boden liegt also in der Bewegung von Bodenpartikeln und der Verformung von Wurzeln. Unter der gemeinsamen Wirkung normaler und horizontaler Kräfte förderten die hinteren Bodenpartikel die Wurzelverformung und Bewegung der vorderen Bodenpartikel, während die Wurzel auf die hinteren Bodenpartikel reagierte und dabei Reibungs- und Halteeffekte zeigte. Wenn darüber hinaus der Verfestigungseffekt am Ende des Wurzelsystems unzureichend war, beeinflusste die Anti-Biege-Fähigkeit des Wurzelsystems die Anti-Rutsch-Wirkung auf den Boden erheblich.

Das Wu-Modell ist das erste mechanische Modell, das den Bodenverfestigungseffekt von Pflanzenwurzeln vorschlägt, der zur Berechnung des Beitrags von Pflanzenwurzeln zur Scherfestigkeit des Bodens verwendet werden kann. Aufgrund seines klaren Prinzips und der einfachen Berechnung bleibt es das am häufigsten verwendete Modell zur Bewertung der Bodenverfestigung durch Wurzeln. Seine mechanischen Gleichungen lauten wie folgt:

Dabei ist τr die Scherfestigkeit, σn die Normalspannung, φ der innere Reibungswinkel des einfachen Bodens, c die Kohäsion des einfachen Bodens, Δc der vom Wurzelsystem bereitgestellte Scherwiderstand und Tri die maximale Zugfestigkeit des einzelnen Bodens Wurzel, RARi ist das Wurzelflächenverhältnis einer einzelnen Wurzel, θ ist der Versatzwinkel des Wurzelsystems nach der Scherung und k ist der Beitragskoeffizient der Wurzelverstärkung, der zur Bewertung der Verstärkungs- und Konsolidierungseffekte des Wurzelsystems auf den Boden verwendet werden kann .

Das Wu-Modell geht davon aus, dass die Wurzelenden nicht herausgezogen werden und alle Wurzeln gleichzeitig brechen, wenn die maximale Zugfestigkeit erreicht wird (Abb. 20a), was eine offensichtliche Überschätzung des Beitrags der Wurzeln zur Scherfestigkeit des Bodens darstellt. Im Falle des Laubenwurzelsystems mit starken Wurzelrhizomen gibt es hingegen drei Brucharten bei Scherversagen: Bruch, Herausziehen und Abrutschen42; Somit ist das Wu-Modell offenbar nicht mehr anwendbar.

Spannungsdiagramm verschiedener Arten von Wurzelversagen.

Um die mechanische Wirkung von Laubenwurzeln bei der Bodenverfestigung besser bewerten zu können, wurde das Wu-Modell basierend auf der Schadensmorphologie und dem Schadensmuster von Laubenwurzeln bei Scherversagen verbessert. Einerseits erreicht der Boden beim Scherversagen des Wurzel-Boden-Komplexes den Grenzzustand, während sich das Wurzelsystem verbiegt und abrutscht. Daher wird der Zugfestigkeitskoeffizient αi der Wurzel eingeführt, um den tatsächlichen Spannungszustand des Wurzelsystems zu definieren, wie in Gl. (4). Andererseits ist den gemessenen Ergebnissen zufolge die tatsächliche Wurzelverformung gekrümmt und die Verformungszunahme jedes Segments ist inkonsistent. Daher wird die konvexe Kurve des Dornwurzelsystems in mehrere gerade Linien unterteilt, basierend auf der Idee der Berechnung und Überlagerung von Kurvensegmenten, wie in Abb. 20b dargestellt. Dann wurde der verbesserte Beitragskoeffizient der Wurzelverstärkung kʹ berechnet, wie in Gl. (5). Letztendlich ist das verbesserte Kohäsionsinkrement im Wu-Modell wie folgt: Gl. (6).

Dabei ist \(T^{\prime}_{ri}\) die Zugspannung der einzelnen Wurzel, H die Höhe der Scherzone, Hj die Höhe der Scherzone des Abschnitts j und αi die Zugfestigkeit der Wurzel Belastungskoeffizient, der durch Tests oder Erfahrung ermittelt wird.

Da die Verformungsmuster des Wurzelsystems der Wurzeln Nr. 1, 2 und 3 gleich waren, wurde in dieser Studie die Verformung der Wurzel Nr. 1 berücksichtigt, um sowohl die Wurzelverstärkungsbeitragskoeffizienten als auch die durchschnittliche Zugfestigkeit der Wurzeln vor und nach der Wurzelverstärkung zu berechnen Verbesserung des Wu-Modells. Der konkrete Berechnungsprozess ist in Tabelle 4 dargestellt. Wie aus den Berechnungen hervorgeht, betrug die Zugfestigkeit des Wurzelsystems im Scherversagenszustand (bei einer Scherverschiebung von 4 cm) nur 4 %. Dies liegt daran, dass weder das obere noch das untere Ende des Wurzelsystems im Test verankert wurden, sondern nur die Einschränkungen durch den umgebenden Boden berücksichtigt wurden. Die Verbesserung der Scherfestigkeit ist hauptsächlich auf die Biegesteifigkeit des Wurzelsystems zurückzuführen. Daher wurde vorgeschlagen, die Einbettungstiefe des Wurzelsystems im eigentlichen Projekt zu erhöhen, um die Verankerungswirkung des Wurzelsystems zu verbessern und seine Zugfestigkeit auszunutzen. Der verbesserte Beitragskoeffizient der Wurzelverstärkung kʹ war kleiner als k, der mit zunehmender Normalspannung allmählich abnahm. Dies bewies erneut, dass der Anstieg des Normalstresses den Bodenverfestigungseffekt des Wurzelsystems schwächte. Da die voreingestellte Scherverformung des Wurzelsystems in diesem Test nur etwa 5° betrug, war der allgemeine Wert des Beitragskoeffizienten zur Wurzelverstärkung relativ klein, wohingegen die Variation vor und nach der Verbesserung unbedeutend war. Der erhöhte Zusammenhalt der Wurzeln, berechnet nach Gl. (3) blieb deutlich höher als im tatsächlichen Fall. Somit spiegelte das verbesserte Modell den tatsächlichen Spannungszustand und die Verformung der Wurzeln besser wider. Darüber hinaus vertiefte es die Forschung zum mechanischen Modell der Bodenverfestigung von Pflanzenwurzeln und lieferte eine theoretische Grundlage für eine bessere Vorhersage und Bewertung der Bodenverfestigungswirkung von Wurzeln.

Diese Studie berücksichtigte die typischen roten Ton- und Laubenwurzeln in Hainan als Forschungsobjekt und führte Schertests auf einfachem Boden und Bodenkomplexen mit drei parallelen Wurzeln unter unterschiedlichen Normalspannungen durch, wobei ein selbst entwickeltes groß angelegtes Instrument zur Einzelscherung für Wurzel-Bodenkomplexe verwendet wurde . Die wichtigsten Schlussfolgerungen dieser Studie lauten wie folgt:

Die Wurzeln der Laube zeigten eine deutlich verstärkende Wirkung auf die Scherfestigkeit und Duktilität des Bodens. Darüber hinaus erhöhte sich die Kohäsion des Wurzel-Boden-Komplexes (RAR = 0,71 %) im Vergleich zu normalem Boden um etwa 50 % und seine Duktilität um etwa 37,5 %.

Die volumetrische Dehnung von einfachem Boden und Wurzel-Boden-Komplex unter Scherversagen zeigte unterschiedliche Leistungen. Mit zunehmender Normalspannung zeigte der einfache Boden den Scherschrumpfungseffekt, während der Wurzelbodenkomplex vom Scherexpansionseffekt zum Scherschrumpfungseffekt wechselte.

Banyanwurzeln im roten Ton mit niedrigerem Spannungszustand übten eine stärkere Verstärkungswirkung aus als höhere Spannung, was für den flachen ökologischen Hangschutz von Vorteil ist.

Die Bewegung der Bodenpartikel im Wurzel-Boden-Komplex während des Schervorgangs führte zu einer Wurzelverformung, und die Wirkung der Wurzeln auf die Bodenpartikel zeigte sich als Reibungs- und Barriereeffekt. Beim Auftreten eines Scherversagens versagte die Bodenmasse im Schermodus, während sich das Wurzelsystem verbogen und verrutscht hatte.

Die Dornwurzelmorphologie im Schubversagenszustand könnte durch \(y = y_{0} + A \cdot \exp (x/t)\) beschrieben werden. Es wurde festgestellt, dass das verbesserte Wu-Modell den Spannungszustand und die Verformung des Wurzelsystems besser widerspiegelt.

Diese Studie enthüllte auf kreative Weise das Verformungsmuster von Laubenwurzeln während des Schervorgangs und lieferte eine experimentelle und theoretische Grundlage für die Erstellung und Verbesserung des mechanischen Modells der Bodenverfestigung von Laubenwurzeln. Die Methode zur Bestimmung des Zugfestigkeitskoeffizienten αi der Wurzel muss jedoch noch weiter untersucht werden, und es mangelt noch an Untersuchungen zur Wechselwirkung zwischen den Wurzeln.

Die während der aktuellen Studie gesammelten und analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim jeweiligen Autor erhältlich.

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Diese Arbeit wurde finanziell vom Open Fund des National Engineering Laboratory of Highway Maintenance Technology (Changsha University of Science & Technology) (Nr. kfj190109) und dem Bildungsministerium der Provinz Hainan (Nr. Hnky2020-56) unterstützt, die alle sehr geschätzt werden.

Changsha University of Science and Technology, National Engineering Laboratory of Highway Maintenance Technology, Changsha, 410114, Hunan, China

Peng Du & Dequan Zhou

Wirtschaftsuniversität Haikou, Yaha School of Built Environment, Haikou, 571127, Hainan, China

Peng Du & Xiaoling Liu

Hainan Communications Planning Surveying and Design Institute, Haikou, 570206, Hainan, China

Yujie Feng

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PD und DZ konzipierten das Experiment, DZ stellte Ressourcen zur Verfügung, PD und YF führten das Experiment durch, PD und XL analysierten und interpretierten die Ergebnisse. PD hat das Originalmanuskript verfasst. Alle Autoren haben das Manuskript überarbeitet.

Korrespondenz mit Dequan Zhou.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Du, P., Zhou, D., Liu, X. et al. Test der Verformungseigenschaften und Mechanismus des Pfahlwurzel-Bodenkomplexes in Regenwäldern. Sci Rep 13, 5732 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-32304-1

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Eingegangen: 09. August 2022

Angenommen: 25. März 2023

Veröffentlicht: 07. April 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-32304-1

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