Исследование влияния фрактальной размерности корневой системы и степени уклона на устойчивость откоса.

Aug 04, 2023

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 10282 (2023) Цитировать эту статью

276 Доступов

Подробности о метриках

Проблема количественной оценки влияния морфологии корней люцерны на устойчивость поверхностного слоя откоса угольного разреза Хайчжоу и оптимальную степень уклона с точки зрения армирования поверхностного слоя корневой системой люцерны был адресован. В этом исследовании механические параметры равнинной почвы и композитных образцов корня и почвы люцерны были измерены с помощью испытаний почвы в помещении и испытаний на трехосное сжатие, а расчетная модель для уклона открытого угольного разреза Хайчжоу была создана в программном обеспечении численного моделирования FLAC3D. проанализировать влияние корневой системы люцерны на максимальное смещение поверхностного поверхностного слоя склона и связь с фрактальной размерностью корневой системы люцерны. Фрактальная размерность была применена для количественной оценки влияния морфологии корня люцерны с целью дальнейшего исследования взаимосвязи между фрактальной размерностью корневой системы и оптимальным наклоном поверхностного слоя. Анализ показал, что фрактальная размерность корневой системы люцерны различалась при разной степени наклона: 40° > плоская > 30° > 50°; максимальное смещение грунта поверхностного слоя склона увеличивалось с увеличением уклона нелинейно. Анализ фрактальной размерности корневой системы люцерны и максимальной скорости уменьшения смещения при разных углах уклона показал, что оптимальная степень уклона мелкого поверхностного слоя, армированного люцерной, варьируется от 30° до 40°. Результаты исследования могут дать основу для дальнейшего объяснения характера роли морфологии корней люцерны в укреплении неглубокой поверхностной почвы и оптимальной степени уклона откоса угольного разреза Хайчжоу, укрепленного корнями люцерны.

В последние годы в связи с увеличением добычи угля открытым способом укреплению откосов уделяется все больше внимания. Участок открытой добычи угля в Хайчжоу имеет длину 4 км с востока на запад и ширину 2 км с севера на юг, вертикальную глубину 250 м, что на 18 м ниже уровня моря. В 2005 году он обанкротился, но отсутствие защитных мероприятий при добыче угля привело к образованию склона почвенно-породной бинарной структуры, состоящего из верхнего неглубокого поверхностного слоя почвы и нижнего выветрелого слоя коренных пород; более того, инженерные меры по стабилизации склонов обычно трудно реализовать на склонах с двойной структурой грунта и камня, а неправильное проектирование или строительство может легко привести к геологическим повреждениям, таким как обрушение склона оползнем, что угрожает общей устойчивости склона1,2,3; следовательно, проблему наклона нельзя игнорировать.

Повышение устойчивости склона за счет оптимизации процесса армирования склона является целью многих инженеров-проектировщиков. Традиционные меры инженерного крепления откосов могут дать определенный эффект защиты откосов на ранней стадии проекта, однако бетон, сталь и камни постоянно подвергаются эрозии под воздействием атмосферных воздействий и воздействия дождевой воды, что приводит к снижению защитной прочности инженерного крепления откосов. меры. Растительность играет роль, не выполняемую другими инженерными мероприятиями, такими как улучшение экологической среды, уменьшение эрозии почвы, удержание воды и фиксация почвы и склонов, а закрепление растительности на склонах является экономическим и природоохранным методом управления, имеющим незаменимую и важную роль. Таким образом, технология закрепления склонов растительностью стала тенденцией и основной целью управления и содержания склонов4. Манбейан и др.5 пришли к выводу, что на эффект повышения прочности корневых систем на склоновых почвах на сдвиг влияют морфология корней растений и тип растений, и что различные морфологии корней растений оказывают различное влияние на повышение устойчивости склонов. В 1989 году Тацуми6 первым применил теорию фракталов к изучению корневых систем растений, тем самым количественно определив морфологические и структурные характеристики корневых систем растений. Изучая фрактальные характеристики различных корней растений во внутренних районах пустыни, Сяолинь Ян и др.7 пришли к выводу, что фрактальное измерение можно не только использовать для количественной оценки сложности ветвления корней, но также можно использовать для прогнозирования биомассы корней растений и, таким образом, для прогнозирования биомассы корней растений. проанализировать почвофиксирующую способность разных растений. Анализируя морфологию корневой системы Agriophyllum sqarrosum в различных условиях насаждения, Цзе Рен и др.8 пришли к выводу, что различные условия насаждения существенно влияют на фрактальную размерность корневой системы Agriophyllum sqarrosum. Однако это исследование упустило из виду влияние корней растений на устойчивость склона при разной степени уклона. Хуньян Ву и др.9 исследовали взаимосвязь между морфологией корней Ху Чжи Цзы и устойчивостью склонов разной степени уклона на лесной станции Пекина на Пике Стервятника, используя корневую фрактальную размерность. Однако в данной работе исследовались только кустарниковые растения, а влияние других видов растений на устойчивость склона не изучалось. В настоящее время численное моделирование является одним из наиболее широко используемых методов оценки устойчивости склонов10, а FLAC3D может моделировать трехмерное механическое поведение геотехнических тел11. Этот алгоритм преодолевает предположения о конечных элементах и ​​граничных элементах, основанных на небольших деформациях, а также предположения о дискретных элементах при рассмотрении дискретных блоков как твердых тел12, а ячейки модели могут хорошо отражать текучесть13. Сяолэй Цзи14 исследовал взаимосвязь между максимальным смещением различных склонов, укрепленных растениями, и фрактальным измерением корневой системы растений посредством моделирования. Морфология корней растений в основном описывается путем изучения угла между главными и боковыми корнями корневой системы растения, но в этом методе отсутствует количественная оценка влияния общей морфологии корневой системы растения на стабильность поверхностного поверхностного слоя. склона. В этих исследованиях, в основном рассматривающих только повышение прочности почвы за счет корневой системы, не учитывалось широко влияние морфологии корней на устойчивость неглубокого поверхностного слоя откосов угольных карьеров при различных углах уклона и оптимальной степени уклона. неглубокий поверхностный слой склонов угольных шахт, укрепленный корневой системой травянистых растений, но склон используется как общий и важный топографический фактор15; более того, различная степень уклона влияет на такие факторы окружающей среды, как влажность почвы и угол наклона прямых солнечных лучей, что, в свою очередь, влияет на рост корней и, следовательно, на стабильность поверхностного слоя склона16.