Teste de características de deformação e mecanismo do complexo de solo de raiz principal em florestas tropicais

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 5732 (2023) Citar este artigo

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Este estudo realizou testes de cisalhamento único em larga escala na argila vermelha de Haikou e na raiz principal do mandril para explorar o efeito antideslizante e as características de deformação das raízes do mandril da floresta tropical sob um deslizamento de terra raso. A lei da deformação radicular e o mecanismo de interação raiz-solo foram revelados. Os resultados indicaram o efeito de reforço significativo das raízes do caramanchão na resistência ao cisalhamento e na ductilidade do solo, que aumentou com a diminuição da tensão normal. O mecanismo de reforço do solo das raízes do caramanchão foi atribuído aos seus efeitos de fricção e retenção através da análise do movimento das partículas do solo e do padrão de deformação das raízes durante o processo de cisalhamento. A morfologia da raiz dos mandris sob ruptura por cisalhamento pode ser descrita usando uma função exponencial. Consequentemente, um modelo Wu avançado que melhor refletisse o estado de tensão e a deformação das raízes foi proposto com base no conceito de superposição de segmentos de curva. Acredita-se que os resultados constituem uma base experimental e teórica confiável para o estudo aprofundado da consolidação do solo e dos efeitos da resistência ao deslizamento das raízes do caramanchão, e ainda estabelecem uma base para a proteção de encostas pelas raízes do caramanchão.

Com o desenvolvimento da economia nacional, a multiplicidade de construções de infra-estruturas afectou gravemente o ambiente. O corte artificial de encostas produziu vários declives artificiais, que exacerbaram a erosão do solo e causaram sérios danos ao ambiente ecológico. A engenharia tradicional para proteção de taludes adota principalmente concreto armado para reforço; no entanto, é caro, com um processo de construção complexo, baixa durabilidade e um efeito paisagístico monótono. A proteção ecológica de taludes é uma tecnologia abrangente para proteção de taludes, envolvendo apenas plantas ou a combinação de engenharia e plantas, que pode auxiliar na realização tanto de construção de engenharia quanto de proteção ecológica. Consequentemente, tornou-se um ponto de pesquisa de numerosos estudiosos em todo o mundo.

Nos últimos anos, estudiosos conduziram vários estudos sobre o efeito de consolidação do solo pelas raízes das plantas. Testes internos ou de campo confirmaram a capacidade das raízes das plantas em melhorar significativamente a resistência ao cisalhamento e a ductilidade do solo1,2,3,4,5,6,7,8,9. Os resultados dessas pesquisas mostraram que os atributos naturais das raízes afetaram consideravelmente o efeito de consolidação do solo, como a espécie10,11,12,13,14,15, a idade de crescimento16,17,18,19 e a morfologia das raízes20,21,22, 23,24. Em geral, descobriu-se que o conteúdo de raízes está positivamente correlacionado com a resistência ao cisalhamento do complexo raiz-solo25,26,27,28, enquanto Yang et al.29, Li et al.30, Liao et al.31 e Wang et al.32 descobriram através de testes que havia um conteúdo de raízes ideal para seu efeito fortalecedor no solo. Além disso, Deng et al.33, Gai et al.34 e Feng et al.35 revelaram que a distribuição e localização das raízes também influenciaram significativamente o efeito de consolidação do solo. A maioria dos estudos concentrou-se principalmente na consolidação do solo por ervas e arbustos; no entanto, estudos sobre testes de cisalhamento em larga escala de raízes de árvores são escassos. Além disso, restritos por instrumentos experimentais e métodos de detecção, são raros os relatos sobre as características morfológicas das raízes e o mecanismo de interação raiz-solo. Wen et al.36 e Zhao et al.37 conduziram um teste de cisalhamento direto em larga escala do complexo raiz-solo com diferentes métodos de distribuição de raízes no caso de uma raiz principal de seringueira Haikou. A deformação da raiz foi realizada conectando fibra de PVC de alta resistência à raiz; no entanto, o teste resultou na configuração artificial da superfície de ruptura por cisalhamento, que foi incapaz de refletir verdadeiramente a deformação por cisalhamento do solo e da raiz no processo de cisalhamento.

Para explorar a teoria e o mecanismo de consolidação do solo pelas raízes, Waldron38, Wu et al.39, e Gray e Ohashi40 estabeleceram conjuntamente o modelo de consolidação raiz-solo (modelo Wu) baseado na teoria de resistência de Mohr-Coulomb. No entanto, este modelo presumiu que todas as raízes foram arrancadas simultaneamente, resultando em resistência ao cisalhamento geralmente maior. Pollen e Simon41 construíram um modelo de feixe de fibras (FBM) para descrever a consolidação radicular. Baseava-se na fratura progressiva das raízes durante o processo de cisalhamento do solo. Embora os resultados dos cálculos tenham sido mais próximos do teste de cisalhamento direto do que do modelo Wu, a distribuição da resistência das raízes foi determinada de acordo com a probabilidade das medições de campo, o que não foi considerado confiável. Sui e Yi42 adotaram a mecânica da fratura e princípios funcionais para construir um modelo mecânico de consolidação do solo radicular. Os resultados dos testes de cisalhamento direto indicaram uma alta precisão de cálculo; no entanto, os principais parâmetros de resistência à fratura no modelo estavam relacionados ao diâmetro da raiz e à idade de crescimento. Além disso, o modelo ainda precisa ser validado e melhorado. Os modelos mecânicos típicos acima de consolidação do solo radicular visavam todos à fratura e falha das raízes das ervas; no entanto, há uma necessidade urgente de estudar o modelo de reforço do solo com raízes de árvores.