Растительность и устойчивость склонов - Vegetation and slope stability

Растительность и устойчивость склона взаимосвязаны способностью растений, растущих на склонах, как способствовать, так и препятствовать устойчивости склона . Взаимосвязь представляет собой сложную комбинацию типа почвы , режима осадков , присутствующих видов растений, вида склона и крутизны склона. Знание устойчивости подстилающего склона в зависимости от типа почвы, ее возраста, развития горизонта , уплотнения и других воздействий является важным основополагающим аспектом понимания того, как растительность может изменить устойчивость склона. Существует четыре основных способа, которыми растительность влияет на устойчивость склона: ветер , отвод воды , масса растительности (дополнительная плата) и механическое укрепление корней .

Метание ветра

Бросок ветра - это падение дерева из-за силы ветра, это обнажает корневую пластину и прилегающую почву под деревом и влияет на устойчивость склона. Бросок ветра является важным фактором при рассмотрении одного дерева на склоне, однако он имеет меньшее значение при рассмотрении общей устойчивости склона для массива деревьев, поскольку задействованные силы ветра представляют меньший процент потенциальных возмущающих сил, а деревья находятся в центре. группы будут защищены теми, кто находится снаружи.

транспирация воды

Удаление воды

Растительность влияет на устойчивость склона, удаляя воду за счет транспирации . Транспирация - это испарение жидкой воды, содержащейся в тканях растений, и удаление паров в воздух. Вода поднимается от корней и транспортируется через растение к листьям .

Основным эффектом транспирации является снижение давления воды в порах почвы, что противодействует потере прочности, происходящей из-за увлажнения, что наиболее легко увидеть как потерю влаги вокруг деревьев. Однако нелегко полагаться на корни деревьев и кустарников для удаления воды со склонов и, следовательно, для обеспечения устойчивости склона. Способность к испарению во влажных условиях сильно снижается, и поэтому любое увеличение прочности почвы, ранее полученное при испарении и транспирации, будет потеряно или значительно уменьшено, следовательно, эффекты транспирации не могут быть приняты во внимание в это время. Однако можно предположить, что вероятность обрушения склона после насыщения из-за шторма или периодов продолжительных дождей будет уменьшена в результате транспирации. Более того, хотя изменения содержания влаги будут влиять на сопротивление недренированному сдвигу, параметры эффективного напряжения сдвига, которые обычно используются в обычном анализе устойчивости откосов, не зависят напрямую от изменения содержания влаги, хотя давление воды (всасывание), используемое в анализе, изменится.

Важно отметить, что трещины высыхания потенциально могут быть расширены растительностью в сухую погоду, способствуя более глубокому проникновению воды к потенциальной плоскости скольжения и увеличению давления воды в почву во время влажных периодов. Тем не менее, эти трещины будут заполнены корнями, углубляющимися в почву по пути наименьшего сопротивления.

Исследования, проведенные в Малайзии, показали, что существует значительная взаимосвязь между плотностью корней, содержанием влаги в почве и, в конечном итоге, стабильностью склона. Склоны с высокой плотностью корней (из-за густой растительности на поверхности) с меньшей вероятностью испытали обрушение откоса. Это связано с тем, что высокая плотность корней приводит к низкому содержанию влаги в почве, что, в свою очередь, приводит к увеличению прочности на сдвиг и снижению проницаемости почвы. Предполагается, что плотность корней и уровень воды в почве могут использоваться в качестве индикаторов устойчивости откосов и, возможно, могут использоваться для прогнозирования будущего разрушения откосов.

Транспирация усиливается, когда у растительности обширная корневая система, и быстрое транспирация продолжается всю зиму.

На удаление воды также влияет затенение, обеспечиваемое растительностью. Затенение помогает предотвратить высыхание почвы, которое приводит к усадке и растрескиванию, позволяя глубоко проникать дождевой воде. Растения должны иметь высокое соотношение листьев и корней и иметь возможность сохраняться в жаркие летние месяцы, чтобы обеспечить эффективное затенение почвы.

Масса растительности

Масса растительности может повлиять на устойчивость склона только тогда, когда на склоне растут более крупные деревья. Дерево высотой 30–50 м, вероятно, будет иметь нагрузку примерно 100–150 кН / м2. Более крупные деревья следует сажать у подножия склона с потенциальным отказом от вращения, так как это может увеличить коэффициент безопасности на 10%. Однако, если дерево будет посажено на вершине склона, это может снизить коэффициент безопасности на 10%. Предлагаемый дизайн растительного покрова, показывающий, какие растения следует выращивать на каждом уровне склона.

Каждую ситуацию устойчивости склона следует рассматривать отдельно для рассматриваемой растительности. Важно помнить, что транспирация уменьшит вес откоса, поскольку теряется влага. Это может быть значительным на склонах с предельной стабильностью.

Если более крупные деревья удаляются с концевой части склона, это приведет как к снижению прочности почвы из-за потери эффекта эвапотранспирации, так и к уменьшению прилагаемой нагрузки, что может привести к временному всасыванию глинистых почв, что может привести к размягчению почвы. имеющаяся вода всасывается, чтобы компенсировать всасывающую силу. Это похоже на общепризнанное размягчение переуплотненных глин из-за ослабления давления покрывающих пород при размещении в верхних слоях насыпи после глубокого врезания.

Механическое армирование корней

Корни укрепляют почву за счет роста через плоскости разрушения, корневых столбов, действующих как сваи, и за счет ограничения поверхностной эрозии .

Рост корня в плоскости отказа

Когда корни растут в плоскости потенциального разрушения, происходит увеличение прочности на сдвиг за счет связывания частиц. Корни закрепляют нестабильную поверхностную почву в более глубоких устойчивых слоях или коренной породе . Чаще всего это происходит при быстром глубоком росте (глубиной 1,5 м) корней, которые сохраняются более двух лет. Однако важно отметить, что сила, оказываемая корнями, обычно распространяется только на глубину до 1 м, в то время как большинство отказов происходит на глубине почвы 1,2–1,5 м.

Модель армирования корня

Модель земляного корня, усиленного корнем, является результатом удлинения корня через потенциальную плоскость скольжения, которая создает растягивающую силу корня, которая передается на почву за счет когезионных и фрикционных контактов между корнем и почвой.

Вклад прочности корня на растяжение и сопротивление вырыванию

Сопротивление корня вырыванию - это измеренное сопротивление структуры корня, которое нужно вытащить из земли, и оно, вероятно, будет лишь немного меньше, чем измеренная прочность корня на растяжение, которая представляет собой сопротивление корня разрушению, измеренное в лаборатории. . В случаях, когда данные о сопротивлении растяжению отсутствуют, их можно использовать в качестве ориентировочного ориентира для определения максимального сопротивления выдергиванию.

Прочность корня на разрыв для диапазона диаметров и различных видов была протестирована в лаборатории и составила примерно 5-60 МН / м2. Чтобы корень действительно увеличивал устойчивость склона, корень должен иметь достаточное углубление и сцепление с почвой. Способ взаимодействия корней с почвой сложен, но для инженерных целей имеющиеся силовые вклады могут быть измерены с помощью тестов на вырывание на месте.

Морфология корня и виды разрушения

Длина корня и тип разветвления корня влияют на то, как происходит разрушение корня. В корнях боярышника были выявлены три различных режима разрушения, которые связаны с соотношением корня и почвы, которое показано в форме корней и форме кривой разрушения. . Корни, у которых нет ветвей, имеют тенденцию выходить из строя при растяжении и вырываются прямо из земли с минимальным сопротивлением. Корни, которые имеют несколько ветвей, обычно выходят из строя постепенно, когда каждая ветка ломается внутри почвы. Затем эти корни можно разделить на две разные группы; 1) те, которые сначала достигают максимальной пиковой силы, а затем поддерживают высокую силу, которая постепенно уменьшается по мере разрушения корневых ветвей после значительного напряжения, и 2) те, которые ломаются с возрастающей приложенной силой. В ряде тестов можно измерить значительную адгезию между сегментом корня и почвой до того, как корень в конечном итоге выскользнет из массы почвы.

Ошибка типа А

Корни, у которых нет ветвей, обычно терпят неудачу при растяжении и вырываются прямо из земли с минимальным сопротивлением. Корень достигает максимального сопротивления вырыванию, а затем быстро выходит из строя в слабом месте. Корень легко выскальзывает из почвы из-за постепенного сужения (постепенного уменьшения диаметра корня по всей его длине), что означает, что, когда корень вытаскивается, он перемещается через пространство, превышающее его диаметр, которое, следовательно, не имеет дальнейших связей. или взаимодействие с окружающей почвой.

Ошибка типа B

Разрушение типа B происходит, когда разветвленные корни сначала достигают максимального пикового сопротивления, а затем поддерживают высокое сопротивление, которое медленно уменьшается, когда ветви корней разрушаются после значительного напряжения. В некоторых тестах можно измерить значительную адгезию между частью корня и массой почвы до того, как корень в конечном итоге выскользнет. Для вытягивания раздвоенных корней требуется большее усилие, поскольку полость над вилкой тоньше, чем корень, который пытается пройти через полость, что может привести к деформации почвы, когда корень движется через почву.

Ошибка типа C

Корни с несколькими ветвями или раздвоенными ветвями также могут разрушаться при растяжении, но в основном разрушение происходит поэтапно, когда каждая ветвь ломается в почве. Эти корни ломаются при увеличении прилагаемой силы поэтапно в виде ступенчатых пиков, соответствующих постепенному разрушению корней большего диаметра. Корень постепенно ослабляет свои связи с почвой до окончательного разрушения при растяжении.

В некоторых случаях, когда корень имеет синусоидальную форму с множеством мелких корешков по длине, корень достигает максимального сопротивления выдергиванию при выпрямлении, а затем ломается в самом слабом месте, однако на этом этапе корень не вырывается из почвы, поскольку он прилипает и взаимодействует с почвой, обеспечивая остаточную прочность. Если на этом этапе тянуть прекратить, корень придаст почве большую прочность. Однако, если корень полностью вытащен из земли, дальнейшего взаимодействия с почвой не происходит, и, следовательно, увеличения прочности почвы не происходит.

Факторы, влияющие на сопротивление вырыванию корня

Исследования показали, что сопротивление вырыванию корней боярышника и дуба зависит от внутривидовых различий, межвидовых вариаций и размера (диаметра) корня так же, как и прочность корня на разрыв (измеренная в лаборатории). При испытании на вырыв прилагаемая сила, действующая на корень, действует на большую площадь корня, которая включает несколько ветвей, большей длины), чем короткая (приблизительно 150 мм) длина корня, используемая в испытаниях на разрыв. В тесте на извлечение корень может выйти из строя в таких слабых местах, как точки ветвления, узлы или поврежденные участки.

Исследования также показали, что существует положительная корреляция между максимальным сопротивлением вырыванию корней и диаметром корня у боярышника и овса. Корни меньшего диаметра имели меньшее сопротивление выдергиванию или разрушающую силу, чем корни большего диаметра.

Корневые колонны, действующие как сваи

Деревья и корневые колонны могут предотвращать перемещение мелкой массы, действуя как сваи, когда есть опоры и выгибание почвы через древесную глубокую корневую систему, которая имеет несколько опорных корней с внедренными стволами и боковыми стенками.

Ограничение поверхностной эрозии

Растительность также можно использовать для борьбы с водной эрозией, ограничивая поверхностные процессы, такие как смывание листа и наземный сток. Растительность может внести значительный вклад в устойчивость склона за счет повышения сцепления почвы. Это сцепление зависит от морфологических характеристик корневой системы и прочности отдельных корней на разрыв.

Имеется множество свидетельств того, что тонкие корни сопротивляются поверхностной эрозии. Роль тонких корней в общей устойчивости откосов до конца не изучена. Считается, что тонкие корни помогают удерживать поверхность почвы и предотвращают ее эрозию. Тонкая корневая сеть может иметь явно повышенную когезию, сравнимую с элементами геосинтетической сетки. Ограничение процессов поверхностной эрозии особенно очевидно на участках кустарников и трав, где распределение мелких корней является постоянным и четко определенным, однако сцепление обычно ограничивается верхним 1 м почвы.

Смотрите также

использованная литература

Источники

  • British Broadcasting Corporation 2007, Biology, просмотрено 10 июня 2007 г., www.bbc.co.uk/.../gcsebitesize/img/bi05006.gif
  • Greenwood, J .; Норрис Дж. И Винт Дж. 2007, «Обсуждение: оценка вклада растительности в стабильность склонов», Труды Института инженеров-строителей, т. 160, нет. 1. С. 51–53.
  • INTBAU 2007, Международная сеть традиционного строительства, архитектуры и урбанизма, просмотрено 2 июня 2007 г., www.intbau.org/Images/Scarano/scarano3.580.jpg
  • Селби, М. 1993, Материалы и процессы на холмистом склоне, Oxford University Press, Оксфорд, Великобритания.
  • Уотсон, А. и Марден, М. 2004, Прочность корня на растяжение как индикатор эффективности местных прибрежных растений - как они ранжируются ?, Landcare Research, Линкольн, Новая Зеландия.