Test des caractéristiques de déformation et mécanisme du complexe de sol à racine pivotante de la tonnelle dans les forêts tropicales

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 5732 (2023) Citer cet article

346 accès

1 Altmétrique

Détails des métriques

Cette étude a réalisé des tests de cisaillement unique à grande échelle sur l'argile rouge de Haikou et la racine pivotante de la tonnelle pour explorer l'effet anti-glissement et les caractéristiques de déformation des racines de la tonnelle de la forêt tropicale sous un glissement de terrain peu profond. La loi de déformation des racines et le mécanisme d’interaction racine-sol ont été révélés. Les résultats ont indiqué l'effet de renforcement significatif des racines des arbres sur la résistance au cisaillement et la ductilité du sol, qui augmente avec la diminution de la contrainte normale. Le mécanisme de renforcement du sol des racines des tonnelles a été attribué à leurs effets de friction et de rétention grâce à une analyse du mouvement des particules de sol et du schéma de déformation des racines pendant le processus de cisaillement. La morphologie des racines des tonnelles soumises à une rupture par cisaillement pourrait être décrite à l'aide d'une fonction exponentielle. Par conséquent, un modèle Wu avancé reflétant mieux l’état de contrainte et la déformation des racines a été proposé, basé sur le concept de superposition de segments de courbe. Les résultats sont considérés comme une base expérimentale et théorique fiable pour l'étude approfondie des effets de consolidation du sol et de résistance au glissement des racines des tonnelles, et jettent en outre les bases de la protection des pentes par les racines des tonnelles.

Avec le développement de l’économie nationale, la multitude de constructions d’infrastructures a gravement affecté l’environnement. Le creusement artificiel des pentes a produit plusieurs pentes artificielles, qui ont exacerbé l'érosion des sols et causé de graves dommages à l'environnement écologique. L'ingénierie traditionnelle pour la protection des pentes adopte principalement des bétons armés pour le renforcement ; cependant, il est coûteux en raison d'un processus de construction complexe, d'une faible durabilité et d'un effet paysager monotone. La protection écologique des pentes est une technologie complète de protection des pentes, impliquant uniquement des plantes ou une combinaison d'ingénierie et de plantes, qui peut aider à la réalisation de constructions techniques et de protection écologique. Par conséquent, il est devenu un haut lieu de recherche pour de nombreux chercheurs du monde entier.

Ces dernières années, les chercheurs ont mené plusieurs études sur l’effet de consolidation des sols par les racines des plantes. Des tests en intérieur ou sur le terrain ont confirmé la capacité des racines des plantes à améliorer considérablement la résistance au cisaillement et la ductilité du sol1,2,3,4,5,6,7,8,9. Ces résultats de recherche ont montré que les attributs naturels des racines affectaient considérablement l'effet de consolidation du sol, tels que leur espèce10,11,12,13,14,15, leur âge de croissance16,17,18,19 et leur morphologie20,21,22, 23,24. En général, le contenu des racines s'est avéré être positivement corrélé à la résistance au cisaillement du complexe racine-sol25,26,27,28, tandis que Yang et al.29, Li et al.30, Liao et al.31 et Wang et al.32 ont découvert grâce à des tests qu'il existait une teneur optimale en racines pour leur effet fortifiant sur le sol. De plus, Deng et al.33, Gai et al.34 et Feng et al.35 ont révélé que la répartition et l'emplacement des racines influençaient également de manière significative l'effet de consolidation du sol. La plupart des études se sont principalement concentrées sur la consolidation du sol par les herbes et les arbustes ; cependant, les études sur les essais de cisaillement à grande échelle des racines des tonnelles sont rares. De plus, limités par les instruments expérimentaux et les méthodes de détection, les rapports sur les caractéristiques morphologiques des racines et le mécanisme d’interaction racine-sol sont rares. Wen et al.36 et Zhao et al.37 ont mené un test de cisaillement direct à grande échelle du complexe racine-sol avec différentes méthodes de distribution des racines dans le cas d'une racine pivotante d'hévéa Haikou. La déformation de la racine a été réalisée en connectant une fibre PVC à haute résistance à la racine ; cependant, l'essai a abouti à une configuration artificielle de la surface de rupture par cisaillement, qui n'a pas pu refléter véritablement la déformation par cisaillement du sol et des racines lors du processus de cisaillement.

Pour explorer la théorie et le mécanisme de consolidation du sol par les racines, Waldron38, Wu et al.39, ainsi que Gray et Ohashi40 ont établi conjointement le modèle de consolidation racine-sol (modèle Wu) basé sur la théorie de la force de Mohr-Coulomb. Cependant, ce modèle supposait que toutes les racines étaient arrachées simultanément, ce qui entraînait une résistance au cisaillement généralement plus grande. Pollen et Simon41 ont construit un modèle de faisceau de fibres (FBM) pour décrire la consolidation des racines. Elle était basée sur la fracture progressive des racines lors du processus de cisaillement du sol. Bien que les résultats des calculs soient plus proches de l’essai de cisaillement direct que du modèle Wu, la distribution de la résistance des racines a été déterminée en fonction de la probabilité des mesures sur le terrain, qui n’a pas été considérée comme fiable. Sui et Yi42 ont adopté la mécanique de la fracture et les principes fonctionnels pour construire un modèle mécanique de consolidation du sol racinaire. Les résultats des tests de cisaillement direct ont indiqué une grande précision de calcul ; cependant, les principaux paramètres de résistance à la rupture du modèle étaient liés à la fois au diamètre de la racine et à l'âge de croissance. De plus, le modèle doit encore être validé et amélioré. Les modèles mécaniques typiques ci-dessus de consolidation du sol racinaire visaient tous la fracture et la défaillance des racines d'herbes aromatiques ; cependant, il existe un besoin urgent d'étudier le modèle des racines des tonnelles renforçant le sol.