열대 우림의 아버 뿌리 토양 복합체의 변형 특성 시험 및 메커니즘

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 5732(2023) 이 기사 인용

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본 연구에서는 얕은 산사태 하에서 열대 우림 나무 뿌리의 미끄럼 방지 효과 및 변형 특성을 조사하기 위해 하이커우 황토와 아버 원근에 대한 대규모 단일 전단 시험을 수행했습니다. 뿌리 변형의 법칙과 뿌리-토양 상호작용 메커니즘이 밝혀졌습니다. 결과는 수목이 토양의 전단강도와 연성에 미치는 중요한 강화 효과를 나타냈으며, 이는 수직응력이 감소함에 따라 증가했습니다. 전단 과정에서 토양 입자의 움직임과 뿌리의 변형 패턴을 분석하여 수목 뿌리의 토양 강화 메커니즘은 마찰 및 유지 효과에 기인합니다. 전단 파괴 시 아버의 뿌리 형태는 지수 함수를 사용하여 설명할 수 있습니다. 결과적으로 곡선 세그먼트 중첩 개념을 기반으로 뿌리의 응력 상태와 변형을 더 잘 반영하는 고급 Wu 모델이 제안되었습니다. 이러한 결과는 지반의 압밀도와 수목의 미끄럼 저항 효과에 대한 심도 있는 연구를 위한 신뢰할 수 있는 실험적, 이론적 기초가 되며, 나아가 수목에 의한 사면 보호의 토대를 마련한 것으로 사료된다.

국가 경제가 발전함에 따라 수많은 기반시설 건설이 환경에 심각한 영향을 미치고 있습니다. 인공적인 경사면 절단은 여러 개의 인공 경사면을 만들어 토양 침식을 악화시키고 생태 환경에 심각한 피해를 입혔습니다. 경사면 보호를 위한 전통적인 엔지니어링은 대부분 강화를 위해 철근 콘크리트를 채택합니다. 그러나 복잡한 건축 과정, 열악한 내구성, 단조로운 경관 효과로 인해 비용이 많이 듭니다. 생태학적 사면보호는 식물만을 포함하거나 토목과 식물이 결합된 사면보호를 위한 종합기술로 공학적 건설과 생태보호를 동시에 실현하는데 도움을 줄 수 있다. 결과적으로, 이 연구는 전 세계 수많은 학자들의 연구 중심지가 되었습니다.

최근 몇 년 동안 학자들은 식물 뿌리의 토양 강화 효과에 대한 여러 연구를 수행했습니다. 실내 또는 현장 테스트를 통해 토양의 전단 강도와 연성을 크게 향상시키는 식물 뿌리의 능력이 확인되었습니다1,2,3,4,5,6,7,8,9. 이러한 연구 결과는 뿌리의 종10,11,12,13,14,15, 생장 연령16,17,18,19, 뿌리 형태20,21,22 등 뿌리의 자연적 속성이 토양 강화 효과에 상당한 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. 23,24. 일반적으로 뿌리의 함량은 뿌리-토양 복합체의 전단강도와 양의 상관관계가 있는 것으로 나타났으며25,26,27,28, Yang et al.29, Li et al.30, Liao et al.31, and Wang et al.32은 테스트를 통해 토양에 대한 강화 효과에 대한 최적의 뿌리 함량이 있음을 발견했습니다. 또한 Deng et al.33, Gai et al.34, Feng et al.35는 뿌리의 분포와 위치도 토양의 경화효과에 유의한 영향을 미친다는 것을 밝혔다. 대부분의 연구는 주로 허브와 관목에 의한 토양 강화에 중점을 두었습니다. 그러나 수목 뿌리의 대규모 전단 시험에 대한 연구는 거의 없습니다. 더욱이, 실험 장비와 검출 방법에 의해 제한되어 뿌리의 형태학적 특성과 뿌리-토양 상호 작용 메커니즘에 대한 보고는 거의 없습니다. Wen et al.36 및 Zhao et al.37은 Haikou 고무나무 뿌리의 경우 다양한 뿌리 분포 방법을 사용하여 뿌리-토양 복합체에 대한 대규모 직접 전단 시험을 수행했습니다. 뿌리에 PVC 고강도 섬유를 연결하여 뿌리 변형을 구현했습니다. 그러나 테스트 결과 전단 파괴 표면이 인위적으로 설정되어 전단 과정에서 토양과 뿌리의 전단 변형을 실제로 반영할 수 없었습니다.

토양을 굳히는 뿌리의 이론과 메커니즘을 탐구하기 위해 Waldron38, Wu et al.39, Gray 및 Ohashi40은 공동으로 Mohr-Coulomb 강도 이론을 기반으로 하는 뿌리-토양 굳건함 모델(Wu 모델)을 확립했습니다. 그러나 이 모델에서는 모든 뿌리가 동시에 뽑혀서 일반적으로 전단강도가 더 큰 것으로 가정했습니다. Pollen과 Simon41은 뿌리 강화를 설명하기 위해 섬유 다발 모델(FBM)을 구축했습니다. 이는 토양을 깎는 과정에서 뿌리가 점진적으로 부서지는 현상을 기반으로 했습니다. 계산결과는 Wu모델보다 직접전단시험에 더 가깝지만, 치근강도 분포는 현장측정의 확률에 따라 결정되어 신뢰성이 없다고 판단된다. Sui와 Yi42는 뿌리 토양 강화의 기계적 모델을 구축하기 위해 파괴 역학과 기능적 원리를 채택했습니다. 직접 전단 시험 데이터 결과는 높은 계산 정확도를 나타냈습니다. 그러나 모델의 주요 파괴 인성 매개변수는 뿌리 직경과 성장 연령 모두와 관련이 있었습니다. 게다가 이 모델은 여전히 ​​더 검증되고 개선되어야 합니다. 뿌리 토양 강화에 대한 위의 전형적인 기계적 모델은 모두 허브 뿌리의 골절과 파손을 목표로 했습니다. 그러나 토양을 강화하는 나무 뿌리 모델에 대한 연구가 시급히 필요합니다.