熱帯雨林における樹木主根土壌複合体の変形特性試験とメカニズム

Scientific Reports volume 13、記事番号: 5732 (2023) この記事を引用

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この研究は、浅い地滑りの下での熱帯雨林の樹木の根の滑り止め効果と変形特性を調査するために、海口赤土と樹木の主根に対して大規模な単一せん断試験を実施しました。 根の変形の法則と根と土壌の相互作用メカニズムが明らかになりました。 結果は、土壌のせん断強度と延性に及ぼすアーバールートの顕著な補強効果が示され、垂直応力の減少とともに増加しました。 せん断過程における土粒子の動きと根の変形パターンの分析により、アーバーの根の土壌強化メカニズムは摩擦と保持効果に起因することが判明しました。 せん断破壊下のアーバーの根の形態は、指数関数を使用して説明できます。 その結果、曲線セグメントの重ね合わせの概念に基づいて、根の応力状態と変形をよりよく反映する高度な Wu モデルが提案されました。 この結果は、土壌の圧密とアーバー根の滑り抵抗効果の詳細な研究のための信頼できる実験的および理論的基礎となり、さらにアーバー根による斜面保護の基礎を築くと考えられています。

国家経済の発展に伴い、数多くのインフラ建設が環境に深刻な影響を与えています。 人工的な斜面の伐採によりいくつかの人工的な斜面が生み出され、土壌浸食が悪化して生態環境に深刻なダメージを与えています。 斜面保護のための伝統的な工学では、主に強化のために鉄筋コンクリートが採用されています。 しかし、建設プロセスが複雑で高価であり、耐久性が低く、単調な景観効果をもたらします。 生態学的な斜面保護は、プラントのみ、または工学とプラントを組み合わせた包括的な斜面保護技術であり、土木建設と生態学的保護の両方の実現に役立ちます。 その結果、世界中の多くの学者の研究のホットスポットとなっています。

近年、学者たちは植物の根の土壌強化効果についていくつかの研究を行っています。 屋内または野外試験により、土壌のせん断強度と延性を大幅に改善する植物の根の能力が確認されています1、2、3、4、5、6、7、8、9。 これらの研究結果は、根の種類 10,11,12,13,14,15、生長年齢 16,17,18,19、根の形態 20,21,22 など、根の自然特性が土壌の強化効果に大きく影響することを示しています。 23、24。 一般に、根の含有量は根と土壌の複合体のせん断強度と正の相関があることが判明しました25、26、27、28。一方、Yang et al.29、Li et al.30、Liao et al.31、およびWang et al.32 は、土壌に対する根の強化効果に最適な根の含有量が存在することを試験を通じて発見しました。 さらに、Deng et al.33、Gai et al.34、Feng et al.35 は、根の分布と位置も土壌の圧密効果に大きく影響することを明らかにしました。 ほとんどの研究は主にハーブや低木による土壌の強化に焦点を当てています。 しかし、アーバーの根の大規模なせん断試験に関する研究はほとんどありません。 さらに、実験器具や検出方法の制限により、根の形態学的特徴や根と土壌の相互作用のメカニズムに関する報告はほとんどありません。 Wen et al.36 と Zhao et al.37 は、海口ゴムノキ主根の場合に、さまざまな根の分布方法を使用して、根と土壌の複合体の大規模な直接せん断試験を実施しました。 根元の変形はPVC高強度繊維を根元に接続することで実現しました。 しかし、この試験ではせん断破壊面が人為的に設定される結果となり、せん断過程における土壌と根のせん断変形を正確に反映することができませんでした。

根が土壌を固める理論とメカニズムを調査するために、Waldron 38、Wu et al.39、Gray と Ohana 40 は共同で、モール・クーロン強度理論に基づいた根と土壌の強化モデル (Wu モデル) を確立しました。 ただし、このモデルでは、すべての根が同時に引き抜かれるため、一般にせん断強度が大きくなることが想定されています。 Pollen と Simon41 は、根の圧密を説明するための線維束モデル (FBM) を構築しました。 これは、土壌のせん断の過程で起こる根の進行性破壊に基づいていました。 計算結果はWuモデルよりも直接せん断試験に近かったが、根の強度分布は現地測定の確率に従って決定されており、信頼できるとは考えられていなかった。 Sui と Yi42 は、破壊力学と機能原理を採用して、根の土壌圧密の力学的モデルを構築しました。 直接せん断試験データの結果は、高い計算精度を示しました。 ただし、モデルの主要な破壊靱性パラメータは、ルート直径と成長年齢の両方に関連していました。 さらに、モデルはさらに検証し、改善する必要があります。 根土壌圧密に関する上記の典型的な力学的モデルはすべて、ハーブの根の破損と破損を目的としていました。 しかし、土壌を強化するアーバールートのモデルを研究することが緊急に必要です。