Prueba de características de deformación y mecanismo del complejo de suelo de raíz pivotante en árboles tropicales.

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 5732 (2023) Citar este artículo

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Este estudio realizó pruebas de corte simple a gran escala en arcilla roja de Haikou y raíz principal de árbol para explorar el efecto antideslizante y las características de deformación de las raíces de árbol de la selva tropical bajo un deslizamiento de tierra poco profundo. Se reveló la ley de deformación de las raíces y el mecanismo de interacción raíz-suelo. Los resultados indicaron el importante efecto de refuerzo de las raíces del árbol sobre la resistencia al corte y la ductilidad del suelo, que aumentó con la disminución de la tensión normal. El mecanismo de refuerzo del suelo por las raíces de los árboles se atribuyó a sus efectos de fricción y retención mediante un análisis del movimiento de las partículas del suelo y el patrón de deformación de las raíces durante el proceso de corte. La morfología de las raíces de los árboles bajo falla por corte podría describirse usando una función exponencial. En consecuencia, se propuso un modelo de Wu avanzado que reflejaba mejor el estado de tensión y la deformación de las raíces basándose en el concepto de superposición de segmentos de curva. Se cree que los resultados constituyen una base experimental y teórica confiable para el estudio en profundidad de la consolidación del suelo y los efectos de la resistencia al deslizamiento de las raíces de los cenadores, y además sientan las bases para la protección de pendientes mediante las raíces de los cenadores.

Con el desarrollo de la economía nacional, la multitud de construcciones de infraestructura han afectado gravemente el medio ambiente. La tala artificial ha producido varios taludes artificiales que han exacerbado la erosión del suelo y causado graves daños al medio ambiente ecológico. La ingeniería tradicional para la protección de taludes adopta mayoritariamente hormigones armados para su refuerzo; sin embargo, es costoso, tiene un proceso de construcción complejo, poca durabilidad y un efecto paisajístico monótono. La protección ecológica de taludes es una tecnología integral para la protección de taludes, que involucra solo plantas o la combinación de ingeniería y plantas, que puede ayudar en la realización tanto de la construcción de ingeniería como de la protección ecológica. En consecuencia, se ha convertido en un punto de investigación para numerosos académicos de todo el mundo.

En los últimos años, los académicos han realizado varios estudios sobre el efecto de consolidación del suelo por parte de las raíces de las plantas. Las pruebas en interiores o en el campo han confirmado la capacidad de las raíces de las plantas para mejorar significativamente la resistencia al corte y la ductilidad del suelo1,2,3,4,5,6,7,8,9. Los resultados de estas investigaciones han demostrado que los atributos naturales de las raíces afectaron considerablemente el efecto de consolidación del suelo, como son su especie10,11,12,13,14,15, edad de crecimiento16,17,18,19 y morfología de la raíz20,21,22. 23,24. En general, se encontró que el contenido de raíces se correlacionaba positivamente con la resistencia al corte del complejo raíz-suelo25,26,27,28, mientras que Yang et al.29, Li et al.30, Liao et al.31 y Wang et al.32 descubrieron mediante pruebas que existía un contenido óptimo de raíces para su efecto fortalecedor del suelo. Además, Deng et al.33, Gai et al.34 y Feng et al.35 revelaron que la distribución y ubicación de las raíces también influyeron significativamente en el efecto de consolidación del suelo. La mayoría de los estudios se han centrado principalmente en la consolidación del suelo por hierbas y arbustos; sin embargo, los estudios sobre pruebas de corte a gran escala de raíces de árboles son escasos. Además, limitados por instrumentos experimentales y métodos de detección, los informes sobre las características morfológicas de las raíces y el mecanismo de interacción raíz-suelo son raros. Wen et al.36 y Zhao et al.37 realizaron una prueba de corte directo a gran escala del complejo raíz-suelo con diferentes métodos de distribución de raíces en el caso de una raíz pivotante de árbol de caucho Haikou. La deformación de la raíz se realizó conectando fibra de PVC de alta resistencia con la raíz; sin embargo, la prueba resultó en el ajuste artificial de la superficie de falla por corte, que no pudo reflejar verdaderamente la deformación por corte del suelo y la raíz en el proceso de corte.

Para explorar la teoría y el mecanismo de consolidación del suelo por parte de las raíces, Waldron38, Wu et al.39, y Gray y Ohashi40 establecieron conjuntamente el modelo de consolidación raíz-suelo (modelo Wu) basado en la teoría de la fuerza de Mohr-Coulomb. Sin embargo, este modelo supuso que todas las raíces se arrancaron simultáneamente, lo que resultó en una resistencia al corte generalmente mayor. Pollen y Simon41 construyeron un modelo de haz de fibras (FBM) para describir la consolidación de las raíces. Se basó en la fractura progresiva de las raíces durante el proceso de cizallamiento del suelo. Aunque los resultados del cálculo estuvieron más cerca de la prueba de corte directo que del modelo de Wu, la distribución de la resistencia de la raíz se determinó de acuerdo con la probabilidad de las mediciones de campo, lo que no se consideró confiable. Sui y Yi42 adoptaron la mecánica de fractura y principios funcionales para construir un modelo mecánico de consolidación del suelo radicular. Los resultados de los datos de la prueba de corte directo indicaron una alta precisión de cálculo; sin embargo, los parámetros clave de tenacidad a la fractura en el modelo estaban relacionados tanto con el diámetro de la raíz como con la edad de crecimiento. Además, el modelo aún necesita ser validado y mejorado. Todos los modelos mecánicos típicos anteriores de consolidación del suelo de raíces estaban dirigidos a la fractura y falla de las raíces de las hierbas; sin embargo, existe una necesidad urgente de estudiar el modelo de raíces de cenador que refuerzan el suelo.

Considerando como objeto de investigación las raíces de los cenadores y la arcilla roja ampliamente distribuidas en Hainan, este estudio realizó una prueba de corte a gran escala en un complejo de suelo de raíces. Se reveló el efecto antideslizante de las raíces sobre el suelo y la ley de deformación de las raíces, y se investigó el mecanismo de interacción raíz-suelo. En consecuencia, se mejoró el modelo de Wu basándose en la morfología y las tensiones de las raíces. Se espera que los resultados de la investigación desempeñen un papel importante en la prevención y el control de desastres geológicos bajo el clima común de tifones y tormentas en la provincia de Hainan. Además, pueden orientar la priorización de tipos de vegetación en el tratamiento ecológico, así como las medidas de protección y refuerzo de pendientes después de la plantación.

El dispositivo de prueba adoptado incluyó un gran aparato de corte único de diseño propio para el complejo raíz-suelo43, como se muestra en la Fig. 1. Constaba de seis partes: marco de reacción, caja de apilamiento de corte, sistema de carga vertical, sistema de carga horizontal, medición del desplazamiento de corte. y sistema de medición de la deformación de la raíz. La caja de apilamiento de cizalla constaba de 13 capas de anillos de apilamiento cuadrados con un diámetro interior de 40 × 40 cm y una altura de 4 cm. Se instaló una aguja de 1 mm de diámetro entre las cajas apilables para reducir la fricción. La caja de apilamiento superior se fijó horizontalmente mediante el tornillo y el marco de reacción. Además, la caja de apilamiento inferior se configuró con posiciones de 9 orificios para limitar las raíces a diferentes ubicaciones y se soldaron 4 rodillos para reducir la fricción. Además, el dispositivo de medición de tensión comprendía un controlador de doble canal MCK-S y un sensor de presión de tracción tipo radio JLBU-1 (Zhongwan Jinnao) con una precisión de medición integral del 0,05 %. Se utilizaron para monitorear la presión normal y el empuje horizontal, respectivamente, donde el empuje horizontal actuó sobre las 3 capas inferiores de cajas apiladas para formar 10 posibles superficies deslizantes. Además, se midió el desplazamiento de corte de cada caja apilable utilizando una regla adhesiva con un plano de acero inoxidable. Además, el sistema de medición de la deformación de la raíz estaba compuesto por una cuerda de medición y una regla de medición.

Gran aparato de corte único para el complejo raíz-suelo.

Hainan está situada al borde de los trópicos y experimenta un clima marítimo monzónico tropical. Está sujeto a altas temperaturas y lluvias, fuertes condiciones climáticas como tifones y fuertes lluvias, y es propenso a deslizamientos de tierra. La muestra de suelo de prueba se adquirió de una pendiente en la ciudad de Guilin Yang, distrito de Meilan, ciudad de Haikou. Era arcilla de color rojo ladrillo, como se muestra en la Fig. 2. A una profundidad de 1,5 a 2 m, el suelo era uniforme, con la curva de clasificación de partículas como se muestra en la Fig. 3. Los atributos físicos básicos se enumeran en la Tabla 1. Banyan es un cenador representativo en el área de selva tropical de Hainan, con una larga vida útil, una rápida tasa de crecimiento, un sistema de raíces bien desarrollado, buena resistencia al viento y adaptabilidad ambiental, y una buena demostración para la promoción del manejo de la vegetación. Todas las raíces requeridas en la prueba se obtuvieron mediante recolección razonable en campo, y fueron uniformes en espesor, con un diámetro promedio de 22 mm y una longitud de aproximadamente 56 cm.

Pruebe la muestra de suelo.

Curva acumulativa de gradación de partículas.

El experimento implicó pruebas de corte simple de suelo plano y de suelo complejo con tres raíces paralelas. El contenido de agua de la arcilla roja se fijó en 31% y la densidad seca fue de 1,06 g/cm3. La disposición del sistema de raíces se muestra en la Fig. 4 (la parte sombreada en la figura indica la ubicación del sistema de raíces). Antes de realizar la prueba, la muestra de suelo se preparó de acuerdo con el contenido de agua preestablecido y se dejó reposar durante un día y una noche. Además, antes de llenar la muestra de suelo, el sistema de raíces se pasó paralelamente a través de las posiciones de los orificios de la caja de apilamiento inferior hacia el aparato de corte único. Posteriormente, la muestra de suelo fue rellenada y compactada seis veces. A partir de entonces, las muestras se rasparon entre las capas con un cuchillo raspador, y las cuerdas de medición se ataron al sistema de raíces dentro de los espacios entre las cajas de apilamiento números 1–2, 3–4, 5–6, 7–8 y 9. –10, como se muestra en la Fig. 5. Se aseguró que el sistema radicular estuviera siempre vertical durante el proceso de llenado de la muestra. Además, las pruebas se realizaron después de que todas las muestras de suelo se llenaran y descansaran durante 12 h.

Disposición del sistema radicular.

Disposición de cuerdas de medición.

Considerando el estado de tensión a la profundidad de penetración real de las raíces, la tensión normal se estableció en 20, 40 y 60 kPa, respectivamente. Después de la presurización, según 1, 2, 5, 10, 20, 30 y 60 min, etc., se mide la lectura de deformación vertical hasta la estabilidad. El estándar de estabilidad para la deformación de la muestra no es superior a 0,03 mm por hora. Posteriormente, se inició la prueba de corte manual y se controló la velocidad de carga horizontal a 1/8 de círculo/tiempo. Después de cada nivel de carga, se registró la deformación vertical del suelo, el desplazamiento horizontal de las cajas apilables de 11 capas, la deformación de las raíces y el empuje horizontal. La prueba completa requirió aproximadamente 2 h cuando el desplazamiento alcanzó los 60 mm. Según la Norma para el Método de Ensayo Geotécnico44, la fuerza de corte en el pico de tensión o un desplazamiento de 40 mm (10% de la longitud de la caja de apilamiento) se consideró como resistencia al corte. En consecuencia, la superficie del gradiente surgió durante la falla por corte, como se muestra en la Fig. 6.

Muestra después de una falla por corte simple.

La Figura 7 muestra la curva de relación entre las tensiones cortantes y los desplazamientos cortantes de suelo plano y suelo complejo con tres raíces paralelas bajo diferentes tensiones normales. Aquí, el complejo de suelo con tres raíces paralelas se denominó suelo de raíces.

Curva de relación entre esfuerzos cortantes y desplazamientos cortantes.

Como se desprende de la Fig. 7, las tensiones cortantes de los suelos planos y de raíces crecieron con el aumento de sus desplazamientos cortantes y ambos exhibieron las características del tipo de endurecimiento por deformación. Esto se debió a que no había una superficie de falla por corte establecida artificialmente para el corte simple. La muestra de suelo cortada experimentó un proceso de falla gradual y la resistencia al corte del suelo de las raíces fue mayor que la de la muestra de suelo misma. Además, la falla por corte a menudo ocurría dentro de un cierto rango del suelo; por lo tanto, el esfuerzo cortante creció con el aumento del desplazamiento cortante. Además, bajo el mismo estado de tensión normal, la tensión de corte del suelo de las raíces fue significativamente mayor que la del suelo simple, lo que indica que las raíces del árbol mejoraron significativamente la resistencia al corte del suelo y dieron como resultado su consolidación.

Se analizó el efecto reforzante del sistema radicular sobre el talud según el contenido de raíces en el suelo. La fórmula de cálculo de la relación del área de la raíz45 se expresa como:

donde RAR es la relación del área de la raíz (%), Ar es la suma de las áreas de la sección transversal de todas las raíces, As es el área de la sección transversal de la muestra, di es el diámetro de una sola raíz, l y b son la longitud y ancho del aparato de corte único, respectivamente, y n es el número de raíces.

El modelo de Wu29,30,31 supone que el efecto de refuerzo de las raíces de las plantas sobre el suelo se refleja principalmente a través del aumento de la cohesión, mientras que la influencia sobre el ángulo de fricción interna es mínima. Según este cálculo, los índices de resistencia al corte de suelos planos y de raíces se enumeran en la Tabla 2, y la curva de resistencia al corte se muestra en la Fig. 8. Como es evidente, la cohesión del suelo de raíces (RAR = 0,71%) fue significativamente mayor que la de suelo llano, alcanzando el 51,58%.

Curva de resistencia al corte.

Después de clasificar el crecimiento de la resistencia al corte bajo cada estado de tensión normal, como se muestra en la Fig. 9, se encontró que el crecimiento de la resistencia al corte disminuye según la ley de potencia con un aumento en la tensión normal. Cuando la tensión normal aumentó de 20 a 60 kPa, el crecimiento de la resistencia al corte disminuyó del 25,3 al 10,2%. Además, en caso de un deslizamiento de tierra poco profundo, el efecto de consolidación del suelo por el sistema de raíces fue obvio. Sin embargo, con el aumento de la profundidad, la resistencia al corte del suelo debido a la consolidación del peso propio también aumentó, mientras que el efecto fortalecedor del sistema radicular en el suelo disminuyó gradualmente.

Curva de crecimiento de la resistencia al corte.

Para un desplazamiento de corte de 4 cm, los patrones de deformación por corte de muestras de suelo plano y de raíces obtenidas bajo diferentes tensiones normales se muestran en la Fig. 10.

Patrones de deformación por corte de cada caja de apilamiento.

Como es evidente, el desplazamiento cortante alcanzó el máximo en el lugar donde el esfuerzo cortante ejerció su efecto. Además, al aumentar la distancia desde la superficie actuante del esfuerzo cortante, se reduce el desplazamiento cortante. Bajo la misma tensión normal, las deformaciones por corte a diferentes alturas de la muestra de suelo de raíces fueron significativamente menores que las del suelo plano. Sin embargo, la diferencia entre ellos se redujo gradualmente con el aumento del estrés normal, lo que indica que el efecto antideslizante del sistema radicular sobre el suelo disminuyó gradualmente con el aumento del estrés normal.

La Tabla 3 enumera los desplazamientos de corte de la caja de apilamiento inferior bajo la acción de tensiones normales y de corte típicas en el proceso de corte extraído de la Fig. 7. La deformación por corte del suelo de raíces fue generalmente un 37,5% menor que la del suelo plano. Esto demostró la capacidad de las raíces del cenador para mejorar efectivamente la capacidad de la pendiente para resistir la deformación y retrasar la ocurrencia de deslizamientos de tierra.

La deformación de las raíces durante el cizallamiento es crucial para el desempeño de consolidación del suelo, que es la premisa para estudiar el mecanismo de interacción raíz-suelo. Como los patrones de deformación por corte de las raíces No. 1, 2 y 3 fueron los mismos, la Fig. 11 solo presenta los resultados de la raíz No. 1 bajo diferentes tensiones normales.

Deformaciones de la raíz por corte bajo diferentes tensiones normales (Raíz N° 1).

Como es evidente, la deformación de la raíz aumentó gradualmente con el crecimiento del desplazamiento por corte, y la morfología de la raíz varió gradualmente de una línea recta a una curva. Para un esfuerzo cortante τ = 15 kPa, la deformación de la raíz disminuyó gradualmente con el aumento del esfuerzo normal. Cuando la tensión normal aumentó de 20 a 60 kPa, el ángulo de deformación de la raíz disminuyó en un 82%, como se muestra en la Fig. 12. Esto confirmó que el estado de alta tensión no conducía a inducir el efecto de retención del suelo del sistema de raíces.

Deformaciones de la raíz bajo diferentes tensiones normales cuando τ = 15 kPa (Raíz No.3).

La Figura 13 muestra los patrones de deformación de la raíz bajo diferentes estados de tensión normales cuando el desplazamiento de corte fue de 4 cm (Raíz No.1). Como es evidente, la morfología de la raíz en el estado de falla por corte era una curva convexa, que podría describirse mediante \(y = y_{0} + A \cdot \exp (x/t)\). La deformación convexa de la raíz aumentó gradualmente de abajo hacia arriba con el aumento del estrés normal, lo que implica que el efecto de retención del suelo de la parte superior del sistema radicular se hizo cada vez más prominente con el aumento del estrés normal. En la prueba, la parte inferior del sistema radicular se vio limitada en dirección horizontal, mientras que la parte superior se vio afectada por el suelo presente alrededor de la raíz. Con el aumento de la tensión normal, aumentó la tensión cortante última y se intensificó el movimiento de las partículas del suelo en la caja de apilamiento. Debido al efecto de retención del suelo por parte de la parte inferior de las raíces de los árboles, se fortaleció el movimiento ascendente de las partículas del suelo; por lo tanto, la deformación diferencial del sistema radicular superior se volvió gradualmente prominente.

Deformaciones de la raíz de fallas por corte bajo diferentes tensiones normales (Raíz No.1).

Con base en los resultados de las pruebas de carga normal y horizontal, se exploraron las influencias del movimiento de las partículas del suelo y la deformación de las raíces sobre el efecto antideslizante para revelar el mecanismo de interacción raíz-suelo.

La Figura 14 muestra los patrones de asentamiento de muestras de suelo plano y de raíces durante cargas normales. Como es evidente, la deformación del asentamiento bajo diferentes tensiones normales fue principalmente un asentamiento instantáneo, que básicamente tendió a estabilizarse en 30 minutos. Bajo el mismo estado de estrés normal, el asentamiento estable del suelo plano fue mayor que el del suelo de raíces; sin embargo, la brecha entre ellos disminuyó gradualmente con el aumento de la tensión normal, como se muestra en la Fig. 15. Esto se debió a que la existencia de raíces de árboles aumentó la rigidez general del suelo y mejoró su capacidad de carga compresiva.

Curvas de asentamiento que varían con el tiempo bajo diferentes tensiones normales.

Curva de relación entre asentamientos estables y tensiones normales de suelos de llanura y de raíces.

La Figura 16 muestra los patrones de deformación normales de diferentes partes en las superficies de suelos planos y de raíces durante el corte. Las partículas del suelo exhibieron dos estados de movimiento: traslación y rotación. Bajo la acción del empuje horizontal, las partículas de suelo en la parte posterior de la caja de apilamiento se movieron hacia adelante y las del frente se acumularon debido a las limitaciones de los límites bajo la promoción de tensiones cortantes horizontales y la presencia de partículas de suelo en la parte posterior. Con el aumento gradual de la tensión cortante, las partículas de suelo en la parte delantera inevitablemente se movieron hacia arriba después de apretarse y rodar entre sí, exhibiendo así el fenómeno de ser más altas en la parte delantera y más bajas en la parte posterior.

Curva de relación entre deformación normal y desplazamiento de corte en diferentes partes.

La Figura 17 muestra la curva de relación entre los valores promedio de las deformaciones normales y los desplazamientos de corte de suelos planos y de raíces bajo diferentes tensiones normales durante el proceso de corte. Como es evidente, bajo la acción conjunta de las fuerzas normales y horizontales, el suelo plano exhibió el efecto de contracción por corte, que se intensificó con el aumento de la tensión normal. Para σn = 20 o 40 kPa, se observó el efecto de expansión por corte, mientras que para σn = 60 kPa, se produjo el efecto de contracción por corte. Para un desplazamiento de corte de 4 cm, el asentamiento del suelo de raíces fue inferior al del suelo plano, y la brecha entre estos disminuyó gradualmente con el aumento de la tensión normal, como se muestra en la Fig. 18. Esto indicó que la existencia de raíces era propicia para el suelo resistió el asentamiento por corte, y el efecto fue más significativo en el estado de baja tensión.

Curva de relación entre los valores promedio de las deformaciones normales y los desplazamientos de corte de suelos planos y radiculares.

Curva de relación entre los valores promedio de las deformaciones normales y las tensiones normales de suelos planos y de raíces (desplazamiento de corte de 4 cm).

Debido a que la prueba de corte simple no se limitó a la superficie de falla por corte, hubo ciertos movimientos de partículas de suelo en la superficie de corte y dentro de las muestras de suelo, como sigue: traslación y rotación. En el caso del suelo llano, las partículas del suelo se movían principalmente libremente bajo la acción del esfuerzo cortante y los poros dentro de la muestra de suelo se comprimían eficazmente, lo que provocaba el efecto de contracción por corte. En contraste, para el suelo de raíces, el sistema de raíces estuvo sujeto a deformación por flexión bajo corte. Exhibió los estados de tensión de tensión y compresión en la parte delantera y trasera, respectivamente, lo que resultó en la imposición de efectos de fricción y empuje sobre las partículas del suelo, como se muestra en la Fig. 19a,b. En el proceso de corte, cuando las partículas del suelo se movían cerca del sistema de raíces, actuaba como barrera de retención del suelo, lo que restringía la traslación de las partículas del suelo y las obligaba a rotar. Bajo estrés normal bajo, la restricción de la fricción de las raíces a la rotación de las partículas del suelo fue limitada; por lo tanto, su movimiento ascendente exhibió el efecto de la expansión por corte. Sin embargo, bajo estrés normal alto, con aumentos en la deformación de la raíz y el esfuerzo cortante final, la fricción de la raíz restringió efectivamente la rotación de las partículas del suelo alrededor de la raíz y las obligó a pasar a través de los espacios de la raíz, lo que resultó en el fenómeno de "flujo". alrededor". En consecuencia, se observó la compresión y compactación del suelo por el efecto de contracción por corte.

Diagrama de movimiento de partículas del suelo.

Por tanto, la esencia de la interacción entre las raíces del árbol y el suelo radica en el movimiento de las partículas del suelo y la deformación de las raíces. Bajo la acción conjunta de fuerzas normales y horizontales, las partículas de suelo traseras promovieron la deformación de las raíces y el movimiento de las partículas de suelo delanteras, mientras que la raíz reaccionó sobre las partículas de suelo traseras mientras exhibía efectos de fricción y retención. Además, cuando el efecto de consolidación al final del sistema radicular fue insuficiente, la capacidad anti-flexión del sistema radicular influyó significativamente en el efecto antideslizante sobre el suelo.

El modelo Wu es el primer modelo mecánico que propone el efecto de consolidación del suelo de las raíces de las plantas, que puede usarse para calcular la contribución de las raíces de las plantas a la resistencia al corte del suelo. Debido a su principio claro y cálculo simple, sigue siendo el modelo más aplicado para evaluar la consolidación del suelo por raíces. Sus ecuaciones mecánicas se expresan de la siguiente manera:

donde τr es la resistencia al corte, σn es la tensión normal, φ es el ángulo de fricción interna del suelo llano, c es la cohesión del suelo llano, Δc es la resistencia al corte proporcionada por el sistema de raíces, Tri es la resistencia última a la tracción del suelo simple raíz, RARi es la relación del área de la raíz de una sola raíz, θ es el ángulo de desplazamiento del sistema de raíces después del corte y k es el coeficiente de contribución del fortalecimiento de las raíces, que se puede utilizar para evaluar los efectos de refuerzo y consolidación del sistema de raíces en el suelo. .

El modelo de Wu plantea la hipótesis de que los extremos de las raíces no se arrancan y que todas las raíces se rompen simultáneamente al alcanzar la resistencia máxima a la tracción (Fig. 20a), lo cual es una sobreestimación obvia de la contribución de las raíces a la resistencia al corte del suelo. Mientras tanto, en el caso del sistema radicular en forma de árbol con rizomas radiculares fuertes, hay tres modos de rotura en la falla por corte: fractura, extracción y deslizamiento42; por tanto, el modelo de Wu aparentemente ya no es aplicable.

Diagrama de tensiones de diferentes modos de fallos de raíz.

Para evaluar más razonablemente el efecto mecánico de las raíces del árbol en la consolidación del suelo, se mejoró el modelo de Wu basándose en la morfología del daño y el patrón de las raíces del árbol bajo falla por corte. Por un lado, cuando se produce la falla por corte del complejo raíz-suelo, el suelo alcanza el estado límite, mientras que el sistema radicular se dobla y se desliza. Por lo tanto, se introduce el coeficiente de resistencia a la tracción de la raíz αi para definir el estado de tensión real del sistema de raíces como se muestra en la ecuación. (4). Por otro lado, según los resultados medidos, la deformación real de la raíz es curva y el incremento de deformación de cada segmento es inconsistente. Por lo tanto, la curva convexa del sistema de raíces del árbol se divide en múltiples líneas rectas según la idea de calcular y superponer los segmentos de la curva, como se muestra en la Fig. 20b. Luego se calculó el coeficiente de contribución mejorado del fortalecimiento de la raíz kʹ, como se muestra en la ecuación. (5). En última instancia, el incremento de cohesión mejorado en el modelo de Wu es el siguiente: (6).

donde \(T^{\prime}_{ri}\) es la tensión de tracción de la raíz única, H es la altura de la zona de corte, Hj es la altura de la zona de corte de la sección j y αi es la resistencia a la tracción de la raíz Coeficiente de ejercicio, obtenido mediante pruebas o experiencia.

Debido a que los patrones de deformación del sistema radicular de las raíces No. 1, 2 y 3 eran los mismos, este estudio consideró la deformación de la raíz No. 1 para calcular tanto los coeficientes de contribución al fortalecimiento de la raíz como las resistencias promedio a la tracción de las raíces antes y después de la Mejora del modelo Wu. El proceso de cálculo específico se presentó en la Tabla 4. Como se desprende de los cálculos, la resistencia a la tracción del sistema de raíces fue solo un 4% efectiva en el estado de falla por corte (para un desplazamiento por corte de 4 cm). Esto se debe a que ni los extremos superior ni inferior del sistema radicular habían sido anclados en la prueba, considerándose únicamente las restricciones del suelo a su alrededor. La mejora de la resistencia al corte se originó principalmente por la rigidez anti-flexión del sistema radicular. Por lo tanto, se sugirió que la profundidad incrustada del sistema de raíces debería aumentarse en el proyecto real para mejorar el efecto de anclaje del sistema de raíces y aprovechar su resistencia a la tracción. El coeficiente de contribución mejorado del fortalecimiento de la raíz kʹ fue menor que k, que disminuyó gradualmente con el aumento del estrés normal. Nuevamente, esto demostró que el aumento del estrés normal debilitó el efecto de consolidación del sistema radicular en el suelo. Debido a que la deformación por corte preestablecida del sistema radicular en esta prueba fue solo de aproximadamente 5°, el valor general del coeficiente de contribución al fortalecimiento de la raíz fue relativamente pequeño, mientras que la variación antes y después de la mejora fue insignificante. Sin embargo, el aumento de la cohesión de las raíces calculado utilizando la Ec. (3) siguió siendo significativamente mayor que en el caso real. Por lo tanto, el modelo mejorado reflejó mejor el estado real de tensión y la deformación de las raíces. Además, profundizó la investigación sobre el modelo mecánico de las raíces de las plantas que consolidan el suelo y proporcionó una base teórica para una mejor predicción y evaluación del efecto de consolidación del suelo de las raíces.

Este estudio consideró las típicas raíces de arcilla roja y de árbol en Hainan como objeto de investigación y realizó pruebas de corte en suelo llano y complejo de suelo con tres raíces paralelas bajo diferentes tensiones normales utilizando un instrumento a gran escala de desarrollo propio de corte simple para complejo de suelo de raíces. . Las principales conclusiones de este estudio son las siguientes:

Las raíces del cenador exhibieron un efecto de refuerzo significativo sobre la resistencia al corte y la ductilidad del suelo. Además, la cohesión del complejo de raíces del suelo (RAR = 0,71%) aumentó aproximadamente un 50% y su ductilidad aumentó aproximadamente un 37,5% en comparación con la del suelo plano.

La deformación volumétrica del suelo plano y del complejo raíz-suelo bajo falla por corte exhibió comportamientos diferentes. Con el aumento de la tensión normal, el suelo plano exhibió el efecto de contracción por corte, mientras que el complejo del suelo de raíces cambió del efecto de expansión por corte al efecto de contracción por corte.

Las raíces de Banyan en la arcilla roja con un estado de tensión más bajo ejercieron un mayor efecto de refuerzo que una tensión más alta, lo que es beneficioso para la protección ecológica de pendientes poco profundas.

El movimiento de las partículas del suelo en el complejo raíz-suelo durante el proceso de corte resultó en la deformación de las raíces, y el efecto de las raíces sobre las partículas del suelo se manifestó como efecto de fricción y barrera. Al ocurrir la falla por corte, la masa de suelo falló en el modo de corte, mientras que el sistema de raíces se dobló y resbaló.

La morfología de la raíz del eje en el estado de falla por corte podría describirse mediante \(y = y_{0} + A \cdot \exp (x/t)\). Se descubrió que el modelo Wu mejorado refleja mejor el estado de tensión y la deformación del sistema radicular.

Este estudio reveló de manera creativa el patrón de deformación de las raíces del árbol durante el proceso de corte, lo que proporciona una base experimental y teórica para el establecimiento y mejora del modelo mecánico de raíces del árbol que consolidan el suelo. Sin embargo, el método de determinación del coeficiente de resistencia a la tracción de la raíz que ejerce αi debe investigarse más a fondo, y aún faltan investigaciones sobre la interacción entre las raíces.

Los conjuntos de datos recopilados y analizados durante el estudio actual están disponibles a través de solicitud razonable del autor correspondiente.

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Este trabajo fue apoyado financieramente por el Fondo Abierto del Laboratorio Nacional de Ingeniería de Tecnología de Mantenimiento de Carreteras (Universidad de Ciencia y Tecnología de Changsha) (No. kfj190109), el Departamento de Educación de la provincia de Hainan (No. Hnky2020-56), todos ellos muy apreciados.

Universidad de Ciencia y Tecnología de Changsha, Laboratorio Nacional de Ingeniería de Tecnología de Mantenimiento de Carreteras, Changsha, 410114, Hunan, China

Peng Du y Dequan Zhou

Universidad de Economía de Haikou, Escuela Yaha de Medio Ambiente Construido, Haikou, 571127, Hainan, China

Peng Du y Xiaoling Liu

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Yujie Feng

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PD y DZ concibieron el experimento, DZ proporcionó recursos, PD e YF realizaron el experimento, PD y XL analizaron e interpretaron los resultados. PD redactó el manuscrito original. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Dequan Zhou.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Du, P., Zhou, D., Liu, X. et al. Prueba de características de deformación y mecanismo del complejo de suelo de raíces pivotantes en bosques tropicales. Representante científico 13, 5732 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-32304-1

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Recibido: 09 de agosto de 2022

Aceptado: 25 de marzo de 2023

Publicado: 07 de abril de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-32304-1

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