Estudio sobre las influencias de la dimensión fractal del sistema radicular y el grado de pendiente en la estabilidad del talud.

Aug 04, 2023

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 10282 (2023) Citar este artículo

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El problema de cuantificar el efecto de la morfología de la raíz de alfalfa sobre la estabilidad de la capa superficial poco profunda de la pendiente de la mina de carbón a cielo abierto de Haizhou y el grado de pendiente óptimo en términos del refuerzo de la capa superficial poco profunda por el sistema de raíces de alfalfa. fue abordado. En este estudio, los parámetros mecánicos de muestras compuestas de suelo plano y suelo de raíz de alfalfa se midieron mediante pruebas de suelo en interiores y pruebas de compresión triaxial, y se estableció un modelo de cálculo para la pendiente de la mina de carbón a cielo abierto de Haizhou en el software de simulación numérica FLAC3D. analizar la influencia del sistema radicular de alfalfa en el desplazamiento máximo de la capa superficial del talud y la relación con la dimensión fractal del sistema radicular de alfalfa. La dimensión fractal se aplicó para cuantificar la influencia de la morfología de la raíz de alfalfa para investigar más a fondo la relación entre la dimensión fractal del sistema de raíces y la pendiente óptima de la capa superficial poco profunda. El análisis mostró que la dimensión fractal del sistema radicular de alfalfa varió en diferentes grados de pendiente, es decir, 40° > plano > 30° > 50°; el desplazamiento máximo del suelo de la capa superficial poco profunda de la pendiente aumentó con la pendiente en incrementos no lineales. El análisis de la dimensión fractal del sistema de raíces de alfalfa y la tasa máxima de reducción de desplazamiento en los diferentes grados de pendiente revelaron que el grado de pendiente óptimo de la capa superficial poco profunda reforzada por alfalfa varió entre 30° y 40°. Los resultados del estudio podrían proporcionar una base para explicar mejor la naturaleza del papel de la morfología de la raíz de alfalfa en el refuerzo del suelo superficial poco profundo y el grado óptimo de pendiente de la mina de carbón a cielo abierto de Haizhou reforzada con raíces de alfalfa.

En los últimos años, debido al aumento de la minería del carbón a cielo abierto, el refuerzo de taludes ha recibido cada vez más atención. La mina de carbón a cielo abierto de Haizhou tiene 4 km de largo de este a oeste y 2 km de ancho de norte a sur, con una profundidad vertical de 250 m, 18 m por debajo del nivel del mar, y quebró en 2005, pero la falta de medidas de protección durante la minería del carbón dio como resultado la formación de una pendiente de estructura binaria suelo-roca que consiste en una capa superior de suelo superficial poco profunda y una capa inferior de lecho rocoso erosionado; Además, las medidas de ingeniería de estabilización de taludes suelen ser difíciles de lograr en taludes de estructura dual suelo-roca, y un diseño o construcción inadecuados pueden conducir fácilmente a daños geológicos como el colapso del talud por deslizamientos de tierra, que amenazan la estabilidad general del talud1,2,3; por tanto, no se puede ignorar el problema de la pendiente.

Mejorar la estabilidad de la pendiente optimizando el proceso de refuerzo de la pendiente es el objetivo de muchos diseñadores de ingeniería. Las medidas tradicionales de fijación de taludes de ingeniería pueden producir un cierto efecto de protección de taludes en la etapa inicial del proyecto, pero el hormigón, el acero y las rocas se erosionan constantemente debido a la intemperie y el efecto del agua de lluvia, lo que conduce a una reducción en la resistencia de protección de la fijación de taludes de ingeniería. medidas. La vegetación desempeña un papel que no cumplen otras medidas de ingeniería, como la mejora del entorno ecológico, la reducción de la erosión del suelo, la retención de agua y la fijación del suelo y las pendientes, y la fijación de las pendientes de la vegetación es un método de control económico y de protección ambiental con un papel importante e irremplazable. Por lo tanto, la tecnología de fijación de taludes con vegetación se ha convertido en la tendencia y principal objetivo de la gestión y mantenimiento de taludes4. Manbeian et al.5 concluyeron que el efecto de mejora de la resistencia al corte de los sistemas de raíces en suelos de pendientes está influenciado por la morfología de las raíces de las plantas y el tipo de planta y que diferentes morfologías de las raíces de las plantas imponen diferentes efectos sobre la mejora de la estabilidad de las pendientes. En 1989, Tatsumi6 fue el primero en aplicar la teoría fractal al estudio de los sistemas de raíces de las plantas, cuantificando así las características morfológicas y estructurales de los sistemas de raíces de las plantas. Al estudiar las características fractales de diferentes raíces de plantas en el interior del desierto, Xiaolin Yang et al.7 concluyeron que la dimensión fractal no sólo puede usarse para cuantificar la complejidad de la ramificación de las raíces, sino que también puede considerarse para predecir la biomasa de las raíces de las plantas y, por lo tanto, Analizar la capacidad de fijación del suelo de diferentes plantas. Al analizar la morfología del sistema de raíces de Agriophyllum squarrosum bajo diferentes condiciones del rodal, Jie Ren et al.8 concluyeron que las diferentes condiciones del rodal afectaron significativamente la dimensión fractal del sistema de raíces de Agriophyllum squarrosum. Sin embargo, este estudio pasó por alto el efecto de las raíces de las plantas sobre la estabilidad de la pendiente en diferentes grados de pendiente. Hongyan Wu et al.9 investigaron la relación entre la morfología de la raíz de Hu Zhi Zi y la estabilidad de pendientes en diferentes grados de pendiente en la estación forestal Beijing Vulture Peak utilizando la dimensión fractal de la raíz. Sin embargo, en este estudio sólo se investigaron plantas arbustivas, mientras que no se examinaron los efectos de otros tipos de plantas sobre la estabilidad de la pendiente. Actualmente, la simulación numérica es uno de los métodos más utilizados para evaluar la estabilidad de taludes10, y FLAC3D puede simular adecuadamente el comportamiento mecánico tridimensional de cuerpos geotécnicos11. Este algoritmo supera los supuestos de elementos finitos y elementos límite basados ​​en pequeñas deformaciones, así como el supuesto de elementos discretos al tratar bloques discretos como cuerpos rígidos12, y las celdas del modelo pueden reflejar bien el rendimiento13. Xiaolei Ji14 investigó la relación entre el desplazamiento máximo de diferentes pendientes reforzadas con plantas y la dimensión fractal del sistema de raíces de las plantas mediante simulación. La morfología de las raíces de las plantas se ha descrito principalmente mediante el estudio del ángulo entre las raíces principales y laterales del sistema radicular de la planta, pero este método carece de la cuantificación de la influencia de la morfología general del sistema radicular de la planta sobre la estabilidad de la capa superficial poco profunda. de la pendiente. Estos estudios, que en su mayoría sólo consideran la mejora de la resistencia del suelo debido al sistema de raíces, no consideraron ampliamente el efecto de la morfología de las raíces sobre la estabilidad de la capa superficial poco profunda de pendientes de minas de carbón a cielo abierto en diferentes grados de pendiente y el grado óptimo de pendiente de la capa superficial poco profunda de las pendientes de las minas de carbón a cielo abierto reforzada por sistemas de raíces de plantas herbáceas, pero la pendiente ha sido empleada como un factor topográfico común e importante15; Además, los diferentes grados de pendiente afectan factores ambientales como la humedad del suelo y el ángulo directo del sol, lo que a su vez afecta el crecimiento de las raíces y, por tanto, la estabilidad de la capa superficial poco profunda de la pendiente16.

Por lo tanto, con base en los estudios anteriores sobre la morfología de las raíces de las plantas y la estabilidad de la pendiente, se combinaron y consideraron los tres aspectos del grado de pendiente, la dimensión fractal y la estabilidad superficial de la pendiente para investigar más a fondo el grado de pendiente óptimo de la capa superficial de la pendiente del Mina de carbón a cielo abierto de Haizhou reforzada por el sistema de raíces de alfalfa cuantificando la relación entre la morfología de la raíz de alfalfa y la estabilidad superficial de la pendiente de la mina de carbón a cielo abierto de Haizhou en diferentes grados de pendiente.

El sitio de estudio es la esquina noreste de la ganga norte del área de la mina de carbón a cielo abierto en el Parque Nacional de Minas de Carbón a Cielo Abierto de Haizhou, ciudad de Fuxin, provincia de Liaoning (121°41′1.59"E, 41°59′57.42 "N, elevación de 141 m). La mina de carbón a cielo abierto de Haizhou está ubicada en el distrito de Taiping, aproximadamente a 3 km al sureste del centro de la ciudad de Fuxin. La zona de la mina de carbón a cielo abierto de Haizhou se encuentra en la zona templada norte de latitudes medias, con un clima monzónico continental semihúmedo y semiárido, con temperaturas promedio superiores a 20 °C en verano e inferiores a 3 °C en invierno, una temperatura promedio anual de 9,5 °C, una duración media de la luz solar de 2800 h y una radiación total de energía luminosa de 130 kcal/cm217. El suelo superficial poco profundo de la pendiente de la esquina noreste de la ganga norte pertenece al suelo arenoso neutro desarrollado por la erosión de la arenisca en la capa de manantial de agua, la litología es una combinación de arenisca, limolita y vetas de carbón, y la arenisca está intercalada con vetas de carbón de diferentes espesores.

Tanto el complejo de raíces de alfalfa como las muestras de suelo plano utilizadas en la prueba de este artículo comprendían suelos in situ recolectados durante el mismo período. La calidad del suelo de la capa superficial poco profunda de la pendiente era suelo arenoso, según se determinó mediante el método de análisis de tamiz interior. En comparación con el suelo remodelado, los datos medidos para el suelo in situ pueden reflejar mejor las propiedades físicas del suelo de la pendiente porque la remodelación del suelo cambia la porosidad original del suelo y el nivel de compactación, y es difícil simular la diferencia en las propiedades físicas del suelo entre raíces in situ. –compuestos de suelo y suelo plano en el campo18, por lo que los datos medidos para el suelo remodelado difícilmente pueden representar la situación real y no pueden proporcionar datos de respaldo para el proyecto real. Los parámetros de cálculo de los materiales geotécnicos del talud se muestran en la Tabla 1.

La fuerza de cohesión C y el ángulo de fricción interna φ de las muestras compuestas de suelo-raíz y de suelo plano se obtuvieron mediante el método de prueba de corte directo en interiores; la fuerza de cohesión y el ángulo de fricción interna del lecho de roca y el módulo de elasticidad de los tres materiales se obtuvieron mediante el método de prueba de compresión triaxial, y la densidad del suelo y del lecho de roca se midió mediante el método de anillo de cuchilla y el método de sellado, respectivamente. Para todos los ensayos se prepararon tres probetas de cada material, descartándose los datos con una variación superior al 5%, mientras que se volvieron a ensayar las muestras correspondientes. Luego, los tres datos medidos se promediaron como parámetros de cálculo de los materiales geotécnicos del talud.

En los taludes laterales del sitio de estudio, el sistema radicular de alfalfa es de tipo pivotante, formado por raíces primarias y laterales, y las raíces laterales son raíces ramificadas que surgen de la raíz primaria; las raíces que crecen a partir de las raíces laterales se denominan raíces laterales primarias, las raíces que crecen a partir de las raíces laterales primarias se denominan raíces laterales secundarias y la alfalfa también puede producir raíces laterales terciarias bajo el efecto del estrés por sequía19. La alfalfa genera un sistema de raíces bien desarrollado y las raíces de alfalfa de 1 año generalmente pueden alcanzar una profundidad de 1 a 2 m en el suelo20,21. Se midió el sistema radicular de alfalfa en el talud del sitio de estudio obtenido mediante el método de excavación, y la longitud promedio de las raíces principales de alfalfa de 1 año en cada talud fue de 53.3 cm, con una tendencia de crecimiento vertical descendente. La longitud promedio de las raíces laterales fue de 124,6 cm, con una tendencia de crecimiento en todas direcciones a partir de los 5 cm de las raíces principales, y las raíces laterales horizontales penetraron en el suelo hasta una profundidad de 1 m. Por lo tanto, el espesor modelo calculado de la capa superficial poco profunda del talud del tajo abierto de Haizhou se diseñó como 1 m. El modelo se creó en el software AutoCAD 2020 y se guardó en formato DXF de acuerdo con las dimensiones de la pendiente, y los parámetros específicos del modelo de geometría de pendiente se muestran en la Fig. 1. El archivo DXF se importó a FLAC3D 7.0 y el modelo se estiró mediante 2 m a lo largo de la dirección del espesor para formar un modelo de pendiente 3D preliminar. Una vez establecido el modelo, se dividió la malla, se adoptó una malla hexaédrica y la longitud del borde de una sola malla se fijó en 0,5 m. El archivo de malla se generó utilizando un programa de división automática de malla, y el número de celdas de malla fue 4500 en total, como se muestra en la Fig. 2. Finalmente, el modelo se importó a FLAC3D 6.0 para la simulación numérica. El límite del modelo estaba restringido, con la superficie superior del modelo definida como un extremo libre, la superficie inferior se definió como un límite de restricción fijo y la restricción normal se aplicó a lo largo del perímetro para lograr el equilibrio bajo el peso propio.

Modelo de geometría de pendiente.

Modelo de cálculo de pendientes.

En este artículo, se utilizó el método de reducción de resistencia en el software de elementos finitos anterior para calcular el factor de seguridad de la pendiente. Dado que la cohesión C y el ángulo de fricción interna φ son los principales factores de la estabilidad de la pendiente, el coeficiente F se ajustó gradualmente en el proceso de cálculo para obtener diferentes valores de C′ y φ′, que son los parámetros para el cálculo iterativo repetido. El factor de reducción cuando el talud se encuentra en estado de daño crítico es el factor de seguridad del talud. El método de reducción de resistencia se puede expresar como las Ecs. (1) y (2).

La cohesión y el ángulo de fricción interna del talud en el estado de daño después del descuento se pueden obtener con las Ecs. (1) y (2) por C′ y φ′, respectivamente. El coeficiente de descuento se denota por F, y la cohesión y el ángulo de fricción interna en el estado de daño antes del descuento se denotan por C y φ, respectivamente. Con el uso del lenguaje FISH incorporado en el software FLAC 3D para calcular el coeficiente de seguridad de la pendiente, en el análisis de elementos finitos para determinar si la pendiente alcanza el estado crítico de inestabilidad, existen tres métodos principales: (1) se determina si el el proceso de cálculo del modelo puede converger o calcularse completamente y completarse, y cuando el proceso de cálculo del modelo no converge incluso cuando se excede el número máximo de iteraciones, esto se determina como daño de pendiente; (2) se determina si se desarrolla un gran desplazamiento o un punto de inflexión del desplazamiento con el tiempo en un nodo en la parte superior o al pie de la pendiente como criterio de juicio; (3) Como criterio de evaluación se comprueba si en el modelo de cálculo de la pendiente surge una zona plástica continua desde el pie hasta la cima de la pendiente. De acuerdo con los tres criterios de juicio de convergencia mencionados anteriormente, el coeficiente de seguridad de la pendiente se puede obtener mediante el cálculo iterativo de los parámetros del modelo22. En este artículo, se adoptó como criterio para juzgar el estado crítico de inestabilidad de la pendiente si los valores observados convergían.

Las plantas de alfalfa recolectadas en este experimento eran todas especies que se encuentran comúnmente alrededor de la mina de carbón a cielo abierto de Haizhou en la ciudad de Fuxin, provincia de Liaoning, noreste de China, y no estuvieron involucradas especies de plantas valiosas, mientras que el permiso para recolectar plantas de alfalfa alrededor de la mina a cielo abierto de Haizhou Se obtuvo mina de carbón. Las plantas de alfalfa se recolectaron de conformidad con las directrices y la legislación institucional, nacional e internacional pertinente.

En este artículo, se investigó el efecto de las raíces de alfalfa sobre el refuerzo superficial poco profundo de diferentes pendientes bajo la acción del peso propio, y el modelo consideró pendientes de suelo plano y pendientes de alfalfa con diferentes pendientes para el cálculo de la simulación. La Figura 3 muestra que el desplazamiento máximo y el rango de nubes de desplazamiento de las pendientes de alfalfa en los diferentes grados de pendiente son menores que los de las pendientes de suelo plano, lo que indica que el sistema de raíces de alfalfa impone un efecto positivo en la mejora de la estabilidad de la capa superficial poco profunda de las pistas. Esto ocurre porque las pendientes pronunciadas exhiben una gran profundidad de nivel freático y una baja cobertura vegetal y biodiversidad, el efecto de meteorización implica principalmente meteorización física y el efecto de meteorización del suelo superficial es débil. Sin embargo, los productos de la intemperie se eliminan y erosionan fácilmente. Por el contrario, en las pendientes suaves, debido al terreno más plano, los frecuentes procesos de aguas superficiales y subterráneas, una mayor cubierta vegetal y biodiversidad, y el predominio de la meteorización química, el efecto de la meteorización del suelo superficial es más fuerte y los productos de la meteorización están menos erosionados. por socavación que aquellos en las pendientes pronunciadas. Por lo tanto, el rango del desplazamiento máximo que ocurre en las pendientes suaves es mayor que en las pendientes pronunciadas, pero el desplazamiento máximo en las pendientes pronunciadas es mayor que en las pendientes suaves porque la fuerza de deslizamiento en las primeras es mayor que en las pendientes suaves. este último y el estrés se concentra al pie de la pendiente23,24. Esto indica que cuanto más pronunciada es la pendiente, más pronunciado es el papel del complejo raíz-suelo de alfalfa en el refuerzo de la capa superficial poco profunda25.

Máximo desplazamiento del suelo llano y taludes de alfalfa bajo los diferentes gradientes de pendiente.

Según el análisis de los datos de la Tabla 2, el coeficiente de seguridad de las pendientes de alfalfa es mayor que el de las pendientes de suelo llano en los distintos grados de pendiente, y la tasa de aumento del coeficiente de seguridad en pendientes de 30°, 40°, y 50° es aproximadamente el 17%. Esto ocurre porque las propiedades mecánicas de las raíces son de tracción pero no de compresión, mientras que el suelo es de compresión pero no de tracción. La combinación de los dos materiales para formar compuestos de raíces y suelo puede complementar las deficiencias de ambos y mejorar efectivamente la estabilidad de la capa superficial poco profunda del talud. Los desplazamientos máximos de las laderas de alfalfa fueron menores que los de las laderas de suelo llano en pendientes de 30°, 40° y 50°. En comparación con los de las pendientes de suelo plano, los desplazamientos máximos de las pendientes de 30° se redujeron en un 83,0%, los desplazamientos máximos de las pendientes de 40° se redujeron en un 59,3% y los desplazamientos máximos de las pendientes de 50° se redujeron en un 17,4 %.

La Figura 4 muestra la relación entre la tasa de reducción de desplazamiento máxima y el coeficiente de seguridad de pendiente de las pendientes en los diferentes grados de pendiente, y la tasa de reducción de desplazamiento máxima disminuye gradualmente al aumentar la pendiente porque cuando la pendiente pronunciada está sujeta a estrés por sequía que excede el rango de tolerancia del sistema radicular de alfalfa, se inhibe el crecimiento de la raíz primaria y las raíces laterales proporcionan principalmente refuerzo del suelo. Sin embargo, el crecimiento de las raíces laterales está limitado por su fuerza inherente, por lo que el papel de la alfalfa en el aumento de la estabilidad de la pendiente disminuye gradualmente a medida que aumenta el grado de la pendiente. La tasa de crecimiento del factor de seguridad de pendientes no cambió significativamente. Esto ocurre porque el coeficiente de seguridad de cada talud es superior a 1, lo que sugiere que el talud se encuentra en un estado relativamente seguro y la reducción en el desplazamiento máximo del talud por el sistema de raíces es limitada. Como el sistema de raíces de la alfalfa proporciona un refuerzo natural, los compuestos de raíces y suelo pueden considerarse suelos reforzados. La distribución del sistema radicular de alfalfa en el suelo es más complicada que la de los materiales de refuerzo de ingeniería tradicionales, con un gran diámetro de la raíz principal, que desempeña la función de anclaje en el suelo, y un diámetro pequeño y un gran número de raíces laterales, que Forman bolsas en forma de red en el suelo y principalmente proporcionan refuerzo. Las raíces de alfalfa implantadas en la capa superficial del talud pueden compartir parte del estrés del cuerpo del suelo y transferir el estrés al cuerpo del suelo circundante a través de las raíces primarias y laterales, aumentando así la capacidad del sistema radicular implantado en la capa superficial del talud. el cuerpo del suelo para resistir cargas externas, mejorando la resistencia al corte de la capa superficial del talud, mejorando la estabilidad del talud y aumentando significativamente el factor de seguridad14.

Relación entre la tasa de reducción de desplazamiento máximo de pendiente y el factor de seguridad de pendiente.

En cada pendiente se seleccionaron tres plantas de alfalfa de un año de edad y las raíces se separaron suavemente del suelo con un cepillo. Con respecto al sistema raíz tratado, el sistema raíz se escaneó en cuatro direcciones utilizando un escáner HP P8700, y la morfología de la raíz se extrajo de los resultados del escaneo utilizando el software WinRHIZO Tron26. Las imágenes extraídas de la morfología de la raíz de alfalfa se procesaron en el software FracLab 2.2 para obtener imágenes binarias, como se muestra en la Fig. 5. Se calculó la dimensión fractal de la raíz de las imágenes binarias y se obtuvo el valor promedio. La dimensión fractal promedio del sistema de raíces de las tres plantas de alfalfa seleccionadas del mismo lote en la misma pendiente se calculó como la dimensión fractal promedio del sistema de raíces en la pendiente considerada, y la dimensión fractal promedio del sistema de raíces en las diferentes Los grados de pendiente se calcularon por separado mediante este método.

Imagen binaria de la morfología de la raíz de alfalfa.

Según la Tabla 3, la dimensión fractal de la raíz fue la más alta en las pendientes de 40°, aumentando un 1,4%, 2,1% y 3,5%, respectivamente, en relación con las pendientes de 30° y 50°, mientras que fue marginalmente más baja en las pendientes de 40°. Pendientes de 30° que terrenos llanos. La dimensión fractal del sistema de raíces disminuye abruptamente cuando la pendiente excede los 40°, lo que es consistente con el hallazgo de Hao Wang et al.27, que indica que la dimensión fractal general del sistema de raíces del espino amarillo primero aumenta y luego disminuye en diferentes grados de pendiente. . La relación entre la dimensión fractal del sistema de raíces de alfalfa y el desplazamiento máximo de la capa superficial poco profunda de la pendiente bajo los diferentes grados de pendiente se muestra en la Fig. 6. Se acepta que el crecimiento de las raíces de las plantas requiere retención de agua en la pendiente. , y el contenido de agua en la pendiente es uno de los principales factores que afectan la morfología de las raíces de las plantas28. Dado que la pendiente lateral de 30° proporciona un mejor efecto hidrofóbico que la tierra plana, la pérdida de nutrientes del suelo desde la pendiente lateral ocurre ligeramente más rápido, lo que resulta en un menor estrés por sequía en las raíces de las plantas. La diferencia en la dimensión fractal del sistema de raíces de alfalfa entre las dos condiciones del sitio es pequeña, por lo que el desplazamiento máximo de la pendiente lateral de 30° no es obvio. Al aumentar la pendiente, aumenta la erosión del suelo de la pendiente, el sistema de raíces de las plantas está sujeto a un mayor estrés por sequía y el agua retenida en la pendiente no puede satisfacer completamente los requisitos normales de crecimiento de las plantas, por lo que el sistema de raíces desarrolla muchas raíces laterales horizontal y verticalmente. para absorber nutrientes en todas las direcciones y simultáneamente aumenta el área de contacto entre el sistema de raíces y las partículas del suelo, mejora la resistencia al corte del cuerpo del suelo en la capa superficial poco profunda de la pendiente y reduce el desplazamiento máximo de la capa superficial poco profunda de la pendiente. , aumentando así la estabilidad del cuerpo del suelo en la capa superficial de la pendiente, lo cual es consistente con los hallazgos de Wenyao Li et al.29 que indican que el estrés por sequía promueve el crecimiento de las raíces laterales de alfalfa, lo que a su vez mejora la estabilidad de La pendiente. Cuando la pendiente de la pendiente excede los 40°, la erosión de la pendiente resultante es grave, el estrés por sequía de la pendiente aumenta y el estrés tangencial sobre el sistema de raíces de las plantas en pendientes altas y empinadas es mayor que la resistencia del sistema de raíces en sí. Por lo tanto, las finas raíces laterales están principalmente rotas y no pueden crecer, y solo la raíz primaria puede desempeñar un papel de refuerzo, lo que resulta en una reducción en la dimensión fractal del sistema de raíces de alfalfa. La disminución de la cohesión del suelo de la capa superficial poco profunda de la pendiente da como resultado una reducción en la resistencia al corte de la capa superficial poco profunda, y el desplazamiento máximo de la pendiente aumenta sustancialmente, disminuyendo la estabilidad de la capa superficial poco profunda de la pendiente30. El mecanismo subyacente puede estar relacionado con cambios en la plasticidad de las raíces debido al estrés por sequía y la adaptación continua al medio ambiente31.

Dimensión fractal del sistema radicular de alfalfa y desplazamiento máximo de pendiente en los diferentes grados de pendiente.

El análisis de la Tabla 2 revela que la tasa máxima de reducción de desplazamiento es 23,7% mayor para las pendientes de 30° que para las de 40° y 41,9% mayor para las pendientes de 40° que para las de 50°, y la dimensión fractal de la alfalfa El sistema de raíces es el más alto para la pendiente lateral de 40°. Los resultados muestran que el rango óptimo de grados de pendiente es de 30° ~ 40° para que el sistema de raíces de alfalfa refuerce la capa superficial poco profunda de la pendiente. Se emplea el software FLAC3D para simular varios modelos de pendientes entre 30° y 40° con incrementos de 1°, y los resultados se proporcionan en la Tabla 4 como el desplazamiento máximo, el factor de seguridad y la tasa de crecimiento del factor de seguridad de las pendientes del suelo con vegetación y pendientes de alfalfa bajo cada gradiente de pendiente. La Figura 7 muestra la tendencia de variación de los coeficientes de seguridad del suelo llano y las pendientes de alfalfa bajo una pendiente de 30° ~ 40°. Se puede encontrar que la pendiente y el coeficiente de seguridad de la pendiente exhiben una relación de función de potencia y que el coeficiente de seguridad de la pendiente disminuye al aumentar la pendiente. Las ecuaciones de ajuste de pendiente y factor de seguridad son las siguientes: pendiente del suelo llano: y = 152,485x−1,257, R2 = 0,986; pendiente de alfalfa: y = 190,909x−1,277, R2 = 0,986. Comparado con el de la pendiente de suelo llano, la tasa de crecimiento del factor de seguridad de la pendiente de alfalfa no es significativamente diferente de la de la pendiente estudiada anteriormente. Esto se debe a la limitación de la tasa de crecimiento del factor de seguridad de las pendientes de 30° y 40° y al pequeño incremento de pendiente de los modelos de cálculo de pendientes de 30° a 40°, por lo que la tasa de crecimiento del factor de seguridad de la pendiente es aproximadamente el 17%. La Figura 8 muestra el patrón de variación del desplazamiento máximo de las laderas de alfalfa entre 30° y 40°. El desplazamiento máximo aumenta al aumentar la pendiente como función de potencia. La ecuación de ajuste del desplazamiento máximo y la pendiente es la siguiente: y = 3.799·10−4x3.206, R2 = 0.986; pendiente de alfalfa: y = 6.571·10−12x7.785, R2 = 0.958. La tasa de reducción del desplazamiento máximo disminuye exponencialmente con la pendiente y la ecuación de ajuste es y = 85,212–3,514·10−5e0,337x, R2 = 0,902. Cuando la pendiente es de 35°, la tasa de reducción de desplazamiento máxima alcanza su valor máximo de 86,3%, lo que indica que esta pendiente es el grado de pendiente óptimo. El desplazamiento máximo tanto del suelo llano como de las laderas de alfalfa aumenta gradualmente al aumentar la pendiente, y la tasa de reducción del desplazamiento máximo disminuye gradualmente.

Tendencia de variación del coeficiente de seguridad de las pendientes de 30° ~ 40°.

Tendencia de variación del desplazamiento máximo de las pendientes de 30° ~ 40°.

Los estudios existentes sobre la estabilización de laderas de vegetación se centran principalmente en el análisis numérico del mecanismo de interacción entre las raíces de las plantas y el suelo, las propiedades mecánicas de las raíces de las plantas y los factores individuales de la morfología de las raíces de las plantas, como el número, diámetro, longitud y ángulo de las raíces. raíces de plantas principales y laterales. La morfología de las raíces de las plantas impone un efecto significativo sobre el refuerzo de las capas superficiales poco profundas de las pendientes, pero existen pocos estudios sobre la aplicación de la dimensión fractal para cuantificar la morfología de las raíces de las plantas y su efecto sobre la estabilidad de las capas superficiales poco profundas en diferentes pendientes. grados. En este artículo, se estableció un modelo de simulación numérica para la pendiente de la mina de carbón a cielo abierto de Haizhou mediante el análisis de la investigación de campo y los datos de pruebas interiores disponibles. En comparación con los estudios existentes, en este estudio se utiliza el software WinRHIZO Tron para obtener el sistema de raíces de alfalfa completo, y se emplea el software FracLab2.2 para obtener la dimensión fractal de todo el sistema de raíces de alfalfa, que se combina con el máximo desplazamiento y factor de seguridad. de la pendiente para investigar más a fondo la influencia de la dimensión fractal del sistema de raíces de alfalfa en la estabilidad de la capa superficial poco profunda de la pendiente.

En este estudio, se utilizaron especímenes de alfalfa de un año de edad para investigar el efecto de la morfología de la raíz de alfalfa en el efecto de estabilización de pendientes de la capa superficial poco profunda de la mina de carbón a cielo abierto de Haizhou. Mediante el análisis de la dimensión fractal del sistema de raíces de alfalfa, se encontró que existía un grado de pendiente óptimo para el sistema de raíces de alfalfa con respecto al refuerzo de la capa superficial poco profunda de la pendiente de la mina de carbón a cielo abierto de Haizhou debido a la fuerza del propio sistema radicular de la alfalfa. El rango óptimo de grados de pendiente se determinó a partir de la dimensión fractal del sistema de raíces de alfalfa, el desplazamiento máximo de la capa superficial poco profunda del talud y el coeficiente de seguridad del talud, y se estableció un modelo de simulación numérica para el talud bajo diferentes grados de pendiente. (en incrementos de 1 grado) para determinar el grado de pendiente óptimo para reforzar la capa superficial poco profunda de la pendiente de la mina de carbón a cielo abierto de Haizhou mediante el sistema de raíces de alfalfa, lo que refleja el importante valor ecológico de la alfalfa para el manejo de pendientes de Haizhou. mina de carbón a cielo abierto.

En este artículo, al establecer un modelo de elementos finitos para calcular las pendientes de la estructura binaria suelo-roca de la mina de carbón a cielo abierto de Haizhou bajo diferentes grados de pendiente, se obtuvo el desplazamiento máximo de la capa superficial poco profunda de las pendientes planas y de alfalfa, el factor de seguridad y la La dimensión fractal del sistema de raíces de la planta puede reflejar intuitiva y científicamente el patrón de cambio del efecto de refuerzo del suelo del sistema de raíces de la planta con pendiente, y después del análisis y discusión se obtienen las siguientes conclusiones:

Los desplazamientos máximos del suelo llano y de las laderas de alfalfa son consistentes con el cambio de pendiente, ambos aumentan como función de potencia. La tasa de reducción del desplazamiento máximo de la capa superior del suelo en las laderas de alfalfa en relación con las laderas del suelo llano disminuye como una función exponencial (y = 85.212–3.514·10−5e0.337x, R2 = 0.902), y cuanto mayor es la pendiente Cuanto menor sea el gradiente, menor será el efecto del complejo raíz-suelo de alfalfa en la mejora de la estabilidad de la pendiente. El coeficiente de seguridad de la pendiente exhibe una función de potencia que disminuye en relación con la pendiente de la pendiente. La tasa de crecimiento del coeficiente de seguridad de la pendiente de alfalfa en relación con la pendiente del suelo llano es aproximadamente del 17% en ambos casos.

La dimensión fractal del sistema de raíces de alfalfa primero aumenta y luego disminuye con la pendiente en los diferentes grados de pendiente, entre los cuales la dimensión fractal del sistema de raíces es la más alta a 40°, lo que indica que cuando la alfalfa está sujeta a estrés por sequía, es más favorable para que las raíces laterales produzcan bolsas en forma de red y mejoren la estabilidad del talud. Cuando la pendiente es mayor a 40°, el número de raíces laterales del sistema radicular de alfalfa disminuye debido a su fuerza y ​​estrés por sequía severa, y la dimensión fractal del sistema radicular de alfalfa disminuye.

El grado de pendiente óptimo para la capa superficial poco profunda de la pendiente reforzada por el sistema de raíces de alfalfa varió entre 30° y 40°. El estudio se basó en simulaciones numéricas y se descubrió que el desplazamiento máximo de la pendiente de alfalfa era un 86,3% menor que el de la pendiente del suelo plano en la pendiente de 35°. Los resultados mostraron que una pendiente de 35° de la mina de carbón a cielo abierto de Haizhou es el grado de pendiente óptimo para reforzar la capa superficial poco profunda de la pendiente con alfalfa.

Finalmente, estudiar la influencia de la morfología de la raíz de alfalfa en la estabilidad de la capa superficial poco profunda del talud de la mina de carbón a cielo abierto de Haizhou, la influencia de las precipitaciones regionales en el desplazamiento de la capa superficial poco profunda y el factor de seguridad general de la pendiente debe considerarse cuidadosamente.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados en este estudio están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

Gao, X. y col. Análisis de fuerza y ​​respuesta de deformación de excavación y soporte de taludes de estructura dual. Geomat. Nacional. Riesgo de peligros. 13(1), 507–537 (2022).

Artículo MathSciNet Google Scholar

Gao, X., Tian, ​​W., Li, J., Qi, H. y Zhang, Z. Investigación sobre el modelo de predicción de la pérdida de pretensado del cable de anclaje en taludes de estructura dual suelo-roca. Adv. Madre. Ciencia. Ing. 2021, 1–10 (2021).

Google Académico

Gao, X. y col. Selección de parámetros de simulación y análisis de filtración constante de pendiente de estructura binaria. J. Agua 12(10), 2747 (2020).

Artículo de Google Scholar

Li, Z. y col. Mejora de la capacidad de consolidación radicular de taludes vegetales a partir de la regulación de la configuración radicular. Geotecnia 12, 1–11 (2021).

Google Académico

Manbeian, T. El efecto de las aberturas sobre el refuerzo del suelo en dos rodales de coníferas en el norte de Italia. Ecología forestal. Gestionar. 359, 286–299 (2016).

Artículo de Google Scholar

Tatsumi, J., Yamauchi, A. y Kono, Y. Análisis fractal de sistemas de raíces de plantas. Ana. Bot. 64(5), 499–503 (1989).

Artículo de Google Scholar

Yang, X., Zhang, X., Li, Y., Xie, T. y Wang, W. Características de la raíz fractal de varias plantas en el interior del desierto de Taklimakan. Geogr. Zonas áridas 32(02), 249–254 (2009).

CAS Google Académico

Ren, J. y col. Características fractales de las raíces en la ecozona desértica del oasis de Jinta. J. Ecología. 40(15), 5298–5305 (2020).

Google Académico

Hongyan, Wu. et al. Caracterización de la conformación de las raíces de Hoodia silvestre en condiciones de llanura y pendiente lateral. Ciencia de pastizales. 36(07), 1725–1733 (2019).

Google Académico

Gao, X., Li, L., Liao, X., Wang, X. y Chen, Z. Análisis de simulación numérica de la estabilidad de macizos rocosos críticos basado en el método de modelado de ingeniería inversa. J. Ing. Geol. 28(03), 557–564 (2020).

Google Académico

Qiao, G., Wang, Y. & Fang, D. Flac Análisis 3D de la estabilidad del talud de excavación de la margen derecha de una central eléctrica en el suroeste de China. J. Ing. Geol. 2004(03), 280–284 (2004).

Google Académico

Mengmeng, Lu., Wei, M., Shen, J. y Zeng, X. Estudio de simulación de un pozo de refuerzo de anclaje de pretensado adherido de longitud completa. J. Geotecnología. Ing. 2006(01), 92–96 (2006).

Google Académico

Han, A., Li, J., Guoli, Fu. & Xiao, J. Estudio sobre el modelo de daño de taludes de múltiples etapas basado en el método de reducción de resistencia por diferencias finitas. J. Ing. Geol. 62(06), 784–788 (2007).

Google Académico

Ji, X. & Yang, P. Investigación sobre el campo de desplazamiento de pendientes ecológicas basada en la dimensión fractal del sistema de raíces de la vegetación. J. Undergr. sp. Ing. 10(06), 1462–1468 (2014).

Google Académico

Li, T., Liu, X. y Tang, G. Influencia de la complejidad topográfica en la orientación de las pendientes. J. Monte Sci. 2004(03), 272–277 (2004).

Google Académico

Chen, H., He, F., Nong, S. & Sun, Y. Efectos de diferentes pendientes y diferentes orientaciones de pendientes sobre la cantidad de crecimiento del té de vara de oro. Hortica moderna. 373(01), 10-13 (2019).

Google Académico

Xu, L., Fan, J., Zhou, X., Sun, G. y Zhongdong, Y. Estudio sobre la diversidad de especies en la restauración natural de la vegetación en la mina de carbón a cielo abierto de Haizhou en la ciudad de Fuxin. Recurso. Reinar. Zona árida. 2005(06), 154-159 (2005).

Google Académico

Schwarz, M. y col. Refuerzo radicular de suelos sometidos a compresión. J. Geophys. Res. Surf de la Tierra. 120(10), 2103–2120 (2015).

ADS del artículo Google Scholar

Fu Zeng Hong. Ciencia de la alfalfa. M. Beijing: Prensa agrícola de China. 1–31.

Sun, H. y col. La profundidad de penetración de las raíces de alfalfa en el suelo. J. Pastizales 2008(03), 307–312 (2008).

Google Académico

Xinya Pan. Diversidad de rasgos radiculares en alfalfa y su respuesta al suministro de fósforo en el agua. D. Universidad Northwest A & F, 2022.

Liu, K., Liu, H. & Qi, X. Estudio sobre la estabilidad a largo plazo de pendientes mixtas de suelo y roca basado en el método de descuento de resistencia. J. Ing. Geol. 28(02), 327–334 (2020).

Google Académico

Tao, X. y Dechao, Wu. Geología general (Science Press, 2007).

Google Académico

Chen, N. Hidrogeología (China Water Resources and Hydropower Press, 2008).

Google Académico

Tian, ​​J. y col. Análisis de complejos raíces-suelo en el bosque de abetos de montaña de Helan para mejorar la estabilidad de las pendientes. J. Agrícola. Ing. 33(20), 144-152 (2017).

Google Académico

Yongyu Yang. Estudio experimental sobre protección ecológica de pendientes en zonas de suelos de arcilla roja de Guizhou. D. Universidad de Guizhou, 2021.

Wang, H., Huang, C., Yang, F. y Li, H. Adaptación del hábitat del sistema de raíces de espino amarillo en un área de arenisca de arsénico. J. Aplica. Ecológico. 30(1), 157–164 (2019).

Google Académico

Ying Han, Yong Liu, Oumeng Qiao, Zhang Chen. Investigación sobre las características suelo-vegetación artificial de laderas rocosas en zonas mineras. Universidad J. Shanxi (Edición de Ciencias Naturales). 1–10.

Li, W., Zhang, S., Ding, S. & Shan, L. Cambios morfológicos del sistema de raíces de alfalfa bajo estrés por sequía y la relación con el uso del agua. J. Ecología. 30(19), 5140–5150 (2010).

Google Académico

Xia, ZY, Zhou, ZJ, Huang, XL y Xu, WN Estudio preliminar sobre la relación entre la consolidación de suelos poco profundos y las características fractales del sistema de raíces de protección de pendientes de vegetación. J. Rock Mech. Ing. 30(S2), 3641–3647 (2011).

Google Académico

Wang, K. y col. Efecto del estrés por sequía en las configuraciones de raíces de diferentes tipos de raíces. J. Ecología. 42(20), 8365–8373 (2022).

Google Académico

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Esta investigación se realizó con el apoyo financiero del proyecto de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (NSFC) (52274084).

Escuela de Mecánica e Ingeniería, Universidad Técnica de Liaoning, Fuxin, 123000, Liaoning, China

Long Hai, Yongbo Lv, Shilin Tan y Lixin Feng

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Supervisión científica general del trabajo LH; formulación de las metas y objetivos de la investigación, análisis de datos y preparación de artículos; realizando experimentos, desarrollo de metodología, análisis de datos y preparación del borrador inicial. YL, ST y LF realizaron trabajos de registro de datos, gráficos, verificación y diseño. Todos los autores han leído y aceptado la versión publicada del manuscrito.

Correspondencia a Yongbo Lv.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Hai, L., Lv, Y., Tan, S. et al. Estudio de las influencias de la dimensión fractal del sistema radicular y del grado de pendiente en la estabilidad del talud. Representante científico 13, 10282 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-37561-8

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Recibido: 31 de marzo de 2023

Aceptado: 23 de junio de 2023

Publicado: 24 de junio de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-37561-8

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