Растительность и устойчивость склонов

Растительность и устойчивость склона взаимосвязаны способностью растений , растущих на склонах, как способствовать, так и препятствовать устойчивости склона . Взаимосвязь представляет собой сложное сочетание типа почвы , режима выпадения осадков , присутствующих видов растений, характера склона и крутизны склона. Знание устойчивости нижележащего склона в зависимости от типа почвы, ее возраста, развития горизонта , уплотнения и других воздействий является основным аспектом понимания того, как растительность может изменить устойчивость склона. ^{[ 1 ]} Существует четыре основных способа влияния растительности на устойчивость склона: ветром выбрасывание , удаление воды , масса растительности (доплата) и механическое укрепление корней .

Метание ветра

Ветровой выброс — это падение дерева из -за силы ветра, при этом обнажается корневая пластина и прилегающая почва под деревом, что влияет на устойчивость склона. При рассмотрении одного дерева на склоне учитывается выброс ветра; однако это имеет меньшее значение при рассмотрении общей устойчивости склона для группы деревьев, поскольку задействованные силы ветра представляют меньший процент потенциальных возмущающих сил, а деревья, находящиеся в центре группы, будут защищены деревьями, расположенными снаружи. . ^{[ 2 ]}

Удаление воды

Растительность влияет на устойчивость склонов, удаляя воду посредством транспирации . Транспирация – это испарение жидкой воды, содержащейся в тканях растений, и удаление паров в воздух. ^{[ 3 ]} Вода забирается из корней и транспортируется через растение к листьям .

Основным эффектом транспирации является снижение давления воды в порах почвы , что противодействует потере прочности, происходящей из-за намокания. Это чаще всего можно увидеть как потерю влаги вокруг деревьев. Однако нелегко полагаться на корни деревьев и кустарников для удаления воды со склонов и, следовательно, для обеспечения устойчивости склонов. Способность транспирировать во влажных условиях сильно снижается, и поэтому любое увеличение прочности почвы, полученное ранее за счет испарения и транспирации, будет потеряно или значительно уменьшено, следовательно, влияние транспирации в это время невозможно принять во внимание. Однако можно предположить, что вероятность обрушения склона после насыщения в результате шторма или периодов продолжительных дождей будет уменьшена в результате транспирации. Более того, хотя изменения содержания влаги будут влиять на недренированную прочность на сдвиг, на эффективные параметры напряжения сдвига, которые обычно используются в обычном анализе устойчивости откосов, изменение содержания влаги не оказывает прямого влияния, хотя давление воды (всасывание), используемое в анализе, изменится. ^{[ 2 ]}^{[ 3 ]}

Важно отметить, что трещины высыхания потенциально могут расширяться за счет растительности в сухую погоду, способствуя более глубокому проникновению воды к потенциальной плоскости скольжения и увеличению давления воды в почве во влажные периоды. Тем не менее, эти трещины будут заполнены корнями, углубляющимися в почву, идущими по пути наименьшего сопротивления. ^{[ 2 ]}

Обучение в Малайзии ^{[ 4 ]} показали, что существует значительная взаимосвязь между плотностью длины корней, содержанием влаги в почве и, в конечном итоге, устойчивостью склона. Склоны с высокой плотностью корней (из-за густой растительности на поверхности) с меньшей вероятностью подвергались обрушению. Это связано с тем, что высокая плотность длины корней приводит к низкому содержанию воды в почве, что, в свою очередь, приводит к увеличению прочности на сдвиг и снижению проницаемости почвы. Предполагается, что плотность длины корней и уровень воды в почве могут использоваться в качестве показателей устойчивости склона и, возможно, использоваться для прогнозирования будущего разрушения склона. ^{[ 4 ]}

Транспирация усиливается, когда растительность имеет обширную корневую систему и быстрая транспирация продолжается всю зиму. ^{[ 5 ]}

На отвод воды влияет также затенение, обеспечиваемое растительностью. Затенение помогает предотвратить высыхание почвы, которое приводит к усадке и растрескиванию, что способствует глубокому проникновению дождевой воды. Растения должны иметь высокое соотношение листьев и корней и способность сохраняться в жаркие летние месяцы, чтобы обеспечить эффективное затенение почвы. ^{[ 5 ]}

Масса растительности

Масса растительности может влиять на устойчивость склона только тогда, когда на склоне растут более крупные деревья. Дерево высотой 30–50 м, вероятно, будет иметь нагрузку примерно 100–150 кН/м2. Деревья большего размера следует сажать у подножия склона с возможностью нарушения вращения, поскольку это может увеличить коэффициент безопасности на 10%. Однако если дерево посадить на вершине склона, это может снизить коэффициент безопасности на 10%. Предлагаемый проект растительного покрова, показывающий, какие растения следует выращивать на каждом уровне склона. ^{[ 2 ]}^{[ 5 ]}

Каждую ситуацию устойчивости склона следует рассматривать независимо для рассматриваемой растительности. Транспирация уменьшит вес склона по мере потери влаги. Это может иметь важное значение на склонах предельной устойчивости. ^{[ 2 ]}

Если более крупные деревья удалить с подошвы склона, произойдет как снижение прочности почвы из-за потери эффекта эвапотранспирации, так и уменьшение приложенной нагрузки, что может привести к временному подсасыванию глинистых почв, что может привести к размягчению, поскольку доступная вода всасывается для компенсации сил всасывания. Это похоже на общепризнанное размягчение переуплотненных глин из-за ослабления давления горных пород при их размещении в верхних слоях насыпи в результате глубокой выемки. ^{[ 2 ]}

Механическое армирование корней

Корни укрепляют почву, прорастая поперек плоскостей разрушения, корневые колонны действуют как сваи и ограничивают поверхностную эрозию . ^{[ 5 ]}^{[ 6 ]}^{[ 7 ]}

Рост корня через плоскости разрушения

Когда корни растут через плоскость потенциального разрушения, прочность на сдвиг увеличивается за счет связывания частиц. Корни закрепляют нестабильную поверхностную почву в более глубоких стабильных слоях или коренной породе . ^{[ 1 ]} Чаще всего это происходит при быстром глубоком росте (глубиной 1,5 м) корней, который продолжается более двух лет. Однако сила, оказываемая корнями, обычно распространяется только на глубину 1 м (3,3 фута), в то время как большинство отказов происходит на глубине почвы 1,2–1,5 м (3,9–4,9 фута). ^{[ 5 ]}

Модель укрепления корня

Модель корня армированной земли представляет собой результат удлинения корня поперек потенциальной плоскости скольжения, что создает растягивающую силу корня, которая передается почве за счет когезионного и фрикционного контакта между корнем и почвой. ^{[ 8 ]}

Вклад прочности корня на растяжение и сопротивление выдергиванию

Сопротивление корня выдергиванию — это измеренное сопротивление корневой структуры выдергиванию из земли, которое, вероятно, будет лишь немного меньше измеренного предела прочности корня, который представляет собой сопротивление корней разрушению, измеренное в лаборатории. . В тех случаях, когда данные о выдергивании отсутствуют, данные о прочности на разрыв можно использовать в качестве грубого ориентира для определения максимального доступного сопротивления выдергиванию. ^{[ 2 ]}

Прочность корня на растяжение различных диаметров и различных видов была протестирована в лаборатории и составила примерно 5–60 МН/м2. Для того чтобы корень действительно повышал устойчивость склона, он должен иметь достаточное заглубление и сцепление с почвой. Способ взаимодействия корней с почвой сложен, но в инженерных целях вклад доступной силы можно измерить с помощью испытаний на выдергивание на месте. ^{[ 2 ]}

Морфология корня и виды разрушения

Длина корня и тип его ветвления влияют на то, как происходит отказ корня. ^{[ 2 ]}^{[ 9 ]} У корней боярышника были идентифицированы три различных типа разрушения, которые связаны с соотношением корней и почвы, которое проявляется в форме корней и форме кривой разрушения. Корни, у которых нет ветвей, имеют тенденцию разрушаться при растяжении и вырваться из земли с минимальным сопротивлением. Корни, имеющие несколько ветвей, обычно выходят из строя поэтапно, поскольку каждая ветвь ломается внутри почвы. Затем эти корни можно разделить на две разные группы: 1) те, которые первоначально достигают максимальной пиковой силы, а затем поддерживают высокую силу, которая постепенно уменьшается по мере того, как корневые ветви разрушаются после значительного напряжения, и 2) те, которые ломаются с возрастающей приложенной силой. В ряде испытаний можно измерить значительную адгезию между сегментом корня и почвой до того, как корень в конечном итоге выскользнет из почвенной массы. ^{[ 2 ]}

Отказ типа А

Корни, у которых нет ветвей, обычно не выдерживают напряжения и вырываются из земли с минимальным сопротивлением. Корень достигает максимального сопротивления выдергиванию, а затем быстро выходит из строя в слабом месте. Корень легко выскальзывает из почвы благодаря постепенному сужению (постепенному уменьшению диаметра корня по его длине), что означает, что, выдергивая корень, он движется через пространство, превышающее его диаметр, и, следовательно, не имеет дальнейших связей. или взаимодействие с окружающей почвой. ^{[ 9 ]}

Отказ типа Б

Отказ типа B возникает, когда разветвленные корни первоначально достигают максимального пикового сопротивления, а затем поддерживают высокое сопротивление, которое медленно снижается по мере того, как ветви корней выходят из строя после значительного напряжения. В некоторых тестах можно измерить значительную адгезию между частью корня и массой почвы до того, как корень в конечном итоге выскользнет. Раздвоенные корни требуют большей силы для вытягивания, поскольку полость над развилкой тоньше, чем корень, который пытается пройти через полость, что может привести к деформации почвы по мере движения корня через почву. ^{[ 9 ]}

Отказ типа С

Корни с несколькими ветвями или раздвоенными ветвями также могут разрушаться при растяжении, но преимущественно разрушаются поэтапно, поскольку каждая ветвь ломается в почве. Эти корни ломаются с увеличением прилагаемой силы поэтапно в виде ступенчатых пиков, соответствующих постепенному разрушению корней большего диаметра. Корень постепенно ослабляет свои связи с почвой до окончательного разрушения при растяжении. ^{[ 9 ]}

В некоторых случаях, когда корень имеет синусоидальную форму со множеством мелких корешков по всей длине, корень достигает максимального сопротивления выдергиванию при выпрямлении, а затем ломается в самом слабом месте; однако на этом этапе корень не выдергивается из почвы, поскольку он прилипает и взаимодействует с почвой, создавая остаточную прочность. Если бы выдергивание было остановлено в этот момент, корень придал бы почве большую прочность. Однако если корень полностью выдернут из земли, то дальнейшего взаимодействия с почвой не происходит и, следовательно, повышения прочности почвы не происходит. ^{[ 9 ]}

Факторы, влияющие на сопротивление выдергиванию корня

Исследования показали ^{[ 9 ]} что на сопротивление выдергиванию корней боярышника и дуба влияют внутривидовые различия, межвидовые различия и размер (диаметр) корня так же, как варьируется прочность корня на растяжение (согласно измерениям в лаборатории). В испытании на выдергивание приложенная сила, действующая на корень, действует на большую площадь корня, которая включает в себя несколько ветвей большей длины), чем короткая (приблизительно 150 мм) длина корня, используемая в испытаниях на прочность на растяжение. При тесте на выдергивание корень, скорее всего, выйдет из строя в слабых местах, таких как точки ветвления, узлы или поврежденные участки.

Исследования также показали ^{[ 9 ]} что существует положительная корреляция между максимальным сопротивлением выдергиванию корня и диаметром корня боярышника и корня овса. Корни меньшего диаметра имели меньшее сопротивление выдергиванию или разрывную силу, чем корни большего диаметра.

Корневые колонны, выполняющие роль свай

Деревья и корневые столбы могут предотвращать неглубокое движение массы, действуя как сваи, когда имеется опора и изгиб почвы через деревянистую глубокую корневую систему, которая имеет множество глубоких корней с заглубленными стеблями и боковыми стенками. ^{[ 5 ]}

Ограничение поверхностной эрозии

Растительность также можно использовать для борьбы с водной эрозией путем ограничения поверхностных процессов, таких как смыв листового слоя и поверхностный сток. ^{[ 6 ]}^{[ 7 ]} Растительность может внести значительный вклад в устойчивость склона за счет улучшения сцепления почвы. Это сцепление зависит от морфологических характеристик корневых систем и прочности на растяжение отдельных корней. ^{[ 1 ]}

Имеются значительные доказательства того, что тонкие корни устойчивы к поверхностной эрозии. Роль тонких корней в общей устойчивости склонов до конца не изучена. Считается, что тонкие корни помогают удерживать поверхность почвы вместе и предотвращают поверхностную эрозию. Мелкая корневая сеть может иметь кажущееся повышенное сцепление, сравнимое с элементами геосинтетической сетки. Ограничение процессов поверхностной эрозии особенно заметно на участках кустарников и трав, где распределение мелких корней является последовательным и четко выраженным; однако сцепление обычно ограничивается верхним 1 м (3,3 фута) почвы. ^{[ 2 ]}

См. также

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Маттиа, К.; Бишетти, Г. и Джентиле, Ф. 2005, «Биотехнические характеристики корневых систем типичных средиземноморских видов», Plant and Soil, vol. 278, № 1, стр. 23–32.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к Гринвуд, Дж.; Норрис, Дж. и Винт, Дж. 2004, «Оценка вклада растительности в устойчивость склона», Труды Института инженеров-строителей, том. 157, нет. 4, стр. 199–207.
^ Перейти обратно: ^а ^б Продовольственная и сельскохозяйственная организация Объединенных Наций, 2007 г., Введение в эвапотранспирацию, просмотрено 10 июня 2007 г., http://www.fao.org/docrep/X0490E/x0490e04.htm
^ Перейти обратно: ^а ^б Осман Н. и Баракаба С. 2006, «Параметры для прогнозирования устойчивости склона – почвенная вода и профили корней», Ecoological Engineering, vol. 28, нет. 1, стр. 90–95.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Перри Дж., Педли М. и Рид М. 2003, Оценка состояния насыпей и ремонтные работы, MWL Digital, Понтипул, Южный Уэльс.
^ Перейти обратно: ^а ^б Каммераат, К.; ван Бик, Р. и Коойман, А. 2005, «Сукцессия растительности и ее последствия для устойчивости склонов на юго-востоке Испании», Plant and Soil, vol. 278, № 1, стр. 135–147.
^ Перейти обратно: ^а ^б Морган, Р. 2007, «Растительные технологии для борьбы с эрозией», в Стоукс, А. (ред.), Эко- и наземная биоинженерия: использование растительности для улучшения устойчивости склонов, Дордрехт, Лондон, стр. 265–272.
^ ван Бик, Л.; Винт, Дж.; Каммераат, Л. и Эдвардс, Дж. 2005, «Наблюдение и стимулирование укрепления корней на заброшенных средиземноморских склонах», Plant & Soil, vol. 278, №1, стр. 101-1 55–74.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Норрис, Дж. 2005, «Укрепление корней корнями боярышника и дуба на склоне шоссе в Южной Англии», Plant and Soil, vol. 278, нет. 1, стр. 43–53.

Источники

Британская радиовещательная корпорация, 2007, Биология, просмотрено 10 июня 2007 г., www.bbc.co.uk/.../gcsebitesize/img/bi05006.gif
Гринвуд, Дж.; Норрис, Дж. и Винт, Дж. 2007, «Дискуссия: Оценка вклада растительности в устойчивость склона», Труды Института инженеров-строителей, том. 160, нет. 1, стр. 51–53.
INTBAU 2007, Международная сеть традиционного строительства, архитектуры и урбанизма, просмотрено 2 июня 2007 г., www.intbau.org/Images/Scarano/scarano3.580.jpg
Селби, М. 1993, Материалы и процессы Hillslope, Oxford University Press, Оксфорд, Великобритания.
Уотсон А. и Марден М. 2004 г. «Прочность корней на растяжение как показатель продуктивности местных прибрежных растений – как они оцениваются?», Landcare Research, Линкольн, Новая Зеландия.

[Mattia-1] Перейти обратно: ^а ^б ^с Маттиа, К.; Бишетти, Г. и Джентиле, Ф. 2005, «Биотехнические характеристики корневых систем типичных средиземноморских видов», Plant and Soil, vol. 278, № 1, стр. 23–32.

[Greenwood2004-2] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к Гринвуд, Дж.; Норрис, Дж. и Винт, Дж. 2004, «Оценка вклада растительности в устойчивость склона», Труды Института инженеров-строителей, том. 157, нет. 4, стр. 199–207.

[FAO-3] Перейти обратно: ^а ^б Продовольственная и сельскохозяйственная организация Объединенных Наций, 2007 г., Введение в эвапотранспирацию, просмотрено 10 июня 2007 г., http://www.fao.org/docrep/X0490E/x0490e04.htm

[Osman-4] Перейти обратно: ^а ^б Осман Н. и Баракаба С. 2006, «Параметры для прогнозирования устойчивости склона – почвенная вода и профили корней», Ecoological Engineering, vol. 28, нет. 1, стр. 90–95.

[Perry-5] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Перри Дж., Педли М. и Рид М. 2003, Оценка состояния насыпей и ремонтные работы, MWL Digital, Понтипул, Южный Уэльс.

[Cammeraat-6] Перейти обратно: ^а ^б Каммераат, К.; ван Бик, Р. и Коойман, А. 2005, «Сукцессия растительности и ее последствия для устойчивости склонов на юго-востоке Испании», Plant and Soil, vol. 278, № 1, стр. 135–147.

[Morgan-7] Перейти обратно: ^а ^б Морган, Р. 2007, «Растительные технологии для борьбы с эрозией», в Стоукс, А. (ред.), Эко- и наземная биоинженерия: использование растительности для улучшения устойчивости склонов, Дордрехт, Лондон, стр. 265–272.

[8] ван Бик, Л.; Винт, Дж.; Каммераат, Л. и Эдвардс, Дж. 2005, «Наблюдение и стимулирование укрепления корней на заброшенных средиземноморских склонах», Plant & Soil, vol. 278, №1, стр. 101-1 55–74.

[Norris-9] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Норрис, Дж. 2005, «Укрепление корней корнями боярышника и дуба на склоне шоссе в Южной Англии», Plant and Soil, vol. 278, нет. 1, стр. 43–53.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]