Растительность и устойчивость склона взаимосвязаны способностью растительной жизни, растущей на склонах, как способствовать, так и препятствовать устойчивости склона . Эта связь представляет собой сложную комбинацию типа почвы , режима осадков , присутствующих видов растений, аспекта склона и крутизны склона. Знание базовой устойчивости склона как функции типа почвы, ее возраста, развития горизонта , уплотнения и других воздействий является основным базовым аспектом понимания того, как растительность может изменять устойчивость склона. [1] Существует четыре основных способа, которыми растительность влияет на устойчивость склона: выброс ветром , удаление воды , масса растительности (пригрузка) и механическое укрепление корней .
Ветровой бросок — это падение дерева под действием ветра, это обнажает корневую пластину и прилегающую почву под деревом и влияет на устойчивость склона. Ветровой бросок является фактором при рассмотрении одного дерева на склоне; однако он имеет меньшее значение при рассмотрении общей устойчивости склона для группы деревьев, поскольку задействованные силы ветра представляют меньший процент потенциальных возмущающих сил, и деревья, которые находятся в центре группы, будут защищены теми, которые находятся снаружи. [2]
Растительность влияет на устойчивость склона, удаляя воду через транспирацию . Транспирация — это испарение жидкой воды, содержащейся в растительной ткани, и удаление пара в воздух. [3] Вода втягивается из корней и транспортируется через растение к листьям .
Основным эффектом транспирации является снижение давления воды в порах почвы , что противодействует потере прочности, которая происходит из-за смачивания, это наиболее легко увидеть как потерю влаги вокруг деревьев. Однако нелегко полагаться на корни деревьев и кустарников для удаления воды со склонов и, следовательно, обеспечения устойчивости склона. Способность транспирации во влажных условиях сильно снижается, и поэтому любое увеличение прочности почвы, ранее полученное при испарении и транспирации, будет потеряно или значительно уменьшено, следовательно, эффекты транспирации не могут быть приняты во внимание в это время. Однако можно предположить, что вероятность обрушения склона после насыщения штормовыми событиями или периодами продолжительных осадков будет уменьшена в результате транспирации. Более того, хотя изменения содержания влаги повлияют на прочность на сдвиг без дренажа, эффективные параметры напряжения сдвига, которые обычно используются в обычном анализе устойчивости склона, не зависят напрямую от изменения содержания влаги, хотя давление воды (всасывание), используемое в анализе, изменится. [2] [3]
Важно отметить, что трещины высыхания могут потенциально расширяться растительностью в сухую погоду, способствуя более глубокому проникновению воды к потенциальной плоскости скольжения и повышенному давлению воды в почву во влажные периоды. Тем не менее, эти трещины будут заполняться корнями, которые будут расти глубже в почву, следуя по пути наименьшего сопротивления. [2]
Исследования в Малайзии [4] показали, что существует значительная связь между плотностью длины корней, содержанием влаги в почве и, в конечном счете, устойчивостью склона. Склоны с высокой плотностью корней (из-за густой растительности на поверхности) с меньшей вероятностью подвергались обрушению склона. Это связано с тем, что высокая плотность длины корней приводит к низкому содержанию влаги в почве, что, в свою очередь, приводит к увеличению прочности на сдвиг и снижению проницаемости почвы. Предполагается, что плотность длины корней и уровень влаги в почве могут использоваться в качестве индикаторов устойчивости склона и, возможно, могут использоваться для прогнозирования будущего обрушения склона. [4]
Транспирация усиливается, когда растительность имеет развитую корневую систему, и быстрая транспирация продолжается в течение всей зимы. [5]
На удаление воды также влияет затенение, создаваемое растительностью. Затенение помогает предотвратить высыхание почвы, что приводит к усадке и растрескиванию, позволяя дождевой воде глубоко проникать. Растениям необходимо иметь высокое соотношение листьев и корней и иметь возможность сохраняться в жаркие летние месяцы, чтобы обеспечить эффективное затенение почвы. [5]
Масса растительности, вероятно, будет влиять на устойчивость склона только тогда, когда на склоне растут более крупные деревья. Дерево высотой 30–50 м, вероятно, будет иметь нагрузку около 100–150 кН/м2. Более крупные деревья следует высаживать у подножия склона с потенциальным отказом вращения, поскольку это может увеличить коэффициент безопасности на 10%. Однако, если дерево посажено на вершине склона, это может снизить коэффициент безопасности на 10%. [2] [5]
Каждая ситуация устойчивости склона должна рассматриваться независимо для соответствующей растительности. Транспирация уменьшит вес склона по мере потери влаги. Это может быть значительным на склонах с предельной устойчивостью. [2]
Если более крупные деревья будут удалены из подошвы склона, то произойдет как снижение прочности почвы из-за потери эффекта эвапотранспирации, так и снижение приложенной нагрузки, что может привести к временному всасыванию в глинистых почвах, что может привести к размягчению, поскольку имеющаяся вода будет втягиваться для компенсации сил всасывания. Это похоже на признанное размягчение переуплотненных глин из-за ослабления давления наносов при размещении в верхних слоях насыпи из глубокой выемки. [2]
Корни укрепляют почву, прорастая через плоскости провала, корневые колонны действуют как сваи, а также ограничивают поверхностную эрозию . [5] [6] [7]
Когда корни растут поперек плоскости потенциального разрушения, происходит увеличение прочности на сдвиг за счет связывания частиц. Корни закрепляют нестабильную поверхностную почву в более глубоких стабильных слоях или коренной породе . [1] Это чаще всего происходит, когда происходит быстрый глубокий рост (глубиной 1,5 м) корней, который длится более двух лет. Однако прочность, оказываемая корнями, обычно распространяется только на глубину до 1 м (3,3 фута), тогда как большинство разрушений происходит на глубине почвы 1,2–1,5 м (3,9–4,9 фута). [5]
Модель корня , армированного землей, является результатом удлинения корня поперек потенциальной плоскости скольжения, что создает растягивающее усилие корня, которое передается почве посредством когезионных и фрикционных контактов между корнем и почвой. [8]
Сопротивление выдергиванию корня — это измеренное сопротивление корневой структуры, которое необходимо выдернуть из земли, и, скорее всего, оно будет лишь немного меньше измеренного предела прочности корня, который представляет собой сопротивление корня разрыву, измеренное в лаборатории. В случаях, когда данные о выдергивании отсутствуют, данные о пределе прочности на разрыв могут использоваться в качестве приблизительного ориентира для максимально возможного сопротивления выдергиванию. [2]
Прочность корня на растяжение в диапазоне диаметров для ряда видов была испытана в лабораторных условиях и оказалась приблизительно 5–60 МН/м2. Для того чтобы корень действительно повысил устойчивость склона, он должен иметь достаточную заделку и сцепление с почвой. Способ взаимодействия корней с почвой сложен, но для инженерных целей имеющиеся вклады силы могут быть измерены с помощью испытаний на выдергивание на месте. [2]
Длина корня и тип ветвления корня влияют на то, как происходит разрушение корня [2] [9] Три различных режима разрушения были выявлены в корнях боярышника, которые связаны с соотношением корня и почвы, которое показано в форме корней и форме кривой разрушения. Корни, у которых нет ветвей, как правило, разрушаются при растяжении и вытягиваются прямо из земли с минимальным сопротивлением. Корни, у которых есть несколько ветвей, обычно разрушаются поэтапно, поскольку каждая ветвь ломается внутри почвы. Затем эти корни можно разделить на две разные группы: 1) те, которые изначально достигают своей максимальной пиковой силы, а затем поддерживают высокую силу, которая постепенно уменьшается по мере того, как ветви корня разрушаются после значительной деформации, 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]
Корни, не имеющие ветвей, обычно терпят неудачу при растяжении и выдергиваются из земли с минимальным сопротивлением. Корень достигает максимального сопротивления выдергиванию, а затем быстро выходит из строя в слабой точке. Корень легко выскальзывает из почвы из-за постепенного сужения (прогрессивного уменьшения диаметра корня по его длине), что означает, что по мере выдергивания корня он движется через пространство, которое больше его диаметра, и, следовательно, не имеет дальнейших связей или взаимодействия с окружающей почвой. [9]
Разрушение типа B происходит, когда разветвленные корни изначально достигают своего максимального пикового сопротивления, а затем выдерживают высокое сопротивление, которое медленно снижается по мере того, как ветви корней разрушаются после значительной деформации. В некоторых тестах можно измерить значительную адгезию между частью корня и почвенной массой, прежде чем корень в конечном итоге выскользнет. Раздвоенные корни требуют большей силы для выдергивания, поскольку полость над разветвлением тоньше корня, который пытается пройти через полость, это может затем привести к деформации почвы, когда корень движется через почву. [9]
Корни, которые имеют несколько ветвей или разветвленные ветви, также могут подвергаться разрыву при растяжении, но в основном разрушаются поэтапно, поскольку каждая ветвь ломается в почве. Эти корни ломаются с возрастающей приложенной силой поэтапно в форме ступенчатых пиков, соответствующих постепенному разрыву корней большего диаметра. Корень постепенно освобождает свои связи с почвой до окончательного разрыва 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 самой слабой точке; однако, в этой точке корень не выдергивается из почвы, поскольку он прилипает и взаимодействует с почвой, создавая остаточную прочность. Если бы выдергивание было остановлено в этой точке, корень придал бы почве повышенную прочность. Однако, если корень полностью выдернут из земли, то дальнейшего взаимодействия с почвой не происходит, и, следовательно, повышения прочности почвы не происходит. [9]
Исследования показали [9] , что сопротивление выдергиванию корней боярышника и дуба зависит от внутривидовых различий, межвидовых вариаций и размера корня (диаметра) аналогично тому, как изменяется прочность корня на разрыв (измеренная в лаборатории). В тесте на выдергивание приложенная сила, действующая на корень, действует на большую площадь корня, которая включает несколько ветвей, большую длину), чем короткая (приблизительно 150 мм) длина корня, используемая в тестах на прочность на разрыв. В тесте на выдергивание корень, скорее всего, сломается в слабых точках, таких как точки разветвления, узлы или поврежденные области.
Исследования также показали [9] , что существует положительная корреляция между максимальным сопротивлением выдергиванию корня и диаметром корня боярышника и овса. Корни меньшего диаметра имели меньшее сопротивление выдергиванию или разрывную силу, чем корни большего диаметра.
Деревья и корневые колонны могут предотвращать поверхностное перемещение массы, выступая в качестве свай, когда есть подпорки и изгиб почвы через деревянистую глубокую корневую систему, которая имеет несколько погружных корней с погруженными стеблями и боковыми побегами. [5]
Растительность также может использоваться для контроля водной эрозии путем ограничения поверхностных процессов, таких как смыв листвы и поверхностный сток. [6] [7] Растительность может вносить значительный вклад в устойчивость склона за счет усиления сцепления почвы. Это сцепление зависит от морфологических характеристик корневых систем и прочности на разрыв отдельных корней. [1]
Существуют значительные доказательства того, что мелкие корни противостоят поверхностной эрозии. Роль мелких корней в общей устойчивости склона не полностью изучена. Считается, что мелкие корни помогают удерживать поверхностную почву вместе и предотвращать поверхностную эрозию. Сеть мелких корней может иметь очевидное повышенное сцепление, которое сопоставимо с геосинтетическими сетчатыми элементами. Ограничение процессов поверхностной эрозии особенно заметно в областях кустарников и трав, где распределение мелких корней последовательно и четко определено; однако сцепление, как правило, ограничивается верхним 1 м (3,3 фута) почвы. [2]
Источники