根系のフラクタル次元と傾斜次数が斜面の安定性に及ぼす影響に関する研究

Aug 04, 2023

Scientific Reports volume 13、記事番号: 10282 (2023) この記事を引用

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海州露天掘り炭鉱の斜面の浅い表層の安定性に及ぼすアルファルファの根の形態の影響と、アルファルファの根系による浅い表層の強化に関する最適な傾斜度を定量化する問題対処されました。 この研究では、平野土壌とアルファルファの根-土壌複合サンプルの機械的パラメータが屋内土壌試験と三軸圧縮試験によって測定され、海州露天掘り炭鉱の傾斜の計算モデルがFLAC3D数値シミュレーションソフトウェアで確立されました。斜面の浅い表層の最大変位に対するアルファルファの根系の影響とアルファルファの根系のフラクタル次元との関係を分析します。 フラクタル次元を適用してアルファルファの根の形態の影響を定量化し、根系のフラクタル次元と浅い表層の最適な傾斜との関係をさらに調査しました。 分析の結果、アルファルファの根系のフラクタル次元は、異なる傾斜度、つまり 40° > 平坦 > 30° > 50° で変化することが示されました。 斜面の浅い表層の最大土壌変位は、非線形増分で斜面とともに増加しました。 アルファルファの根系のフラクタル次元と異なる傾斜度での最大変位減少率の解析により、アルファルファによって補強された浅い表層の最適な傾斜度は30°から40°の間で変化することが明らかになった。 研究結果は、浅い表層土壌の強化におけるアルファルファの根の形態の役割の性質と、アルファルファの根によって強化された海州露天掘り炭鉱の斜面の最適な傾斜度をさらに説明するための基礎を提供する可能性がある。

近年、露天掘りの石炭採掘の増加に伴い、法面補強への注目が高まっています。 海州露天掘り炭鉱跡地は東西4km、南北2km、鉛直深さ250mで海面より18m低く、2005年に破産したが、石炭採掘中の保護措置の欠如により、上部の浅い表土層と下部の風化した岩盤層からなる土壌-岩石の二元構造の斜面が形成されました。 さらに、土と岩の二重構造の斜面では、工学的な斜面の安定化対策を達成するのは通常困難であり、不適切な設計や建設は、地すべり斜面の崩壊などの地質学的損傷を容易に引き起こし、斜面全体の安定性を脅かします1、2、3。 したがって、傾きの問題は無視できません。

斜面補強プロセスを最適化して斜面の安定性を向上させることは、多くの工学設計者の目標です。 従来の土木法面固定対策は、プロジェクトの初期段階では一定の法面保護効果をもたらすことができますが、コンクリート、鋼材、岩石は風化や雨水の影響により常に浸食され、土木法面固定の保護強度の低下につながります。対策。 植生は、生態環境の改善、土壌侵食の軽減、保水、土壌や斜面の固定など、他の工学的手段では果たせない役割を果たしており、植生斜面の固定は、経済的かつ環境保護の管理手法として、かけがえのない重要な役割を果たしています。 したがって、植生斜面固定技術は、斜面管理と維持のトレンドおよび主な目的となっています4。 Manbeian ら 5 は、斜面土壌に対する根系のせん断強度向上効果は植物の根の形態と植物の種類によって影響され、植物の根の形態が異なると斜面の安定性向上に異なる効果が生じると結論付けています。 1989 年、Tatsumi6 は植物の根系の研究にフラクタル理論を初めて適用し、それによって植物の根系の形態学的および構造的特徴を定量化しました。 Xiaolin Yangら7は、砂漠の後背地にあるさまざまな植物の根のフラクタル特性を研究することによって、フラクタル次元は根の分岐の複雑さを定量化するために使用できるだけでなく、植物の根のバイオマスを予測することにも考慮できると結論付けました。さまざまな植物の土壌固定能力を分析します。 Jie Ren らは、さまざまな林分条件下での Agriophyllum squarrosum 根系の形態を分析することにより、さまざまな林分条件が Agriophyllum squarrosum 根系のフラクタル次元に大きな影響を与えると結論付けました。 しかし、この研究では、さまざまな傾斜度での斜面の安定性に対する植物の根の影響が見落とされていました。 Honyan Wu et al.9 は、根のフラクタル次元を使用して、Hu Zhi Zi の根の形態と北京ハゲワシ峰林業ステーションのさまざまな傾斜度での斜面の安定性との関係を調査しました。 ただし、この研究では低木植物のみが調査され、他の種類の植物が斜面の安定性に及ぼす影響は調査されていません。 現在、数値シミュレーションは斜面の安定性を評価するために最も広く使用されている手法の 1 つであり 10、FLAC3D は地盤の 3 次元の力学的挙動を適切にシミュレーションできます 11。 このアルゴリズムは、小さな変形に基づく有限要素と境界要素の仮定、および離散ブロックを剛体として扱う際の離散要素の仮定を克服し 12、モデル セルは歩留まりを十分に反映できます 13。 Xiaolei Ji14 は、さまざまな植物で補強された斜面の最大変位と植物の根系のフラクタル次元との関係をシミュレーションを通じて調査しました。 植物の根の形態は、主に植物の根系の主根と側根の間の角度を研究することによって説明されてきましたが、この方法では、植物の根系の全体的な形態が浅い表層の安定性に及ぼす影響の定量化が欠けています。斜面の。 これらの研究は主に根系による土壌強度の向上のみを考慮しており、さまざまな傾斜度での露天掘り炭鉱斜面の浅い表層の安定性に対する根の形態の影響や、最適な傾斜度については広く考慮されていませんでした。露天掘り炭鉱の浅い表層は、草本植物の根系によって強化された斜面ですが、この斜面は共通の重要な地形的要因として利用されてきました15。 さらに、傾斜度の違いは土壌水分や直射日光の角度などの環境要因に影響を与え、それが根の成長、ひいては斜面の浅い表層の安定性に影響を与えます16。