루트 시스템의 프랙탈 차원과 경사도가 경사 안정성에 미치는 영향에 관한 연구

Aug 04, 2023

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 10282(2023) 이 기사 인용

276 액세스

측정항목 세부정보

하이저우 노천탄광 경사면의 얕은 표층의 안정성과 자주개자리 뿌리 시스템에 의한 얕은 표층의 강화 측면에서 알팔파 뿌리 형태가 최적 경사도에 미치는 영향을 정량화하는 문제 다루어졌습니다. 본 연구에서는 실내 토양 시험과 삼축 압축 시험을 통해 일반 토양과 자주개자리 뿌리-토양 복합 시료의 기계적 매개변수를 측정하고 FLAC3D 수치 시뮬레이션 소프트웨어에서 하이저우 노천 탄광의 경사에 대한 계산 모델을 구축했습니다. 경사면의 얕은 표면층의 최대 변위에 대한 자주개자리 뿌리계의 영향과 자주개자리 뿌리계의 프랙탈 차원과의 관계를 분석합니다. 프랙탈 차원은 뿌리 시스템의 프랙탈 차원과 얕은 표면층의 최적 경사 사이의 관계를 추가로 조사하기 위해 자주개자리 뿌리 형태의 영향을 정량화하기 위해 적용되었습니다. 분석에 따르면 자주개자리 뿌리 시스템의 프랙탈 차원은 다양한 경사도, 즉 40° > 평면 > 30° > 50°에서 다양합니다. 경사면의 얕은 표면층의 최대 토양 변위는 경사도에 따라 비선형 증분으로 증가했습니다. 자주개자리 뿌리계의 프랙탈 차원과 다양한 경사도에 따른 최대 변위 감소율을 분석한 결과, 자주개자리로 강화된 얕은 표층의 최적 경사도는 30°~40° 사이에서 변화하는 것으로 나타났습니다. 연구 결과는 얕은 표층 토양을 강화하는 데 있어 자주개자리 뿌리 형태의 역할 특성과 자주개자리 뿌리로 강화된 하이저우 노천 탄광 경사의 최적 경사도를 더 설명하기 위한 기초를 제공할 수 있습니다.

최근에는 노천탄 채굴의 증가로 인해 경사면 보강에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 하이저우 노천탄광장은 동서 길이 4㎞, 남북 폭 2㎞, 수직 깊이 250m로 해수면보다 18m 낮은 규모로 2005년 파산했다. 석탄 채굴 중 보호 조치가 부족하여 상부 얕은 표층 토양층과 하부 풍화 기반암층으로 구성된 토양-암석 이원 구조 경사가 형성되었습니다. 더욱이, 토석 이중구조 사면에서는 공학적 사면 안정화 조치가 일반적으로 달성하기 어려우며, 부적절한 설계나 시공은 쉽게 산사태 사면 붕괴와 같은 지질 피해로 이어져 사면의 전체 안정성을 위협한다1,2,3; 따라서 경사 문제는 무시할 수 없습니다.

경사면 보강 프로세스를 최적화하여 경사면 안정성을 향상시키는 것은 많은 엔지니어링 설계자의 목표입니다. 전통적인 엔지니어링 경사면 고정 조치는 프로젝트 초기 단계에서 특정 경사 보호 효과를 얻을 수 있지만 콘크리트, 강철 및 암석은 풍화 및 빗물의 영향으로 지속적으로 침식되어 엔지니어링 경사면 고정의 보호 강도가 감소합니다. 측정. 식생은 생태환경 개선, 토양 침식 감소, 물 유지, 토양 및 경사면 고정 등 다른 공학적 조치로는 수행할 수 없는 역할을 하며, 식생 사면고정은 대체불가하고 중요한 역할을 하는 경제적, 환경적 보호 관리 방법입니다. 따라서 식생사면 고정기술은 사면관리 및 유지관리의 트렌드이자 주요 목표가 되었다4. Manbeian et al.5은 경사면 토양에 대한 뿌리 시스템의 전단 강도 향상 효과는 식물 뿌리 형태와 식물 유형에 의해 영향을 받으며, 식물 뿌리 형태가 다르면 경사면 안정성 향상에 다른 효과를 부과한다고 결론지었습니다. 1989년에 Tatsumi6는 처음으로 식물 뿌리 시스템 연구에 프랙탈 이론을 적용하여 식물 뿌리 시스템의 형태적, 구조적 특성을 정량화했습니다. 사막 배후지의 다양한 식물 뿌리의 프랙탈 특성을 연구함으로써 Xiaolin Yang et al.7은 프랙탈 차원이 뿌리 가지의 복잡성을 정량화하는 데 사용될 수 있을 뿐만 아니라 식물 뿌리의 바이오매스를 예측하는 데에도 고려될 수 있다고 결론을 내렸습니다. 다양한 식물의 토양 고정 능력을 분석합니다. 다양한 입분 조건 하에서 Agriophyllum squarrosum 뿌리 체계의 형태를 분석함으로써 Jie Ren 등은 다양한 입분 조건이 Agriophyllum squarrosum 뿌리 체계의 프랙탈 차원에 상당한 영향을 미친다는 결론을 내렸습니다. 그러나 본 연구에서는 다양한 경사도에서 식물 뿌리가 경사 안정성에 미치는 영향을 간과했습니다. Hongyan Wu et al.9는 뿌리 프랙탈 차원을 사용하여 Hu Zhi Zi의 뿌리 형태와 Beijing Vulture Peak Forestry 관측소의 다양한 경사도에서 경사의 안정성 사이의 관계를 조사했습니다. 그러나 본 연구에서는 관목식물만을 조사하였고, 기타 식물이 사면안정에 미치는 영향은 검토하지 않았다. 현재 수치 시뮬레이션은 경사 안정성10을 평가하기 위해 가장 널리 사용되는 방법 중 하나이며 FLAC3D는 지반 공학 몸체11의 3차원 기계적 거동을 적절하게 시뮬레이션할 수 있습니다. 이 알고리즘은 작은 변형을 기반으로 한 유한 요소와 경계 요소의 가정뿐만 아니라 개별 블록을 강체로 처리할 때 개별 요소의 가정을 극복하고 모델 셀은 수율을 잘 반영할 수 있습니다13. Xiaolei Ji14는 시뮬레이션을 통해 다양한 식물 강화 경사면의 최대 변위와 식물 뿌리 시스템의 프랙탈 차원 간의 관계를 조사했습니다. 식물 뿌리 형태는 주로 식물 뿌리 시스템의 주요 뿌리와 측면 뿌리 사이의 각도를 연구하여 설명되었지만 이 방법은 식물 뿌리 시스템의 전체 형태가 얕은 표면층의 안정성에 미치는 영향을 정량화하는 것이 부족합니다. 경사면의. 대부분 뿌리 체계로 인한 토양 강도 향상만을 고려한 이러한 연구에서는 다양한 경사도와 최적 경사도에서 노천 탄광 경사면의 얕은 표층 안정성에 대한 뿌리 형태의 영향을 널리 고려하지 않았습니다. 노천 탄광 경사면의 얕은 표면층은 초본 식물 뿌리 시스템으로 강화되었지만 경사면은 공통적이고 중요한 지형적 요소로 사용되었습니다15; 더욱이, 다양한 경사도는 토양 수분 및 직사광선과 같은 환경 요인에 영향을 미치며, 이는 결국 뿌리의 성장과 경사면의 얕은 표층의 안정성에 영향을 미칩니다.