Etude des influences de la dimension fractale du système racinaire et du degré de pente sur la stabilité de la pente

Aug 04, 2023

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 10282 (2023) Citer cet article

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Le problème de la quantification de l'effet de la morphologie des racines de luzerne sur la stabilité de la couche superficielle peu profonde de la pente de la mine de charbon à ciel ouvert de Haizhou et le degré de pente optimal en termes de renforcement de la couche superficielle peu profonde par le système racinaire de luzerne a été abordée. Dans cette étude, les paramètres mécaniques d'échantillons composites de sol ordinaire et de racines de luzerne – sol ont été mesurés par des tests de sol en intérieur et des tests de compression triaxiale, et un modèle de calcul de la pente de la mine de charbon à ciel ouvert de Haizhou a été établi dans le logiciel de simulation numérique FLAC3D. analyser l'influence du système racinaire de la luzerne sur le déplacement maximal de la couche superficielle peu profonde de la pente et la relation avec la dimension fractale du système racinaire de la luzerne. La dimension fractale a été appliquée pour quantifier l'influence de la morphologie des racines de luzerne afin d'étudier plus en détail la relation entre la dimension fractale du système racinaire et la pente optimale de la couche superficielle peu profonde. L'analyse a montré que la dimension fractale du système racinaire de la luzerne variait selon différents degrés de pente, c'est-à-dire 40° > plat > 30° > 50° ; le déplacement maximal du sol de la couche superficielle peu profonde de la pente augmentait avec la pente par incréments non linéaires. L'analyse de la dimension fractale du système racinaire de la luzerne et du taux de réduction de déplacement maximal aux différents degrés de pente a révélé que le degré de pente optimal de la couche superficielle peu profonde renforcée par la luzerne variait entre 30° et 40°. Les résultats de l'étude pourraient fournir une base pour expliquer davantage la nature du rôle de la morphologie des racines de luzerne dans le renforcement des sols superficiels peu profonds et le degré d'inclinaison optimal de la pente de la mine de charbon à ciel ouvert de Haizhou renforcée par des racines de luzerne.

Ces dernières années, en raison de l’augmentation de l’exploitation du charbon à ciel ouvert, le renforcement des pentes a fait l’objet d’une attention croissante. Le site d'extraction de charbon à ciel ouvert de Haizhou mesure 4 km de long d'est en ouest et 2 km de large du nord au sud, avec une profondeur verticale de 250 m, soit 18 m de moins que le niveau de la mer, et il a fait faillite en 2005, mais l’absence de mesures de protection lors de l’extraction du charbon a entraîné la formation d’une pente à structure binaire sol-roche composée d’une couche supérieure de sol peu profonde et d’une couche inférieure de substrat rocheux altéré ; de plus, les mesures techniques de stabilisation des pentes sont généralement difficiles à mettre en œuvre sur les pentes à double structure sol-roche, et une conception ou une construction inappropriée peut facilement conduire à des dommages géologiques tels qu'un effondrement de pente par glissement de terrain, qui menace la stabilité globale de la pente1,2,3 ; par conséquent, le problème de la pente ne peut être ignoré.

Améliorer la stabilité des pentes en optimisant le processus de renforcement des pentes est l'objectif de nombreux concepteurs techniques. Les mesures techniques traditionnelles de fixation des pentes peuvent produire un certain effet de protection des pentes dès le début du projet, mais le béton, l'acier et les roches sont constamment érodés par les intempéries et l'effet de l'eau de pluie, ce qui entraîne une réduction de la force de protection de la fixation technique des pentes. mesures. La végétation joue un rôle que d'autres mesures d'ingénierie ne remplissent pas, comme l'amélioration de l'environnement écologique, la réduction de l'érosion des sols, la rétention de l'eau et la fixation du sol et des pentes, et la fixation des pentes par la végétation est une méthode de contrôle économique et de protection de l'environnement avec un rôle irremplaçable et important. Par conséquent, la technologie de fixation des pentes par la végétation est devenue la tendance et l’objectif principal de la gestion et de l’entretien des pentes4. Manbeian et al.5 ont conclu que l'effet d'amélioration de la résistance au cisaillement des systèmes racinaires sur les sols en pente est influencé par la morphologie des racines des plantes et le type de plante et que différentes morphologies des racines des plantes imposent différents effets sur l'amélioration de la stabilité des pentes. En 1989, Tatsumi6 a été le premier à appliquer la théorie fractale à l’étude des systèmes racinaires des plantes, quantifiant ainsi les caractéristiques morphologiques et structurelles des systèmes racinaires des plantes. En étudiant les caractéristiques fractales de différentes racines de plantes dans l'arrière-pays désertique, Xiaolin Yang et al.7 ont conclu que la dimension fractale peut non seulement être utilisée pour quantifier la complexité de la ramification des racines, mais également être prise en compte pour prédire la biomasse des racines des plantes et ainsi analyser la capacité de fixation du sol de différentes plantes. En analysant la morphologie du système racinaire d'Agriophyllum squarrosum dans différentes conditions de peuplement, Jie Ren et al.8 ont conclu que les différentes conditions de peuplement affectaient de manière significative la dimension fractale du système racinaire d'Agriophyllum squarrosum. Cependant, cette étude a négligé l’effet des racines des plantes sur la stabilité des pentes à différents degrés de pente. Hongyan Wu et al.9 ont étudié la relation entre la morphologie des racines de Hu Zhi Zi et la stabilité des pentes à différents degrés de pente à la station forestière de Beijing Vulture Peak en utilisant la dimension fractale des racines. Cependant, dans cette étude, seules les plantes arbustives ont été étudiées, tandis que les effets d'autres types de plantes sur la stabilité des pentes n'ont pas été examinés. Actuellement, la simulation numérique est l'une des méthodes les plus largement utilisées pour évaluer la stabilité des pentes10, et FLAC3D peut simuler de manière appropriée le comportement mécanique tridimensionnel des corps géotechniques11. Cet algorithme surmonte les hypothèses d'éléments finis et d'éléments limites basés sur de petites déformations, ainsi que l'hypothèse d'éléments discrets lors du traitement des blocs discrets comme des corps rigides12, et les cellules du modèle peuvent bien refléter le rendement13. Xiaolei Ji14 a étudié la relation entre le déplacement maximal de différentes pentes renforcées par des plantes et la dimension fractale du système racinaire des plantes par simulation. La morphologie des racines des plantes a été principalement décrite en étudiant l'angle entre les racines principales et latérales du système racinaire des plantes, mais cette méthode ne permet pas de quantifier l'influence de la morphologie globale du système racinaire des plantes sur la stabilité de la couche superficielle peu profonde. de la pente. Ces études, qui ne considéraient pour la plupart que l'amélioration de la résistance du sol due au système racinaire, n'ont pas largement pris en compte l'effet de la morphologie des racines sur la stabilité de la couche superficielle peu profonde des pentes des mines de charbon à ciel ouvert à différents degrés de pente et le degré de pente optimal de la couche superficielle peu profonde des pentes des mines de charbon à ciel ouvert renforcée par des systèmes racinaires de plantes herbacées, mais la pente a été utilisée comme facteur topographique commun et important15 ; de plus, différents degrés de pente affectent des facteurs environnementaux tels que l’humidité du sol et l’angle direct du soleil, qui à leur tour affectent la croissance des racines et donc la stabilité de la couche superficielle peu profonde de la pente16.