Estudio sobre el sistema radicular de Cynodon dactylon que afecta la sequía

Jun 05, 2023

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 13052 (2023) Citar este artículo

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El suelo expansivo exhibe características notables de expansión de la absorción de agua y contracción de la pérdida de agua, lo que lo hace susceptible a agrietarse en los ambientes alternos secos y húmedos de la naturaleza. La generación y el desarrollo de grietas en suelos expansivos pueden provocar accidentes de ingeniería catastróficos, como deslizamientos de tierra. La protección de la vegetación es un enfoque importante para estabilizar pendientes expansivas del suelo y cumplir con los requisitos de protección ecológica. En este estudio, a través de experimentos en interiores y métodos de análisis teórico, se analizaron los efectos de las raíces de Cynodon dactylon sobre el desarrollo de grietas y la resistencia al corte de suelos expansivos sometidos a ciclos seco-húmedo, y la relación entre el desarrollo de grietas y la decadencia de la resistencia al corte en raíces. -Se exploró suelo expansivo dopado. Además, se aclaró el mecanismo de acción del sistema radicular vegetativo. Los resultados muestran que el sistema radicular de Cynodon dactylon ejerce un efecto inhibidor significativo sobre el desarrollo de grietas en suelos expansivos. Los índices de fisura del suelo expansivo dopado con raíces exhiben características de fase significativas durante el proceso de ciclos seco-húmedo. El efecto de bloqueo y refuerzo de grietas del sistema radicular se vuelve pronunciado a medida que aumenta la relación masa raíz-suelo y disminuye el diámetro de la raíz. Además, el proceso de desarrollo de grietas en suelos expansivos va acompañado de una disminución de la resistencia al corte del suelo. La relación cuantitativa entre el desarrollo de grietas y la disminución de la resistencia al corte puede servir como base para predecir la estabilidad del suelo en pendiente. En general, los resultados resaltan el potencial de los enfoques basados ​​en la vegetación para proteger pendientes con suelos expansivos y tienen implicaciones prácticas para la protección ecológica y el diseño de ingeniería en áreas con suelos expansivos.

El suelo expansivo es una arcilla altamente plástica con características de agrietamiento, expansión y contracción y superconsolidación. Debido a la riqueza de minerales hidrófilos como la montmorillonita, el cambio en el contenido de agua provocará una importante expansión húmeda y deformación por contracción seca del suelo, lo que conducirá a la generación de grietas1,2. Los ciclos repetitivos de lluvia y evaporación exacerban aún más el proceso de agrietamiento, deteriorando la estructura general del suelo. En consecuencia, la resistencia del suelo expansivo se ve comprometida, lo que plantea diversos desafíos geotécnicos, como deslizamientos de tierras en pendientes y grietas en las carreteras3,4,5. La preservación de la estabilidad a largo plazo en pendientes de suelo expansivas se ha convertido en una preocupación crítica en el campo de la ingeniería, lo que requiere soluciones efectivas para abordar este problema.

Los académicos tanto nacionales como internacionales han acumulado una experiencia significativa en el refuerzo de pendientes de suelo expansivas a través de una extensa exploración práctica. En la práctica de la ingeniería se han adoptado activamente varias medidas de protección rígidas y flexibles para mitigar los riesgos asociados con pendientes expansivas del suelo6,7,8,9. Sin embargo, la durabilidad y la eficiencia económica de los métodos tradicionales de soporte han sido subóptimas, lo que llevó a los investigadores a explorar enfoques alternativos como la incorporación de fibra10,11,12, cal13,14,15 y cenizas volantes16,17 al suelo.

En los últimos años, ha habido un interés creciente en las ventajas técnicas y económicas, así como en los beneficios ecológicos, del uso de métodos ecológicos de protección de pendientes. El concepto de “tratar la expansión con flexibilidad y protección verde” ha surgido como un enfoque novedoso para la gestión expansiva de la protección del suelo5,18. Estos estudios han demostrado el efecto reforzador y el potencial de restauración ecológica de las medidas de protección ambiental en la ingeniería de pendientes19, y han enfatizado la estrecha relación entre el sistema radicular y las grietas del suelo20,21,22,23,24, así como la fuerte correlación entre el crecimiento de las raíces características y estabilidad de taludes25,26. Sin embargo, a pesar de estos importantes hallazgos, la influencia de las raíces de la vegetación en el desarrollo de grietas expansivas del suelo no se ha abordado completamente en la literatura existente, y falta una discusión sobre el impacto de las características de crecimiento de las raíces en el desarrollo de grietas expansivas del suelo. .

La disminución de la resistencia al corte en suelos expansivos debido al desarrollo de grietas ha sido ampliamente investigada en estudios recientes27,28,29. Los ciclos seco-húmedo se han identificado como un factor importante que contribuye al desarrollo de grietas en suelos expansivos30,31,32, lo que lleva a una disminución de la resistencia del suelo. Por otro lado, se ha descubierto que la presencia de raíces de vegetación mejora en cierta medida la resistencia al corte del suelo33,34,35. Sin embargo, el efecto inhibidor del sistema de raíces sobre la disminución de la resistencia al corte del suelo expansivo y la relación entre el desarrollo de grietas y la disminución de la resistencia al corte aún no están claros.

Sobre la base de los estudios existentes, este estudio analizó los efectos de los parámetros característicos del sistema de raíces de Cynodon dactylon sobre el comportamiento de agrietamiento seco-húmedo y la resistencia al corte del suelo expansivo a través de pruebas controladas en interiores. El estudio también exploró la relación entre el proceso de desarrollo de grietas y la disminución de la resistencia al corte en suelos expansivos dopados con raíces y aclaró el mecanismo de las raíces de Cynodon dactylon para mejorar el rendimiento del suelo expansivo. Los resultados de la investigación pueden proporcionar una base teórica más eficaz para el desarrollo y la aplicación de tecnología de tratamiento ecológico de la vegetación de pendientes en áreas de suelo expansivas, y también proporcionar una referencia útil para el estudio de deslizamientos de tierra y otros peligros geológicos en áreas de suelo expansivas.

Las muestras de suelo utilizadas en este estudio se tomaron de las laderas del sitio de suelos expansivos ubicados en el distrito de Xingning, ciudad de Nanning, región autónoma de Guangxi, China. Las propiedades físicas y mecánicas básicas de las muestras de suelo se enumeran en la Tabla 1. El suelo utilizado para la prueba se determinó como suelo de expansión media, siguiendo el "Reglamento técnico para la construcción en áreas de suelo expansivo" nacional (GB 50,112-2013). La distribución del tamaño de partículas del suelo expansivo se determinó utilizando un medidor de tamaño de partículas láser combinado MASTERSIZER 3000 (MAZ 3000) de Malvern Instruments Ltd, Reino Unido, y un método de tamizado, como se muestra en la Fig. 1. El método de tamizado se utiliza principalmente para suelos expansivos. Muestras de suelo con un tamaño de partícula superior a 1 mm. Después del tamizado, las muestras de suelo con un tamaño de partícula inferior a 1 mm se utilizan en el medidor de partículas láser MAZ 3000 para realizar análisis adicionales del tamaño de las partículas. La distribución granulométrica del suelo expansivo se organiza como se muestra en la Fig. 2. La composición mineralógica de las muestras de suelo se determinó utilizando un goniómetro Bruker XRD (D8 DISCOVER) fabricado en Alemania y para la fase física se utilizó el software MDI JADE 6. recuperación y análisis, como se muestra en la Fig. 3. La composición mineral de los suelos expansivos se organiza como se muestra en la Tabla 2.

Analizador de tamaño de partículas láser MASTERSIZER 3000 (MAZ 3000).

Distribución del tamaño de partículas de suelos expansivos.

Goniómetro Bruker XRD (D8 DISCOVER).

El sistema radicular de la planta seleccionado para el estudio fue el sistema radicular Cynodon dactylon. Cynodon dactylon es una planta de raíces fibrosas con raíces fibrosas diminutas y tenaces. Las raíces de Cynodon dactylon utilizadas en este estudio provienen de cultivos de interior y no son fuentes silvestres ni recursos genéticos preservados raros. Como se muestra en la Fig. 4, se plantó Cynodon dactylon en un balde de hierro de 60 cm de diámetro y 60 cm de altura con riego y fertilización regulares durante 3 meses. El sistema de raíces de Cynodon dactylon se muestra en la Fig. 5. Las semillas de Cynodon dactylon fueron producidas en grandes cantidades por los principales productores de semillas comerciales y compradas en los mercados locales de China, y las plantas se cultivaron de acuerdo con las directrices pertinentes. Cynodon dactylon se distribuye ampliamente en regiones tropicales y subtropicales, y también crece en áreas templadas, lo que la convierte en una de las mejores especies de plantas para pasto ecológico de laderas36,37. Las raíces de Cynodon dactylon crecen principalmente dentro del rango de profundidad del suelo de 0 a 40 cm con un sistema radicular bien desarrollado y disparidades mínimas en el diámetro de la raíz por intervalo de profundidad de 10 cm38,39. Por consiguiente, sirve como muestra apropiada para experimentos de laboratorio.

Plantación de Cynodon dactylon.

Raíces de Cynodon dactylon.

Para investigar los efectos de la relación de masa raíz-suelo y el diámetro de la raíz en el desarrollo de grietas en suelos expansivos, estos dos factores influyentes se probaron individualmente y en combinación. Después de la recolección de raíces de Cynodon dactylon del sitio de prueba, las raíces se lavaron minuciosamente con agua y posteriormente se pesaron después de eliminar el agua de la superficie con papel absorbente. Para minimizar la influencia de la longitud de la raíz en los resultados experimentales, el sistema de raíces se cortó uniformemente a una longitud de 2 cm, según el tamaño de muestra del cuchillo anular (61,8 mm de diámetro y 20 mm de altura) utilizado en las pruebas de interior. Para replicar las condiciones naturales de crecimiento de las raíces de Cynodon dactylon en el suelo, el suelo y las raíces se mezclaron bien y de manera uniforme.

La determinación de la compacidad de la muestra de suelo en esta prueba interior se basó en la compacidad real de la pendiente en el sitio y dio como resultado un valor del 85%. Se seleccionaron temperaturas ambientales experimentales de 25 ℃ y 40 ℃ considerando las condiciones de cambio de temperatura local. Con base en las pruebas anteriores de plantación de vegetación para protección de pendientes y el análisis estadístico del sistema de raíces38,40, la relación masa raíz-suelo se fijó en 0%, 0,06%, 0,14% y 0,22%, y el diámetro de la raíz se fijó en 0,0 a 0,4 mm, 0,4 a 0,6 mm y 0,6 a 0,8 mm.

Durante el período de monitoreo, el contenido de agua del suelo exhibió un rango de valores, con el mínimo registrado en 9% y el máximo en 30,5%, como se muestra en la Fig. 6. Al integrar los datos de monitoreo reales con el contenido de agua óptimo de la muestra de suelo (19%), se determinó que el contenido de agua inicial para la prueba del ciclo seco-húmedo de igual amplitud era del 19%. Los contenidos de agua mínimo y máximo para el ciclo seco-húmedo se establecieron en 9% y 29% respectivamente, la amplitud del ciclo seco-húmedo fue ± 10% y los ciclos seco-húmedo fueron 6 veces.

Curva temporal del contenido de agua del suelo y la variación de las precipitaciones.

La Tabla 3 presenta el programa de prueba empleado en este estudio. La prueba 1 tuvo como objetivo explorar el efecto del sistema radicular en el desarrollo de grietas a una temperatura de 25 °C. En particular, se encontró que la influencia de la temperatura promueve un desarrollo y una estabilización más tempranos y rápidos de las grietas, sin efectos significativos en el índice final41. Para acelerar el proceso experimental, las pruebas 2 a 7 se realizaron a una temperatura más alta de 40 °C. Específicamente, las Pruebas 2 a 5 se llevaron a cabo para investigar los efectos de la relación de masa raíz-suelo en el desarrollo de grietas y la resistencia al corte del suelo, mientras que las Pruebas 5 a 7 se realizaron para examinar los efectos del diámetro de la raíz en el desarrollo de grietas y la resistencia al corte del suelo. .

El suelo expandido pasó por el siguiente proceso de preparación. Inicialmente, el suelo se secó al aire y posteriormente se trituró antes de pasar por un tamiz de 2 mm para asegurar la uniformidad. Luego, el material de tierra preparado se pesó con precisión y se distribuyó en capas en una bandeja esmaltada. Para lograr el contenido de agua deseado del 19%, la superficie del suelo se roció uniformemente con agua destilada y se mezcló completamente. Luego, la muestra de suelo resultante se selló herméticamente durante 24 h para permitir la difusión completa del agua. Cuando se completó el guisado, la muestra de suelo se mezcló con las raíces de Cynodon dactylon de manera completa y uniforme. La compactación de la muestra de suelo se controló regulando la calidad de la muestra de suelo y se empleó el método de presión estática para preparar la muestra de una sola vez, como se muestra en la Fig. 7. En particular, antes de la preparación de la muestra de suelo, se aplicó vaselina. se aplicó meticulosamente a la pared interior de la cuchilla anular y al área de contacto entre la estera de hierro y la superficie de la muestra de suelo para mitigar los posibles efectos límite durante las pruebas posteriores del ciclo seco-húmedo.

Muestra de suelo.

El proceso del ciclo seco-húmedo se dividió en dos pasos: humidificación y deshumidificación. Para garantizar un control preciso sobre el contenido de agua, se empleó una balanza electrónica con una precisión de 0,01 g. Para el proceso de humidificación, la muestra de suelo se colocó en una bandeja esmaltada y se aplicó una sola hoja de papel de filtro húmedo a las superficies superior e inferior. Esto se hizo para evitar la desintegración de la muestra de suelo tras la absorción de agua y para asegurar una humectación uniforme. Se usó un pequeño rociador para rociar agua sobre el papel de filtro en la superficie superior de la muestra de suelo para llevar la masa a pesar a un contenido de agua objetivo preestablecido. El proceso de deshumidificación se llevó a cabo en una cámara de pruebas a temperatura constante a 25 °C y un horno a 40 °C. Las muestras de suelo se pesaron y fotografiaron varias veces durante este proceso, y se consideró que la deshumidificación se completó cuando la masa de la muestra cambió dentro de 0,02 g. Esto constituyó 1 ciclo seco-húmedo y el proceso se repitió durante 0 a 6 ciclos.

Se realizaron pruebas de corte directo en muestras de suelo recolectadas al final de cada prueba de ciclo seco-húmedo. La prueba de corte no drenada se realizó siguiendo el “Procedimiento de prueba geotécnica de carreteras” nacional (JTG 3430-2020). Se prepararon cuatro réplicas de muestras de suelo para cada grupo de prueba y se aplicó presión vertical a niveles de 100, 200, 300 y 400 kPa, mientras que la velocidad de corte se mantuvo a 0,8 mm/min. Se forma una línea recta con la presión vertical como coordenada horizontal y la resistencia al corte como coordenada vertical. El ángulo de inclinación de esta línea es el ángulo de fricción interna y el punto de intersección en la coordenada vertical es la fuerza de cohesión. Cuando la resistencia al corte se obtiene del punto máximo de la curva relacional con el esfuerzo cortante como coordenada vertical y el desplazamiento del corte como coordenada horizontal, el esfuerzo cortante se calcula a partir del factor de corrección del dinamómetro en la prueba de corte, la lectura de la dinamómetro y el área inicial de la muestra. La configuración experimental y la metodología se muestran en la Fig. 8.

Prueba de ciclo seco-húmedo y proceso de prueba de corte recto.

Para garantizar condiciones de iluminación constantes, solo se utilizó la misma fuente de luz en la habitación para tomar fotografías con el mismo enfoque (20 cm). Posteriormente, las imágenes de grietas adquiridas se procesaron utilizando el software Adobe Photoshop y se importaron al software PCAS42,43, una herramienta patentada desarrollada por la Universidad de Nanjing, para una serie de pasos de preprocesamiento como binarización automática, eliminación de ruido y esqueletización. Con base en el diagrama binario de grietas obtenido y su esqueleto, el patrón de desarrollo de grietas del suelo se caracterizó cuantitativamente mediante la tasa estadística de grietas de la muestra del suelo, el ancho promedio de las grietas y otros indicadores. La tasa de fisura se definió como la relación entre el área superficial de la fisura y el área total de la muestra de suelo, caracterizando el desarrollo general de la fisura de la muestra de suelo. Para garantizar la coherencia en el cálculo de la tasa de fisuras, se utilizó el área de la superficie superior de la cuchilla anular como área total en la prueba. El número de grietas se determinó basándose en la definición de una traza de grieta entre dos nodos adyacentes como una grieta. La longitud promedio de las grietas se calculó como la relación entre la longitud total de las grietas y el número de grietas. El ancho promedio de las grietas se calculó como la relación entre el ancho total de las grietas y el número de grietas. La conectividad se definió como la relación entre el número de puntos de intersección de grietas (A) y la suma del número de puntos de intersección (A) y puntos finales (B), expresada como A/(A + B).

Las raíces de Cynodon dactylon utilizadas en este estudio provienen de cultivos de interior y no son fuentes silvestres ni recursos genéticos preservados raros. Los principales productores comerciales de semillas producen semillas de plantas en grandes cantidades y se pueden comprar en los mercados locales de China. Todos los experimentos con plantas se llevaron a cabo siguiendo las directrices pertinentes.

La Figura 9 muestra las imágenes de la red de grietas de las muestras de suelo expansivas con diferentes proporciones de masa de raíz a suelo después de cada ciclo seco-húmedo a 40 °C y con un diámetro de raíz de 0 a 0,4 mm. La Figura 10 muestra las imágenes de la red de grietas de muestras de suelo expansivas con diferentes diámetros de raíz después de cada ciclo seco-húmedo a 40 °C y una relación de masa de raíz a suelo de 0,22%. Se puede observar que en la superficie del suelo expansivo puro aparecieron grietas de penetración gruesas y largas a partir del primer ciclo. Con ciclos repetidos de secado y humectación, las grietas se extendieron gradualmente hacia el centro de las muestras de suelo y, finalmente, las grietas principales dividieron la superficie en varias áreas grandes. Esto se debe principalmente a la abundancia de minerales arcillosos, como la montmorillonita, en suelos expansivos. La superficie de las partículas de arcilla está envuelta por una película hidratada debido a su fuerte hidrofilicidad44, que proporciona espacio para la pérdida de agua y la contracción de los suelos expansivos y es un requisito previo para el desarrollo de grietas expansivas del suelo. Durante el proceso de secado del suelo expansivo, el agua se evapora gradualmente y las partículas del suelo se acercarán entre sí en dirección horizontal y se consolidarán en dirección vertical bajo la acción de la tensión superficial y la succión, lo que se manifiesta como la contracción del volumen del suelo. suelo en dirección macroscópica. La tensión superficial y las fuerzas de succión hacen que cada partícula del suelo esté sujeta a esfuerzos de tracción en la dirección horizontal, creando así un campo de esfuerzos de tensión. Cuando la magnitud del campo de tensiones de tracción excede la resistencia a la tracción del suelo, se crean grietas45. El intercambio de agua es más frecuente en el borde de la muestra de suelo, por lo que es más probable que se produzcan fisuras, por lo que las fisuras se van acercando gradualmente desde el borde hacia el centro. La curación de las grietas en el borde del sexto ciclo seco-húmedo se puede atribuir a dos posibles razones. En primer lugar, las grietas más anchas provocan el colapso y el posterior llenado de partículas de suelo en los bordes de las grietas. En segundo lugar, la inversión del gradiente del contenido de agua provoca contracción en las grietas superiores.

Imágenes de redes de crack de suelos expansivos (diferentes proporciones de masa raíz-suelo).

Imagen de la red de fisuras del suelo expansivo (diferentes diámetros de raíz).

Además, cuando los suelos expansivos dopados con raíces sufrieron ciclos seco-húmedo, las grietas también se expandieron hacia la mitad del suelo, pero eran más numerosas y más finas en comparación con los suelos expansivos puros. Este fenómeno se vuelve más pronunciado al aumentar la relación masa raíz-suelo y disminuir el diámetro de la raíz. Las grietas en la posición "puente" del sistema radicular mostraron una curación obvia, como lo demuestra la recuperación de grietas en el medio de las muestras de suelo con relaciones de masa raíz-suelo de 0,06% y 0,14%, así como diámetros de raíz. que van desde 0,4 a 0,6 mm y 0,6 a 0,8 mm.

La Figura 11 muestra las curvas de variación del índice de fisuración de suelos expansivos con diferentes relaciones de masa raíz-suelo bajo la condición de ciclos seco-húmedo. La tasa de agrietamiento del suelo expansivo mostró un rápido aumento durante el segundo ciclo seco-húmedo y una ligera disminución sin fluctuaciones significativas en los ciclos posteriores. El ancho promedio y la conectividad de las grietas mostraron una tendencia de aumento y luego disminución durante los ciclos seco-húmedo. En particular, las muestras de suelo expansivas con una relación de masa de raíz a suelo de 0,22% mostraron una reducción significativa en el ancho promedio y la conectividad de las grietas durante el tercer ciclo seco-húmedo. Combinado con la Fig. 9, se puede ver que hubo distribución de raíces en la grieta ancha de la muestra de suelo en el segundo ciclo, lo que provocó un cierto grado de curación de la grieta del suelo en el proceso de humidificación. Además, el número de grietas en el suelo expansivo mostró una tendencia general creciente con un aumento en el número de ciclos seco-húmedo, pero hubo grandes fluctuaciones en las muestras de suelo con una relación de masa de raíz a suelo de 0,14% y 0,22%. La longitud promedio de las grietas en la superficie de los suelos expansivos aumenta constantemente en las primeras etapas del ciclo húmedo-seco y tiende a disminuir en las últimas etapas46. Esto se debe principalmente a que la superficie de las muestras de suelo en la última etapa de los ciclos seco-húmedo son en su mayoría grietas pequeñas y desconectadas, el número de grietas aumenta significativamente y la longitud promedio de las grietas disminuye.

Curva de variación del índice de fisuración de suelos expansivos con las diferentes relaciones de masa raíz-suelo bajo la condición de ciclos seco-húmedo: (a) tasa de fisuración; (b) número de grietas; (c) longitud promedio de grieta; (d) ancho promedio de grieta; ye) conectividad.

Se puede ver en los indicadores al final del sexto ciclo seco-húmedo que la velocidad de grieta, el ancho promedio de grieta, la conectividad y la longitud promedio de grieta exhibieron una tendencia general decreciente con el aumento de la relación de masa raíz-suelo. . Sorprendentemente, el número de grietas mostró una tendencia creciente con el aumento en la relación de masa raíz-suelo, lo que puede atribuirse a que el sistema de raíces induce falta de homogeneidad y anisotropía en el suelo, aumentando así los puntos débiles en la superficie del suelo. Esto también explica el fenómeno de que el número de grietas en las muestras de suelo dopadas con raíces es significativamente mayor que el del suelo expansivo puro durante los ciclos seco-húmedo. Además, la variación en los patrones de conectividad indica que las muestras de suelo con mayores proporciones de masa de raíz a suelo exhiben predominantemente grietas finas y desconectadas en la superficie. Revela que el efecto de bloqueo de grietas del sistema radicular tiene una correlación positiva con la relación masa raíz-suelo. En particular, el efecto óptimo de bloqueo de grietas en las raíces se logró con una relación de masa de raíz a suelo del 0,22%.

La Figura 12 muestra la curva de cambio del índice de fisuración de suelos expansivos con diferentes diámetros de raíces bajo la condición de ciclos seco-húmedo. La tasa de agrietamiento del suelo expansivo mostró un rápido aumento durante el segundo ciclo seco-húmedo y una ligera disminución sin fluctuaciones significativas en los ciclos posteriores. El ancho promedio de las grietas mostró una tendencia general de aumentar primero y luego disminuir. La diferencia entre el ancho promedio de la grieta de suelo expansivo puro y suelo expansivo con 0,4–0,6 mm y 0,6–0,8 mm de diámetro de raíz en los primeros cuatro ciclos seco-húmedo no fue grande, y se redujo en diferentes grados en el quinto. ciclo seco-húmedo. La tendencia en el ancho promedio de las grietas se correspondió con la tendencia en la tasa de grietas. La tendencia general del número de grietas iba en aumento. Específicamente, el número de grietas en muestras de suelo con un diámetro de raíz de 0,0 a 0,4 mm exhibió fluctuaciones significativas, lo que resultó en una forma "bimodal" distinta en la curva de cambio. La longitud promedio de las fisuras y la conectividad también mostraron fluctuaciones sustanciales. La conectividad de muestras de suelo con diámetros de raíz de 0,0 a 0,4 mm inicialmente aumentó y luego disminuyó. Por el contrario, las muestras de suelo puro expansivo y de diámetro de raíz de 0,4 a 0,6 mm mostraron una tendencia general decreciente en la conectividad. Sin embargo, la conectividad fue mayor al final de los ciclos 1 y 6, lo que indica que el sistema de raíces con un diámetro de raíz mayor no era ideal para el efecto de bloqueo de grietas.

Curva de variación del índice de fisura de suelo expansivo dopado con raíces con diferentes diámetros de raíz bajo la condición de ciclos seco-húmedo: (a) tasa de fisura; (b) ancho promedio de grieta; (c) número de grietas; (d) longitud promedio de grieta; ye) conectividad.

A partir de los indicadores al final del sexto ciclo seco-húmedo, se puede ver que la velocidad de grieta, el ancho promedio de grieta, la conectividad y la longitud promedio de grieta mostraron una tendencia general de disminución con una reducción en el diámetro de la raíz. El número de fisuras aumentó al disminuir el diámetro de la raíz. Estos resultados sugieren que el efecto de bloqueo de grietas del sistema radicular se mejora con un diámetro de raíz más pequeño y el mejor efecto de bloqueo de grietas se logra con un diámetro de raíz de 0 a 0,4 mm. Este fenómeno se puede atribuir principalmente al hecho de que bajo las mismas condiciones de relación de masa raíz-suelo, las raíces con un diámetro más pequeño en suelos expansivos tienden a exhibir un mayor número de raíces, ejerciendo así un efecto de bloqueo de grietas más potente.

La Figura 13 traza el patrón de desarrollo del índice de grietas del suelo expansivo dopado con raíces (relación de masa raíz-suelo de 0,14% y diámetro de raíz de 0-0,4 mm) durante los ciclos seco-húmedo (temperatura 25 °C). La duración del proceso de deshumidificación mostró una reducción gradual con un número creciente de ciclos seco-húmedo. Este fenómeno se puede atribuir principalmente a la fragmentación progresiva del suelo a medida que avanzan los ciclos seco-húmedo, lo que resulta en un aumento del área de grietas expuesta al aire y una tasa acelerada de evaporación del agua. En el proceso de deshumidificación único, la velocidad de deshumidificación mostró una tendencia decreciente. Esto se puede atribuir principalmente a la evaporación más rápida del agua superficial del suelo en comparación con el agua dentro del suelo.

El patrón de desarrollo del índice de grietas durante los ciclos seco-húmedo de suelos expansivos dopados con raíces.

En el proceso de deshumidificación, el cambio en la tasa de agrietamiento de la muestra de suelo exhibió una tendencia de rápido crecimiento (entre 30 y 15% de contenido de agua), seguida de una tendencia al equilibrio y una ligera disminución (entre 15 y 9% de contenido de agua). . Este fenómeno se debe principalmente a que el sistema de raíces une las grietas generadas por el agrietamiento del suelo e inhibe un mayor desarrollo de grietas. El ancho promedio de las grietas mostró una tendencia similar a la velocidad de las grietas. Esto significa que la expresión principal de la velocidad de grieta es el ancho promedio de grieta. Por el contrario, la tendencia de la longitud promedio de la grieta fue opuesta a la de la velocidad de grieta (entre 20 y 15% de contenido de agua), lo que indica que la longitud promedio de la grieta tuvo poca influencia en la velocidad de grieta. La conectividad y el número de grietas en las muestras de suelo mostraron una tendencia creciente. La longitud promedio de las fisuras mostró un rápido aumento en la etapa inicial (muestras de suelo con contenido de agua entre 30 y 20%), seguido de una lenta disminución en la etapa posterior (muestras de suelo con contenido de agua entre 20 y 9%). Esto puede atribuirse al desarrollo de nuevas grietas encima de las grietas largas originales en la etapa posterior, lo que resulta en el truncamiento de grietas largas en otras más cortas. Esta observación refleja una correlación negativa entre el número de grietas y la longitud promedio de las grietas.

Las características microestructurales de los suelos expansivos durante los ciclos seco-húmedo son importantes para explicar los efectos del ciclo seco-húmedo. Estudios anteriores señalaron que las características estructurales entre los agregados son los principales factores que determinan las propiedades físicas y mecánicas de los suelos expansivos47. En el proceso de pérdida de agua y contracción de un suelo expansivo, lo primero que se consume es el agua libre entre los agregados. A medida que aumenta la succión del suelo, aumenta la tensión efectiva de los aglomerados. Como resultado, los agregados se alinean estrechamente e incluso se reagrupan. Sin embargo, es muy probable que esta contracción desigual promueva el agrietamiento del suelo48. En el proceso de absorción y expansión de agua, el agua absorbida por el suelo expandido debe satisfacer primero la demanda del agua de unión del agregado, y el agua absorbida sobre esta base se utilizará para rellenar poros y grietas. A medida que disminuye la succión del suelo, disminuye la tensión efectiva del agregado. En este momento, bajo la acción de la presión de acuñamiento del agua y la presión de expansión, los agregados pueden dispersarse en el siguiente nivel de agregados. Esto aumenta el espacio poroso entre los agregados y los hace más sueltos47,49,50. La manifestación macroscópica es que las fracturas se pseudocurarán al aumentar el contenido de agua. Esto también prueba que el daño a la microestructura del suelo expansivo es irreversible en términos de unión intergranular durante los ciclos seco-húmedo.

La Figura 14 muestra la cohesión y el ángulo de fricción interna del suelo expansivo en función del número de ciclos seco-húmedo al final de cada deshumidificación. La cohesión y el ángulo de fricción interna del suelo expansivo con diferentes diámetros de raíz y relación de masa raíz-suelo mostraron una tendencia decreciente con el aumento de los ciclos seco-húmedo, lo que indicó que los ciclos seco-húmedo contribuyeron a la decadencia de la resistencia del suelo. Esto se debe a que los ciclos seco-húmedo promueven la generación y expansión de grietas. Las grietas en el suelo destruyen la estructura del suelo, lo que reduce directamente la resistencia al corte del suelo, por un lado, y aumenta la velocidad y la profundidad de la infiltración del agua, por el otro. Las partículas del suelo se llenan con una película de agua unida entre ellas y la succión en el suelo se reduce gradualmente. La disminución de la succión reduce la tensión efectiva entre las partículas del suelo y, por tanto, la resistencia al corte. Además, la cohesión y el ángulo de fricción interna aumentaron con el aumento de la relación de masa raíz-suelo y disminuyeron con el aumento del diámetro de la raíz bajo el mismo número de ciclos seco-húmedo.

Influencia de la relación de masa raíz-suelo (a) – (b) y el diámetro de la raíz (c) – (d) en el índice de resistencia al corte del suelo expansivo al final de cada deshumidificación.

Las Tablas 4 y 5 muestran los resultados del índice de resistencia al corte de suelos expansivos con diferentes relaciones de masa raíz-suelo y diámetros de raíz al final del 0º y 6º ciclo seco-húmedo, respectivamente. Los índices de resistencia de los suelos expansivos dopados con raíces fueron significativamente más altos que los de los suelos expansivos puros antes y después de 6 ciclos seco-húmedo. La cohesión y el ángulo de fricción interna de los suelos mostraron una tendencia creciente con el aumento de la relación masa raíz-suelo y una tendencia decreciente con el aumento del diámetro de la raíz. Esto indica que las raíces pueden mejorar la resistencia al corte de los suelos, lo que concuerda con estudios previos51. Además, se observó que la caída de la resistencia al corte mostró una correlación negativa con la relación masa raíz-suelo y una correlación positiva con el diámetro de la raíz. Este fenómeno indica que una mayor relación masa raíz-suelo y un diámetro de raíz más pequeño dan como resultado una mejor inhibición de la disminución de la resistencia al corte. La vegetación con un sistema de raíces bien desarrollado, una gran cantidad de raíces y un diámetro de raíz pequeño tiene ventajas significativas en la protección expansiva de las pendientes del suelo.

Para reflejar la relación entre la fisura y la resistencia al corte del suelo en condiciones cíclicas secas y húmedas, se optó por relacionar la tasa de fisura con la cohesión del suelo y el ángulo de fricción interna28. La relación entre la tasa de fisuras y el índice de resistencia al corte del suelo en suelos expansivos bajo la influencia de la relación de masa raíz-suelo y el diámetro de la raíz se trazó como se muestra en la Fig. 15.

Relación entre la tasa de fisuras y el índice de resistencia al corte del suelo en suelos expansivos: (a) – (b) la influencia de la relación de masa raíz-suelo; (c)–(d) la influencia del diámetro de la raíz; 0–6 el número de ciclos seco-húmedo.

Como se muestra en la Fig. 15 (a) - (b), la tasa de agrietamiento de todos los grupos de muestras de suelo aumentó rápidamente en los dos primeros ciclos seco-húmedo, seguido de ligeras fluctuaciones y finalmente alcanzó un estado relativamente estable. La cohesión expansiva del suelo y el ángulo de fricción interna mostraron una tendencia decreciente a lo largo del cambio de la tasa de fisura, y el valor se mantuvo estable en el cuarto o quinto ciclo. Se puede observar que, para un diámetro de raíz dado, el índice de resistencia del suelo durante los ciclos seco-húmedo exhibió una correlación positiva con la relación masa raíz-suelo, mientras que el aumento en la tasa de fisuración y la disminución en el índice de resistencia al corte exhibieron una correlación negativa. correlación con la relación masa raíz-suelo. Se puede observar que el desarrollo de grietas en el suelo estuvo acompañado por una disminución de la resistencia del suelo. Específicamente, la cohesión del suelo expansivo puro disminuyó un 61,58% y el ángulo de fricción interna disminuyó un 29,36% después de 6 ciclos seco-húmedo. Por el contrario, la fuerza cohesiva y el ángulo de fricción interna del suelo expansivo con una relación de masa raíz-suelo de 0,22% solo disminuyeron un 22,77% y un 8,73%, respectivamente, después del mismo número de ciclos seco-húmedo.

La tendencia del índice de resistencia del suelo expansivo bajo la influencia del diámetro de la raíz fue similar a la de la relación de masa raíz-suelo. Como se muestra en la Fig. 15 (c) - (d), la cohesión y el ángulo de fricción interna mostraron una tendencia decreciente durante todo el cambio de la velocidad de fisura y se estabilizaron en el quinto ciclo. Se puede observar que, para una determinada relación de masa raíz-suelo, el índice de resistencia del suelo durante los ciclos seco-húmedo exhibió una correlación negativa con el diámetro de la raíz, mientras que el aumento en la tasa de fisuración y la disminución en el índice de resistencia al corte exhibieron una correlación positiva con el diámetro de la raíz. Esto se debe principalmente a que el área de contacto entre el sistema radicular y el suelo aumenta con el aumento del diámetro de la raíz. En la etapa previa a la contracción de la pérdida de agua en el suelo expansivo, la fricción entre el sistema de raíces y el cuerpo del suelo puede aprovechar al máximo el efecto de bloqueo de grietas del sistema de raíces e inhibir la expansión de las grietas. Sin embargo, con la evaporación del agua, las partículas del suelo se acercan entre sí, cuanto mayor es el diámetro del sistema radicular y mayor es el espacio en el cuerpo del suelo. La fricción entre el sistema de raíces y el suelo se reducirá y el sistema de raíces tendrá un efecto de bloqueo de grietas más débil.

La succión y la resistencia a la tracción son parámetros mecánicos críticos que afectan el desarrollo de grietas en suelos expansivos, y la incorporación de raíces de Cynodon dactylon en suelos expansivos afecta principalmente la resistencia a la tracción del suelo durante el proceso de contracción. El sistema de raíces de las raíces de Cynodon dactylon forma un complejo raíz-suelo al enredarse y entrelazarse con el suelo. Durante el proceso de deshumidificación, si el sistema de raíces tiene suficiente resistencia a la tracción sin grietas, unirá las grietas e inhibirá el desarrollo adicional de grietas, como se muestra en la Fig. 16 (a). El efecto puente del sistema radicular sobre las fisuras da como resultado un aumento significativo del efecto de bloqueo de fisuras del complejo raíz-suelo.

Acción de las raíces sobre el suelo y características de la superficie de las raíces: (a) efecto puente; (b) morfología de la superficie; (c) efecto de adhesión.

El sistema radicular está conectado al suelo a través de la interfaz, y el compuesto raíz-suelo puede convertir el esfuerzo cortante en el suelo en esfuerzo de tracción del sistema radicular a través de la unión por fricción entre la raíz y el suelo, así como la fuerza de oclusión mecánica52. . Este fenómeno ayuda a difundir la concentración de tensiones en áreas débiles del suelo, lo que resulta en una distribución más uniforme de las tensiones y una aparición retardada de la superficie agrietada del suelo, facilitando así una transferencia efectiva de tensiones. Como se muestra en la Fig. 16(b)-(c), la superficie del sistema de raíces de Cynodon dactylon es rugosa y algunas de las partículas del suelo se unirán entre sí con el sistema de raíces53, lo que proporciona una mejor unión interfacial entre las raíces. raíces y el suelo. Una unión interfacial más fuerte permite que el sistema radicular ejerza plenamente sus propiedades mecánicas y mejore eficazmente las propiedades mecánicas generales del compuesto raíz-suelo.

Las grietas en el suelo expansivo dopado con raíces son en su mayoría grietas poco profundas y finas desconectadas en comparación con el suelo expansivo puro después de 6 ciclos seco-húmedo, lo que demuestra que las raíces de Cynodon dactylon podrían inhibir significativamente el desarrollo de grietas en el suelo expansivo.

El índice de grietas superficiales del suelo expansivo dopado con raíces exhibe características de fase significativas durante ciclos secos-húmedos repetidos, y el crecimiento de la tasa de grietas se expresa en la forma del desarrollo del ancho promedio de las grietas.

Los efectos de bloqueo y refuerzo de grietas en el sistema radicular se vuelven pronunciados a medida que aumenta la relación masa raíz-suelo y disminuye el diámetro de la raíz. Al seleccionar la vegetación dominante en el proyecto expansivo de protección de taludes del suelo, se debe dar prioridad a la vegetación con un sistema de raíces bien desarrollado, una gran cantidad de raíces y un diámetro de raíz pequeño.

El desarrollo de grietas en suelos expansivos va acompañado de una disminución de la resistencia del suelo. La relación cuantitativa entre el desarrollo de grietas y la resistencia del suelo se puede utilizar para juzgar la resistencia y la estabilidad del suelo de la pendiente, que juega un papel crucial en la prevención y el refuerzo de la estabilidad de la pendiente.

Los conjuntos de datos generados y analizados durante el estudio actual no están disponibles públicamente, pero están disponibles a través del autor correspondiente a solicitud razonable.

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Este trabajo fue apoyado financieramente por el proyecto clave de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (No. 51968005), el Programa Clave de Investigación y Desarrollo de Guangxi (No. GUIKB22080061), los proyectos clave de ciencia y tecnología de la industria del transporte de Guangxi (No. GXJT- 2020-02-08), el Proyecto Clave de Guangxi de la Fundación de Ciencias de la Naturaleza (No. 2020GXNSFDA238024) y el Proyecto Clave de Guangxi de la Fundación de Ciencias de la Naturaleza (No. 2023GXNSFAA026463).

Escuela de Ingeniería Civil y Arquitectura, Universidad de Guangxi, Nanning, 530004, China

Yingzi Xu, Yanyan Guo, Zhen Huang, Dezhi Liu, Quanen Huang y Hong Tang

Laboratorio clave de prevención de desastres y seguridad estructural, Universidad de Guangxi, Nanning, 530004, China

Yingzi Xu y Zhen Huang

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YX fue responsable de la conceptualización y parte metodológica del estudio; YG fue el principal responsable de organizar y analizar los datos experimentales y escribir el manuscrito; ZH supervisó y revisó el artículo; DL fue el principal responsable del trabajo experimental en interiores del estudio; QH fue el principal responsable de la investigación previa del estudio; y HT fue el principal responsable de la extracción de datos por software. Todos los autores comentaron y aprobaron el manuscrito actual para su envío. Todos los autores aceptan asumir la responsabilidad personal de sus contribuciones.

Correspondencia a Zhen Huang.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Xu, Y., Guo, Y., Huang, Z. et al. Estudio sobre el sistema de raíces de Cynodon dactylon que afecta el comportamiento de agrietamiento seco-húmedo y las características de resistencia al corte de suelos expansivos. Representante científico 13, 13052 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-39770-7

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Recibido: 08 de mayo de 2023

Aceptado: 31 de julio de 2023

Publicado: 11 de agosto de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-39770-7

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