تقويت مكانيكي خاك توسط ريشه گياهان مرتعي: اندازه گيري، مدل سازي و كاربرد در حفاظت خاك

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي خاك

دكتري

پوشش گياهي و ريشه¬هاي گياهان عوامل مهمي در حفاظت دامنه¬ها و خاك¬ها در عرصه منابع طبيعي هستند. باوجود اهميت گياهان مرتعي با ريشه¬هاي افشان در حفاظت خاك، پژوهش¬هاي اندكي در مورد تقويت مكانيكي خاك توسط ريشه¬هاي افشان و تاثير همزيستي اندوفيت انجام شده است. در رساله حاضر سه مطالعه با اهداف بررسي اثر نوع گياه مرتعي بر تقويت مكانيكي خاك در ارتباط با پارامترهاي بيومكانيكي ريشه، ارزيابي تأثير برهمكنش اندوفيت و ژنوتيپ فسكيوي بلند بر تقويت مكانيكي خاك مرتبط با پارامترهاي بيومكانيكي ريشه، و مدل¬سازي رفتار مكانيكي خاك-ريشه انجام شد. در مطالعه اول اثر حضور ريشه گياهان مرتعي فسكيوي بلند (دو ژنوتيپ 75B و75C)، Bromus inermis و Bromus tomentellus بر تقويت مكانيكي يك خاك لوم رسي شني در شرايط رطوبتي اشباع و غيراشباع (پتانسيل ماتريك kPa 10-) توسط دستگاه برش مستقيم بزرگ خاك-ريشه بررسي شد. در مطالعه دوم اثر برهمكنش همزيستي (با اندوفيت، E+ و بدون اندوفيت، E‒) و دو ژنوتيپ 75B و 75C فسكيوي بلند بر تقويت مكانيكي خاك با شرايطي مشابه مطالعه اول بررسي شد. همچنين نسبت سطح ريشه (RAR) روي صفحه¬هاي برش، پارامترهاي بيومكانيكي (مقاومت و كرنش كششي) و تركيبات (سلولز، همي¬سلولز و ليگنين) در ريشه¬هاي گياهان مورد بررسي اندازه¬گيري شد. در مطالعه سوم مدل¬سازي داده¬هاي اندازه¬گيري¬شده به روش¬هاي تحليلي (والدرون يا وو) و عددي (با نرم¬افزار ABAQUS) انجام شد. نتايج مطالعه اول نشان داد تقويت مكانيكي (مقاومت برشي و جابجايي برشي) در خاك‌هاي ريشه‌دار حدود چهار برابر بيش¬تر از خاك‌هاي بدون ريشه بود. B. inermis با بيش¬ترين تعداد ريشه¬هاي كشيده¬شده¬ و كم¬ترين قطر ريشه¬ها بيش¬ترين مقاومت برشي خاك-ريشه را موجب شد. بنابراين بيش¬ترين جابجايي برشي در فسكيوي بلند مشاهده شد. همواره بيش¬ترين اثر تقويت مكانيكي توسط ريشه¬ها در لايه¬هاي بالايي خاك مشاهده شد. بنابراين اثر ريشه¬هاي افشان گياهان مرتعي در حفاظت خاك در برابر زمين¬لغزش¬هاي كم¬عمق مهم است. تقويت مكانيكي بهتر خاك توسط ريشه¬هاي B. inermis تا حدي به مقدار ليگنين و همي¬سلولز و كرنش كششي بيش¬تر آن مربوط بود. با افزايش قطر ريشه¬ها، مقاومت كششي، كرنش كششي و ضريب كشساني آن¬ها كاهش يافت؛ بنابراين ريشه¬هاي ريز در تقويت مكانيكي خاك مهم هستند. يافته¬هاي مطالعه دوم نشان داد مقاومت برشي، جابجايي برشي و انرژي كرنشي در خاك‌هاي ريشه‌دار به¬طور قابل توجهي افزايش يافت. بيش¬ترين تقويت مكانيكي خاك براي گياهان 75C E+ ثبت شد و پس از آن گياهان 75B E+ و در ادامه گياهان 75B E‒ ≈ 75C E‒ قرار داشتند كه با تعداد ريشه‌هاي گسيخته¬شده + كشيده¬شده، RAR، سلولز، نسبت سلولز به ليگنين و ويژگي‌هاي بيومكانيكي ريشه‌ها، به ويژه در گياهان 75C E+ مرتبط بود. حضور ريشه و اندوفيت اثر پتانسيل ماتريك بر ويژگي‌هاي مكانيكي خاك را تعديل كردند. ريشه‌هاي ژنوتيپ 75C بيش¬تر لايه‌هاي بالايي خاك و ريشه¬هاي ژنوتيپ 75B عمدتاً لايه‌هاي پاييني را تقويت كردند. ريشه‌هاي گياهان 75C (صرف نظر از اندوفيت) قادر بودند به طور مؤثر خاك را تقويت كنند. آثار تقويت مكانيكي خاك توسط ريشه‌هاي 75B بدون اندوفيت كم بود و به دليل وجود اندوفيت افزايش يافت. صرف نظر از وضعيت رطوبتي، ريشه‌هاي گياهان 75C خاك را به طور مؤثر تقويت كردند، اما گياهان 75B عمدتاً خاك غيراشباع را تقويت نمودند. مدل تحليلي والدرون يا وو منجر به تخمين بسيار بيش¬تر در مقايسه با مقادير اندازه¬گيري¬شده تقويت مكانيكي خاك توسط ريشه شد. روش عددي با نرم¬افزار ABAQUS به¬خوبي در شبيه¬سازي و برآورد رفتار مكانيكي ستون¬هاي خاك-ريشه در تيمارهاي مورد بررسي توانمند بود. مقادير مقاومت برشي مدل¬سازي¬شده و اندازه¬گيري¬شده در برخي تيمارها (مانند B. tomentellus) تفاوت زيادي داشتند. در كل، بر اساس نتايج پژوهش حاضر كشت تركيبي B. inermis و فسكيوي بلند (همزيست با اندوفيت) در زمين¬هاي شيب¬دار و مستعد فرسايش براي برنامه¬هاي حفاظت خاك و مديريت زمين¬لغزش¬هاي كم¬عمق پيشنهاد مي¬شود.

236691

فيزيك خاك

مهندسي كشاورزي

دانشگاه صنعتي اصفهان