Einfluss der Bewehrungsmethode auf die risscharakteristischen Parameter expansiver Bodenexperimente

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 6433 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Der expansive Bodenhang ist hauptsächlich durch die Abnahme der Hangintegrität gekennzeichnet, die durch flache, expansive Bodenrisse und die Zerstörung der inneren Bodenstruktur verursacht wird, was die Gesamtstabilität des expansiven Bodenhangs ernsthaft beeinträchtigt. Um die Wirkung der Kombination aus Geogitterverstärkung und Hangvegetation auf die Hemmung der Entstehung ausgedehnter Bodenrisse zu untersuchen, wurden sechs Gruppen von Testmodellen erstellt. Der natürliche Trocken-Nass-Zyklus wurde simuliert und das Rissbild mithilfe von Bildverarbeitungstechnologie binarisiert. Die risscharakteristischen Parameter wie Rissverhältnis, Rissbreite und Risslänge wurden extrahiert und die Wirkung verschiedener Verstärkungsmethoden auf die Hemmung der Rissentwicklung umfassend bewertet. Die Grundsituation der Entwicklung der Rissindizes in jeder Gruppe mit der Entwicklung mehrerer Trocken-Nass-Zyklen wurde ermittelt, und die Schwankungsänderungen der Rissindizes in verschiedenen Stadien waren bei verschiedenen Verstärkungsmethoden und Trocken-Nass-Zyklen unterschiedlich. Gleichzeitig wird der Einfluss unterschiedlicher Bewehrungsmethoden auf die Rissentwicklung expansiver Böden ermittelt. Man geht davon aus, dass das Pflanzen von Vetivergras + Geogitter-Rucksack eine gute Wirkung auf die Hemmung der Rissbildung in ausgedehnten Böden hat.

Expansiver Boden ist eine Art hochplastischer Ton, der empfindlich auf Veränderungen der Umgebungsfeuchtigkeit reagiert und zahlreiche Risse, starke Dilatanz und Festigkeitsminderung aufweist1. Bei Trocken-Nass-Zyklen führt die wiederholte Ausdehnungs- und Kontraktionsverformung des ausgedehnten Bodens zur Bildung von Rissen und zur allmählichen Entwicklung zufälliger Rissgitter2. Wenn ausgedehnter Boden durch eine große Anzahl von Rissen entsteht, erleichtert dies nicht nur das Eindringen von Regenwasser, sondern verringert auch die Festigkeit und Stabilität des Bodens, was anfällig für technische geologische Katastrophen ist. Daher ist es von gesellschaftlicher und praktischer Bedeutung, die Behandlung zur Hemmung der Entwicklung ausgedehnter Bodenrisse und zur wirksamen Reduzierung der langfristigen potenziellen Schäden expansiver Böden zu untersuchen.

Um das Auftreten ausgedehnter Bodenhangkatastrophen zu reduzieren, wird im Ingenieurwesen häufig die Geogitterverstärkung, eine Technologie des „sanften Quellens“, eingesetzt. Darüber hinaus wurden seine technische Wirksamkeit, sein wirtschaftlicher und ökologischer Schutz durch eine Vielzahl von Praxen nachgewiesen und bestätigt3,4,5,6,7,8. Die Forschung zu diesem Block konzentriert sich hauptsächlich auf die Mechanik, während die Forschung zu Rissen selten ist und daher eine Untersuchung erforderlich ist. Da in den letzten Jahren in China immer mehr Wert auf die ökologische Umwelt gelegt wurde, konnten die traditionellen Hangschutzmethoden nach und nach nicht mehr den aktuellen Anforderungen gerecht werden, so dass die ökologische Hangschutztechnologie zu einem unvermeidlichen Mittel zur Verwaltung des Hangschutzes wird.

Es gibt nur wenige Studien zur Risshemmung expansiver Böden in Hangvegetation. Im Hinblick auf die Hemmung von Pflanzenwurzeln bei ausgedehnten Bodenrissen untersuchte Wang den Einfluss des Reisstroh-Verstärkungsverhältnisses auf die Rissbildungsleistung des Bodens und stellte fest, dass das Grenzverstärkungsverhältnis der durch Reisstroh verstärkten Bodenrissbildung 0,3 % betragen sollte9; Mei fand heraus, dass Pflanzenwurzeln die Entwicklung ausgedehnter Bodenrisse hemmten, indem sie Pflanzenwurzeln mit Hanfseilen simulierten10; Fu fand heraus, dass die Wurzelverstärkung von Vetiver eine erhebliche hemmende Wirkung auf trockene Schrumpfungsrisse ausgedehnter Böden hat, und je höher der Wurzelgehalt, desto stärker die hemmende Wirkung11. Geogitter und ökologischer Hangschutz bei der Anwendung der Hangbehandlung wurden praktiziert12 und erforscht13, und es findet auch Anwendung bei der Behandlung und Reparatur von Erdrutschen ausgedehnter Bodenböschungen14,15. Wie wird sich dann die flexible ökologische Verstärkungstechnologie, die aus der Kombination von Geogitterverstärkung und Vetiver-Hangschutz besteht, auf die Entstehung ausgedehnter Bodenrisse auswirken? In dieser Arbeit werden sechs Gruppen von Testmodellen vorgestellt (Gruppe A: nackter Boden, Gruppe B: Geogitter ohne Rucksack, Gruppe C: Geogitter mit Rucksack, Gruppe D: Vetivergras-Pflanzung, Gruppe E: Vetivergras-Pflanzung + Geogitter ohne Rucksack, Gruppe F : Vetivergraspflanzung + Geogitter mit Rucksackwandern) wurden dazu gebracht, 6 Monate lang in der natürlichen Umgebung zu wachsen. Unter Einwirkung eines natürlichen Trocken-Nass-Zyklus wurden der Rissentwicklungsprozess und das Entwicklungsgesetz jedes Modells analysiert und die Rissentwicklung jedes Modells verglichen. Die hemmende Wirkung der integrierten Struktur, die durch die vertikale und horizontale Querverstärkung des Geogitters und des Vetiver-Wurzelsystems gebildet wird, auf die Rissentwicklung von expansivem Boden wurde untersucht, was technische Leitlinien für die Behandlung der Rissentwicklung von expansivem Boden lieferte und diese langfristig wirksam reduzierte potenzieller Schaden durch expansiven Boden. Die Forschung auf dem Gebiet der expansiven Bodenbehandlung wird bereichert, um eine theoretische Grundlage für die praktische Anwendung der expansiven Bodenbehandlung zu schaffen.

Der Testboden wurde von einem Aushubhang des Busbahnhofs Heishipu in Changsha, Provinz Hunan, China, entnommen und die Probenahmetiefe liegt 0,5–1 m unter der Hangoberfläche. Anschließend wurden die Bodenproben nach Lufttrocknung und Zerkleinerung durch ein 5-mm-Sieb gepresst. Gemäß dem Standard für geotechnische Prüfverfahren (GB/T 50123-2019)16 wurde der Feuchtigkeitsgehalt des Bodens mit 7,46 % gemessen. Gemessen wurden jeweils die maximale Trockendichte (1,791 g/cm3), der optimale Feuchtigkeitsgehalt (19,3 %), die Flüssigkeitsgrenze (53,5 %) und die Plastizitätsgrenze (23,9 %). Gemäß der Norm für geotechnische Prüfverfahren (GB/T 50123-2019)16 sind die wichtigsten grundlegenden physikalischen Parameter in Tabelle 1 aufgeführt. Das Röntgenbeugungsmuster von expansivem Boden ist in Abb. 1 dargestellt. Und die Partikelgradationskurve ist in Abb. 2 dargestellt.

Röntgenbeugung von teurem Boden.

Partikelsiebungskurve.

Gemäß der Verstärkungsmethode ist es notwendig, sechs Gruppen von Testmodellen zu erstellen (Gruppe A: nackter Boden, Gruppe B: Geogitter ohne Rucksack, Gruppe C: Geogitter mit Rucksack, Gruppe D: Vetivergraspflanzung, Gruppe E: Vetivergraspflanzung + Geogitter ohne Backpacking, Gruppe F: Vetivergraspflanzung + Geogitter mit Backpacking), und siehe Abb. 3 für die Geogitteranordnung der Modelle. Die Boxgröße des Testmodells (Abb. 4) beträgt 465 mm × 350 mm × 220 mm. Bei der Herstellung des Testmodells wurde der luftgetrocknete expansive Boden mit einem Feuchtigkeitsgehalt von 7,46 % mit Wasser gemischt, um Bodenproben mit einem Feuchtigkeitsgehalt von 19,3 % und einer Kompaktheit von 90 % herzustellen. Um den Randeffekt zu verringern, wurde eine Schicht Vaseline auf die Innenseite des Modellkastens aufgetragen. Anschließend wurden die Bodenproben in vier Schichten aufgeteilt und zur schichtweisen Verdichtung in den Modellkasten geladen. Die Höhe jeder Schicht wurde nach der Verdichtung auf 5 cm kontrolliert, um sicherzustellen, dass die Höhe des Testmodells nach der Verdichtung 20 cm betrug. Bei der Bodenprobenverdichtung wurde alle 5 cm (vom Boden des Modellkastens) eine Lage Geogitter angeordnet. Nach der Verdichtung der Bodenprobe wurden an den Ecken des Modellkastens (Gruppe D, Gruppe E, Gruppe F), in denen Vetivergras gepflanzt werden sollte, 5 cm × 5 cm × 5 cm große Löcher gegraben. Schließlich wurden alle Modellkästen mit Plastikfolie abgedeckt und in den gut ausgehobenen Außengruben vergraben (wodurch die natürliche Umgebung für Graswachstum und regelmäßige Bewässerung und Düngung simuliert wurde). Auf der Oberfläche der Modellkästen wurde eine Schicht Erde ausgebreitet, um die Kunststofffolie zu bedecken, um eine Beschädigung der Kunststofffolie durch die natürliche Umgebung zu verhindern und das volle Wachstum des Vetivers für 6 Monate zu ermöglichen (Abb. 5). Vetivergras).

Geogitter-Layout von Modellen.

Modellbox.

Wachstumsprozess von Vetivergras.

Nach sechs Monaten wurde die Modellkiste ausgegraben. In Anbetracht der Tatsache, dass einige Modellkästen mit Vetivergras bepflanzt waren, wurde für die Statistik der Rissentwicklung eine rechteckige Fläche mit einer Modellkastengröße von 410 mm × 300 mm ausgewählt, wie in Abb. 6 dargestellt. Da die Wurzeln natürlich nach unten wachsen und das Modell Da der Platz in der Box begrenzt ist, würden die Wurzeln mit dem Wachstum der Wurzeln bis in den mittleren Bereich der Modellbox wachsen. Anhand der seitlichen Wurzeln auf der Bodenoberfläche in Abb. 7 lässt sich erkennen, dass sich die Wurzeln im Modellkasten gut entwickelt haben.

Statistischen Bereich knacken.

Seitenwurzelsystem.

Nach sechs Monaten wurde der Modellkasten ausgegraben und das Vetiver, das die Höhe des Modellkastens überschritt, abgeschnitten. Die Ausgangsmasse jedes Modellkastens wurde gewogen und es wurden fünf Trocken-Nass-Zyklen durchgeführt. Der pneumatische Sprinkler wurde im Regenprozess verwendet und der Sprinkler wurde über dem Modellkasten befestigt. Der Endstandard des Regenprozesses: Oberflächenrisse sind geheilt und die Qualität des Modellkastens ist auf die ursprüngliche Qualität zurückgekehrt. Niederschlag und Niederschlagszeit für jede Gruppe sind in Tabelle 2 aufgeführt. Aufgrund der sommerlichen Hochtemperatur in Changsha im Trocknungsprozess Das Sonnenlicht wurde von Bathbar simuliert (ca. 45 °C auf der Bodenoberfläche) und die Trocknung dauerte 7 Stunden. Die Breite und Tiefe der Risse an den ausgewählten Punkten im Messbereich wurden alle 1 Stunde gemessen. Bis sich Breite und Tiefe der Risse nicht veränderten, galt der Trocknungsprozess als abgeschlossen und anschließend wurde ein Trocken-Nass-Zyklus abgeschlossen. Da die Modellkästen sechs Monate lang im Freien vergraben waren und es einige Tage vor dem Ausgraben regnete, wurde der Regenprozess für den ersten Nass-Trocken-Zyklus nicht durchgeführt.

Um die Bildung, Entwicklung und Entwicklung von Rissen unter der Einwirkung von Trocken-Nass-Zyklen zu analysieren, wurde die Rissentwicklung im ausgewählten rechteckigen Bereich während des Tests durch Kamerafotografie beobachtet und der Grundstein für die quantitative Analyse von Rissen gelegt . Beim Fotografieren war das Kameraobjektiv parallel zur Modelloberfläche und der Abstand zwischen Kamera und Modell wurde kontinuierlich angepasst, sodass die vier Kanten des rechteckigen Bereichs mit der Grenze der Kameraaufnahmesicht zusammenfielen, um dies zu gewährleisten dass jeder Aufnahmewinkel und jede Aufnahmeentfernung konsistent waren. Der Einstellvorgang ist in Abb. 8 dargestellt.

Beste Sicht beim Schießen.

Im Experiment handelte es sich bei den von der Kamera aufgenommenen Fotos der Risse in jedem Bereich um RGB-Farbbilder, und der Unterschied zwischen Rissen und Erdblöcken spiegelt sich hauptsächlich im Farbunterschied wider. Aufgrund der großen Datenmenge, die im Farbbild enthalten ist, ist es schwierig, die Rissinformationen daraus zu extrahieren. Um das Rissnetzwerk quantitativ effizienter und genauer zu analysieren, wurde daher die MatLab-Software verwendet, um die Binarisierung, Entfernung von Verunreinigungen, Überbrückung und andere Vorgänge des Rissbildes zu realisieren (die Auflösung des Neigungsrissbildes: 4000 × 3000, die Auflösung des Rissbildes im Beobachtungsbereich: 400 × 300). Gleichzeitig wurden die risscharakteristischen Parameter wie Rissverhältnis, Risslänge und Rissanzahl gezählt. Die verarbeiteten Rissbilder sind in Tabelle 3 aufgeführt.

Die folgenden Rissindizes werden für die quantitative Analyse basierend auf Rissbildern vorgeschlagen17,18.

Das Rissverhältnis ist das Verhältnis der Rissfläche innerhalb des Rissstatistikbereichs zur Gesamtfläche der Region (das Verhältnis der schwarzen Pixel zur Summe der schwarzen und weißen Pixel im verarbeiteten Bild). Dieser Index spiegelt den Gesamtrissgrad der regionalen Bodenmasse wider.

Die Anzahl der Risse wird als Risslinie zwischen zwei benachbarten Knoten definiert (Abb. 9), die die Anzahl der Bodenrisse widerspiegelt. Beim Zählen der Anzahl der Risse wird jeder isolierte Riss als einer bezeichnet. Die isolierten Risse werden durch die verbundenen Komponenten markiert, und die Anzahl der erhaltenen verbundenen Komponenten ist die Anzahl der Risse.

Die gesamte Risslänge ist die Summe aller Risslängen in der Region, berechnet gemäß dem Riss-Backbone-Bild. Die Gesamtlänge der Risse ergibt sich aus der Vereinigung der Pixel des Hauptrissbildes und der Berechnung der Gesamtpixelzahl.

Die mittlere Rissbreite ist das Verhältnis der Rissfläche zur gesamten Risslänge im statistischen Bereich.

Während der ersten einstündigen Beobachtung des ersten Trocken-Nass-Zyklus wurden drei Risspunkte im Beobachtungsbereich ausgewählt (Abb. 10) und die offensichtlichsten Risse einbezogen, um die Rissbreite und -tiefe in jedem Trocken-Nass-Zyklus zu messen. Die Breitenmessung erfolgt mit einem Messschieber und die Tiefenmessung erfolgt mit der Drahteinführmethode.

Zahlenbild knacken.

Messpositionen der Rissbreite und -tiefe jedes Modellkastens (a–f).

Nach Abschluss des Niederschlagsprozesses ist der Bodenfeuchtigkeitsgehalt der Modellkastenoberfläche und unterhalb eines bestimmten Bereichs ungefähr gleich. Hillel wies darauf hin, dass die Verdunstung der Bodenfeuchtigkeit drei Anforderungen erfüllen sollte: (1) die Bodenoberfläche sollte die Wärme lange halten; (2) der Dampfdruck in der Atmosphäre ist kleiner als der auf der Bodenoberfläche; (3) Wasser gelangt kontinuierlich vom Boden zur Verdunstungsoberfläche19. Zu Beginn des Trocknungsprozesses wurde zunächst die Bodenoberfläche des Modellkastens erhitzt, dann begann sich das Wasser zu verflüchtigen und der Feuchtigkeitsgehalt nahm ab. Beim kontinuierlichen Trocknungsprozess war die Netto-Horizontalzugspannung, die durch die Zersetzung der Matrixsaugung der Bodenoberfläche des Modellkastens erzeugt wurde, größer oder gleich der Zugfestigkeit, wenn die matrische Saugwirkung des Bodens auf einen bestimmten Wert anstieg Der Boden selbst erzeugte Zugrisse und es entstanden auch Risse.

Abbildung 11 zeigt die Änderung des Rissverhältnisses jeder Modellbox in fünf Trocken-Nass-Zyklen. Es ist ersichtlich, dass das Rissverhältnis jeder Gruppe während des ersten Trocken-Nass-Zyklus schnell zunahm, wobei das Rissverhältnis der Gruppe D am stärksten ausgeprägt war. Im zweiten Trocken-Nass-Zyklus nahm der größte Teil des Rissverhältnisses ab, aber das Rissverhältnis der Gruppe E stieg deutlich an, während das Rissverhältnis der Gruppen D und F deutlich abnahm, das Rissverhältnis der Gruppe D jedoch immer noch am stärksten ausgeprägt war. Im dritten Trocken-Nass-Zyklus nahm das Rissverhältnis in jeder Gruppe zu, mit Ausnahme der offensichtlichen Abnahme des Rissverhältnisses in Gruppe E, wobei das Rissverhältnis in den Gruppen A, B und C deutlich zunahm, die Entwicklung des Rissverhältnisses jedoch zunahm in jeder Gruppe begann sich allmählich zu nähern. Nach dem vierten Trocken-Nass-Zyklus ist das Rissverhältnis jeder Gruppe tendenziell stabil. Es wird spekuliert, dass aufgrund der Benetzung des Oberflächenbodens während des zweiten Trocken-Nass-Zyklus der Boden selbst bis zu einem gewissen Grad wiederhergestellt wurde, während der Erholungseffekt der Gruppe F besser und die Festigkeit des Oberflächenbodens stärker ist. Während des dritten Trocken-Nass-Zyklus kann die Bodenstruktur nahezu zerstört sein, und die Entwicklung des Rissverhältnisses in jeder Gruppe begann nach dem vierten Trocken-Nass-Zyklus stabil zu sein. Die Integration ergab, dass die Entwicklung des Rissverhältnisses jeder Gruppe in vier Phasen mit mehreren Trocken-Nass-Zyklen unterteilt war: schnelles Wachstum, Reduktion, langsames Wachstum und Stabilität, und dass sich die Entwicklung des Rissverhältnisses nach dem vierten Trocken-Nass-Zyklus in einem stabilen Stadium befand Zyklus.

Entwicklung des Rissverhältnisses in fünf Trocken-Nass-Zyklen (a–e).

Im abnehmenden Stadium der Entwicklung des Rissverhältnisses nahm das Rissverhältnis der Gruppen D, E und F deutlich ab. Möglicherweise hatte das Vetiver-Wurzelsystem einen gewissen Einfluss auf die Verbesserung der Oberflächenbodenfestigkeit. Der Bodenzusammenhalt wurde durch die Reibung und Okklusion zwischen dem Wurzelwachstum und dem Oberflächenboden und dem Boden verbessert, wodurch der Boden um die Wurzel herum ganzheitlicher wurde, die Bodenfragmentierung abgeschwächt und die Festigkeit des Oberflächenbodens weiter erhöht wurde. Da das Wurzelsystem seit jeher vorhanden ist, kann außerdem die Festigkeit des Oberflächenbodens bis zu einem gewissen Grad erhöht werden. Das Geogitter-Backpacking verstärkte die seitliche Beschränkung und erhöhte die Bodenfestigkeit am Geogitter. Vetiverwurzeln wuchsen durch das Geogitter und verteilten sich im Boden, was die Bodenfestigkeit außerhalb des Verstärkungsbereichs des Geogitters erhöhte. Geogitter-Rucksack und Vetiver-Wurzelsystem bilden eine kreuzweise verstärkte Struktur, die miteinander verflochten ist, die Gesamtfestigkeit des Bodens erhöht und die Stabilität des Bodens verbessert, so dass die Rissbildung deutlich gehemmt wird.

Abbildung 12 zeigt die Entwicklung der Risszahl jeder Modellbox in fünf Trocken-Nass-Zyklen. Aus Abb. 12 ist ersichtlich, dass die Risszahl jeder Modellbox zunächst stark anstieg und sich dann mit der Trocknungszeit in jedem Trocken-Nass-Zyklus allmählich stabilisierte. Im ersten Trocken-Nass-Zyklus war die Risszahl der Gruppen D und E deutlich geringer als die der anderen vier Gruppen. Die Entwicklung der Risszahlen in den Gruppen B und C verlief wellenförmig, was möglicherweise auf die Extrusion und Heilung einiger Risse und die Entstehung einiger neuer kleiner Risse zurückzuführen ist. Im zweiten Trocken-Nass-Zyklus gab es keine signifikante Veränderung in den Gruppen B und F, die Anzahl der Risse in den Gruppen A und C war deutlich reduziert, während die Anzahl der Risse in den Gruppen D und E immer noch deutlich erhöht war. Insbesondere die Anzahl kleiner Risse in Gruppe D nahm schnell zu, was möglicherweise mit dem Wurzelwachstum an der Bodenoberfläche zusammenhängt. Nach einem Zyklus war die Festigkeit des Bodens nicht vollständig wiederhergestellt und es begannen sich kleine Risse entlang der Wurzel zu bilden, die an der Bodenoberfläche freigelegt war. Im dritten Trocken-Nass-Zyklus begann die Anzahl der Risse in den Gruppen A, B und C zuzunehmen, und der Anstieg in Gruppe C war sehr deutlich, während die Anzahl der Risse in den Gruppen D und E deutlich abnahm, insbesondere in der Gruppe D. Nach dem vierten Trocken-Nass-Zyklus blieb das Rissverhältnis jeder Gruppe jedoch tendenziell stabil, und die Anzahl der Risse in den Gruppen D und E begann sich nach einem Anstieg zu stabilisieren. Im Allgemeinen wurde die Entwicklung der Risszahl in jeder Gruppe bei mehreren Trocken-Nass-Zyklen in vier Phasen unterteilt: schnelles Wachstum, Reduktion, langsames Wachstum und Stabilität, und die Entwicklung der Risszahl befand sich nach dem vierten Trockenvorgang in einem stabilen Stadium –Nasszyklus. Die Entwicklung der Risszahl in Gruppe F schwankte nicht wesentlich und blieb über mehrere Trocken-Nass-Zyklen hinweg stabil.

Entwicklung der Risszahl in fünf Trocken-Nass-Zyklen (a–e).

Die Anzahl der Risse in der Modellbox der Gruppen D, E und F entwickelte sich kontinuierlich mit der Anzahl der Zyklen, entwickelte sich jedoch nach dem dritten Trocken-Nass-Zyklus allmählich langsamer. Der Entwicklungspeak der Risszahl im Modellkasten der Gruppe C war deutlich höher als der in anderen Gruppen, und der Entwicklungspeak der Risszahl im Modellkasten der Gruppe D war deutlich höher als der in den Modellkästen der Gruppe E und F, was möglicherweise darauf zurückzuführen ist, dass die einzelne Verstärkungswirkung des Geogitters oder des Vetiver-Wurzelsystems nicht gut war. Im Vergleich zu den anderen fünf Gruppen war die Risszahl in Gruppe F geringer und schwankte bei mehreren Trocken-Nass-Zyklen nicht wesentlich. Es war möglich, dass die kreuzweise verstärkte Struktur, die aus dem Geogitter-Rucksack und dem Vetiver-Wurzelsystem besteht, den Boden fest umklammert, wodurch die Integrität des Bodens gestärkt, die Festigkeit des Bodens erhöht und die für das Aufbrechen des Bodens erforderliche Zugkraft entsprechend erhöht wurde reduziert den Anstieg der Risszahl, um so eine deutlich hemmende Wirkung auf die Rissbildung zu erzielen.

Abbildung 13 zeigt die Änderung der Risslänge jedes Modellkastens in fünf Trocken-Nass-Zyklen. Die Risslängen jeder Gruppe nahmen schnell zu und waren im ersten Trocken-Nass-Zyklus im Wesentlichen gleich. Während des zweiten Trocken-Nass-Zyklus nahm nur die Risslänge der Gruppe D signifikant zu, während in den anderen Gruppen keine signifikante Änderung auftrat. Im dritten Trocken-Nass-Zyklus nahm die Risslänge in Gruppe A zu, während die Risslänge in den Gruppen D und E abnahm und die Risslänge in Gruppe E am kleinsten war. Im vierten Trocken-Nass-Zyklus nahm die Risslänge der Gruppen A, B, C und F deutlich zu, und jede Gruppe tendierte dazu, stabil zu sein, aber die Risslänge der Gruppe E war immer noch die kleinste. Bei mehreren Trocken-Nass-Zyklen wurde die Entwicklung der Risslänge in jeder Gruppe in vier Phasen unterteilt: schnelles Wachstum, stabiles Brauen, langsames Wachstum und Stabilität.

Entwicklung der Risslänge in fünf Trocken-Nass-Zyklen (a–e).

Es ist zu erkennen, dass die durch Regenfälle geheilten Risse die Zugfestigkeit des Bodens selbst nicht wiederherstellten, sodass der geheilte Boden beim Trocknen zuerst riss. In mehreren Trocken-Nass-Zyklen vergrößerte sich die Länge der Risse aufgrund der Bildung unvollständig durchdrungener Risse und einiger neuer Risse. Aufgrund der unterschiedlichen Verstärkungsmethoden war auch die Anzahl der Trocken-Nass-Zyklen unterschiedlich, die erforderlich waren, um die Risse vollständig zu durchdringen. Nach mehreren Trocken-Nass-Zyklen ist deutlich zu erkennen, dass die Risslänge der Gruppe E am kleinsten ist, die meisten Risse der Gruppe E waren jedoch offensichtliche Risse, die die Integrität des Bodens beeinträchtigen und das Eindringen von Regenwasser erleichtern würden.

Im Allgemeinen nimmt die Länge der Risse zunächst schnell zu. Aufgrund der unvollständigen Durchdringung einiger Risse stieg er auf einen stabilen Wert an. Bei den wiederholten Trocken-Nass-Zyklen wurden einige zuvor unvollständige Risse durchdrungen und es kam zur Entstehung einiger neuer Risse. Die Risslänge vergrößerte sich wieder und blieb dann stabil. Die Schwankung der Risslängenentwicklung in Gruppe F war relativ stabil, was möglicherweise auf die hohe Stabilität und starke Integrität des Bodens zurückzuführen ist, die die Eigenschaften wiederholter Expansions- und Kontraktionsverformungsschäden von expansivem Boden verhinderten.

Abbildung 14 zeigt die Variation der durchschnittlichen Rissbreite jedes Modellkastens in fünf Trocken-Nass-Zyklen. Die durchschnittliche Rissbreite in jeder Gruppe nahm im ersten Trocken-Nass-Zyklus schnell zu. Die durchschnittliche Rissbreite in den Gruppen D, E und F war größer, während sie in Gruppe D am größten und deutlichsten war. Während des zweiten Trocken-Nass-Zyklus nahm die durchschnittliche Rissbreite in den Gruppen D und F ab. und die Veränderung war in Gruppe D sehr deutlich, während sich in den anderen Gruppen nicht viel veränderte und der Gesamttrend stabil war. Während des dritten Trocken-Nass-Zyklus nahm die durchschnittliche Rissbreite in den Gruppen B und F leicht zu und die stabilen Werte der durchschnittlichen Rissbreite in jeder Gruppe begannen sich zu schließen. In den ersten drei Trocken-Nass-Zyklen war die durchschnittliche Rissbreite der Gruppe E deutlich größer und blieb nach deutlicher Reduzierung der Änderung stabil. Dies kann daran liegen, dass das Rissverhältnis zu Beginn langsam zunahm und die Anzahl der Risse zu hoch war. Mit der Trocknungszeit nahmen das Rissverhältnis und die Anzahl der Risse rasch zu, wodurch die durchschnittliche Rissbreite abnahm. Während des vierten Trocken-Nass-Zyklus nahm die durchschnittliche Rissbreite in den Gruppen A und E leicht zu, aber die durchschnittliche Rissbreite in Gruppe E nahm während des fünften Trocken-Nass-Zyklus immer noch zu, was ein Ausdruck der vollständigen Zerstörung des Bodens war Struktur am Riss. Die durchschnittliche Rissbreite in anderen Gruppen hatte sich beim vierten Trocken-Nass-Zyklus stabilisiert. Bei mehreren Trocken-Nass-Zyklen wurde die Entwicklung der durchschnittlichen Rissbreite in jeder Gruppe grundsätzlich in vier Phasen unterteilt: schnelles Wachstum, Reduktion, langsames Wachstum und Stabilität.

Entwicklung der durchschnittlichen Rissbreite in fünf Trocken-Nass-Zyklen (a–e).

Aufgrund der unterschiedlichen Verstärkungsmethoden waren die Festigkeit und Integrität des Oberflächenbodens unterschiedlich, was zu einem Unterschied zwischen der Schwankung des Abfalls in der abnehmenden Phase und der Wachstumsschwankung in der langsamen Wachstumsphase für die durchschnittliche Rissbreite führte jede Gruppe. Die Änderung der durchschnittlichen Rissbreite in Gruppe C war insgesamt relativ stabil und schwankte bei mehreren Trocken-Nass-Zyklen nicht wesentlich. Es ist ersichtlich, dass Gruppe C zwar die Entwicklung von Oberflächenrissen nicht linderte, aber auch die weiteren Schäden, die durch wiederholte Ausdehnungs- und Kontraktionsverformungen von ausgedehntem Boden verursacht wurden, wirksam hemmte. Die durchschnittliche Rissbreite in Gruppe F verringerte sich im abnehmenden Stadium deutlich, nahm jedoch im langsamen Wachstumsstadium leicht zu. Möglicherweise wurde die Oberflächenbodenstruktur der Gruppe F bei mehreren Trocken-Nass-Zyklen nicht vollständig zerstört und die Festigkeit und Integrität des Oberflächenbodens war höher. Darüber hinaus erhöhte sich aufgrund des Vorhandenseins von Wurzeln in Gruppe F die Zugfestigkeit des Bodens selbst, und die seitliche Zwangskraft der Geogitter-Rucksäcke verbesserte die Integrität des Bodens. Die zur Bodenrissbildung erforderliche Zugkraft erhöhte sich entsprechend, was die Rissbreite begrenzte und die weitere Rissbildung wirksam verhinderte.

Die Hauptkomponentenanalyse ist eine multivariate statistische Analysemethode, die eine kleine Anzahl wichtiger Variablen durch eine lineare Transformation mehrerer Variablen auswählt.

Durch die Extraktion des Rissverhältnisses, der Rissbreite, der Risslänge und anderer charakteristischer Rissparameter jedes Modellkastens wurden sechs Haupttestindizes ermittelt: die offensichtlichste Rissbreite, die offensichtlichste Risstiefe, das Rissverhältnis, die Rissanzahl und der Gesamtriss Länge und durchschnittliche Rissbreite. Basierend auf der Tatsache, dass die Rissentwicklung jedes Modellkastens im fünften Trocken-Nass-Zyklus stabil war, wurden die Testindexdaten des fünften Trocken-Nass-Zyklus (Tabelle 4) für die Analyse ausgewählt.

Um den Einfluss unterschiedlicher Größenordnungen und Dimensionen zwischen verschiedenen Indikatoren zu eliminieren, wurden die Daten zunächst standardisiert (Tabelle 5) und dann die Gesamtvarianzinterpretation (Tabelle 6) und die Komponentenmatrix (Tabelle 7) nach Hauptkomponente ermittelt Analyse. Dann wurde Fi (die Bewertung jeder Hauptkomponente) berechnet, schließlich wurde F (die entsprechende Gesamtbewertung) ermittelt und dann die Rissentwicklung eingestuft (Tabelle 8).

Aus Tabelle 7 ist ersichtlich, dass zwei Hauptkomponenten extrahiert wurden und der absolute Gewichtswert jedes Index in jeder Hauptkomponente im Allgemeinen weit von 0 oder 1 entfernt war, was darauf hinweist, dass diese sechs Testindizes für die umfassende Bewertung der Rissentwicklung sehr wichtig waren , und einige Indizes konnten die Gesamtsituation der Rissentwicklung nicht widerspiegeln.

Tabelle 8 zeigt, dass die Rissentwicklung bei Gruppe A am besten und bei Gruppe F am schlechtesten ist. Es ist ersichtlich, dass die Hemmeffekte auf die Rissentwicklung von gut bis schlecht F, C, E, D, B und A sind.

Durch den Riss wurden charakteristische Parameter jedes Modellkastens, wie Rissverhältnis, Rissbreite und Risslänge, extrahiert, dann analysiert und zusammengefasst. Es ergeben sich die folgenden Schlussfolgerungen.

Die Entwicklung der Rissindizes in jeder Gruppe ist im Wesentlichen in vier Phasen mit mehreren Trocken-Nass-Zyklen unterteilt: schnelles Wachstum, Reduktion oder stabiles Brauen, langsames Wachstum und Stabilität.

Aufgrund der unterschiedlichen Bewehrungsmethoden ist die Anzahl der Trocken-Nass-Zyklen in jeder Stufe jeder Gruppe unterschiedlich, und auch die Schwankungsänderungen der Rissindizes in jeder Stufe unterscheiden sich erheblich. Die Risse von unbepflanztem Vetiver wuchsen schneller und schwankten in der langsamen Wachstumsphase stark. Allerdings verlief die Rissentwicklung bei gepflanztem Vetiver langsam und schwankte im abnehmenden Stadium stark. Bei den Geogitter-Rucksackrissen handelte es sich meist um kleine Risse, und es gab nur wenige offensichtliche Risse; Es gab mehr offensichtliche Risse ohne Geogitter oder Geogitter ohne Rucksack, und die Risse in der Pflanzung von Vetiver + Geogitter ohne Rucksack waren breiter und die offensichtlichen Risse waren am häufigsten. Mit der Zunahme der Trocken-Nass-Zyklen zeigte der Rissindex von gepflanztem Vetivergras + Geogitter-Rucksäcken in jeder Phase eine schmeichelhafte Veränderung im Vergleich zu den anderen Gruppen.

Im Allgemeinen führen unterschiedliche Verstärkungsmethoden zu Unterschieden in der Rissentwicklungshemmung jeder Gruppe, was einen erheblichen Einfluss auf die Rissentwicklungshemmwirkung von expansivem Boden hat. Die Analyse zeigt, dass der hemmende Effekt auf die Rissentwicklung vom Guten zum Schlechten das Pflanzen von Vetiver + Geogitter mit Rucksack, das Pflanzen von Vetiver + Geogitter ohne Rucksack, das Pflanzen von Vetiver, Geogitter ohne Rucksack und nackter Boden ist.

Die im Rahmen der aktuellen Studie generierten und analysierten Datensätze sind nicht öffentlich verfügbar, können jedoch auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor angefordert werden.

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Liu Shu, Huang Yonggang und Wang Guiyao

Beijing Jianda Road and Bridge Consulting Co. Ltd. Central China Design Branch, Changsha, Volksrepublik China

Liu Shu

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Korrespondenz mit Liu Shu.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Shu, L., Yonggang, H. & Guiyao, W. Einfluss der Bewehrungsmethode auf die Risscharakteristikparameter expansiver Bodenexperimente. Sci Rep 13, 6433 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-33107-0

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Eingegangen: 01. August 2022

Angenommen: 07. April 2023

Veröffentlicht: 20. April 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-33107-0

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