بررسی اثر قطر ریشه درخت بر مقاومت برشی خاک

  4 ، شاهعلیپور غ.ر 3 ، نوذری ح 2 ، فاطمی عقدا م 1 محمد هادی داودی

1 -استادیار پژوهشکده حفاظت خاک و آبخیزداری

2 -دانشیاردانشگاه تربیت معلم

3 -دانشجوی دکترای دانشکده آب و خاک، دانشگاه تهران

4 -دانشجوی کارشناسی ارشد زمین شناسی مهندسی، دانشگاه تربیت معلم

چکیده:

در ده ههای اخیر از میان روشهای متعدد جلوگیری از فرسایش خاک و افزایش پایداری شیروانیها، استفاده از گیاهان بهدلیل اقتصادی بودن و آثار مثبت زیست محیطی، بیشتر مورد توجه قرار گرفته است. در این زمینه مطالعات نسبتاً زیادی صورت گرفته و پارامترهای مختلفی مورد بررسی قرار گرفته است اما کمتر به تأثیر قطر ریشه پرداخته شده است. در تحقیق حاضر، بهمنظور بررسی اثر قطر ریشه درخت بر مقاومت برشی خاک، آزمایشهایی در منطقه طالقان در دو ایستگاه ابراهیم آباد و میناوند، به صورت برجا، انجام گرفت. برای این منظور، سیستمی طراحی و ساخته شد که به کمک آن تعداد 17 تست برش مستقیم برجا تحت بارهای قائم مختلف انجام شد. نتایج نشان داد که پارامتر جدیدی به نام RDR که معرف قطر ریشه موجود در خاک میباشد باید در محاسبات منظور شود. این پارامتر نشان میدهد وجود ریشه باعث افزایش مقدار چسبندگی ظاهری خاک شده و با افزایش قطر، نرخ افزایش چسبندگی و در نتیجه نرخ افزایش مقاومت برشی خاک روند بطئی می یابد.

 بخش اول: ویژگی های مهندسی سنگ ها و خاک ها

واژگان کلیدی: آزمایش برش مستقیم برجا، چسبندگی، قطر ریشه، مقاومت برشی.

مقدمه

پوشش گیاهی از دو طریق در تثبیت توده های خاکی نقش قابل توجهی را ایفا مینماید. اندامهای هوایی گیاه با ایجاد یک لایه حفاظتی بین جو زمین و خاک، موجب جذب قسمتی از انرژی فرسایشی آب و باد میگردد و سیستم ریشهای آن خصوصیات مکانیکی خاک را افزایش میدهد و اراضی شیبدار را در مقابل لغزش تقویت مینماید. از اینروی، تا کنون مطالعات وسیعی در مورد تأثیر ریشه درخت بر مقاومت برشی خاک صورت گرفته است. اما پژوهشهای اغلب محققین به آزمایشهای آزمایشگاهی مبتنی بوده و فرض را بر این قرار دادهاند که پراکنش ریشه درختان در خاک یکنواخت و قطر ریشه و تأثیر آن در تمامی نقاط یکسان می باشد. از آنجائیکه هدف از این تحقیق صرفاً به بررسی اثر قطر ریشه بر مقاومت برشی خاک محدود میشود، لذا در این قسمت به برخی از مطالعات صورت گرفته که به موضوع این تحقیق مرتبط می باشد اشاره میشود.

نتایج آزمایشات آزمایشگاهی (1973 )Waldron نشان داد که سیستمهای زندة ریشه، مقاومت برشی حداکثر و پسماند را به ترتیب دو تا چهار برابر افزایش میدهند. (1980. )al et| Quinn اثر پوشش گیاهی بر نیروهای وارده بر زمین را مورد بررسی قرار دادند و نشان دادند پوشش گیاهی از طریق جذب مستقیم بخشی از نیروهای وارده به زمین، توده های شیبدار را بهطور مکانیکی تثبیت میکند. (1977 )Waldron و(1981 )Dakessian & Waldron با انجام آزمایشات آزمایشگاهی برروی استوانه های دارای خاک رسی لومی به قطرهای 1/0 و 25/0 متر اثر ریشه و تراکم آن را بر مقاومت خاک مطالعه کردند. آنها در هر استوانه یکی از گیاهان جو، یونجه و کاج را کاشته و پس از رشد کامل گیاهان، آنها را در عمقهای 15 ،30 و 45 سانتیمتری با سرعت ثابت 5/2 میلیمتر در دقیقه برش داده و نتیجه گرفتند که یونجه بدلیل تراکم ریشه بیشتر، تأثیر بیشتری در افزایش مقاومت خاک دارد. (1988. )al et| Wu اثر ریشه درختان بر مقاومت برشی خاک را با آزمایشات صحرائی مورد بررسی قرار دادند. آنها با کنار زدن خاک سطحی، یک بلوک خاک دست نخورده به ابعاد 30*30*60 سانتی متر ایجاد کرده، نیروی برشی به آن اعمال نمودند و مقاومت برشی بلوک را در جابه جاییهای مختلف اندازهگیری کردند. این روش توسط(1987 )Greenway برای مقایسه تأثیر ریشه های فاسد و تازه بهکار گرفته شد و تفاوت قابل توجهی در مقاومت برشی حداکثر و پسماند خاک در این دو حالت گزارش کرد. شفاعی بجستان و سلیمی گل شیخی (1381 )با انجام یک سری آزمایشات برش مستقیم برجا، افزایش مقاومت برشی خاک ساحل کارون در اثر وجود ریشه درختان پده و گز را به ترتیب 20 و 35 درصد برای درختان یکساله و 66 و 69 درصد برای درختان چند ساله اعلام نمودند. همچنین نشان دادند که میزان افزایش مقاومت برشی خاک با تراکم ریشه رابطه مستقیم خطی دارد. Loghlin’O (1984 )گزارش داد که گراسهای حبوبات و بوته های کوچک میتوانند اثر مسلح سازی معنیدار تا عمق 75/0 تا 5/1 متری داشته باشند. در حالیکه درختان اثر عمیقتری داشته و میتوانند قدرت خاک را تا عمق 3 متری یا بیشتر بسته به نوع ریشه افزایش دهند. در عین حال وی نشان داد که ریشه های با قطر 1 تا 20 میلیمتر بیشترین سهم را در مسلح کردن خاک به عهده داشته و ریشه های با قطر بیشتر نقش معنیداری را ایفا نمیکنند. این نتایج توسط (1994 )Nilaweera به شکل دیگری  تأیید شد. وی با انجام آزمایشات کشش استاندارد بر روی ریشه هفت نوع گیاه نشان داد که با افزایش قطر، مقاومت کششی ریشه کاهش مییابد. اما استیری و همکاران (1380 )با انجام آزمایش برش مستقیم آزمایشگاهی بر روی نمونه های ساخته شده از خاک درشت دانه به ابعاد 15*15*15 سانتیمتر و ریشه درخت اقاقیا نشان دادند که با افزایش قطر ریشه، چسبندگی و زاویه اصطکاک داخلی خاک نیز افزایش مییابد.

 

مواد و روشها

در این تحقیق آزمایشات برش مستقیم برجا بر روی خاک حاوی ریشه درخت بید زنده صورت گرفته و با نتایج خاک بدون ریشه مقایسه گردید. بدین منظور دستگاه برش مستقیم برجا طراحی و ساخته شد. این دستگاه مشابه دستگاه های استفاده شده در مطالعات مکانیک خاک بوده و شامل قطعات و تجهیزات زیر میباشد: قاب برشی، جک هیدرولیکی، قرقری، صفحات پایه، جک و سکوی بارگذاری شامل شاسی، صفحه سربار، پایه های بلبرینگی و در نهایت ابزارهای اندازهگیری، جابهجایی و فشار. آزمایشات در دو ایستگاه ابراهیم آباد و میناوند که در آنها درختان بید با سن بیش از 10 سال وجود دارد انجام شد. خاک هر دو ایستگاه از نوع CL می باشد. در مجموع 17 آزمایش برش مستقیم برجا، تحت بارهای قائم 6/19 ،8/58 و 98 کیلو پاسـکال انجـام شـد. 12 آزمـایش در منطقه میناوند( 3 آزمایش در خاک بدون ریشه و 9 آزمایش در خاک ریشـه دار ) و 5 آزمـایش در منطقـه ابـراهیم آبـاد )1 آزمایش درخاک بدون ریشه و 4 آزمایش در خاک ریشهدار) میباشد. در این آزمایشات جابهجایی افقی خاک توسط دو سنجشگر با دقت 01/0 میلیمتر اندازهگیری میشد و آزمایش تا 5 سانتیمتر جابهجایی ادامه مییافت. در طی آزمایش به ازای مقادیر مختلف جابهجایی بلوک، تنش برشی اعمال شده قرائـت مـیشـد.

پس از پایان آزمایشات تعداد ریشه های واقع در کف بلوک و قطر آنها اندازهگیری و تراکم ریشه (نسبت مجموع سطح مقطع ریشه ها به سطح کف بلوک برحسب درصد) محاسبه گردید.

 

نتایج و بحث

آزمایشات بر حسب تراکم ریشه (RAR )در کف بلوک دستهبندی شده و برای هر آزمایش مقاومت برشی حداکثر محاسبه گردید. مطابق تئوری آزمایش برش مستقیم پوش گسیختگی موهر- کولمب رسم شده و زاویه اصطکاک داخلی (? )و چسبندگی (C )محاسبه گردید. شکل(3 )مقادیر چسبندگی خاک در برابر قطر میانه ریشه (d50 )در دو منطقه ابراهیم آباد و میناوند را نشان میدهد. چسبندگی خاک تا قطر میانه 2 میلیمتر رو به افزایش بوده و از آن به بعد روند کاهشی یافته و برای قطرهای بیشتر از 4 میلیمتر تقریباً ثابت میشود.

 بخش اول: ویژگی های مهندسی سنگ ها و خاک ها

 

93

E-M

0

5

10

15

20

25

02468

d50(mm)

C

 

شکل 3 -چسبندگی ظاهری خاک در مقابل قطر میانه ریشه موجود در نمونه تحت برش

شکل(4 )نیز زاویه اصطکاک داخلی خاک در برابر قطر میانه ریشه (d50 )را نشان میدهد. ملاحظه میشود که برای

ریشه های کمقطر، زاویه اصطکاک داخلی خاک کاهش مییابد به نحوی که برای ریشه با قطر 2 میلیمتر، زاویه اصطکاک داخلی به حداقل رسیده اما پس از آن با افزایش قطر ریشه، روند بازگشت به مقدار اولیه را طی نموده و برای ریشه های با قطر بیش از 4 میلیمتر به مقدار اولیه برمیگردد.

E-M

0

10

20

30

40

50

02468

d50(mm)

 

شکل 4 -زاویه اصطکاک داخلی خاک در مقابل قطر میانه ریشه موجود در نمونه تحت برش

 

از دیدگاه تحلیلی و بر اساس نتایج آزمایشات، افزایش عامل چسبندگی و کاهش عامل اصطکاکی توده ها تحت تأثیر ریشه و روند تغییرات این دو پارامتر با قطر ریشه با استفاده از شکل (5 )به شرح زیر بیان میشود.

 

 

شکل 5 -مقایسه توزیع یک ریشه قطور و سه ریشه باریک در دو نمونه خاک با تراکم ریشه (RAR )یکسان

برای دو توده با RAR مشابه، زمانی که ریشه درخت دارای قطر کوچکتری میباشد، ریشه ها بین ذرات خاک قرار گرفته و تماس ذرات را با یکدیگر کمتر میکنند، بنابراین زاویه اصطکاک داخلی توده خاک کاهش مییابد. اما با افزایش قطر، تعداد ریشه های موجود در نمونه کاهش مییابد و تماس بیشتری بین ذرات خاک برقرار میشود و نهایتاً زاویه اصطکاک داخلی توده خاک افزایش مییابد. اما در مورد چسبندگی خاک نتیجه معکوس میباشد، بدین ترتیب که در اثر وجود ریشه های نازکتر و متعددتر در بین ذرات خاک پی آمدهای زیر حاصل میشود: اولاً باعث افزایش تماس و درگیری بین ریشه و خاکدانه ها میشود. این پدیده بدلیل ریخت شناسی ریشه ها اهمیت زیادی دارد. زیرا ریشه های نازکتر اعوجاج و پیچیدگی بیشتری در مقایسه با ریشه های قطورتر دارند. ثانیاً موجب انتقال نیروهای برشی به تعداد بیشتری از خاکدانه ها و نتیجتاً کاهش تنش برشی میشود. ثالثاً باعث افزایش یکپارچگی خاکدانه ها و عملکرد آنها در مقابل نیروهای وارده میگردد. این سه پدیده به همراه رابطه معکوس قطر- مقاومت کششی، مجموعاً به صورت افزایش عامل چسبندگی(C )تحت تأثیر کاهش قطر ریشه منعکس میگردد. در عین حال همانطور که در شکلهای (3 )و (4 )نشان داده شد روند تغییرات C و ? در رابطه با قطر ریشه ها یکنواخت نیست. در واقع ریشه های کم قطر بدلیل جوانی بافتهایشان از مقاومت برشی کمتری برخوردار میباشند. و لذا آسیبپذیری آنها در هنگام تغییر شکل توده خاک که منجر به جابجایی خاکدانه ها میشود بیشتر از ریشه های قطور است. این امر باعث می شود که چنانچه قطر ریشه از یک مقدار معینی کمتر باشد احتمال بریده شدن ریشه ها در هنگام جابجایی خاکدانه ها بیشتر شده و لذا مقاومت برشی توده کاهش یابد. این قطر را قطر بهینه ریشه مینامیم (dopt .) آزمایشات نشان میدهد که برای درخت بید، قطر بهینه ریشه ها 2 میلیمتر میباشد. و لذا منحنی شکل (3 )تا قطر 2 میلیمتر حالت صعودی داشته و پس از آن روند کاهشی خود را شروع مینماید. به همین دلیل نیز در شکل (4 )روند تغییرات زاویه اصطکاک داخلی توده به ازای قطر 2 میلیمتر تغییر مینماید. به منظور بدون بعد کردن قطر ریشه، پارامتری تحت عنوان "پارامتر قطر" بهصورت زیر تعریف میشود:

 (1)

max d

d RDR 50 =

 بخش اول: ویژگی های مهندسی سنگ ها و خاک ها

 

در این رابطه، RDR عبارت است از "پارامتر قطر"، d50 قطری است که50 درصد ریشه ها برابر و یا کوچکتر از آن باشند و . شکل (6 )نمونهای از منحنی مربوط به محاسبه d50 را نشان میدهد. dmax بزرگترین قطر ریشه میباشد

E.W2.T2

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 10 100

d(mm)

d/dt

شکل 6 -منحنی محاسبه d50 چاه شماره 2 مربوط به سربار1500 کیلوگرم شکل (7 )تغییرات درصد افزایش چسبندگی (C )?در برابر پارامتر قطر ریشه موجود در نمونه های تحت برش را نشان میدهند. وجود ریشه باعث افزایش مقدار چسبندگی خاک (C)?میشود، اما هر چه قطر افزایش مییابد نرخ افزایش چسبندگی، کاهش مییابد، به نحوی که به ازای مقدار خاصی از RDR مقدار (C )?به حداکثر خود رسیده و پس از آن با کاهش تدریجی به یک مقدار ثابت میرسد.

0

40

80

120

160

200

0 5 10 15 20 25 30

RDR%

% C

شکل 7 -درصد تغییرات چسبندگی در برابر درصد پارامتر قطر موجود در نمونه های تحت برش

 

شکل (8 )درصد تغییرات زاویه اصطکاک خاک در برابر "پارامتر قطر" ریشه را برای هر دو منطقه ابراهیم آباد و میناوند نشان میدهد. ملاحظه میشود که وجود ریشه باعث کاهش اندک زاویه اصطکاک داخلی خاک میشود. اما با افزایش "پارامتر قطر"، میزان این تغییرات کاهش مییابد و نهایتاً در حد کاهش بسیار کم و قابل اغماض ثابت میشود.

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

0 5 10 15 20 25 30

RDR%

شکل 8 -درصد تغییرات زاویه اصطکاک خاک در برابر درصد پارامتر قطر

 

چنانچه رابطه موهر- کولمب به صورت دیفرانسیلی و به شرح زیر نوشته شود:

 ?? = ?C +? ?tan?? (2)

با توجه به ثابت بودن مقدار بار قائم (? )و همچنین با ملاحظه شکلهای (7 )و (8 )میتوان گفت تغییرات چسبندگی خیلی بیشتر از تغییرات تانژانت زاویه اصطکاک داخلی میباشد ??tan >>> C .( ) ?بنابراین، از دیدگاه کاربردی، میتوان از تغییرات زاویه اصطکاک داخلی صرفنظر کرده و میزان تغییرات مقاومت برشی خاک را صرفاً تابعی از تغییرات چسبندگی خاک دانست، به این ترتیب :

 ?? ? f (?C) )3)

شکلهای (9 )و (10 )تغییرات مقاومت برشی خاک ریشهدار را در برابر RDR برای سه بار قائم 500 ،1500 و2500 کیلوگرم در مناطق ابراهیم آباد و میناوند نشان میدهند. این بارها به ترتیب تنش قائمی معادل 6/19 ،8/58 و 98 کیلو پاسکال را در سطح برش نمونه ایجاد کردهاند. ملاحظه میشود که در اثر وجود ریشه، مقاومت برشی خاک ابتدا افزایش مییابد، ولی با افزایش "پارامتر قطر"، روند این تغییرات کاهشی میباشد. دلیل این امر آن است که، در یک سطح با تراکم ریشهای تقریباً یکسان، چنانچه RDR از مقدار بهینه بیشتر باشد تعداد ریشه ها کاهش مییابد. در نتیجه درگیری بین ریشه ها و خاک کم شده و توزیع تنش برشی به خوبی انجام نمیشود. عامل مؤثر دیگر را میتوان، رابطه معکوس بین مقاومت کششی ریشه و قطر آن دانست.

 بخش اول: ویژگی های مهندسی سنگ ها و خاک ها

 

Ebrahim Abad

0

20

40

60

80

100

0 10 20 30 40 50

RDR%

kPa

2500

1500

500

شکل 9 -تغییرات مقاومت برشی در برابرRDR در منطقه ابراهیم آباد

Minavand

0

20

40

60

80

100

120

140

0 5 10 15 20 25 30

RDR%

kPa

2500

1500

500

شکل 10 -تغییرات مقاومت برشی در برابر RDR در منطقه میناوند

 

همانطور که انتظار میرود، به دلیل ارتباط مستقیم مقاومت برشی با سربار قائم، مقاومت برشی با افزایش میزان بار قائم افزایش مییابد و در سربار 2500 کیلوگرم دارای بیشترین مقدار و در سربار 500 کیلوگرم دارای کمترین مقدار میباشد.

 

 

نتیجهگیری

به منظور بررسی رفتار مقاومت برشی خاک تحت تأثیر ریشه درخت، 17 آزمایش برش مستقیم درجا در دو ایستگاه

ابراهیمآباد و میناوند انجام شد. نتایج حاصله نشان می دهد که :

- ریشه درخت، باعث افزایش مقاومت برشی خاک میشود.

- وجود ریشه باعث افزایش قابل توجه چسبندگی ظاهری خاک میشود ولی با افزایش قطر، از میزان این افزایش کاسته

میشود.

- وجود ریشه در خاک باعث کاهش ناچیز زاویه اصطکاک داخلی خاک میشود، اما میزان این تغییرات با افزایش قطر ریشه

کاهش مییابد.

 

منابع

1 .استیری غ، فتاحی م ع (1380" .)استفاده از روش بیو مهندسی در تثبیت شیبها"، پایاننامه کارشناسی ارشد، دانشگاه

علم و صنعت.

2 .شفاعی بجستان م، سلیمی گل شیخی م (1381 .)تعیین اثر ریشه درختان پده و گز بر مقاومت برشی خاک ساحل

کارون در محل. علوم و فنون کشاورزی و منابع طبیعی، جلد 6 ،شماره 4 ،ص. 27-40 .

3. Greenway| D.R. (1987) vegetation and slope stability| in slope stability. Wiley|

chichester| pp.187-230.

4. Nilaweera| N.S. (1994). Influence of Hardwood Roots on Soil shear strength and Slope

stability in souther Thailand. Ph.D. Dissertation| Asian Institute of Technology| Bankok.

5. O’Loghlin| C.L. (1984). Effective of introduced forest vegitation for protecting against

Landslides and erosion in New Zealand;s steeplands. Paper presented to Symposium on

effects of forest landuse on erosion and slope stability| Honolulu| Hawaii

6. Quinn| N.W.| Morgan| R.P.C. and smith| A.J. (1980). Simulation of soil erosion by

human trampling. J. Envi. Mana.| 10| 155-65.

7. Waldron| L.J. (1977). The shear resistance of root permeated homogeneous and stratified

soil. Soil Science Society of America Journal 41: 843-849.

8. Waldron| L.J.| Dakessian| S. (1981). Effect of grass| legume and tree roots on soil

shearing resistance. Soil sci. Soc. Am. J.| 46| 894-899.

9. Wu| T.H. et al. (1988). Study of soil-root interactions. J. o Geotechnical Engineering

(ASCE)| Vol. 114| No. GT12| pp. 1351-1375.