Centrifuge modelling of vegetated soils: A review
01摘要
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理解土壤-根的机械相互作用对于促进利用植被作为一种基于自然的方法来设计更稳定的斜坡和抵御树木风的城市林业至关重要。尽管存在用于详细分析土壤-根系相互作用的数值和解析模型，但由于缺乏田间数据和根系的复杂性，这些模型很少得到验证。通过在小规模物理模型中重建原型应力水平，并在更可控的条件下进行测试，离心机建模技术是一种有效的解决植被土壤流体力学行为复杂性的替代方法。本文对现有的植被土壤离心建模方法进行了综述，特别关注:(1)离心机建模的基本原理，其中详细介绍了与植被土壤建模相关的原理、比例法则和应用;(ii)模拟土壤的方法，包括土壤材料的选择和样品的制备;以及(iii)利用天然植物和根系类似物模拟根系的方法，其中讨论了根系形态的复制、力学性质和模拟蒸腾效应的能力。在每个主题中，都强调了可以进一步推进植被土壤离心机建模的挑战和解决这些挑战的可能方法。最后，对未来的研究进行了展望，强调了增强对植物根系、土壤、水和外部载荷之间潜在机制的理解的潜力。
02图表
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03结论
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在过去的15年里，离心机模型已经成为一种独特的实验技术，允许系统地调查植被土壤及其在不同类型的工程和林业应用中的行为，以实现基于自然的整体解决方案。展望未来的研究将有助于加深对植被、土壤、水和外部荷载(机械或/和环境)之间内在机制的理解。可以通过解决以下关键问题(但不限于)来推进:
•力学建模
(i) 3D打印作为生产复杂根类似物的基本方法:3D打印可能是再现根的复杂结构的最具成本效益的方法。然而，所选择的3D打印方法对打印模型的拉伸行为(即材料属性的各向异性)的影响应该被考虑在内。此外，大多数3D打印材料(如ABS塑料)的疏水性及其对非饱和土中土根界面摩擦的影响也有待研究。即使解决了这些挑战，该模型也只能用于只能通过空气淋洗的混合土壤。因此，可以考虑在不干扰可能被掩埋的土壤模型(如粉质黏土)的情况下安装这些模型的替代方法。
(ii)需要更大直径类别的根系的更多实验数据:小规模根系类似物的目标强度和刚度是基于假定的粗根的拉伸行为。对大根生物力学的进一步实证研究将有助于更广泛地了解这些类型的根在不同类型的载荷下的真实行为，并有助于生产出更符合力学要求的类似根。
(iii)根模型的仪器测量:小型根模型的尺寸可能会限制安装用于测量移动根内部应力和应变的传感器(例如应变仪)。然而，这些类型的数据对于校准和验证土壤-根系相互作用模型是有价值的。因此，发现其他测量手段，如通过光纤仪器，可以促进获得高质量的数据。然而，必须考虑在高g条件下应用这种传感技术的实际困难。
•水文模型
(i)为根系类似物诱导更真实范围的土壤吸力的系统或方法:为了模拟土壤基质吸力的更有代表性的时空变化，需要发展与自然界植物蒸腾过程一致的通量控制系统。在考虑非饱和细粒土材料的研究时，可诱导的吸力值范围的扩大也很重要，这些材料在吸力高于100 kPa时通常表现出显著的流体力学行为。
•流体力学模型
(i)具有力学和水文功能的单一根类似物:与真正的根相比，使用根类似物是一种更有希望的方法。然而，一种同时反映真实根系形态、强度、刚度和吸水能力的根系模拟物仍有待开发。
虽然现有的文献几乎只关注于斜坡和树木的稳定性问题，但离心机模型可以用于研究涉及植被土壤的更广泛的主题。其他一些与植物相关的应用可能值得建模如下:挡土墙的稳定性——了解植被如何影响挡土墙结构的稳定性和性能;地基设计中的土-根相互作用-研究植被的存在如何影响地基的承载力和沉降特性;以及动态加载条件——这主要是针对地震诱发的滑坡进行的研究(表2)，但也可以评估植物根系在提高液化抗力方面的作用(Karimzadeh等人，2021,2022a)和循环加载下的树木稳定性。未来，解决这些问题还可以涉及离心机和数值模拟的实时数据耦合，以增强离心机建模能力(即耦合的离心机-数值模型;Franza等人，2016;Idinyang等，2019)。这种混合建模方法可以改善真实的土壤-根相互作用场景的复制，并有助于扩大基于自然的解决方案在岩土工程设计中使用植被的适用性。
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