Дякуємо за відвідування Nature.com. Версія браузера, яку ви використовуєте, має обмежену підтримку CSS. Для найкращого досвіду рекомендуємо використовувати оновлений браузер (або вимкнути режим сумісності в Internet Explorer). Тим часом, щоб забезпечити постійну підтримку, ми відображатимемо сайт без стилів та JavaScript.
Взявши за об'єкт дослідження схил залізниці Суй-Чунцін, було проведено оцінку питомого опору ґрунту, електрохімії ґрунту (корозійний потенціал, окисно-відновний потенціал, градієнт потенціалу та pH), ґрунтових аніонів (загальний розчинний солі, Cl-, SO42- та) та поживних речовин ґрунту (вміст вологи, органічна речовина, загальний азот, лужно-гідролізований азот, доступний фосфор, доступний калій). За різних схилів ступінь корозії оцінюється за індивідуальними показниками та комплексними показниками штучного ґрунту. Порівняно з іншими факторами, вода має найбільший вплив на корозію захисної сітки схилу, а також вміст аніонів. Загальний вміст розчинної солі має помірний вплив на корозію захисної сітки схилу, а блукаючі струми мають помірний вплив на корозію захисної сітки схилу. Ступінь корозії зразків ґрунту було комплексно оцінено, і корозія на верхньому схилі була помірною, а на середньому та нижньому схилах - сильною. Органічна речовина в ґрунті суттєво корелювала з градієнтом потенціалу. Доступний азот, доступний калій та доступний фосфор суттєво корелювали з аніонами. Розподіл поживних речовин у ґрунті опосередковано пов'язаний з типом схилу.
Під час будівництва залізниць, автомагістралей та водогосподарських споруд часто не уникнути гірських розкопок. Через гори на південному заході будівництво залізниць у Китаї вимагає значних розкопок гори. Це руйнує первісний ґрунт та рослинність, створюючи оголені кам'янисті схили. Така ситуація призводить до зсувів та ерозії ґрунту, що загрожує безпеці залізничних перевезень. Зсуви шкідливо впливають на дорожній рух, особливо після землетрусу у Веньчуані 12 травня 2008 року. Зсуви стали широко поширеною та серйозною сейсмологічною катастрофою. У 2008 році, під час оцінки 4243 кілометрів ключових магістральних доріг у провінції Сичуань, було зафіксовано 1736 сильних землетрусів у дорожніх полотнах та підпірних стінах схилів, що становить 39,76% від загальної довжини оцінки. Прямі економічні збитки від пошкодження доріг перевищили 58 мільярдів юанів 2,3. Глобальні приклади показують, що пост-землетрусні геонебезпеки можуть тривати щонайменше 10 років (землетрус на Тайвані) і навіть 40-50 років (землетрус Канто в Японії) 4,5. Градієнт є основним фактором, що впливає на небезпеку землетрусів 6,7. Тому необхідно підтримувати схил дороги та зміцнювати його стійкість. Рослини відіграють незамінну роль у захисті схилів та відновленні екологічного ландшафту 8. Порівняно зі звичайними ґрунтовими схилами, кам'яні схили не мають накопичення поживних речовин, таких як органічні речовини, азот, фосфор і калій, і не мають ґрунтового середовища, необхідного для росту рослинності. Через такі фактори, як великий схил та дощова ерозія, ґрунт схилу легко втрачається. Середовище схилу є суворий, не має необхідних умов для росту рослин, а ґрунт схилу не має опорної стійкості9. Обприскування схилу основним матеріалом для покриття ґрунту та захисту схилу є поширеною технологією екологічного відновлення схилів у моїй країні. Штучний ґрунт, який використовується для обприскування, складається з щебеню, сільськогосподарського ґрунту, соломи, комплексного добрива, вологоутримуючого агента та клею (до поширених клеїв належать портландцемент, органічний клей та асфальтовий емульгатор) у певній пропорції. Технічний процес такий: спочатку на скелю укладають колючий дріт, потім закріплюють його заклепками та анкерними болтами, і, нарешті, обприскують штучний ґрунт, що містить насіння, на схилі спеціальним розпилювачем. Найчастіше використовується повністю оцинкована металева сітка ромбоподібної форми 14# зі стандартним розміром сітки 5 см × 5 см та діаметром 2 мм. Металева сітка дозволяє ґрунтовій матриці утворювати міцну монолітну плиту на поверхні скелі. Металева сітка буде кородувати в ґрунті, оскільки сам ґрунт є електролітом, а ступінь корозії залежить від характеристик ґрунту. Оцінка факторів корозії ґрунту має велике значення для оцінки ерозії металевої сітки, викликаної ґрунтом, та усунення зсувів. небезпеки.
Вважається, що коріння рослин відіграє вирішальну роль у стабілізації схилів та боротьбі з ерозією10,11,12,13,14. Для стабілізації схилів від неглибоких зсувів можна використовувати рослинність, оскільки коріння рослин може закріплювати ґрунт, запобігаючи зсувам15,16,17. Деревна рослинність, особливо дерева, допомагає запобігти неглибоким зсувам18. Міцна захисна структура, утворена вертикальними та бічними кореневими системами рослин, які діють як арматурні палі в ґрунті. Розвиток моделей кореневої архітектури зумовлений генами, і ґрунтове середовище відіграє вирішальну роль у цих процесах. Корозія металів залежить від ґрунтового середовища20. Ступінь корозії металів у ґрунті може коливатися від досить швидкого розчинення до незначного впливу21. Штучний ґрунт дуже відрізняється від справжнього «ґрунту». Формування природних ґрунтів є результатом взаємодії між зовнішнім середовищем та різними організмами протягом десятків мільйонів років22,23,24. Перш ніж деревна рослинність утворить стабільну кореневу систему та екосистему, те, чи може металева сітка в поєднанні зі скельним схилом та штучним ґрунтом безпечно функціонувати, безпосередньо пов'язане з розвитком природного господарства, безпекою життя та покращення екологічного середовища.
Однак, корозія металів може призвести до величезних збитків. Згідно з дослідженням, проведеним у Китаї на початку 1980-х років у хімічному машинобудуванні та інших галузях промисловості, втрати, спричинені корозією металів, становили 4% від загальної вартості продукції. Тому дуже важливо вивчати механізм корозії та вживати захисних заходів для економічного будівництва. Ґрунт – це складна система газів, рідин, твердих речовин та мікроорганізмів. Мікробні метаболіти можуть кородувати матеріали, а блукаючі струми також можуть спричиняти корозію. Тому важливо запобігати корозії металів, закопаних у ґрунті. Наразі дослідження корозії закопаних металів в основному зосереджені на (1) факторах, що впливають на корозію закопаних металів25; (2) методах захисту металів26,27; (3) методах оцінки ступеня корозії металу28; корозії в різних середовищах. Однак усі ґрунти в дослідженні були природними та зазнали достатніх процесів ґрунтоутворення. Однак немає жодних повідомлень про штучну ерозію ґрунту схилів залізничних скель.
Порівняно з іншими корозійними середовищами, штучний ґрунт має характеристики неліквідності, гетерогенності, сезонності та регіональності. Корозія металів у штучних ґрунтах викликається електрохімічною взаємодією між металами та штучними ґрунтами. Окрім вроджених факторів, швидкість корозії металу також залежить від навколишнього середовища. На корозію металу окремо або в поєднанні впливає безліч факторів, таких як вміст вологи, вміст кисню, загальний вміст розчинних солей, вміст аніонів та іонів металів, pH, ґрунтові мікроби30,31,32.
Протягом 30 років практики питання про те, як назавжди зберегти штучні ґрунти на кам'янистих схилах, було проблемою33. Чагарники чи дерева не можуть рости на деяких схилах після 10 років ручного догляду через ерозію ґрунту. Бруд на поверхні металевої сітки в деяких місцях змивався. Через корозію деякі металеві сітки тріснули та втратили весь ґрунт над та під ними (Рисунок 1). Наразі дослідження корозії залізничних схилів в основному зосереджені на корозії заземлювальної сітки залізничних підстанцій, корозії блукаючих струмів, що генеруються легким рейковим транспортом, та корозії залізничних мостів34,35, колій та іншого транспортного обладнання36. Повідомлень про корозію металевої сітки для захисту залізничних схилів не надходило. У цій статті досліджуються фізичні, хімічні та електрохімічні властивості штучних ґрунтів на південно-західному кам'янистому схилі залізниці Суйю, метою яких є прогнозування корозії металу шляхом оцінки властивостей ґрунту та надання теоретичної та практичної основи для відновлення ґрунтової екосистеми та штучного відновлення. Штучний схил.
Випробувальний майданчик розташований у горбистій місцевості провінції Сичуань (30°32′ пн. ш., 105°32′ сх. д.) поблизу залізничної станції Суйнін. Район розташований у центрі Сичуанської улоговини, з низькими горами та пагорбами, з простою геологічною будовою та рівнинною місцевістю. Ерозія, розрізання та накопичення води створюють еродовані горбисті ландшафти. Корінна порода переважно вапняк, а розкривні породи - переважно фіолетовий пісок та аргіліт. Цілісність породи погана, а структура брил. Досліджувана територія має субтропічний вологий мусонний клімат із сезонними характеристиками ранньої весни, спекотного літа, короткої осені та пізньої зими. Кількість опадів велика, світлові та теплові ресурси великі, безморозний період тривалий (в середньому 285 днів), клімат м'який, середньорічна температура становить 17,4°C, середня температура найспекотнішого місяця (серпня) - 27,2°C, а максимальна температура - 39,3°C. Найхолодніший місяць - січень (середня температура 6,5°C), мінімальна -... Температура становить -3,8°C, а середньорічна кількість опадів — 920 мм, переважно в липні та серпні. Кількість опадів навесні, влітку, восени та взимку сильно варіюється. Частка опадів у кожному сезоні року становить 19-21%, 51-54%, 22-24% та 4-5% відповідно.
Дослідницька ділянка являє собою схил приблизно 45° на схилі залізниці Юй-Суй, побудованої у 2003 році. У квітні 2012 року вона була спрямована на південь за 1 км від залізничної станції Суйнін. Природний схил було використано як контрольний. Для екологічного відновлення схилу використовується зарубіжна технологія обприскування ґрунту верхнім шаром. Залежно від висоти схилу залізничної дороги, схил можна розділити на висхідний, середній та низхідний (рис. 2). Оскільки товщина штучного ґрунту зрізаного схилу становить близько 10 см, щоб уникнути забруднення продуктами корозії ґрунту металевою сіткою, ми використовуємо лише лопату з нержавіючої сталі для відбору поверхні ґрунту 0-8 см. Для кожного положення схилу було встановлено чотири повторності, з 15-20 випадковими точками відбору проб на повторність. Кожна повторність являє собою суміш 15-20 випадково визначених точок відбору проб S-подібної лінії. Її свіжа вага становить близько 500 грамів. Зразки повертають до лабораторії в поліетиленових пакетах із застібкою-блискавкою для обробки. Ґрунт природним чином сушать на повітрі, а гравій, тваринні та рослинні залишки вибирають, подрібнюють агатовою паличкою та просівають нейлоновим ситом з розміром отворів 20 меш та 100 меш, за винятком грубих частинок.
Питомий опір ґрунту вимірювали за допомогою тестера опору заземлення VICTOR4106 виробництва Shengli Instrument Company; питомий опір ґрунту вимірювали в польових умовах; вологість ґрунту вимірювали методом сушіння. Портативний цифровий прилад для вимірювання mV/pH DMP-2 має високий вхідний імпеданс для вимірювання корозійного потенціалу ґрунту. Градієнт потенціалу та окисно-відновний потенціал визначали за допомогою портативного цифрового приладу для вимірювання mV/pH DMP-2, загальну розчинну сіль у ґрунті визначали методом сушіння залишків, вміст іонів хлориду в ґрунті визначали методом титрування AgNO3 (метод Мора), вміст сульфатів у ґрунті визначали методом непрямого титрування EDTA, методом подвійного індикаторного титрування для визначення карбонату та бікарбонату ґрунту, методом нагрівання з окисленням дихроматом калію для визначення органічної речовини ґрунту, методом дифузії лужного розчину для визначення азоту, отриманого лужним гідролізом ґрунту, колориметричним методом розщеплення H2SO4-HClO4 Mo-Sb. Загальний вміст фосфору в ґрунті та вміст доступного фосфору в ґрунті визначали методом Ольсена (0,05 моль/л розчин NaHCO3 як екстрагент), а загальний вміст калію в ґрунті визначали за допомогою полум'яно-плавильної фотометрії гідроксиду натрію.
Експериментальні дані були спочатку систематизовані. SPSS Statistics 20 було використано для проведення аналізу середнього значення, стандартного відхилення, однофакторного дисперсійного аналізу (ANOVA) та кореляції з використанням людини.
У таблиці 1 представлені електромеханічні властивості, аніони та поживні речовини ґрунтів з різними схилами. Корозійний потенціал, питомий опір ґрунту та градієнт потенціалу схід-захід різних схилів були значними (P < 0,05). Окисно-відновні потенціали схилу, середнього схилу та природного схилу були значними (P < 0,05). Градієнт потенціалу, перпендикулярний до рейки, тобто градієнт потенціалу північ-південь, має наступний порядок: вгору по схилу>вниз по схилу>середній схил. Значення pH ґрунту було в порядку: вниз по схилу>вгору>середній схил>природний схил. Загальний вміст розчинної солі в природному схилі був значно вищим, ніж у залізничному схилі (P < 0,05). Загальний вміст розчинної солі в ґрунті залізничного схилу третього сорту перевищує 500 мг/кг, а загальний вміст розчинної солі має помірний вплив на корозію металу. Вміст органічної речовини в ґрунті був найвищим на природному схилі та найнижчим на схилі вниз по схилу (P < 0,05). Загальний вміст азоту був найвищим на середньому схилі та найнижчим на підйомному схилі; Вміст доступного азоту був найвищим на схилі та середньому схилі, а найнижчим на природному схилі; загальний вміст азоту на підйомі та схилі залізничної колії був нижчим, але вміст доступного азоту був вищим. Це свідчить про те, що швидкість мінералізації органічного азоту на підйомі та схилі є високою. Вміст доступного калію такий самий, як і доступний фосфор.
Питомий опір ґрунту – це показник, що вказує на електропровідність і є основним параметром для оцінки корозії ґрунту. Фактори, що впливають на питомий опір ґрунту, включають вміст вологи, загальний вміст розчинних солей, pH, текстуру ґрунту, температуру, вміст органічних речовин, температуру ґрунту та герметичність. Загалом кажучи, ґрунти з низьким питомим опором є більш корозійними, і навпаки. Використання питомого опору для оцінки корозійності ґрунту – це метод, який зазвичай використовується в різних країнах. У таблиці 1 наведено критерії оцінки ступеня корозійності для кожного окремого показника37,38.
Згідно з результатами випробувань та стандартами в моїй країні (Таблиця 1), якщо корозійну здатність ґрунту оцінювати лише за питомим опором ґрунту, то ґрунт на схилі, що піднімається вгору, є висококорозійним; ґрунт на схилі, що піднімається вгору, є помірно корозійним; корозійна здатність ґрунту на середньому схилі та природному схилі є відносно низькою, тобто слабкою.
Питомий опір ґрунту на схилі, що піднімається нагору, значно нижчий, ніж на інших ділянках схилу, що може бути спричинено дощовою ерозією. Верхній шар ґрунту на схилі, що піднімається нагору, стікає разом з водою до середнього шару схилу, так що металева захисна сітка для схилу, що піднімається нагору, знаходиться близько до верхнього шару ґрунту. Деякі металеві сітки були оголені та навіть зависли в повітрі (Рисунок 1). Питомий опір ґрунту вимірювався на місці; відстань між палями становила 3 ​​м; глибина забивання паль була менше 15 см. Гола металева сітка та відшарована іржа можуть впливати на результати вимірювання. Тому оцінювати корозійну стійкість ґрунту лише за показником питомого опору ґрунту ненадійно. При комплексній оцінці корозійного опору питомий опір ґрунту, що піднімається нагору, не враховується.
Через високу відносну вологість, постійно вологе повітря в районі Сичуані призводить до сильнішої корозії металевої сітки, що піддається впливу повітря, ніж металевої сітки, закопаної в ґрунт39. Вплив повітря на дротяну сітку може призвести до скорочення терміну служби, що може дестабілізувати ґрунти на схилах. Втрата ґрунту може ускладнити ріст рослин, особливо деревних. Через відсутність деревних рослин важко сформувати кореневу систему на схилі, щоб зміцнити ґрунт. Водночас ріст рослин також може покращити якість ґрунту та збільшити вміст гумусу в ґрунті, що може не тільки утримувати воду, але й забезпечити сприятливе середовище для росту та розмноження тварин і рослин, тим самим зменшуючи втрати ґрунту. Тому на ранній стадії будівництва слід висівати більше деревного насіння на схилі, постійно додавати вологоутримувальний агент і накривати плівкою для захисту, щоб зменшити ерозію ґрунту на схилі дощовою водою.
Корозійний потенціал є важливим фактором, що впливає на корозію захисної сітки схилу на трирівневому схилі, і має найбільший вплив на схил, що піднімається вгору (Таблиця 2). За нормальних умов корозійний потенціал не сильно змінюється в заданому середовищі. Помітні зміни можуть бути спричинені блукаючими струмами. Блукаючі струми відносяться до струмів 40, 41, 42, які просочуються в дорожнє полотно та ґрунтове середовище, коли транспортні засоби користуються системою громадського транспорту. З розвитком транспортної системи залізнична транспортна система моєї країни досягла масштабної електрифікації, і корозію закопаних металів, спричинену витоком постійного струму з електрифікованих залізниць, не можна ігнорувати. Наразі градієнт потенціалу ґрунту можна використовувати для визначення того, чи містить ґрунт збурення блукаючих струмів. Коли градієнт потенціалу поверхні ґрунту нижчий за 0,5 мВ/м, блукаючий струм є низьким; коли градієнт потенціалу знаходиться в діапазоні від 0,5 мВ/м до 5,0 мВ/м, блукаючий струм є помірним; Коли градієнт потенціалу перевищує 5,0 мВ/м, рівень блукаючих струмів високий. Плаваючий діапазон градієнта потенціалу (EW) середнього схилу, висхідного та низхідного схилу показано на рисунку 3. Що стосується плаваючого діапазону, то в східно-західному та північно-південному напрямках середнього схилу спостерігаються помірні блукаючі струми. Отже, блукаючі струми є важливим фактором, що впливає на корозію металевих сіток на середньому та низхідному схилі, особливо на середньому схилі.
Зазвичай, окисно-відновний потенціал ґрунту (Eh) вище 400 мВ вказує на окислювальну здатність, вище 0-200 мВ – середню відновну здатність, а нижче 0 мВ – велику відновну здатність. Чим нижчий окисно-відновний потенціал ґрунту, тим більша корозійна здатність ґрунтових мікроорганізмів до металів44. За окисно-відновним потенціалом можна передбачити тенденцію мікробної корозії ґрунту. Дослідження показало, що окисно-відновний потенціал ґрунту на трьох схилах перевищував 500 мВ, а рівень корозії був дуже малим. Це показує, що стан вентиляції ґрунту на схилах хороший, що не сприяє корозії анаеробних мікроорганізмів у ґрунті.
Попередні дослідження показали, що вплив pH ґрунту на ерозію ґрунту очевидний. Коливання значення pH значно впливає на швидкість корозії металевих матеріалів. pH ґрунту тісно пов'язаний з площею та мікроорганізмами в ґрунті45,46,47. Загалом кажучи, вплив pH ґрунту на корозію металевих матеріалів у слаболужному ґрунті не є очевидним. Ґрунти трьох залізничних схилів є лужними, тому вплив pH на корозію металевої сітки слабкий.
Як видно з таблиці 3, кореляційний аналіз показує, що окисно-відновний потенціал та положення схилу мають значну позитивну кореляцію (R2 = 0,858), корозійний потенціал та градієнт потенціалу (SN) мають значну позитивну кореляцію (R2 = 0,755), а окисно-відновний потенціал та градієнт потенціалу (SN) мають значну позитивну кореляцію (R2 = 0,755). Спостерігалася значна негативна кореляція між потенціалом та pH (R2 = -0,724). Положення схилу мало значну позитивну кореляцію з окисно-відновним потенціалом. Це показує, що існують відмінності в мікросередовищі різних положень схилів, і ґрунтові мікроорганізми тісно пов'язані з окисно-відновним потенціалом48, 49, 50. Окисно-відновний потенціал мав значну негативну кореляцію з pH51,52. Цей зв'язок вказував на те, що значення pH та Eh не завжди змінювалися синхронно під час окисно-відновного процесу ґрунту, а мали негативну лінійну залежність. Корозійний потенціал металу може представляти відносну здатність отримувати та втрачати електрони. Хоча корозійний потенціал мав значну позитивну кореляцію з градієнтом потенціалу (SN), градієнт потенціалу може бути спричинений легкою втратою електронів металом.
Загальний вміст розчинних солей у ґрунті тісно пов'язаний з корозійною активністю ґрунту. Загалом кажучи, чим вища солоність ґрунту, тим нижчий питомий опір ґрунту, що збільшує його опір. У ґрунтових електролітах на корозію впливають не лише аніони та їх діапазони, але й карбонати, хлориди та сульфати. Крім того, загальний вміст розчинних солей у ґрунті опосередковано впливає на корозію через вплив інших факторів, таких як вплив електродного потенціалу в металах та розчинність кисню в ґрунті53.
Більшість розчинних іонів солі, дисоційованих у ґрунті, безпосередньо не беруть участі в електрохімічних реакціях, але впливають на корозію металу через питомий опір ґрунту. Чим вища солоність ґрунту, тим сильніша провідність ґрунту та тим сильніша ерозія ґрунту. Вміст солоності ґрунту природних схилів значно вищий, ніж у залізничних схилах, що може бути пов'язано з тим, що природні схили багаті на рослинність, що сприяє збереженню ґрунту та води. Іншою причиною може бути те, що природний схил зазнав зрілого ґрунтоутворення (материнська порода ґрунту, утворена внаслідок вивітрювання гірських порід), але ґрунт залізничного схилу складається з фрагментів щебеню як матриці «штучного ґрунту» і не пройшов достатнього процесу ґрунтоутворення. Мінерали не вивільняються. Крім того, іони солі в глибокому ґрунті природних схилів піднімалися внаслідок капілярного ефекту під час поверхневого випаровування та накопичувалися в поверхневому шарі ґрунту, що призвело до збільшення вмісту іонів солі в поверхневому ґрунті. Товщина ґрунту залізничного схилу менше 20 см, що призводить до нездатності верхнього шару ґрунту доповнювати сіль з глибокого ґрунту.
Позитивні іони (такі як K+, Na+, Ca2+, Mg2+, Al3+ тощо) мають незначний вплив на корозію ґрунту, тоді як аніони відіграють значну роль в електрохімічному процесі корозії та мають значний вплив на корозію металу. Cl− може прискорити корозію анода та є найбільш корозійним аніоном; чим вищий вміст Cl−, тим сильніша корозія ґрунту. SO42− не тільки сприяє корозії сталі, але й викликає корозію деяких бетонних матеріалів54. Також кородує залізо. У серії експериментів з кислим ґрунтом було виявлено, що швидкість корозії пропорційна кислотності ґрунту55. Хлорид і сульфат є основними компонентами розчинних солей, які можуть безпосередньо прискорювати кавітацію металів. Дослідження показали, що втрата ваги вуглецевої сталі в лужних ґрунтах майже пропорційна додаванню іонів хлориду та сульфату56,57. Лі та ін. виявили, що SO42- може перешкоджати корозії, але сприяти розвитку корозійних ямок, які вже утворилися58.
Згідно зі стандартом оцінки корозійності ґрунту та результатами випробувань, вміст хлорид-іонів у кожному зразку ґрунту схилу перевищував 100 мг/кг, що свідчить про сильну корозійність ґрунту. Вміст сульфат-іонів як на схилах, що піднімаються нагору, так і на схилі, був перевищував 200 мг/кг та нижче 500 мг/кг, а ґрунт був помірно кородованим. Вміст сульфат-іонів у середньому схилі нижчий за 200 мг/кг, а корозія ґрунту слабка. Коли ґрунтове середовище містить високу концентрацію, він бере участь у реакції та утворює корозійну окалину на поверхні металевого електрода, тим самим уповільнюючи корозійну реакцію. Зі збільшенням концентрації окалина може раптово руйнуватися, тим самим значно прискорюючи швидкість корозії; оскільки концентрація продовжує зростати, корозійна окалина покриває поверхню металевого електрода, і швидкість корозії знову демонструє тенденцію до уповільнення. Дослідження показало, що кількість у ґрунті була нижчою і тому мала незначний вплив на корозію.
Згідно з таблицею 4, кореляція між нахилом та аніонами ґрунту показала, що існує значна позитивна кореляція між нахилом та іонами хлориду (R2=0,836), а також значна позитивна кореляція між нахилом та загальним вмістом розчинних солей (R2=0,742).
Це свідчить про те, що поверхневий стік та ерозія ґрунту можуть бути відповідальними за зміни загального вмісту розчинних солей у ґрунті. Спостерігалася значна позитивна кореляція між загальним вмістом розчинних солей та іонами хлориду, що може бути пов'язано з тим, що загальні розчинні солі є пулом іонів хлориду, а вміст загальних розчинних солей визначає вміст іонів хлориду в ґрунтових розчинах. Отже, ми можемо знати, що різниця в нахилі може спричинити сильну корозію металевої сітки.
Органічна речовина, загальний азот, доступний азот, доступний фосфор та доступний калій – це основні поживні речовини ґрунту, які впливають на якість ґрунту та поглинання поживних речовин кореневою системою. Поживні речовини ґрунту є важливим фактором, що впливає на мікроорганізми в ґрунті, тому варто вивчити, чи існує кореляція між поживними речовинами ґрунту та корозією металу. Залізниця Суйю була завершена у 2003 році, а це означає, що штучний ґрунт накопичував органічну речовину лише 9 років. Через особливості штучного ґрунту необхідно добре розуміти поживні речовини в штучному ґрунті.
Дослідження показують, що вміст органічної речовини є найвищим у ґрунті природного схилу після всього процесу ґрунтоутворення. Вміст органічної речовини в ґрунті низьких схилів був найнижчим. Через вплив вивітрювання та поверхневого стоку поживні речовини ґрунту накопичуються на середній та нижній частинах схилу, утворюючи товстий шар гумусу. Однак через дрібні частинки та погану стабільність ґрунту низьких схилів органічна речовина легко розкладається мікроорганізмами. Дослідження показало, що рослинний покрив та різноманітність на середній та нижній частинах схилу були високими, але однорідність була низькою, що може призвести до нерівномірного розподілу поверхневих поживних речовин. Товстий шар гумусу утримує воду, а ґрунтові організми активні. Все це прискорює розкладання органічної речовини в ґрунті.
Вміст лужно-гідролізованого азоту в залізничних коліях, що тягнуться вгору, на середній та низхідній частинах схилу, був вищим, ніж у природному схилі, що свідчить про те, що швидкість мінералізації органічного азоту в залізничному схилі була значно вищою, ніж у природному схилі. Чим менші частинки, тим нестабільніша структура ґрунту, тим легше мікроорганізмам розкладати органічну речовину в агрегатах, і тим більший запас мінералізованої органічної азотної речовини 60,61. Відповідно до результатів дослідження 62, вміст дрібних агрегатів частинок у ґрунті залізничних схилів був значно вищим, ніж у природних схилах. Тому необхідно вжити відповідних заходів для збільшення вмісту добрив, органічної речовини та азоту в ґрунті залізничного схилу та покращення сталого використання ґрунту. Втрати доступного фосфору та доступного калію, спричинені поверхневим стоком, становили від 77,27% до 99,79% від загальних втрат залізничного схилу. Поверхневий стік може бути основною причиною втрат доступних поживних речовин у ґрунтах схилів 63,64,65.
Як показано в таблиці 4, спостерігалася значна позитивна кореляція між положенням схилу та вмістом доступного фосфору (R2=0,948), а також кореляція між положенням схилу та вмістом доступного калію була такою ж (R2=0,898). Це показує, що положення схилу впливає на вміст доступного фосфору та калію в ґрунті.
Градієнт є важливим фактором, що впливає на вміст органічної речовини в ґрунті та збагачення азотом66, і чим менший градієнт, тим більший коефіцієнт збагачення. При збагаченні ґрунту поживними речовинами втрати поживних речовин були послаблені, а вплив положення схилу на вміст органічної речовини в ґрунті та загальне збагачення азотом не був очевидним. Різні типи та кількість рослин на різних схилах мають різні органічні кислоти, що виділяються корінням рослин. Органічні кислоти корисні для фіксації доступного фосфору та доступного калію в ґрунті. Отже, існувала значна кореляція між положенням схилу та доступним фосфором, а також положенням схилу та доступним калієм.
Для уточнення зв'язку між поживними речовинами ґрунту та корозією ґрунту необхідно проаналізувати кореляцію. Як показано в таблиці 5, окисно-відновний потенціал мав значну негативну кореляцію з доступним азотом (R2 = -0,845) та значну позитивну кореляцію з доступним фосфором (R2 = 0,842) та доступним калієм (R2 = 0,980). Окисно-відновний потенціал відображає якість окисно-відновних процесів, на яку зазвичай впливають деякі фізичні та хімічні властивості ґрунту, а потім впливає на низку властивостей ґрунту. Тому він є важливим фактором у визначенні напрямку трансформації поживних речовин у ґрунті67. Різні окисно-відновні якості можуть призводити до різних станів та доступності поживних факторів. Отже, окисно-відновний потенціал має значну кореляцію з доступним азотом, доступним фосфором та доступним калієм.
Окрім властивостей металу, корозійний потенціал також пов'язаний з властивостями ґрунту. Корозійний потенціал мав значну негативну кореляцію з органічною речовиною, що вказує на значний вплив органічної речовини на корозійний потенціал. Крім того, органічна речовина також мала значну негативну кореляцію з градієнтом потенціалу (SN) (R2=-0,713) та сульфат-іоном (R2=-0,671), що вказує на те, що вміст органічної речовини також впливає на градієнт потенціалу (SN) та сульфат-іон. Спостерігалася значна негативна кореляція між pH ґрунту та доступним калієм (R2 = -0,728).
Доступний азот мав значну негативну кореляцію із загальною кількістю розчинних солей та іонів хлориду, а доступний фосфор та доступний калій мали значну позитивну кореляцію із загальною кількістю розчинних солей та іонів хлориду. Це вказує на те, що вміст доступних поживних речовин суттєво впливає на кількість загальних розчинних солей та іонів хлориду в ґрунті, а аніони в ґрунті не сприяють накопиченню та постачанню доступних поживних речовин. Загальний азот мав значну негативну кореляцію із сульфат-іоном та значну позитивну кореляцію з бікарбонатом, що вказує на те, що загальний азот впливає на вміст сульфату та бікарбонату. Рослини мають невелику потребу в сульфат-іонах та бікарбонат-іонах, тому більшість з них знаходяться у ґрунті у вільному стані або поглинаються ґрунтовими колоїдами. Бікарбонат-іони сприяють накопиченню азоту в ґрунті, а сульфат-іони зменшують його доступність. Тому відповідне збільшення вмісту доступного азоту та гумусу в ґрунті є корисним для зниження корозійної активності ґрунту.
Ґрунт – це система зі складним складом та властивостями. Корозійна агресивність ґрунту є результатом синергетичної дії багатьох факторів. Тому для оцінки корозійної агресивності ґрунту зазвичай використовується комплексний метод оцінки. Звертаючись до «Кодексу геотехнічних інженерних досліджень» (GB50021-94) та методів випробувань Китайської мережі випробувань корозії ґрунту, ступінь корозії ґрунту може бути комплексно оцінений відповідно до таких стандартів: (1) Оцінка – слабка корозія, якщо лише слабка корозія, то немає помірної корозії або є сильна корозія; (2) якщо немає сильної корозії, це оцінюється як помірна корозія; (3) якщо є одне або два місця сильної корозії, це оцінюється як сильна корозія; (4) якщо є 3 або більше місць сильної корозії, це оцінюється як сильна корозія для сильної корозії.
Відповідно до питомого опору ґрунту, окисно-відновного потенціалу, вмісту води, вмісту солі, значення pH, а також вмісту Cl та SO42-, було проведено комплексну оцінку ступенів корозії зразків ґрунту на різних схилах. Результати дослідження показують, що ґрунти на всіх схилах є висококорозійними.
Корозійний потенціал є важливим фактором, що впливає на корозію сітки для захисту схилів. Корозійні потенціали трьох схилів нижчі за -200 мВ, що має найбільший вплив на корозію металевої сітки, що піднімається вгору. Градієнт потенціалу можна використовувати для оцінки величини блукаючих струмів у ґрунті. Блукаючі струми є важливим фактором, що впливає на корозію металевої сітки на середніх та підйомних схилах, особливо на середніх схилах. Загальний вміст розчинних солей у ґрунтах верхнього, середнього та нижнього схилів перевищував 500 мг/кг, а корозійний вплив на сітку для захисту схилів був помірним. Вміст води в ґрунті є важливим фактором, що впливає на корозію металевих сіток на середній та нижній частинах схилу, і має більший вплив на корозію сіток для захисту схилів. Поживні речовини найбільш поширені в ґрунті середньої частини схилу, що свідчить про часту мікробну активність та швидкий ріст рослин.
Дослідження показують, що корозійний потенціал, градієнт потенціалу, загальний вміст розчинних солей та вміст води є основними факторами, що впливають на корозію ґрунту на трьох схилах, а корозійність ґрунту оцінюється як сильна. Корозія мережі захисту схилів є найсерйознішою на середньому схилі, що є орієнтиром для антикорозійного проектування мережі захисту залізничних схилів. Відповідне додавання доступного азоту та органічних добрив сприяє зменшенню корозії ґрунту, сприянню росту рослин та, зрештою, стабілізації схилу.
Як цитувати цю статтю: Чен, Дж. та ін. Вплив складу ґрунту та електрохімії на корозію мережі гірських порід вздовж китайської залізничної лінії. science. Rep. 5, 14939; doi: 10.1038/srep14939 (2015).
Лінь, Ю.Л. та Ян, Г.Л. Динамічні характеристики схилів земляного полотна залізниці під впливом землетрусу. Стихійне лихо. 69, 219–235 (2013).
Суй Ван, Дж. та ін. Аналіз типових пошкоджень автомобільних доріг внаслідок землетрусу в постраждалому від землетрусу районі Веньчуань провінції Сичуань [J]. Китайський журнал механіки та інженерії гірських порід. 28, 1250–1260 (2009).
Вейлінь, З., Чженюй, Л. та Цзіньсун, Дж. Аналіз сейсмічних пошкоджень та контрзаходи дорожніх мостів під час землетрусу у Веньчуані. Китайський журнал механіки та інженерії гірських порід. 28, 1377–1387 (2009).
Лінь, К.В., Лю, С.Х., Лі, С.Ю. та Лю, К.К. Вплив землетрусу в Чічі на зсуви, викликані подальшими дощами в центральному Тайвані. Інженерна геологія. 86, 87–101 (2006).
Koi, T. et al. Довгостроковий вплив зсувів, спричинених землетрусами, на утворення осадових порід у гірському водозборі: регіон Танзава, Японія. geomorphology.101, 692–702 (2008).
Хуншуай, Л., Цзіншань, Б. та Дедун, Л. Огляд досліджень з аналізу сейсмічної стійкості геотехнічних схилів. Сейсмічна інженерія та інженерна вібрація. 25, 164–171 (2005).
Юе Пінг, Дослідження геологічних небезпек, спричинених землетрусом у Веньчуані в провінції Сичуань. Журнал інженерної геології 4, 7–12 (2008).
Алі, Ф. Захист схилів рослинністю: механіка коренів деяких тропічних рослин. Міжнародний журнал фізичних наук. 5, 496–506 (2010).
Такю, М., Айба, С.І. та Кітаяма, К. Топографічний вплив на тропічні низькогірні ліси за різних геологічних умов на горі Кінабалу, Борнео. Екологія рослин. 159, 35–49 (2002).
Стокс, А. та ін. Ідеальні характеристики коренів рослин для захисту природних та штучних схилів від зсувів. Рослини та ґрунти, 324, 1-30 (2009).
Де Баетс, С., Поесен, Й., Гісселс, Г. та Кнапен, А. Вплив коренів трави на еродованість верхнього шару ґрунту під час концентрованого потоку. Геоморфологія 76, 54–67 (2006).