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En prenant comme objet d'étude le talus de la voie ferrée Sui-Chongqing, la résistivité du sol, son électrochimie (potentiel de corrosion, potentiel redox, gradient de potentiel et pH), ses anions (sels solubles totaux, Cl⁻, SO₄²⁻) et sa composition nutritionnelle (humidité, matière organique, azote total, azote alcalin-hydrolysé, phosphore assimilable et potassium assimilable) ont été analysés. Le degré de corrosion a été évalué sur différentes pentes à l'aide d'indicateurs individuels et d'indicateurs globaux du sol artificiel. Parmi les différents facteurs, l'eau a l'influence la plus importante sur la corrosion du filet de protection du talus, suivie par la teneur en anions. Les sels solubles totaux et les courants vagabonds ont un effet modéré sur la corrosion du filet de protection. Le degré de corrosion des échantillons de sol a été évalué de manière globale : la corrosion était modérée en haut du talus et forte en milieu et en bas de talus. La matière organique du sol était significativement corrélée au gradient de potentiel. L'azote assimilable, le potassium assimilable et le phosphore assimilable étaient significativement corrélés aux anions. La distribution des nutriments du sol est… indirectement lié au type de pente.
Lors de la construction de voies ferrées, d'autoroutes et d'ouvrages hydrauliques, le creusement de tranchées en montagne est souvent inévitable. En raison du relief montagneux du sud-ouest de la Chine, la construction de voies ferrées nécessite d'importants travaux d'excavation. Ces travaux détruisent les sols et la végétation d'origine, créant des pentes rocheuses à nu. Cette situation engendre des glissements de terrain et une érosion des sols, menaçant ainsi la sécurité du transport ferroviaire. Les glissements de terrain perturbent fortement la circulation routière, notamment depuis le séisme de Wenchuan du 12 mai 2008. Ils sont devenus une catastrophe sismique majeure et répandue¹. Lors de l'évaluation de 2008 portant sur 4 243 kilomètres de routes principales dans la province du Sichuan, 1 736 séismes majeurs ont affecté les assises de chaussée et les murs de soutènement, représentant 39,76 % de la longueur totale évaluée. Les pertes économiques directes dues aux dommages routiers ont dépassé 58 milliards de yuans^2,3. Des exemples internationaux montrent que les risques géologiques post-sismiques peuvent persister pendant au moins 10 ans (séisme de Taïwan) et même jusqu'à 40 ou 50 ans (séisme de Kantō au Japon)^4,5. La pente est le principal facteur influençant le risque sismique^6,7. Il est donc nécessaire d'entretenir les talus routiers et de renforcer leur stabilité. La végétation joue un rôle irremplaçable dans la protection des talus et la restauration des paysages écologiques⁸. Contrairement aux talus de terre, les talus rocheux ne présentent pas d'accumulation de nutriments tels que la matière organique, l'azote, le phosphore et le potassium, et ne possèdent pas les conditions pédologiques nécessaires à la croissance de la végétation. En raison de facteurs tels que la forte pente et les fortes pluies, les talus rocheux sont particulièrement vulnérables. L'érosion entraîne une perte facile du sol en pente. L'environnement y est hostile, ne répond pas aux conditions nécessaires à la croissance des plantes et le sol manque de stabilité. Le remblayage des pentes avec un matériau de base pour les recouvrir et les protéger est une technique de restauration écologique couramment utilisée en Chine. Ce terreau artificiel est composé de pierres concassées, de terre agricole, de paille, d'engrais composé, d'un agent de rétention d'eau et d'un liant (généralement du ciment Portland, de la colle organique ou un émulsifiant bitumineux) dans des proportions précises. Le procédé est le suivant : on pose d'abord du fil de fer barbelé sur la roche, puis on le fixe à l'aide de rivets et de boulons d'ancrage, et enfin on pulvérise le terreau artificiel ensemencé sur la pente avec un pulvérisateur spécial. On utilise principalement un treillis métallique galvanisé à mailles losangées n° 14, d'une dimension standard de 5 cm × 5 cm et d'un diamètre de 2 mm. Ce treillis permet à la matrice de terre de former une dalle monolithique durable à la surface de la roche. Le treillis métallique se corrode au contact du sol, car celui-ci est un électrolyte. Le degré de corrosion dépend des caractéristiques du sol. L'évaluation des facteurs de corrosion du sol est d'une grande importance pour évaluer l'érosion des treillis métalliques induite par le sol et éliminer les risques de glissements de terrain.
Les racines des plantes jouent un rôle crucial dans la stabilisation des pentes et la lutte contre l'érosion^{10,11,12,13,14}. Pour stabiliser les pentes contre les glissements de terrain superficiels, la végétation peut être utilisée car ses racines fixent le sol et préviennent ces glissements^15,16,17. La végétation ligneuse, notamment les arbres, contribue à prévenir les glissements de terrain superficiels¹⁸. Les systèmes racinaires verticaux et latéraux des plantes forment une structure protectrice robuste qui agit comme un renforcement du sol. Le développement de l'architecture racinaire est déterminé par les gènes, et l'environnement du sol joue un rôle déterminant dans ces processus. La corrosion des métaux varie selon l'environnement du sol²⁰. Le degré de corrosion des métaux dans le sol peut aller d'une dissolution assez rapide à un impact négligeable²¹. Les sols artificiels sont très différents des sols naturels. La formation des sols naturels résulte d'interactions entre l'environnement extérieur et divers organismes sur des dizaines de millions d'années^22,23,24. Avant que la végétation ligneuse ne développe un système racinaire et un écosystème stables, il est important de considérer la présence d'un treillis métallique, combiné à la pente rocheuse et au sol artificiel. La capacité à fonctionner en toute sécurité est directement liée au développement de l'économie naturelle, à la sécurité des personnes et à l'amélioration de l'environnement écologique.
Cependant, la corrosion des métaux peut engendrer des pertes considérables. Selon une enquête menée en Chine au début des années 1980 sur les machines chimiques et d'autres industries, les pertes dues à la corrosion des métaux représentaient 4 % de la valeur totale de la production. Il est donc primordial d'étudier le mécanisme de corrosion et de mettre en œuvre des mesures de protection pour une construction économique. Le sol est un système complexe composé de gaz, de liquides, de solides et de micro-organismes. Les métabolites microbiens peuvent corroder les matériaux, et les courants vagabonds peuvent également provoquer de la corrosion. Il est donc important de prévenir la corrosion des métaux enfouis dans le sol. Actuellement, les recherches sur la corrosion des métaux enfouis portent principalement sur : (1) les facteurs influençant cette corrosion²⁵ ; (2) les méthodes de protection des métaux^26,27 ; (3) les méthodes d'évaluation du degré de corrosion²⁸ ; et la corrosion dans différents milieux. Toutefois, tous les sols étudiés étaient naturels et avaient subi des processus de pédogenèse suffisants. Cependant, aucune étude n'a été menée sur l'érosion artificielle des talus rocheux ferroviaires.
Comparativement à d'autres milieux corrosifs, les sols artificiels présentent des caractéristiques d'illiquidité, d'hétérogénéité, de saisonnalité et de régionalité. La corrosion des métaux dans les sols artificiels est due aux interactions électrochimiques entre les métaux et les sols artificiels. Outre les facteurs intrinsèques, la vitesse de corrosion des métaux dépend également de l'environnement. De nombreux facteurs influencent la corrosion des métaux, individuellement ou en combinaison, tels que l'humidité, la teneur en oxygène, la teneur totale en sels solubles, la teneur en anions et en ions métalliques, le pH et les micro-organismes du sol^30,31,32.
En 30 ans de pratique, la question de la préservation durable des sols artificiels sur les pentes rocheuses constitue un problème récurrent³³. Sur certaines pentes, même après 10 ans d'entretien manuel, l'érosion du sol empêche la croissance d'arbustes ou d'arbres. Par endroits, la terre recouvrant le treillis métallique est emportée par les eaux. La corrosion provoque la fissuration de certains treillis, entraînant la perte de la terre située au-dessus et en dessous (Figure 1). Actuellement, les recherches sur la corrosion des talus ferroviaires se concentrent principalement sur la corrosion des grilles de mise à la terre des sous-stations ferroviaires, la corrosion par courants vagabonds générée par les tramways et la corrosion des ponts ferroviaires^34,35, des voies et autres équipements³⁶. Aucune étude n'a encore été menée sur la corrosion des treillis métalliques de protection des talus ferroviaires. Cet article étudie les propriétés physiques, chimiques et électrochimiques des sols artificiels présents sur le talus rocheux sud-ouest de la ligne ferroviaire Suiyu, dans le but de prédire la corrosion des métaux à partir de l'évaluation des propriétés du sol et de fournir une base théorique et pratique pour la restauration des écosystèmes du sol et la restauration artificielle des talus.
Le site d'étude se situe dans la région vallonnée du Sichuan (30°32′N, 105°32′E), près de la gare de Suining. Au cœur du bassin du Sichuan, la zone présente des montagnes et des collines basses, une structure géologique simple et un relief plat. L'érosion, l'érosion et l'accumulation d'eau ont façonné des paysages vallonnés. Le substratum rocheux est principalement composé de calcaire, recouvert de sable violet et de mudstone. La roche est peu résistante et présente une structure massive. La zone d'étude bénéficie d'un climat subtropical humide de mousson, caractérisé par un printemps précoce, un été chaud, un automne court et un hiver tardif. Les précipitations sont abondantes, l'ensoleillement est important, la période sans gel est longue (285 jours en moyenne), le climat est doux, la température moyenne annuelle est de 17,4 °C, la température moyenne du mois le plus chaud (août) est de 27,2 °C et la température maximale extrême atteint 39,3 °C. Le mois le plus froid est janvier (température moyenne). La température moyenne annuelle est de 6,5 °C, la température minimale extrême est de -3,8 °C et les précipitations annuelles moyennes s'élèvent à 920 mm, principalement concentrées en juillet et août. Les précipitations varient considérablement selon les saisons : printemps-été-automne-hiver. Elles représentent respectivement 19 à 21 %, 51 à 54 %, 22 à 24 % et 4 à 5 % du total annuel.
Le site de recherche est une pente d'environ 45° sur le versant de la ligne de chemin de fer Yu-Sui construite en 2003. En avril 2012, il était orienté vers le sud à moins de 1 km de la gare de Suining. La pente naturelle a servi de témoin. La restauration écologique de la pente a été réalisée à l'aide d'une technique étrangère d'épandage de terreau. Selon la hauteur du talus ferroviaire, celui-ci a été divisé en trois parties : amont, milieu et aval (Fig. 2). L'épaisseur du sol artificiel du talus étant d'environ 10 cm, et afin d'éviter toute contamination par les produits de corrosion du treillis métallique, seuls les 8 premiers centimètres de sol ont été prélevés à l'aide d'une pelle en acier inoxydable. Quatre répétitions ont été effectuées pour chaque position sur la pente, avec 15 à 20 points d'échantillonnage aléatoires par répétition. Chaque répétition est un mélange de 15 à 20 points d'échantillonnage aléatoires disposés le long d'une ligne en forme de S. Le poids frais de chaque échantillon est d'environ 500 grammes. Les échantillons ont été transportés au laboratoire dans des sacs en polyéthylène à fermeture zip pour traitement. Le sol a été séché à l'air libre, puis les graviers et les résidus animaux et végétaux ont été retirés, broyés avec un bâtonnet d'agate et tamisés à travers un tamis de 20 mailles. Tamis en nylon de 100 mailles, sauf pour les particules grossières.
La résistivité du sol a été mesurée à l'aide du testeur de résistance de mise à la terre VICTOR4106 produit par la société Shengli Instrument Company ; la résistivité du sol a été mesurée sur le terrain ; L'humidité du sol a été mesurée par la méthode de dessiccation. L'instrument portable numérique mV/pH DMP-2 présente une impédance d'entrée élevée pour la mesure du potentiel de corrosion du sol. Le gradient de potentiel et le potentiel redox ont été déterminés par le DMP-2. La teneur totale en sels solubles du sol a été déterminée par la méthode de dessiccation des résidus. La teneur en ions chlorure a été déterminée par titrage au nitrate d'argent (méthode de Mohr). La teneur en sulfates a été déterminée par titrage indirect à l'EDTA. Les teneurs en carbonates et bicarbonates ont été déterminées par titrage à double indicateur. La matière organique a été déterminée par oxydation au dichromate de potassium. L'azote d'hydrolyse alcaline a été déterminé par diffusion en solution alcaline. La digestion H₂SO₄-HClO₄ a été réalisée par la méthode colorimétrique Mo-Sb. Le phosphore total et le phosphore assimilable ont été déterminés par la méthode d'Olsen (solution de NaHCO₃ 0,05 mol/L comme extractant). La teneur totale en potassium a été déterminée par photométrie de flamme après fusion à l'hydroxyde de sodium.
Les données expérimentales ont d'abord été systématisées. SPSS Statistics 20 a été utilisé pour effectuer la moyenne, l'écart type, l'ANOVA à un facteur et l'analyse de corrélation humaine.
Le tableau 1 présente les propriétés électromécaniques, les anions et les nutriments des sols en fonction de la pente. Le potentiel de corrosion, la résistivité du sol et le gradient de potentiel est-ouest étaient tous significatifs (P < 0,05) selon la pente. Les potentiels redox des pentes descendantes, moyennes et naturelles étaient également significatifs (P < 0,05). Le gradient de potentiel perpendiculaire à la voie ferrée, c'est-à-dire le gradient de potentiel nord-sud, était le suivant : pente amont > pente descendante > pente moyenne. Le pH du sol était le suivant : pente descendante > pente amont > pente moyenne > pente naturelle. La teneur en sels solubles totaux était significativement plus élevée sur la pente naturelle que sur la pente ferroviaire (P < 0,05). La teneur en sels solubles totaux du sol de la pente ferroviaire de troisième catégorie était supérieure à 500 mg/kg, et ces sels avaient un effet modéré sur la corrosion des métaux. La teneur en matière organique était la plus élevée sur la pente naturelle et la plus faible sur la pente descendante (P < 0,05). La teneur en azote total était la plus élevée sur la pente moyenne et la plus faible sur la pente amont. La teneur en azote disponible était la plus élevée en aval et à mi-pente, et la plus faible sur la pente naturelle ; la teneur totale en azote était plus faible en amont et en aval de la voie ferrée, mais la teneur en azote disponible était plus élevée. Ceci indique que le taux de minéralisation de l'azote organique en amont et en aval est rapide. La teneur en potassium disponible est identique à celle du phosphore disponible.
La résistivité du sol est un indice de conductivité électrique et un paramètre fondamental pour évaluer la corrosion des sols. Parmi les facteurs influençant la résistivité du sol, on retrouve l'humidité, la teneur totale en sels solubles, le pH, la texture, la température, la teneur en matière organique et la compacité. De manière générale, les sols à faible résistivité sont plus corrosifs, et inversement. L'utilisation de la résistivité pour évaluer la corrosivité des sols est une méthode couramment employée dans de nombreux pays. Le tableau 1 présente les critères d'évaluation du degré de corrosivité pour chaque indice^37,38.
Selon les résultats des tests et les normes de mon pays (tableau 1), si la corrosivité du sol est évaluée uniquement par la résistivité du sol, le sol sur la pente ascendante est très corrosif ; le sol sur la pente descendante est modérément corrosif ; la corrosivité du sol sur la pente moyenne et la pente naturelle est relativement faible.
La résistivité du sol en amont est nettement inférieure à celle des autres parties du versant, probablement en raison de l'érosion pluviale. La couche arable en amont est entraînée par l'eau vers le milieu du versant, rapprochant ainsi le filet de protection métallique de la couche arable. Certains éléments du filet sont exposés, voire suspendus dans le vide (Figure 1). La résistivité du sol a été mesurée in situ ; l'espacement des pieux était de 3 m et leur profondeur d'enfoncement inférieure à 15 cm. La présence de filets métalliques nus et de rouille qui s'écaille peut fausser les résultats des mesures. Par conséquent, l'évaluation de la corrosivité du sol à partir du seul indice de résistivité est peu fiable. Dans l'évaluation globale de la corrosion, la résistivité du sol en amont n'est pas prise en compte.
En raison de l'humidité relative élevée et constante qui règne dans la région du Sichuan, les treillis métalliques exposés à l'air se corrodent davantage que ceux enfouis dans le sol³⁹. L'exposition des treillis à l'air réduit leur durée de vie et peut déstabiliser les sols en amont. L'érosion du sol peut entraver la croissance des plantes, notamment des plantes ligneuses. En effet, l'absence de ces dernières rend difficile le développement d'un système racinaire en amont, essentiel à la stabilisation du sol. Or, la croissance des plantes améliore la qualité du sol et augmente sa teneur en humus, ce qui permet non seulement de retenir l'eau, mais aussi de créer un environnement propice à la croissance et à la reproduction des animaux et des plantes, contribuant ainsi à limiter l'érosion. Par conséquent, dès les premières étapes de la construction, il convient de semer davantage de graines ligneuses en amont, d'ajouter régulièrement un agent de rétention d'eau et de recouvrir le tout d'un film protecteur afin de réduire l'érosion du sol par les eaux de pluie.
Le potentiel de corrosion est un facteur important influençant la corrosion du filet de protection de talus sur un talus à trois niveaux, et son impact est maximal sur le talus amont (Tableau 2). Dans des conditions normales, le potentiel de corrosion varie peu dans un environnement donné. Une variation notable peut être provoquée par les courants vagabonds. Ces courants (40, 41, 42) s'infiltrent dans la chaussée et le sol lorsque les véhicules empruntent les transports en commun. Avec le développement des transports, le réseau ferroviaire chinois a connu une électrification à grande échelle, et la corrosion des métaux enterrés due aux fuites de courant continu provenant des voies électrifiées ne peut être négligée. Actuellement, le gradient de potentiel du sol permet de déterminer la présence de perturbations dues aux courants vagabonds. Lorsque le gradient de potentiel du sol de surface est inférieur à 0,5 mV/m, les courants vagabonds sont faibles ; lorsqu'il se situe entre 0,5 mV/m et 5,0 mV/m, les courants vagabonds sont modérés. Lorsque le gradient de potentiel dépasse 5,0 mV/m, le niveau de courant vagabond est élevé. La plage de variation du gradient de potentiel (EW) sur la pente moyenne, en amont et en aval est illustrée à la figure 3. Sur la pente moyenne, on observe des courants vagabonds modérés dans les directions est-ouest et nord-sud. Par conséquent, le courant vagabond constitue un facteur important influençant la corrosion des treillis métalliques sur la pente moyenne et en aval, et plus particulièrement sur la pente moyenne.
Généralement, un potentiel redox du sol (Eh) supérieur à 400 mV indique un pouvoir oxydant, supérieur à 200 mV un pouvoir réducteur moyen, et inférieur à 0 mV un pouvoir réducteur élevé. Plus le potentiel redox du sol est faible, plus le pouvoir corrosif des micro-organismes du sol vis-à-vis des métaux est important⁴⁴. Il est possible de prédire l'évolution de la corrosion microbienne du sol à partir du potentiel redox. L'étude a révélé que le potentiel redox du sol des trois pentes était supérieur à 500 mV et que le niveau de corrosion y était très faible. Cela indique que les conditions de ventilation du sol sur les pentes sont bonnes, ce qui est défavorable à la corrosion par les micro-organismes anaérobies.
Des études antérieures ont démontré l'influence significative du pH du sol sur l'érosion. Les variations du pH affectent considérablement la vitesse de corrosion des matériaux métalliques. Le pH du sol est étroitement lié à sa superficie et aux micro-organismes qui y sont présents^45,46,47. De manière générale, l'effet du pH sur la corrosion des matériaux métalliques est peu marqué dans les sols légèrement alcalins. Les sols des trois talus ferroviaires étant tous alcalins, l'influence du pH sur la corrosion des treillis métalliques y est faible.
Comme on peut le constater dans le tableau 3, l'analyse de corrélation montre que le potentiel redox et la position de la pente sont significativement corrélés positivement (R2 = 0,858), le potentiel de corrosion et le gradient de potentiel (SN) sont significativement corrélés positivement (R2 = 0,755), et le potentiel redox et le gradient de potentiel (SN) sont significativement corrélés positivement (R2 = 0,755). Il existait une corrélation négative significative entre le potentiel et le pH (R² = -0,724). La position sur la pente était significativement et positivement corrélée au potentiel redox. Ceci indique des différences de microenvironnement selon la position sur la pente, et les micro-organismes du sol sont étroitement liés au potentiel redox^{48, ​​49, 50}. Le potentiel redox était significativement et négativement corrélé au pH^{51, 52}. Cette relation suggère que les valeurs de pH et de Eh ne varient pas toujours de manière synchrone au cours du processus redox du sol, mais présentent une relation linéaire négative. Le potentiel de corrosion des métaux peut représenter leur capacité relative à gagner et à perdre des électrons. Bien que le potentiel de corrosion soit significativement et positivement corrélé au gradient de potentiel (SN), ce gradient pourrait être dû à la facilité avec laquelle le métal perd des électrons.
La teneur totale en sels solubles du sol est étroitement liée à sa corrosivité. De manière générale, plus la salinité du sol est élevée, plus sa résistivité est faible, ce qui augmente sa résistance. Parmi les électrolytes du sol, les anions, et notamment les carbonates, les chlorures et les sulfates, influencent la corrosion. De plus, la teneur totale en sels solubles du sol affecte indirectement la corrosion par l'intermédiaire d'autres facteurs, tels que le potentiel d'électrode des métaux et la solubilité de l'oxygène dans le sol⁵³.
La plupart des ions dissociés des sels solubles dans le sol ne participent pas directement aux réactions électrochimiques, mais influencent la corrosion des métaux via la résistivité du sol. Plus la salinité du sol est élevée, plus sa conductivité et l'érosion sont importantes. La salinité des sols des pentes naturelles est nettement supérieure à celle des talus ferroviaires, ce qui peut s'expliquer par la végétation abondante des pentes naturelles, favorisant la conservation des sols et de l'eau. Une autre raison pourrait être que les pentes naturelles ont bénéficié d'une pédogenèse mature (la roche mère étant issue de l'altération des roches), tandis que les sols des talus ferroviaires, composés de fragments de pierres concassées formant une matrice de « sol artificiel », n'ont pas connu un processus de pédogenèse suffisamment avancé. Les minéraux ne sont pas libérés. De plus, les ions de sel présents dans les couches profondes du sol des talus naturels remontent par capillarité lors de l'évaporation de surface et s'accumulent dans le sol superficiel, entraînant une augmentation de sa concentration. L'épaisseur du sol du talus ferroviaire étant inférieure à 20 cm, la couche arable ne peut compenser l'apport en sel provenant des couches profondes.
Les ions positifs (tels que K+, Na+, Ca2+, Mg2+, Al3+, etc.) ont peu d'effet sur la corrosion des sols, tandis que les anions jouent un rôle important dans le processus électrochimique de corrosion et ont un impact significatif sur la corrosion des métaux. Cl− peut accélérer la corrosion de l'anode et est l'anion le plus corrosif ; plus la teneur en Cl− est élevée, plus la corrosion du sol est importante. SO42− favorise non seulement la corrosion de l'acier, mais provoque également la corrosion de certains matériaux en béton54. Il corrode également le fer. Dans une série d'expériences sur sols acides, le taux de corrosion s'est avéré proportionnel à l'acidité du sol55. Les chlorures et les sulfates sont les principaux composants des sels solubles, qui peuvent accélérer directement la cavitation des métaux. Des études ont montré que la perte de masse par corrosion de l'acier au carbone dans les sols alcalins est presque proportionnelle à l'ajout d'ions chlorure et sulfate56,57. Lee et al. ont constaté que SO42- peut entraver la corrosion, mais favoriser le développement de piqûres de corrosion déjà formées58.
Selon la norme d'évaluation de la corrosivité des sols et les résultats des tests, la teneur en ions chlorure dans chaque échantillon de sol prélevé sur la pente était supérieure à 100 mg/kg, indiquant une forte corrosivité. La teneur en ions sulfate, tant en amont qu'en aval, était comprise entre 200 mg/kg et 500 mg/kg, et le sol était modérément corrodé. La teneur en ions sulfate sur la pente médiane était inférieure à 200 mg/kg, et la corrosion du sol était faible. Lorsque le sol présente une concentration élevée, les ions sulfate participent à la réaction et forment une couche de corrosion à la surface de l'électrode métallique, ralentissant ainsi la réaction de corrosion. À mesure que la concentration augmente, cette couche peut se rompre brutalement, accélérant considérablement la corrosion. Si la concentration continue d'augmenter, la couche de corrosion recouvre entièrement la surface de l'électrode métallique et la corrosion ralentit à nouveau. L'étude a montré que la quantité présente dans le sol était faible et avait donc peu d'influence sur la corrosion.
Selon le tableau 4, la corrélation entre la pente et les anions du sol a montré qu'il existait une corrélation positive significative entre la pente et les ions chlorure (R2=0,836), et une corrélation positive significative entre la pente et les sels solubles totaux (R2=0,742).
Cela suggère que le ruissellement de surface et l'érosion des sols pourraient être responsables des variations de la concentration totale en sels solubles dans le sol. Une corrélation positive significative a été observée entre la concentration totale en sels solubles et la concentration en ions chlorure, probablement parce que les sels solubles constituent le réservoir d'ions chlorure et que leur teneur détermine celle des solutions du sol. Par conséquent, on peut supposer que la différence de pente peut entraîner une corrosion importante de la partie en treillis métallique.
La matière organique, l'azote total, l'azote assimilable, le phosphore assimilable et le potassium assimilable constituent les nutriments essentiels du sol. Ils influencent la qualité du sol et l'absorption des nutriments par le système racinaire. Les nutriments du sol jouent un rôle important dans le développement des micro-organismes qui y vivent ; il est donc pertinent d'étudier l'existence d'une corrélation entre ces nutriments et la corrosion des métaux. La ligne ferroviaire Suiyu ayant été achevée en 2003, le sol artificiel n'a bénéficié que de neuf années d'accumulation de matière organique. Compte tenu de la spécificité de ce type de sol, une bonne compréhension de sa composition en nutriments est indispensable.
La recherche montre que la teneur en matière organique est la plus élevée dans les sols de pente naturelle après tout le processus de pédogenèse. La teneur en matière organique des sols de faible pente est la plus faible. Sous l'effet de l'altération et du ruissellement de surface, les nutriments du sol s'accumulent à mi-pente et en aval, formant une épaisse couche d'humus. Cependant, en raison de la petite taille des particules et de la faible stabilité des sols de faible pente, la matière organique est facilement décomposée par les micro-organismes. L'étude a révélé que la couverture végétale et la diversité sont élevées à mi-pente et en aval, mais que l'homogénéité est faible, ce qui peut entraîner une répartition inégale des nutriments de surface. L'épaisse couche d'humus retient l'eau et favorise l'activité des organismes du sol. Tous ces facteurs accélèrent la décomposition de la matière organique dans le sol.
La teneur en azote hydrolysé alcalin des talus ferroviaires (amont, milieu et aval) était supérieure à celle du talus naturel, indiquant un taux de minéralisation de l'azote organique significativement plus élevé sur les talus ferroviaires. Plus les particules sont fines, plus la structure du sol est instable, plus la décomposition de la matière organique par les micro-organismes est facilitée et plus le stock d'azote organique minéralisé est important^60,61. Conformément aux résultats de l'étude⁶², la teneur en agrégats de petites particules dans les sols des talus ferroviaires était significativement plus élevée que dans les talus naturels. Par conséquent, des mesures appropriées doivent être prises pour augmenter la teneur en engrais, en matière organique et en azote dans les sols des talus ferroviaires et améliorer leur utilisation durable. Le gaspillage de phosphore et de potassium assimilables dû au ruissellement de surface représente entre 77,27 % et 99,79 % des pertes totales des talus ferroviaires. Le ruissellement de surface pourrait être la principale cause de la perte d'éléments nutritifs assimilables dans les talus. sols63,64,65.
Comme le montre le tableau 4, il existe une corrélation positive significative entre la position sur la pente et le phosphore disponible (R2=0,948), et la corrélation entre la position sur la pente et le potassium disponible est la même (R2=0,898). Cela montre que la position sur la pente affecte la teneur en phosphore et en potassium disponibles dans le sol.
La pente est un facteur important qui influence la teneur en matière organique du sol et son enrichissement en azote⁶⁶ ; plus la pente est faible, plus le taux d’enrichissement est élevé. Concernant l’enrichissement du sol en nutriments, les pertes de nutriments sont atténuées et l’effet de la position sur la pente sur la teneur en matière organique et l’enrichissement total en azote n’est pas significatif. Les différents types et nombres de plantes présents sur différentes pentes produisent des acides organiques différents, sécrétés par leurs racines. Ces acides organiques favorisent la fixation du phosphore et du potassium assimilables dans le sol. Par conséquent, une corrélation significative a été observée entre la position sur la pente et la teneur en phosphore assimilable, ainsi qu’entre la position sur la pente et la teneur en potassium assimilable.
Afin de clarifier la relation entre les nutriments du sol et la corrosion des sols, il est nécessaire d'analyser la corrélation. Comme le montre le tableau 5, le potentiel redox est significativement et négativement corrélé à l'azote disponible (R² = -0,845) et significativement et positivement corrélé au phosphore disponible (R² = 0,842) et au potassium disponible (R² = 0,980). Le potentiel redox reflète la qualité du potentiel redox, généralement influencée par certaines propriétés physico-chimiques du sol, et affecte ainsi diverses propriétés de ce dernier. Il constitue donc un facteur important pour déterminer le sens de la transformation des nutriments du sol⁶⁷. Différentes qualités de potentiel redox peuvent entraîner différents états et une disponibilité variable des nutriments. Par conséquent, le potentiel redox présente une corrélation significative avec l'azote, le phosphore et le potassium disponibles.
Outre les propriétés des métaux, le potentiel de corrosion est également lié aux propriétés du sol. Ce potentiel est significativement et négativement corrélé à la teneur en matière organique, ce qui indique que cette dernière a un impact significatif sur le potentiel de corrosion. De plus, la teneur en matière organique est également significativement et négativement corrélée au gradient de potentiel (SN) (R² = -0,713) et à la concentration en ions sulfate (R² = -0,671), ce qui indique qu'elle influence également le gradient de potentiel (SN) et la concentration en ions sulfate. Enfin, une corrélation négative significative a été observée entre le pH du sol et la concentration en potassium disponible (R² = -0,728).
L'azote disponible était significativement et négativement corrélé à la teneur totale en sels solubles et en ions chlorure, tandis que le phosphore et le potassium disponibles étaient significativement et positivement corrélés à ces mêmes sels et ions. Ceci indique que la teneur en nutriments disponibles influence significativement la quantité totale de sels solubles et d'ions chlorure dans le sol, et que les anions présents dans le sol ne favorisent pas l'accumulation et la disponibilité des nutriments. L'azote total était significativement et négativement corrélé à la teneur en ions sulfate et significativement et positivement corrélé à celle en ions bicarbonate, ce qui indique qu'il a un impact sur les teneurs en sulfate et en bicarbonate. Les plantes ayant peu besoin d'ions sulfate et bicarbonate, la plupart de ces ions sont présents librement dans le sol ou absorbés par les colloïdes du sol. Les ions bicarbonate favorisent l'accumulation d'azote dans le sol, tandis que les ions sulfate réduisent sa disponibilité. Par conséquent, augmenter de manière appropriée la teneur en azote disponible et en humus dans le sol est bénéfique pour réduire sa corrosivité.
Le sol est un système complexe, tant par sa composition que par ses propriétés. Sa corrosivité résulte de l'action synergique de nombreux facteurs. C'est pourquoi une méthode d'évaluation globale est généralement utilisée. Conformément au « Code pour les investigations en génie géotechnique » (GB50021-94) et aux méthodes d'essai du Réseau chinois d'essais de corrosion des sols, le degré de corrosion peut être évalué de manière globale selon les critères suivants : (1) Corrosion faible : en l'absence de corrosion modérée ou forte ; (2) en l'absence de corrosion forte : corrosion modérée ; (3) en présence d'une ou deux zones de corrosion forte : corrosion forte ; (4) en présence de trois zones de corrosion forte ou plus : corrosion forte pouvant aller jusqu'à la corrosion sévère.
En fonction de la résistivité du sol, du potentiel redox, de la teneur en eau, de la teneur en sel, du pH et des teneurs en Cl- et SO42-, les degrés de corrosion d'échantillons de sol prélevés sur différentes pentes ont été évalués de manière exhaustive. Les résultats de la recherche montrent que les sols de toutes les pentes sont hautement corrosifs.
Le potentiel de corrosion est un facteur important influençant la corrosion des filets de protection de talus. Les potentiels de corrosion des trois talus sont tous inférieurs à -200 mV, ce qui a l'impact le plus important sur la corrosion du treillis métallique en amont. Le gradient de potentiel permet d'évaluer l'intensité des courants vagabonds dans le sol. Ces courants vagabonds constituent un facteur important de la corrosion des filets métalliques sur les pentes moyennes et amont, en particulier sur les pentes moyennes. La teneur totale en sels solubles dans les sols des talus supérieur, moyen et inférieur était supérieure à 500 mg/kg, et l'effet corrosif sur le filet de protection de talus était modéré. La teneur en eau du sol est un facteur important influençant la corrosion des treillis métalliques sur les pentes moyennes et aval, et a un impact plus important sur la corrosion des filets de protection de talus. Les nutriments sont plus abondants dans le sol de la pente moyenne, ce qui indique une activité microbienne fréquente et une croissance végétale rapide.
L'étude révèle que le potentiel de corrosion, le gradient de potentiel, la teneur totale en sels solubles et la teneur en eau sont les principaux facteurs influençant la corrosion des sols sur les trois talus, et que la corrosivité des sols est jugée élevée. La corrosion du réseau de protection des talus est la plus importante sur le talus médian, ce qui constitue une référence pour la conception anticorrosion des réseaux de protection des talus ferroviaires. Un apport approprié d'azote assimilable et d'engrais organique contribue à réduire la corrosion des sols, favorise la croissance des plantes et, in fine, stabilise le talus.
Comment citer cet article : Chen, J. et al.Effects of soil composition and electrochemistry on the corrosion of rock slope network along a Chinese railway line.science.Rep. 5, 14939; doi: 10.1038/srep14939 (2015).
Lin, YL & Yang, GL Caractéristiques dynamiques des talus de sous-couche ferroviaire sous l'effet d'une excitation sismique.natural disaster.69, 219–235 (2013).
Sui Wang, J. et al.Analyse des dommages typiques causés par les séismes aux autoroutes dans la zone touchée par le séisme de Wenchuan, province du Sichuan [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering.28, 1250–1260 (2009).
Weilin, Z., Zhenyu, L. & Jinsong, J. Analyse des dommages sismiques et contre-mesures des ponts routiers lors du tremblement de terre de Wenchuan. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering.28, 1377–1387 (2009).
Lin, CW, Liu, SH, Lee, SY & Liu, CC L'effet du tremblement de terre de Chichi sur les glissements de terrain induits par les précipitations ultérieures dans le centre de Taïwan.Engineering Geology.86, 87–101 (2006).
Koi, T. et al. Effets à long terme des glissements de terrain induits par les tremblements de terre sur la production de sédiments dans un bassin versant montagneux : région de Tanzawa, Japon. Geomorphology. 101, 692–702 (2008).
Hongshuai, L., Jingshan, B. et Dedong, L. Un examen des recherches sur l'analyse de la stabilité sismique des pentes géotechniques. Earthquake Engineering and Engineering Vibration.25, 164–171 (2005).
Yue Ping, Recherche sur les risques géologiques causés par le tremblement de terre de Wenchuan au Sichuan. Journal of Engineering Geology 4, 7–12 (2008).
Ali, F. Protection des pentes par la végétation : mécanique racinaire de certaines plantes tropicales. International Journal of Physical Sciences.5, 496–506 (2010).
Takyu, M., Aiba, SI & Kitayama, K. Effets topographiques sur les forêts tropicales de basse montagne dans différentes conditions géologiques du mont Kinabalu, Bornéo. Plant Ecology.159, 35–49 (2002).
Stokes, A. et al. Caractéristiques idéales des racines des plantes pour protéger les pentes naturelles et artificielles contre les glissements de terrain. Plants and Soils, 324, 1-30 (2009).
De Baets, S., Poesen, J., Gyssels, G. & Knapen, A. Effets des racines de l'herbe sur l'érodabilité du sol de surface pendant un écoulement concentré. Geomorphology 76, 54–67 (2006).