Nature.com'u ziyaret ettiğiniz için teşekkür ederiz. Kullandığınız tarayıcı sürümü CSS için sınırlı desteğe sahiptir. En iyi deneyim için, güncel bir tarayıcı kullanmanızı (veya Internet Explorer'da uyumluluk modunu kapatmanızı) öneririz. Bu arada, desteğin devamını sağlamak için siteyi stiller ve JavaScript olmadan görüntüleyeceğiz.
Sui-Chongqing demiryolu yamacı araştırma nesnesi olarak alınarak, toprak direnci, toprak elektrokimyası (korozyon potansiyeli, redoks potansiyeli, potansiyel gradyanı ve pH), toprak anyonları (toplam çözünür tuzlar, Cl-, SO42-) ve toprak besin maddeleri (nem içeriği, organik madde, toplam azot, alkali hidrolize azot, kullanılabilir fosfor, kullanılabilir potasyum) incelenmiş ve farklı yamaçlarda yapay toprak korozyon derecesi bireysel ve kapsamlı göstergelere göre değerlendirilmiştir. Diğer faktörlerle karşılaştırıldığında, suyun yamaç koruma ağının korozyonu üzerinde en büyük etkiye sahip olduğu, bunu anyon içeriğinin izlediği belirlenmiştir. Toplam çözünür tuzun yamaç koruma ağının korozyonu üzerinde orta derecede bir etkisi olduğu ve kaçak akımın da yamaç koruma ağının korozyonu üzerinde orta derecede bir etkiye sahip olduğu tespit edilmiştir. Toprak örneklerinin korozyon derecesi kapsamlı olarak değerlendirilmiş ve üst yamaçtaki korozyonun orta, orta ve alt yamaçlardaki korozyonun ise güçlü olduğu belirlenmiştir. Topraktaki organik madde, potansiyel gradyanı ile önemli ölçüde ilişkili bulunmuştur. Kullanılabilir azot, kullanılabilir potasyum ve kullanılabilir fosfor, anyonlarla önemli ölçüde ilişkili bulunmuştur. Toprak besin maddelerinin miktarı, eğim türüyle dolaylı olarak ilişkilidir.
Demiryolları, karayolları ve su koruma tesisleri inşa edilirken, dağlarda açıklıklar oluşturmak çoğu zaman kaçınılmazdır. Çin'in güneybatısındaki dağlar nedeniyle, demiryolu inşaatı dağlarda çok fazla kazı yapılmasını gerektirir. Bu durum, orijinal toprak ve bitki örtüsünü tahrip ederek, açıkta kalan kayalık yamaçlar oluşturur. Bu durum, heyelanlara ve toprak erozyonuna yol açarak demiryolu taşımacılığının güvenliğini tehdit eder. Heyelanlar, özellikle 12 Mayıs 2008 Wenchuan depreminden sonra, karayolu trafiği için kötü sonuçlar doğurmuştur. Heyelanlar, yaygın ve ciddi bir deprem felaketi haline gelmiştir. Sichuan Eyaleti'ndeki 4.243 kilometrelik önemli ana yolların 2008 yılındaki değerlendirmesinde, yol yataklarında ve şev istinat duvarlarında 1.736 şiddetli deprem felaketi tespit edilmiş olup, bu da değerlendirmenin toplam uzunluğunun %39,76'sını oluşturmaktadır. Yol hasarından kaynaklanan doğrudan ekonomik kayıplar 58 milyar yuanı aşmıştır. 2,3 Küresel örnekler, deprem sonrası jeolojik tehlikelerin en az 10 yıl (Tayvan depremi) ve hatta 40-50 yıla kadar (Japonya'daki Kanto depremi) sürebileceğini göstermektedir. 4,5 Eğim, deprem tehlikesini etkileyen ana faktördür. 6,7 Bu nedenle, yol şevini korumak ve stabilitesini güçlendirmek gereklidir. Bitkiler, şev korumasında ve ekolojik peyzaj restorasyonunda yeri doldurulamaz bir rol oynamaktadır. 8 Sıradan toprak şevlerine kıyasla, kaya şevlerinde organik madde, azot, fosfor ve potasyum gibi besin faktörlerinin birikimi yoktur ve bitki örtüsünün büyümesi için gerekli toprak ortamı bulunmamaktadır. Büyük eğim ve yağmur erozyonu gibi faktörler nedeniyle, Eğimli arazilerde toprak kolayca aşınır. Eğimli ortam serttir, bitki büyümesi için gerekli koşullar eksiktir ve eğimli toprak destekleyici stabiliteden yoksundur. Ülkemde yaygın olarak kullanılan bir eğim ekolojik restorasyon teknolojisi, eğimi korumak için toprağı örtmek üzere taban malzemesi ile eğime püskürtme yapmaktır. Püskürtme için kullanılan yapay toprak, belirli bir oranda kırılmış taş, tarım toprağı, saman, bileşik gübre, su tutucu madde ve yapıştırıcıdan (yaygın olarak kullanılan yapıştırıcılar arasında Portland çimentosu, organik tutkal ve asfalt emülgatörü bulunur) oluşur. Teknik işlem şöyledir: önce kayaya dikenli tel döşenir, ardından dikenli tel perçin ve ankraj cıvatalarıyla sabitlenir ve son olarak özel bir püskürtücü ile eğime tohum içeren yapay toprak püskürtülür. Çoğunlukla 5cm×5cm ağ standardına ve 2mm çapa sahip, tamamen galvanizli 14# elmas şekilli metal ağ kullanılır. Metal ağ, toprak matrisinin kaya yüzeyinde dayanıklı, yekpare bir levha oluşturmasını sağlar. Toprak kendi başına bir elektrolit olduğundan, metal ağ toprakta korozyona uğrayacaktır ve korozyon derecesi değişebilir. Toprağın özelliklerine bağlıdır. Toprak korozyon faktörlerinin değerlendirilmesi, toprak kaynaklı metal ağ erozyonunun değerlendirilmesi ve heyelan tehlikelerinin ortadan kaldırılması açısından büyük önem taşımaktadır.
Bitki köklerinin, eğim stabilizasyonu ve erozyon kontrolünde çok önemli bir rol oynadığına inanılmaktadır10,11,12,13,14. Sığ toprak kaymalarına karşı eğimleri stabilize etmek için bitki örtüsü kullanılabilir çünkü bitki kökleri toprağı sabitleyerek toprak kaymalarını önleyebilir15,16,17. Odunsu bitki örtüsü, özellikle ağaçlar, sığ toprak kaymalarını önlemeye yardımcı olur18. Bitkilerin dikey ve yanal kök sistemleri tarafından oluşturulan sağlam bir koruyucu yapı, toprakta takviye kazıkları gibi davranır. Kök mimarisi desenlerinin gelişimi genler tarafından yönlendirilir ve toprak ortamı bu süreçlerde belirleyici bir rol oynar. Metallerin korozyonu toprak ortamına göre değişir20. Topraktaki metallerin korozyon derecesi, oldukça hızlı çözünmeden ihmal edilebilir etkiye kadar değişebilir21. Yapay toprak, gerçek "topraktan" çok farklıdır. Doğal toprakların oluşumu, on milyonlarca yıl boyunca dış çevre ile çeşitli organizmalar arasındaki etkileşimlerin sonucudur22,23,24. Odunsu bitki örtüsü istikrarlı bir kök sistemi ve ekosistem oluşturmadan önce, metal ağın birleştirilmesi önemli bir faktördür. Kayalık yamaç ve yapay toprakla güvenli bir şekilde işlev görebilen alanlar, doğal ekonominin gelişmesi, can güvenliği ve ekolojik çevrenin iyileştirilmesiyle doğrudan ilişkilidir.
Ancak, metallerin korozyonu büyük kayıplara yol açabilir. 1980'lerin başlarında Çin'de kimya makineleri ve diğer endüstriler üzerine yapılan bir araştırmaya göre, metal korozyonundan kaynaklanan kayıplar toplam üretim değerinin %4'ünü oluşturmuştur. Bu nedenle, korozyon mekanizmasını incelemek ve ekonomik inşaat için koruyucu önlemler almak büyük önem taşımaktadır. Toprak, gazlar, sıvılar, katılar ve mikroorganizmalardan oluşan karmaşık bir sistemdir. Mikrobiyal metabolitler malzemeleri aşındırabilir ve kaçak akımlar da korozyona neden olabilir. Bu nedenle, toprağa gömülü metallerin korozyonunu önlemek önemlidir. Şu anda, gömülü metal korozyonu üzerine yapılan araştırmalar esas olarak (1) gömülü metal korozyonunu etkileyen faktörler25; (2) metal koruma yöntemleri26,27; (3) metal korozyon derecesinin değerlendirilmesi yöntemleri28; farklı ortamlardaki korozyon üzerine odaklanmaktadır. Bununla birlikte, çalışmadaki tüm topraklar doğal olup yeterli toprak oluşum süreçlerinden geçmiştir. Ancak, demiryolu kaya yamaçlarının yapay toprak erozyonuna ilişkin herhangi bir rapor bulunmamaktadır.
Diğer aşındırıcı ortamlara kıyasla, yapay toprak akışkan olmama, heterojenlik, mevsimsellik ve bölgesellik özelliklerine sahiptir. Yapay topraklardaki metal korozyonu, metaller ve yapay topraklar arasındaki elektrokimyasal etkileşimlerden kaynaklanır. İçsel faktörlere ek olarak, metal korozyon oranı çevresel faktörlere de bağlıdır. Nem içeriği, oksijen içeriği, toplam çözünür tuz içeriği, anyon ve metal iyon içeriği, pH, toprak mikropları gibi çeşitli faktörler tek başına veya birlikte metal korozyonunu etkiler.30,31,32
30 yıllık uygulamada, kayalık yamaçlardaki yapay toprakların kalıcı olarak nasıl korunacağı sorunu bir problem olmuştur.33 Toprak erozyonu nedeniyle, bazı yamaçlarda 10 yıllık manuel bakımdan sonra çalılar veya ağaçlar yetişememektedir. Metal ağın yüzeyindeki kir bazı yerlerde yıkanarak uzaklaştırılmıştır. Korozyon nedeniyle, bazı metal ağlar çatlamış ve üst ve altlarındaki tüm toprağı kaybetmiştir (Şekil 1). Şu anda, demiryolu yamaç korozyonu üzerine yapılan araştırmalar esas olarak demiryolu trafo merkezi topraklama şebekesinin korozyonuna, hafif raylı sistem tarafından üretilen kaçak akım korozyonuna ve demiryolu köprülerinin34,35, rayların ve diğer araç ekipmanlarının36 korozyonuna odaklanmaktadır. Demiryolu yamaç koruma metal ağının korozyonuna dair herhangi bir rapor bulunmamaktadır. Bu makale, Suiyu Demiryolu'nun güneybatı kaya yamacındaki yapay toprakların fiziksel, kimyasal ve elektrokimyasal özelliklerini inceleyerek, toprak özelliklerini değerlendirerek metal korozyonunu tahmin etmeyi ve toprak ekosistemi restorasyonu ve yapay restorasyon için teorik ve pratik bir temel sağlamayı amaçlamaktadır.
Deney alanı, Sichuan'ın (30°32′K, 105°32′D) Suining Tren İstasyonu yakınlarındaki tepelik bölgesinde yer almaktadır. Bölge, alçak dağlar ve tepelerle çevrili, basit jeolojik yapıya ve düz araziye sahip Sichuan Havzası'nın ortasında yer almaktadır. Erozyon, aşındırma ve su birikimi, aşınmış tepelik manzaralar oluşturmuştur. Ana kayaç esas olarak kireçtaşı, üst tabaka ise esas olarak mor kum ve çamurtaşından oluşmaktadır. Bütünlüğü zayıf olup, kayaç bloklu bir yapıya sahiptir. Çalışma alanı, erken ilkbahar, sıcak yaz, kısa sonbahar ve geç kış mevsim özelliklerine sahip subtropikal nemli muson iklimine sahiptir. Yağış bol, ışık ve ısı kaynakları bol, don olmayan dönem uzun (ortalama 285 gün), iklim ılıman, yıllık ortalama sıcaklık 17,4°C, en sıcak ayın (Ağustos) ortalama sıcaklığı 27,2°C ve en yüksek sıcaklık 39,3°C'dir. En soğuk ay Ocak ayıdır. (Ortalama sıcaklık 6,5°C), en düşük sıcaklık -3,8°C ve yıllık ortalama yağış miktarı 920 mm olup, yağışların büyük kısmı Temmuz ve Ağustos aylarında yoğunlaşmaktadır. İlkbahar, yaz, sonbahar ve kış aylarındaki yağış miktarları büyük ölçüde değişmektedir. Yılın her mevsimindeki yağış oranları sırasıyla %19-21, %51-54, %22-24 ve %4-5'tir.
Araştırma alanı, 2003 yılında inşa edilen Yu-Sui Demiryolu hattının yaklaşık 45° eğimli bir yamacıdır. Nisan 2012'de, Suining Tren İstasyonu'na 1 km mesafede, güneye bakan bir konumdaydı. Doğal eğim kontrol olarak kullanıldı. Eğimdeki ekolojik restorasyon, yabancı üst toprak püskürtme teknolojisi kullanılarak gerçekleştirildi. Demiryolu yan eğiminin yüksekliğine göre, eğim yukarı eğim, orta eğim ve aşağı eğim olarak ayrılabilir (Şekil 2). Kesilen eğimdeki yapay toprağın kalınlığı yaklaşık 10 cm olduğundan, toprak metal ağının korozyon ürünlerinin kirliliğini önlemek için, toprak yüzeyinden 0-8 cm'lik kısmı almak için sadece paslanmaz çelik bir kürek kullanıldı. Her eğim pozisyonu için dört tekrar yapıldı ve her tekrarda 15-20 rastgele örnekleme noktası belirlendi. Her tekrar, S şeklinde çizgi örnekleme noktalarından rastgele belirlenen 15-20 örneğin bir karışımıdır. Taze ağırlığı yaklaşık 500 gramdır. Örnekler, işleme için polietilen kilitli poşetlerde laboratuvara getirildi. Toprak doğal olarak havayla kurutuldu ve çakıl ile hayvan ve bitki kalıntıları ayıklandı, bir akik çubukla ezildi ve 20 mesh'lik bir elekten geçirildi. Kaba parçacıklar hariç, 100 gözenekli naylon elek kullanılmıştır.
Toprak özdirenci, Shengli Instrument Company tarafından üretilen VICTOR4106 topraklama direnci test cihazı ile sahada ölçülmüştür; Toprak nemi kurutma yöntemiyle ölçülmüştür. DMP-2 taşınabilir dijital mv/pH cihazı, toprak korozyon potansiyelini ölçmek için yüksek giriş empedansına sahiptir. Potansiyel gradyanı ve redoks potansiyeli DMP-2 taşınabilir dijital mv/pH ile belirlenmiştir, topraktaki toplam çözünür tuz kalıntı kurutma yöntemiyle belirlenmiştir, topraktaki klorür iyonu içeriği AgNO3 titrasyon yöntemiyle (Mohr yöntemi) belirlenmiştir, toprak sülfat içeriği dolaylı EDTA titrasyon yöntemiyle belirlenmiştir, toprak karbonat ve bikarbonatını belirlemek için çift indikatör titrasyon yöntemi kullanılmıştır, toprak organik maddesini belirlemek için potasyum dikromat oksidasyon ısıtma yöntemi kullanılmıştır, toprak alkali hidroliz azotunu belirlemek için alkali çözelti difüzyon yöntemi kullanılmıştır, H2SO4-HClO4 sindirim Mo-Sb kolorimetrik yöntemi kullanılmıştır. Topraktaki toplam fosfor ve topraktaki kullanılabilir fosfor içeriği Olsen yöntemiyle (ekstraktan olarak 0,05 mol/L NaHCO3 çözeltisi) belirlenmiştir ve topraktaki toplam potasyum içeriği sodyum hidroksit füzyon alev fotometrisi ile belirlenmiştir.
Deneysel veriler başlangıçta sistematize edildi. Ortalama, standart sapma, tek yönlü ANOVA ve insan korelasyon analizi için SPSS Statistics 20 kullanıldı.
Tablo 1, farklı eğimlere sahip toprakların elektromekanik özelliklerini, anyonlarını ve besin maddelerini sunmaktadır. Farklı eğimlerin korozyon potansiyeli, toprak direnci ve doğu-batı potansiyel gradyanı anlamlıydı (P < 0,05). Yokuş aşağı, orta eğimli ve doğal eğimli toprakların redoks potansiyelleri anlamlıydı (P < 0,05). Raylara dik potansiyel gradyanı, yani kuzey-güney potansiyel gradyanı, yokuş yukarı > yokuş aşağı > orta eğimli şeklindeydi. Toprak pH değeri yokuş aşağı > yokuş yukarı > orta eğimli > doğal eğimli şeklindeydi. Toplam çözünür tuz miktarı, doğal eğimli topraklarda demiryolu eğimli topraklara göre anlamlı derecede daha yüksekti (P ​​< 0,05). Üçüncü sınıf demiryolu eğimli toprağın toplam çözünür tuz içeriği 500 mg/kg'ın üzerindedir ve toplam çözünür tuzun metal korozyonu üzerinde orta derecede etkisi vardır. Toprak organik madde içeriği doğal eğimli topraklarda en yüksek, yokuş aşağı eğimli topraklarda ise en düşüktü (P < 0,05). Toplam azot içeriği orta eğimli topraklarda en yüksek, yokuş yukarı eğimli topraklarda ise en düşüktü. Eğim; mevcut azot içeriği, yamaç aşağı ve orta eğimde en yüksek, doğal eğimde ise en düşüktü; demiryolu yamaç yukarı ve aşağısının toplam azot içeriği daha düşüktü, ancak mevcut azot içeriği daha yüksekti. Bu, yamaç yukarı ve aşağı organik azot mineralizasyon hızının hızlı olduğunu gösterir. Mevcut potasyum içeriği, mevcut fosfor ile aynıdır.
Toprak direnci, elektriksel iletkenliği gösteren bir indekstir ve toprak korozyonunu değerlendirmek için temel bir parametredir. Toprak direncini etkileyen faktörler arasında nem içeriği, toplam çözünmüş tuz içeriği, pH, toprak dokusu, sıcaklık, organik madde içeriği, toprak sıcaklığı ve geçirgenlik bulunur. Genel olarak, düşük dirençli topraklar daha aşındırıcıdır ve bunun tersi de geçerlidir. Toprak korozyonunu değerlendirmek için direncin kullanılması, çeşitli ülkelerde yaygın olarak kullanılan bir yöntemdir. Tablo 1, her bir indeks için korozyon derecesi değerlendirme kriterlerini göstermektedir37,38.
Ülkemdeki test sonuçlarına ve standartlara göre (Tablo 1), toprak aşındırıcılığı yalnızca toprak direnci ile değerlendirilirse, yokuş yukarı eğimdeki toprak yüksek derecede aşındırıcıdır; yokuş aşağı eğimdeki toprak orta derecede aşındırıcıdır; orta eğim ve doğal eğimdeki toprak aşındırıcılığı ise nispeten düşük ve zayıftır.
Yukarı eğimin toprak direnci, eğimin diğer kısımlarına göre önemli ölçüde daha düşüktür; bu durum yağmur erozyonundan kaynaklanıyor olabilir. Yukarı eğimdeki üst toprak, suyla birlikte orta eğime doğru akar, bu nedenle yukarı eğimdeki metal eğim koruma ağı üst toprağa yakındır. Metal ağların bazıları açıkta kalmış ve hatta havada asılı kalmıştır (Şekil 1). Toprak direnci yerinde ölçülmüştür; kazık aralığı 3 m; kazık çakma derinliği 15 cm'nin altındadır. Çıplak metal ağ ve soyulan pas, ölçüm sonuçlarını etkileyebilir. Bu nedenle, toprak korozyonunu yalnızca toprak direnci indeksiyle değerlendirmek güvenilir değildir. Korozyonun kapsamlı değerlendirmesinde, yukarı eğimin toprak direnci dikkate alınmamıştır.
Sichuan bölgesindeki yüksek bağıl nem nedeniyle, sürekli nemli hava, havaya maruz kalan metal ağın, toprağa gömülü metal ağdan daha ciddi şekilde aşınmasına neden olur.39 Tel ağın havaya maruz kalması, kullanım ömrünün azalmasına ve yamaçtaki toprakların dengesizleşmesine yol açabilir. Toprak kaybı, özellikle odunsu bitkilerin büyümesini zorlaştırabilir. Odunsu bitkilerin azlığı nedeniyle, toprağı sağlamlaştırmak için yamaçta kök sistemi oluşturmak zordur. Aynı zamanda, bitki büyümesi toprak kalitesini iyileştirebilir ve topraktaki humus içeriğini artırabilir; bu da sadece suyu tutmakla kalmaz, aynı zamanda hayvan ve bitkilerin büyümesi ve üremesi için iyi bir ortam sağlayarak toprak kaybını azaltır. Bu nedenle, inşaatın erken aşamasında, yamaç yukarı daha fazla odunsu tohum ekilmeli ve su tutucu madde sürekli olarak eklenmeli ve koruma için filmle örtülmelidir, böylece yamaçtaki toprağın yağmur suyuyla aşınması azaltılır.
Korozyon potansiyeli, üç seviyeli eğimde eğim koruma ağının korozyonunu etkileyen önemli bir faktördür ve en büyük etkiyi yokuş yukarı eğimde gösterir (Tablo 2). Normal koşullar altında, korozyon potansiyeli belirli bir ortamda fazla değişmez. Kaçak akımlar belirgin bir değişikliğe neden olabilir. Kaçak akımlar, araçlar toplu taşıma sistemini kullandığında yol yatağına ve toprak ortamına sızan akımları ifade eder. Ulaşım sisteminin gelişmesiyle birlikte, ülkemizin demiryolu ulaşım sistemi büyük ölçekli elektrifikasyona ulaşmıştır ve elektrikli demiryollarından kaynaklanan doğru akım kaçağının neden olduğu gömülü metallerin korozyonu göz ardı edilemez. Şu anda, toprak potansiyel gradyanı, toprağın kaçak akım bozulmaları içerip içermediğini belirlemek için kullanılabilir. Yüzey toprağının potansiyel gradyanı 0,5 mV/m'den düşük olduğunda, kaçak akım düşüktür; potansiyel gradyanı 0,5 mV/m ile 5,0 mV/m aralığında olduğunda, kaçak akım orta düzeydedir; Potansiyel gradyanı 5,0 mV/m'den büyük olduğunda, kaçak akım seviyesi yüksektir. Orta eğim, yukarı eğim ve aşağı eğimin potansiyel gradyanının (EW) yüzer aralığı Şekil 3'te gösterilmiştir. Yüzer aralık açısından, orta eğimin doğu-batı ve kuzey-güney yönlerinde orta derecede kaçak akımlar vardır. Bu nedenle, kaçak akım, özellikle orta eğimde olmak üzere, orta ve aşağı eğimdeki metal ağların korozyonunu etkileyen önemli bir faktördür.
Genel olarak, 400 mV'nin üzerindeki toprak redoks potansiyeli (Eh) oksitleyici yeteneği, 0-200 mV arası orta derecede indirgeyici yeteneği ve 0 mV'nin altı yüksek derecede indirgeyici yeteneği gösterir. Toprak redoks potansiyeli ne kadar düşükse, toprak mikroorganizmalarının metallere karşı korozyon yeteneği o kadar büyük olur. Toprak mikrobiyal korozyonunun eğilimini redoks potansiyelinden tahmin etmek mümkündür. Çalışma, üç eğimin toprak redoks potansiyelinin 500 mV'den büyük olduğunu ve korozyon seviyesinin çok düşük olduğunu bulmuştur. Bu, eğimli arazinin toprak havalandırma koşullarının iyi olduğunu ve topraktaki anaerobik mikroorganizmaların korozyonuna elverişli olmadığını göstermektedir.
Önceki çalışmalar, toprak pH'sının toprak erozyonu üzerindeki etkisinin belirgin olduğunu ortaya koymuştur. pH değerindeki dalgalanmalarla birlikte metal malzemelerin korozyon oranı önemli ölçüde etkilenir. Toprak pH'sı, bölge ve topraktaki mikroorganizmalarla yakından ilişkilidir45,46,47. Genel olarak, hafif alkali topraklarda toprak pH'sının metal malzemelerin korozyonu üzerindeki etkisi belirgin değildir. Üç demiryolu yamacının topraklarının tamamı alkalidir, bu nedenle pH'nın metal ağın korozyonu üzerindeki etkisi zayıftır.
Tablo 3'ten görülebileceği gibi, korelasyon analizi, redoks potansiyeli ve eğim pozisyonunun anlamlı derecede pozitif korelasyon gösterdiğini (R2 = 0,858), korozyon potansiyeli ve potansiyel gradyanının (SN) anlamlı derecede pozitif korelasyon gösterdiğini (R2 = 0,755) ve redoks potansiyeli ile potansiyel gradyanının (SN) anlamlı derecede pozitif korelasyon gösterdiğini (R2 = 0,755) ortaya koymaktadır. Potansiyel ile pH arasında anlamlı negatif bir korelasyon vardı (R2 = -0,724). Eğim pozisyonu, redoks potansiyeli ile anlamlı pozitif bir korelasyon gösterdi. Bu, farklı eğim pozisyonlarının mikroortamında farklılıklar olduğunu ve toprak mikroorganizmalarının redoks potansiyeli ile yakından ilişkili olduğunu göstermektedir48, 49, 50. Redoks potansiyeli, pH ile anlamlı negatif bir korelasyon gösterdi51,52. Bu ilişki, pH ve Eh değerlerinin toprak redoks süreci sırasında her zaman senkronize olarak değişmediğini, ancak negatif doğrusal bir ilişkiye sahip olduğunu gösterdi. Metal korozyon potansiyeli, elektron kazanma ve kaybetme yeteneğini temsil edebilir. Korozyon potansiyeli, potansiyel gradyanı (SN) ile anlamlı pozitif bir korelasyon gösterse de, potansiyel gradyanı metalin elektronları kolayca kaybetmesinden kaynaklanabilir.
Toprağın toplam çözünür tuz içeriği, toprak korozyonuna yakından bağlıdır. Genel olarak, toprak tuzluluğu ne kadar yüksekse, toprak direnci o kadar düşük olur ve böylece toprak direnci artar. Toprak elektrolitlerinde, sadece anyonlar ve değişen aralıklar değil, aynı zamanda korozyonu etkileyen başlıca unsurlar karbonatlar, klorürler ve sülfatlardır. Ek olarak, topraktaki toplam çözünür tuz içeriği, metallerdeki elektrot potansiyelinin etkisi ve toprak oksijen çözünürlüğü gibi diğer faktörlerin etkisiyle dolaylı olarak korozyonu etkiler.
Topraktaki çözünmüş tuz iyonlarının çoğu doğrudan elektrokimyasal reaksiyonlara katılmaz, ancak toprak direnci yoluyla metal korozyonunu etkiler. Toprak tuzluluğu ne kadar yüksekse, toprak iletkenliği ve toprak erozyonu da o kadar güçlü olur. Doğal yamaçların toprak tuzluluk içeriği, demiryolu yamaçlarına göre önemli ölçüde daha yüksektir; bunun nedeni, doğal yamaçların toprak ve su korumasına elverişli olan bitki örtüsü bakımından zengin olması olabilir. Bir diğer neden ise, doğal yamacın olgun toprak oluşumuna (kaya aşınmasıyla oluşan toprak ana maddesi) sahip olması, demiryolu yamacı toprağının ise "yapay toprak" matrisi olarak kırılmış taş parçalarından oluşması ve yeterli toprak oluşum sürecinden geçmemiş olması olabilir. Mineraller salınmaz. Ayrıca, doğal yamaçların derin toprağındaki tuz iyonları, yüzey buharlaşması sırasında kılcal etkiyle yükselerek yüzey toprağında birikir ve bu da yüzey toprağındaki tuz iyonu içeriğinin artmasına neden olur. Demiryolu yamacının toprak kalınlığı 20 cm'den az olduğundan, üst toprak derin topraktan tuz takviyesi yapamaz.
Pozitif iyonlar (K+, Na+, Ca2+, Mg2+, Al3+, vb.) toprak korozyonu üzerinde az etkiye sahipken, anyonlar korozyonun elektrokimyasal sürecinde önemli bir rol oynar ve metal korozyonu üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Cl−, anot korozyonunu hızlandırabilir ve en aşındırıcı anyondur; Cl− içeriği ne kadar yüksekse, toprak korozyonu o kadar güçlü olur. SO42− sadece çeliğin korozyonunu teşvik etmekle kalmaz, aynı zamanda bazı beton malzemelerinde de korozyona neden olur54. Ayrıca demiri de aşındırır. Bir dizi asidik toprak deneyinde, korozyon oranının toprak asitliğiyle orantılı olduğu bulunmuştur55. Klorür ve sülfat, metallerin kavitasyonunu doğrudan hızlandırabilen çözünür tuzların ana bileşenleridir. Çalışmalar, alkali topraklarda karbon çeliğinin korozyon ağırlık kaybının, klorür ve sülfat iyonlarının ilavesiyle neredeyse orantılı olduğunu göstermiştir56,57. Lee vd. SO42- iyonunun korozyonu engelleyebileceğini, ancak halihazırda oluşmuş korozyon çukurlarının gelişimini teşvik edebileceğini buldu58.
Toprak aşındırıcılığı değerlendirme standardı ve test sonuçlarına göre, her bir eğimli toprak örneğindeki klorür iyonu içeriği 100 mg/kg'ın üzerinde olup, toprağın güçlü aşındırıcılığını göstermektedir. Hem yukarı hem de aşağı eğimli topraklarda sülfat iyonu içeriği 200 mg/kg'ın üzerinde ve 500 mg/kg'ın altında olup, toprak orta derecede aşınmıştır. Orta eğimli topraktaki sülfat iyonu içeriği 200 mg/kg'dan düşük olup, toprak aşındırıcılığı zayıftır. Toprak ortamında yüksek konsantrasyon bulunduğunda, reaksiyona katılır ve metal elektrotun yüzeyinde korozyon tabakası oluşturarak korozyon reaksiyonunu yavaşlatır. Konsantrasyon arttıkça, tabaka aniden kırılabilir ve böylece korozyon hızı büyük ölçüde hızlanabilir; konsantrasyon artmaya devam ettikçe, korozyon tabakası metal elektrotun yüzeyini kaplar ve korozyon hızı tekrar yavaşlama eğilimi gösterir.59 Çalışma, topraktaki miktarın daha düşük olduğunu ve bu nedenle korozyon üzerinde az etkisi olduğunu bulmuştur.
Tablo 4'e göre, eğim ile toprak anyonları arasındaki korelasyon, eğim ile klorür iyonları arasında anlamlı pozitif bir korelasyon (R2=0,836) ve eğim ile toplam çözünür tuzlar arasında anlamlı pozitif bir korelasyon (R2=0,742) olduğunu göstermiştir.
Bu durum, yüzey akışı ve toprak erozyonunun topraktaki toplam çözünür tuzlardaki değişikliklerden sorumlu olabileceğini düşündürmektedir. Toplam çözünür tuzlar ile klorür iyonları arasında anlamlı bir pozitif korelasyon bulunmuştur; bunun nedeni, toplam çözünür tuzların klorür iyonlarının havuzu olması ve toplam çözünür tuz içeriğinin toprak çözeltilerindeki klorür iyonlarının içeriğini belirlemesi olabilir. Bu nedenle, eğimdeki farklılığın metal ağ parçasının ciddi korozyonuna neden olabileceğini anlayabiliriz.
Organik madde, toplam azot, kullanılabilir azot, kullanılabilir fosfor ve kullanılabilir potasyum, toprak kalitesini ve kök sistemi tarafından besin emilimini etkileyen toprağın temel besin maddeleridir. Toprak besin maddeleri, topraktaki mikroorganizmaları etkileyen önemli bir faktördür; bu nedenle, toprak besin maddeleri ile metal korozyonu arasında bir ilişki olup olmadığını incelemek önemlidir. Suiyu Demiryolu 2003 yılında tamamlanmıştır, bu da yapay toprağın sadece 9 yıllık organik madde birikimine sahip olduğu anlamına gelir. Yapay toprağın özgünlüğü nedeniyle, yapay topraktaki besin maddelerini iyi anlamak gereklidir.
Araştırmalar, toprak oluşum sürecinin tamamından sonra doğal eğimli topraklarda organik madde içeriğinin en yüksek olduğunu göstermektedir. Düşük eğimli topraklarda ise organik madde içeriği en düşüktür. Ayrışma ve yüzey akışının etkisiyle, toprak besin maddeleri orta ve aşağı eğimli bölgelerde birikerek kalın bir humus tabakası oluşturur. Ancak, düşük eğimli toprakların küçük parçacıkları ve düşük stabilitesi nedeniyle, organik madde mikroorganizmalar tarafından kolayca parçalanır. Araştırmada, orta ve aşağı eğimli bölgelerdeki bitki örtüsü yoğunluğu ve çeşitliliğinin yüksek, ancak homojenliğin düşük olduğu, bunun da yüzey besin maddelerinin düzensiz dağılımına yol açabileceği bulunmuştur. Kalın bir humus tabakası suyu tutar ve toprak organizmaları aktiftir. Tüm bunlar, topraktaki organik maddenin ayrışmasını hızlandırır.
Yukarı eğimli, orta eğimli ve aşağı eğimli demiryollarının alkali hidrolize azot içeriği, doğal eğime göre daha yüksekti; bu da demiryolu eğiminin organik azot mineralizasyon oranının doğal eğime göre önemli ölçüde daha yüksek olduğunu göstermektedir. Parçacıklar ne kadar küçükse, toprak yapısı o kadar kararsız olur, mikroorganizmaların agregatlardaki organik maddeyi ayrıştırması o kadar kolaylaşır ve mineralize organik azot havuzu o kadar büyük olur.60,61 Çalışmanın sonuçlarıyla tutarlı olarak, demiryolu eğimlerinin toprağındaki küçük parçacık agregatlarının içeriği, doğal eğimlere göre önemli ölçüde daha yüksekti. Bu nedenle, demiryolu eğiminin toprağındaki gübre, organik madde ve azot içeriğini artırmak ve toprağın sürdürülebilir kullanımını iyileştirmek için uygun önlemler alınmalıdır. Yüzey akışı nedeniyle oluşan kullanılabilir fosfor ve kullanılabilir potasyum kaybı, demiryolu eğiminin toplam kaybının %77,27 ila %99,79'unu oluşturmaktadır. Yüzey akışı, eğimdeki kullanılabilir besin kaybının ana etkeni olabilir. topraklar63,64,65.
Tablo 4'te gösterildiği gibi, eğim konumu ile kullanılabilir fosfor arasında anlamlı pozitif bir korelasyon (R2=0,948) ve eğim konumu ile kullanılabilir potasyum arasında da aynı korelasyon (R2=0,898) bulunmuştur. Bu, eğim konumunun topraktaki kullanılabilir fosfor ve kullanılabilir potasyum içeriğini etkilediğini göstermektedir.
Eğim, toprak organik madde içeriği ve azot zenginleşmesini etkileyen önemli bir faktördür66 ve eğim ne kadar küçükse, zenginleşme oranı o kadar yüksek olur. Toprak besin zenginleşmesi için besin kaybı zayıflamış ve eğim konumunun toprak organik madde içeriği ve toplam azot zenginleşmesi üzerindeki etkisi belirgin olmamıştır. Farklı eğimlerdeki farklı bitki türleri ve sayıları, bitki kökleri tarafından salgılanan farklı organik asitlere sahiptir. Organik asitler, topraktaki kullanılabilir fosfor ve kullanılabilir potasyumun fiksasyonuna faydalıdır. Bu nedenle, eğim konumu ile kullanılabilir fosfor ve eğim konumu ile kullanılabilir potasyum arasında önemli bir ilişki vardır.
Toprak besin maddeleri ve toprak erozyonu arasındaki ilişkiyi açıklığa kavuşturmak için korelasyonun analiz edilmesi gereklidir. Tablo 5'te gösterildiği gibi, redoks potansiyeli, kullanılabilir azot ile anlamlı derecede negatif korelasyon (R2 = -0,845) ve kullanılabilir fosfor (R2 = 0,842) ve kullanılabilir potasyum (R2 = 0,980) ile anlamlı derecede pozitif korelasyon göstermiştir. Redoks potansiyeli, genellikle toprağın bazı fiziksel ve kimyasal özelliklerinden etkilenen ve daha sonra toprağın bir dizi özelliğini etkileyen redoks kalitesini yansıtır. Bu nedenle, toprak besin maddesi dönüşümünün yönünü belirlemede önemli bir faktördür67. Farklı redoks kaliteleri, besin faktörlerinin farklı durumlarına ve kullanılabilirliğine yol açabilir. Bu nedenle, redoks potansiyeli, kullanılabilir azot, kullanılabilir fosfor ve kullanılabilir potasyum ile anlamlı bir korelasyona sahiptir.
Metal özelliklerine ek olarak, korozyon potansiyeli toprak özellikleriyle de ilişkilidir. Korozyon potansiyeli, organik madde ile önemli ölçüde negatif korelasyon göstermiş olup, bu da organik maddenin korozyon potansiyeli üzerinde önemli bir etkisi olduğunu göstermektedir. Ayrıca, organik madde, potansiyel gradyanı (SN) (R2=-0.713) ve sülfat iyonu (R2=-0.671) ile de önemli ölçüde negatif korelasyon göstermiş olup, bu da organik madde içeriğinin potansiyel gradyanı (SN) ve sülfat iyonunu da etkilediğini göstermektedir. Toprak pH'ı ile kullanılabilir potasyum arasında da önemli bir negatif korelasyon bulunmuştur (R2 = -0.728).
Kullanılabilir azot, toplam çözünür tuzlar ve klorür iyonlarıyla önemli ölçüde negatif korelasyon gösterirken, kullanılabilir fosfor ve kullanılabilir potasyum, toplam çözünür tuzlar ve klorür iyonlarıyla önemli ölçüde pozitif korelasyon göstermiştir. Bu, kullanılabilir besin içeriğinin topraktaki toplam çözünür tuzlar ve klorür iyonlarının miktarını önemli ölçüde etkilediğini ve topraktaki anyonların kullanılabilir besinlerin birikimi ve sağlanmasına elverişli olmadığını göstermiştir. Toplam azot, sülfat iyonu ile önemli ölçüde negatif korelasyon gösterirken, bikarbonat ile önemli ölçüde pozitif korelasyon göstermiştir; bu da toplam azotun sülfat ve bikarbonat içeriği üzerinde etkili olduğunu göstermektedir. Bitkilerin sülfat iyonlarına ve bikarbonat iyonlarına olan talebi azdır, bu nedenle bunların çoğu toprakta serbest halde bulunur veya toprak kolloidleri tarafından emilir. Bikarbonat iyonları toprakta azot birikimini desteklerken, sülfat iyonları toprakta azotun kullanılabilirliğini azaltır. Bu nedenle, toprakta kullanılabilir azot ve humus içeriğini uygun şekilde artırmak, toprak aşındırıcılığını azaltmak için faydalıdır.
Toprak, karmaşık bileşim ve özelliklere sahip bir sistemdir. Toprak korozyonu, birçok faktörün sinerjik etkisinin sonucudur. Bu nedenle, toprak korozyonunu değerlendirmek için genellikle kapsamlı bir değerlendirme yöntemi kullanılır. “Jeoteknik Mühendislik Araştırmaları Kodu” (GB50021-94) ve Çin Toprak Korozyon Test Ağı'nın test yöntemlerine atıfta bulunarak, toprak korozyon derecesi aşağıdaki standartlara göre kapsamlı olarak değerlendirilebilir: (1) Değerlendirme zayıf korozyondur; yalnızca zayıf korozyon varsa, orta veya şiddetli korozyon yoktur; (2) şiddetli korozyon yoksa, orta korozyon olarak değerlendirilir; (3) bir veya iki yerde şiddetli korozyon varsa, şiddetli korozyon olarak değerlendirilir; (4) 3 veya daha fazla yerde şiddetli korozyon varsa, şiddetli korozyon veya ağır korozyon olarak değerlendirilir.
Toprak direnci, redoks potansiyeli, su içeriği, tuz içeriği, pH değeri ve Cl- ve SO42- içeriğine göre, çeşitli eğimlerdeki toprak örneklerinin korozyon dereceleri kapsamlı bir şekilde değerlendirilmiştir. Araştırma sonuçları, tüm eğimlerdeki toprakların yüksek derecede aşındırıcı olduğunu göstermektedir.
Eğim koruma ağının korozyonunu etkileyen önemli bir faktör korozyon potansiyelidir. Üç eğimin de korozyon potansiyelleri -200 mV'den düşüktür ve bu durum, yukarı eğimli metal ağın korozyonunu en çok etkiler. Potansiyel gradyanı, topraktaki kaçak akımın büyüklüğünü değerlendirmek için kullanılabilir. Kaçak akım, özellikle orta eğimli ve yukarı eğimli yamaçlarda metal ağın korozyonunu etkileyen önemli bir faktördür. Yukarı, orta ve aşağı eğimli yamaçların topraklarındaki toplam çözünür tuz içeriği 500 mg/kg'ın üzerindedir ve eğim koruma ağı üzerindeki korozyon etkisi orta düzeydedir. Toprak su içeriği, orta eğimli ve aşağı eğimli yamaçlardaki metal ağların korozyonunu etkileyen önemli bir faktördür ve eğim koruma ağlarının korozyonunu daha çok etkiler. Besin maddeleri orta eğimli toprakta en bol miktarda bulunur, bu da sık mikrobiyal aktivite ve hızlı bitki büyümesinin olduğunu gösterir.
Araştırma, korozyon potansiyeli, potansiyel eğim, toplam çözünebilir tuz içeriği ve su içeriğinin üç eğimde de toprak korozyonunu etkileyen ana faktörler olduğunu ve toprak korozyonunun güçlü olarak değerlendirildiğini göstermektedir. Eğim koruma ağının korozyonu, orta eğimde en ciddi düzeydedir ve bu durum, demiryolu eğim koruma ağının korozyon önleyici tasarımı için bir referans sağlamaktadır. Uygun miktarda kullanılabilir azot ve organik gübre ilavesi, toprak korozyonunu azaltmaya, bitki büyümesini kolaylaştırmaya ve nihayetinde eğimi stabilize etmeye yardımcı olur.
Bu makaleye nasıl atıfta bulunulur: Chen, J. vd. Çin demiryolu hattı boyunca kaya yamaç ağının korozyonunda toprak bileşiminin ve elektrokimyanın etkileri. Science.Rep. 5, 14939; doi: 10.1038/srep14939 (2015).
Lin, YL & Yang, GL Deprem uyarımı altında demiryolu alt temel eğimlerinin dinamik özellikleri. Doğal afet. 69, 219–235 (2013).
Sui Wang, J. ve diğerleri.Sichuan Eyaleti Wenchuan deprem bölgesinde karayollarının tipik deprem hasarının analizi[J]. Çin Kaya Mekaniği ve Mühendisliği Dergisi.28, 1250–1260 (2009).
Weilin, Z., Zhenyu, L. ve Jinsong, J. Wenchuan depreminde karayolu köprülerinin sismik hasar analizi ve karşı önlemleri. Çin Kaya Mekaniği ve Mühendisliği Dergisi. 28, 1377–1387 (2009).
Lin, CW, Liu, SH, Lee, SY & Liu, CC Chichi depreminin orta Tayvan'da daha sonraki yağışların neden olduğu heyelanlar üzerindeki etkisi. Mühendislik Jeolojisi. 86, 87–101 (2006).
Koi, T. ve diğerleri. Bir dağ havzasında deprem kaynaklı heyelanların sediment üretimi üzerindeki uzun vadeli etkileri: Tanzawa bölgesi, Japonya. jeomorfoloji. 101, 692–702 (2008).
Hongshuai, L., Jingshan, B. ve Dedong, L. Jeoteknik yamaçların sismik stabilite analizi üzerine yapılan araştırmaların bir incelemesi. Deprem Mühendisliği ve Mühendislik Titreşimi. 25, 164–171 (2005).
Yue Ping, Sichuan'daki Wenchuan depreminin neden olduğu jeolojik tehlikeler üzerine araştırma. Mühendislik Jeolojisi Dergisi 4, 7–12 (2008).
Ali, F. Bitki örtüsü ile eğim koruması: bazı tropikal bitkilerin kök mekaniği. Uluslararası Fizik Bilimleri Dergisi. 5, 496–506 (2010).
Takyu, M., Aiba, SI & Kitayama, K. Borneo'daki Kinabalu Dağı'nda farklı jeolojik koşullar altında tropikal alçak dağ ormanları üzerindeki topografik etkiler. Bitki Ekolojisi. 159, 35–49 (2002).
Stokes, A. ve diğerleri. Doğal ve yapay yamaçları heyelanlardan korumak için ideal bitki kök özellikleri. Bitkiler ve Topraklar, 324, 1-30 (2009).
De Baets, S., Poesen, J., Gyssels, G. & Knapen, A. Yoğun akış sırasında çim köklerinin üst toprak erozyonuna etkileri. Jeomorfoloji 76, 54–67 (2006).