随着我国经济的快速增长，矿石资源的需求量越来越大，在此背景下，露天开采技术凭借成本低、见效快等优势得到迅速发展，并取得显著成果（昌正林，2023）。作为露天采矿废弃物排放大国，我国40%~60%的采矿用地均被排土场所占用，且占用面积以每年340 km²的速度持续增长（幸贞雄等，2016）。排土场是露天采矿不可避免的产物，是采矿剥离和掘进过程中所排放废弃物的集中堆放地（王君，2013）。随着矿石资源开发力度的不断加大，许多大型露采矿区逐渐转入深部开采，使得开采过程中产生的弃土越来越多，为最大限度地减少排土场占地面积，排土场的堆积高度不断增加，且排土场作为大型的人工松散岩土堆积体，与原岩相比，更易遭受沉降、失稳和滑坡等地质灾害的威胁（廖永波等，2023）。因此，为保障矿山生产安全及保护周边居民生命财产安全，必须对矿区排土场边坡进行治理。

目前，国内外学者在矿区排土场边坡治理的研究中，着重关注生态修复过程中植物对土质的改善。众多学者普遍认为生态修复是提高土壤养分、改善土壤质量和预防水土流失等地质灾害的有效措施（Wu et al.，2014；Ranjan et al.，2015；Liu et al.，2017）。Vogel（1981）认为土壤中的有机物、速效钾和全氮等元素的浓度随种植年限的延长而显著增大，并逐步趋近于原始土壤质地的标准。生态修复主要用于边坡修复，而矿区的生态修复主要集中在排土场边坡。已有关于排土场边坡治理的研究侧重于不同植物的配置。如：Zhang et al.（2015）通过研究人工种植的草本、乔木以及乔木与草本3种不同的植被配置组合对排土场边坡径流和侵蚀的影响，提出生长期为5年的乔木与草本组合在防治坡面径流和土壤侵蚀方面效果显著，与裸坡相比，分别降低了62.9%和76.9%。闫聪等（2022）将草本垂穗披碱草和冷地早熟禾组合种植并进行物理力学试验，提出组合种植草本的根系能够显著提高排土场边坡土体的抗剪强度，其中根—土复合体的黏聚力增大了1.18~10.58 kPa，增幅为5.77%~62.11%。为研究植物根—土复合体的力学性能，尽可能避免自然环境和人为因素对试验结果的影响，诸多学者开展了大量的室内外剪切试验。其中，部分学者通过对乔木与黄檀根—土复合体进行原位剪切试验研究，发现乔木根土复合体的抗剪强度随着深度的增加而减小，而黄檀根—土复合体的黏聚力较素土提高了30 kPa，内摩擦角提高了2°（Rai et al.，2011；Ranjan et al.，2017）。另外，根土复合体在不同受力方向下的强度也会有所差异，如杨悦舒等（2014）通过对不同含根量的多花木蓝根—土复合体进行直剪试验，发现含根试样的抗剪强度均大于素土试样，提出根系能使土体的抗剪强度显著提高。此外，陆桂红等（2014）通过对植物根系抗拉特性进行研究发现，植物根系的抗拉力随着根径的增大而增大，并提出植物根系对边坡浅层土体的稳固以及坡面生态修复等水土保持具有积极的影响。

综上所述，现阶段研究主要聚焦在矿区排土场边坡的生态修复策略，如植物的配置、植物对土质的改善和根土复合体的力学性能试验等方面，并取得了诸多研究成果。然而，在矿区排土场的生态修复过程中，关于如何通过植物根系来增强排土场边坡土体的抗剪强度，以及边坡土体的物理力学参数和植物根系数量对抗剪强度的影响等方面，已有研究中对根系生长后形成的根土复合体的力学特性鲜有研究，根土复合体的力学特征对矿区排土场边坡放坡坡度及工程防护等方面至关重要，准确的根土复合体力学参数可为矿区边坡防护提供重要的技术支撑。基于此，本文选取内蒙古鄂尔多斯市伊金霍洛旗纳林陶亥镇矿区排土场作为试验区，通过设置素土与不同含根量的沙柳根—土复合体进行大型直剪试验，并使用SPSS软件进行Pearson相关性分析，基于试验及分析结果，深入探究沙柳根系固土的机理，以及根系如何提高土体抗剪强度，以期为相似地区进行防治浅层滑坡、水土流失等灾害，以及提升排土场边坡稳定性提供科学依据。

研究区位于内蒙古自治区鄂尔多斯市伊金霍洛旗纳林陶亥镇露天矿区排土场（图1），该地区地处窟野河流域上游，地势南低北高，属于典型的丘陵沟壑地区。平均海拔约为1 268 m，属于温带大陆性季风气候，降水少而集中，降雨大多集中在7~8月，年平均降水量为320 mm，气候干燥，寒暑变化剧烈。

排土场边坡是一种人工松散岩土堆积体，其中掺杂着大量渣土、粉砂质块石等废弃物，坡度约为40°，坡高约为17 m。在矿区排土场边坡多个点位处用环刀进行取样，并密封保存带回实验室，采用烘干法测得土样平均含水率为10%，采用蜡封法测得平均干密度为1.53 g/cm³，使用激光粒度分析仪测得不同位置处不同粒径土体颗粒含量如图2所示。由于粒径小于0.005 mm的颗粒含量为14.4%，因此由粉土的划分（上海现代建筑设计（集团）有限公司，2010）可知，矿区排土场边坡土体属于黏质粉土。土样基本物理性质如表1所示。

将带回的试验区土壤先放置在烘箱进行烘干，再碾散、过筛，加入蒸馏水，控制含水率为10%，干密度为1.53 g/cm³（表1），将土壤充分拌匀，用密封袋润湿一昼夜后，将其填充到内径为300 mm、高度为300 mm的亚克力材质的圆柱形桶内。把沙柳幼苗移栽到填好土的试样中，并将沙柳进行修剪，以满足试验剪切盒的尺寸，同时保留不种植物的素土，作为大型直剪试验的对照试样。将所有试样养护一段时间，根据当地的自然降雨量和降雨次数进行浇水，然后将所有试样放置于自然阳光照射到的室内进行培育，对沙柳根系进行观测，并记录根系形态及生长发育情况。在种植培育3个月后，进行沙柳根土复合体的大型直剪试验。由图3可知，沙柳根系在吸收水分与营养养分的过程中生长发育，并产生有机质，有机质将周围的土颗粒胶结，达到根系固土的效果。排土场边坡剖面示意图如图4所示。选择沙柳作为试验所用植物，沙柳拥有出色的水土保持和防治浅层滑坡（图5）的能力，被我国广泛应用于边坡生态防护中。

由于沙柳根系较粗，根系的影响范围较大，传统直剪仪剪切盒（61.8 mm×20 mm）太小，不能反映土体的实际情况，会影响试验结果的准确性。相比之下，大型直剪试验使用大尺寸试样（300 mm×300 mm），对土体的扰动较小。为此，本文对没有植物根系加固的素土试样和有植物根系加固的根—土复合体试样分别进行大型直剪试验，研究植物根系对土体的加筋作用。原位剪切试验结果更加符合工程实际情况，但试验过程中需要开挖沟槽和设置反力架等，因矿区正在开采，出于安全考虑，不允许在排土场边坡进行试验。因此，进行沙柳根—土复合体的抗剪强度研究时采用由南京土壤仪器厂有限公司生产的DZJ-30型应变控制式大型直剪仪（图6），剪切盒为高度300 mm、直径300 mm的圆柱体，符合交通部标准《公路工程土工合成材料试验规程》（中华人民共和国交通部公路科学研究院，2006）和《土工布及其有关产品摩擦特性的测定第1部分（直接剪切试验）》（国家质量技术监督局，1998）中对于剪切盒尺寸的相关要求。根据现场调查，研究区边坡种植沙柳时采用“沙障”排布形式（图7），为还原真实工况，采用图8中的沙柳根系排布方式，其排布方式符合《流动沙地沙障设置技术规程》（全国防沙治沙标准化技术委员会，2018）中的相关要求。对没有植物根系加固的素土试样和有植物根系加固的根—土复合体试样分级施加50 kPa、100 kPa和150 kPa的垂直应力，剪切速率设置为0.8 mm/min，剪切至剪切力无峰值时停止。剪应力和剪应变计算公式为

式中：τ为试样内部的剪应力（kPa）；A为直剪剪切面积（mm²）；T为水平荷载（kN）；ε为剪应变（%）；L为剪切位移（mm）；D为试样直径（mm）。

试验设置了含根量为0根、5根、10根和15根共4个梯度，对沙柳根—土复合体进行大型直剪试验，抗剪强度试验结果见表2。

由表2可知，当垂直应力为50 kPa时，主根含量为15根的沙柳根—土复合体抗剪强度值最大，为33.32 kPa，素土抗剪强度值最小，为6.78 kPa；当垂直应力为100 kPa时，主根含量为15根时的抗剪强度最大，为36.47 kPa，素土抗剪强度最小，为9.04 kPa；当垂直应力为150 kPa时，主根含量为15根时的抗剪强度值最大，为39.33 kPa，素土抗剪强度值最小，为11.00 kPa；当试样为素土时，在垂直应力为50 kPa、100 kPa和150 kPa条件下，抗剪强度分别为6.78 kPa、9.04 kPa和11.00 kPa，均比含根试样的抗剪强度小。由此可知，因根系的存在，土体的抗剪强度得到明显提升。

由图9可知，当垂直应力为50 kPa和100 kPa时，根—土复合体的抗剪强度表现出上升趋势；当垂直应力达到150 kPa时，抗剪强度表现出先上升后下降再上升的变化趋势；最大抗剪强度值出现在试样主根含量为15根的情况下，而最小抗剪强度值出现在试样主根含量为0的情况下。由此可知，沙柳根系对提高矿区排土场土体抗剪强度具有显著作用。

由图10可知，在主根含量保持不变的前提下，试样的抗剪强度会随着垂直应力的增加而上升，同时纵轴的截距也会相应增大，表明含根试样的c值较素土试样有不同幅度的增大。

由图11可知，素土的剪应力与剪切位移曲线呈非线性状态，含根试样的剪应力与剪切位移曲线在开始和结束阶段呈非线性关系，中间阶段呈近似线性关系，试样剪切破坏后，剪应力基本不发生变化，曲线近似水平。素土和含根试样的剪应力均随垂直应力的增大而增大，从图中可以看出含根试样的剪应力明显大于素土试样，试验结果表明沙柳根系能够显著提高矿区排土场边坡浅层的抗剪强度，并能增强其边坡浅层的稳定性。

使用Excel线性拟合分析功能对表2中沙柳根—土复合体大型直剪试验数据进行分析拟合，得到不同主根含量土样的抗剪强度回归模型（表3），经过计算求解得到试样在不同主根含量下的黏聚力（c值）和内摩擦角（φ值），具体见表3。

由表3可知，当主根含量为5根时内摩擦角最大，为4.40°；当主根含量为10根时内摩擦角最小，为1.98°；不同主根含量的内摩擦角平均值为3.06°。以素土试样的黏聚力作为基础值，相比素土试样，含根试样的黏聚力呈现出不同程度的增大。当试样主根含量为5根时，黏聚力增幅最小，为20.19 kPa，相较基础值增大了3.28倍；当试样主根含量为10根时，黏聚力为26.23 kPa，相较基础值增大了4.56倍；当试样主根含量为15根时，黏聚力增幅最大，为30.36 kPa，相较基础值增大了5.43倍。由此可知，沙柳根—土复合体的抗剪强度的提高主要是由于黏聚力得到明显提升。

由图12可知，黏聚力随着试样主根含量的增加而增大，表明沙柳的根系对矿区排土场土壤的黏聚力具有显著影响。根—土复合体的黏聚力是由土颗粒之间的黏聚力、土颗粒与根系之间的黏聚力以及根系受剪时所发挥的锚固力共同组成。在土颗粒与根系的相互作用中，若根系所能提供的抗剪力大于其锚固力时，以锚固力为主；反之，则以抗剪力为主。因此，黏聚力c值事实上反映了根土复合体的黏聚力与根系自身抗剪力或锚固力的综合作用。锚固力随着主根含量的增加而逐渐增大，黏聚力显著提升。随着试样中主根含量的逐渐增加，内摩擦角表现出先上升后下降再上升的变化趋势，观察发现，不同主根含量的试样在土体内摩擦角上的差异并不显著，表明沙柳的根系对矿区排土场土壤的内摩擦角的影响相对较小。根—土复合体的内摩擦角主要是由土颗粒与土颗粒之间的表面摩擦力、土颗粒与根系之间的摩擦力以及因土颗粒之间的连锁效应而形成的咬合力所构成。因此，φ可以看作是3个因素共同作用下的内摩擦角。尽管根系的数量在增加，但由于根系与土颗粒接触的面积是有限的，因此，φ值的变化并不显著（杨亚川等，1996）。

Shapiro-Wilk检验是一种用于验证数据是否遵循正态分布的方法，其计算过程简单，适用于数据量少于50个的样本检验，检验结果具有更高的准确性。使用SPSS软件对主根含量和垂直应力进行Shapiro-Wilk正态性检验，结果见表4。由表4可知，主根含量、垂直应力、内摩擦角和黏聚力的显著性分别为1.000、1.000、0.328和0.527，这些显著性均大于0.05，表明它们都是正态变量，且都是连续型变量，因此可以进行Pearson相关性分析。

Pearson相关性分析结果见表5。由表5可知，主根含量和垂直应力均与黏聚力呈显著正相关关系，其相关系数分别为0.953和0.969；由图13可以看出，试样的黏聚力随着主根含量的增加而显著增大，而主根含量和垂直应力与内摩擦角不存在显著相关性。

影响根—土复合体抗剪强度的因素有很多，但主要的影响因素是主根含量和垂直应力，利用SPSS软件进行多元线性回归分析，将主根含量和垂直应力逐个引入黏聚力和内摩擦角中，同时剔除不显著变量，保留显著变量，并建立如下回归方程：

式中：c为黏聚力（kPa）；x为主根含量（根）。

在黏聚力的预测模型中，主根含量通过了t检验（R²=0.908，P<0.05），方差膨胀系数（VIF）小于5，表明该模型具有实际意义，且各变量之间不存在共线性问题。垂直应力的拟合不具有显著性（P>0.05）。由图14可知，将实测值与预测模型的模拟值进行比较发现，二者的重叠度较高，误差值均在4 kPa以内，故回归方程的可信度较高，拟合效果较理想。

由图15可知，在素土和沙柳根—土复合体试样剪切过程中，试样内出现了大量土颗粒团聚体，且多集中在试样的左上角和右下角。目前生态护坡技术的关键是靠根系和土壤间的黏聚力和附着力将土体紧紧包裹，同时植物主根的锚固作用与侧根的加筋作用相辅相成，从而达到提高边坡抗剪强度的效果（周云艳等，2012）。植物根系是一种具有生命的锚固加筋材料，且其产生的有机质，提高了周围土体的黏聚力，使得土颗粒团聚体堆积更加显著。在剪切时根系与土颗粒充分接触，由于根系表面粗糙，根系与土颗粒间的摩擦力形成一种加筋结构，提高了颗粒之间的胶结作用。通过分析大型直剪试验，认为植物根系在抵抗边坡浅层滑坡和减缓水流侵蚀中发挥着关键作用。

通过改变沙柳主根含量，采用大型直剪试验，探究了在不同含根量下沙柳根—土复合体的抗剪强度特性。在此基础上，采用线性拟合分析和Pearson相关性分析，对矿区排土场边坡的根土复合体内摩擦角φ值与黏聚力c值随主根含量的变化规律进行了深入分析，为加强沙柳根系对矿区排土场边坡防护作用的研究，提高排土场边坡稳定性提供了理论依据。得出如下结论：

（1）大型直剪试验研究结果表明：含根试样的抗剪强度均大于素土试样，且随着试样主根含量的增加而提高。对比各组试样内摩擦角和黏聚力发现，主根含量不同的试样其土体内摩擦角差异很小，而黏聚力随主根含量的增加显著增大。相较素土的黏聚力，当试样主根含量为5根时，黏聚力增大了3.28倍，当试样主根含量为10根时，黏聚力增大了4.56倍，当试样主根含量为15根时，黏聚力增大了5.43倍。以上说明，沙柳根系在增强矿区排土场土体的抗剪强度中发挥着重要作用，且沙柳根土复合体抗剪强度增强的主要原因是黏聚力的增大。

（2）沙柳根系含量对试样黏聚力的影响显著。Pearson相关性分析结果表明，根—土复合体中主根含量、垂直应力与黏聚力之间呈显著正相关关系，但二者与内摩擦角之间无显著相关性。沙柳根—土复合体的黏聚力随主根含量的变化满足多项式拟合关系y=-0.113x²+3.360x+5.096（R²=0.992）；利用Pearson多元线性回归分析方法对黏聚力与主根含量进行分析，并建立了回归方程c=1.659x+7.931，比较了实测值与预测模型的模拟值，结果显示二者之间存在高度的重叠性，故回归方程的可信度较高，拟合结果较理想。

（3）进行剪切时，素土试样和沙柳根—土复合体试样左上角和右下角出现大量土颗粒团聚体，而根—土复合体的根系周围也存在大量土颗粒团聚体。这是由于植物根系产生了有机质，使得周围土体黏聚力增大，因此土颗粒团聚体堆积更加显著。剪切时根土之间充分接触，根系表面粗糙，根系与土颗粒间的摩擦力形成一种加筋结构，从而提高了颗粒之间的胶结作用。