《Sustainability》：Experimental–Numerical Assessment of the Geomechanical Potential of Chrysopogon zizanioides (L.) Roberty for Root Reinforcement of Filtered Mine Tailings Under Controlled Conditions
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摘要：矿山尾矿（Tailings）是高度扰动的人造技术成因材料，其较低的力学稳定性可能制约矿山闭坑及长期土地复垦。本研究在受控实验室及数值模拟条件下，评估香根草（Chrysopogon zizanioides (L.) Roberty）提高过滤法尾矿抗剪强度响
摘要：矿山尾矿（Tailings）是高度扰动的人造技术成因材料，其较低的力学稳定性可能制约矿山闭坑及长期土地复垦。本研究在受控实验室及数值模拟条件下，评估香根草（Chrysopogon zizanioides (L.) Roberty）提高过滤法尾矿抗剪强度响应的岩土力学潜能。本研究不构成植物稳定化（Phytostabilization）的现场尺度验证，而是探讨香根草根系对表观黏聚力（Apparent Cohesion，即附加伪黏聚力 Pseudo?cohesion）及浅层边坡稳定性的贡献。研究人员采用实验–数值结合框架，包括无加固与根系加固尾矿的室内表征、莫尔–库仑（Mohr–Coulomb）抗剪强度参数推导，以及在预设根系生长长度与根系取向方案下的极限平衡边坡稳定性分析。结果表明，香根草根系使表观黏聚力最高提升34.6%，而内摩擦角（φ′）变化低于10%，说明其主要加固机制为伪黏聚力增强而非摩擦特性改变。计算所得安全系数（Factor of Safety，FS）随边坡几何形态、假定根长、根走向及简化水文工况而变化。但本发现仍局限于受控实验与数值条件，在实际应用前尚需开展现场验证、长期根系监测、含水率变异性、养分有效性、植物毒性、污染物固定化及全寿命周期性能评估。本研究为过滤法尾矿中香根草诱导的根系加固提供了初步岩土力学证据。
论文解读：受控条件下香根草(Chrysopogon zizanioides)根系加固过滤法尾矿的岩土力学潜能评估
一、研究背景与意义
矿山尾矿（Mine Tailings）堆存产生大量技术成因松散堆积体，其物理失稳、浅层滑移与侵蚀会危及闭坑工程、植被建植及长期土地复垦。以往对尾矿植物修复（Phytoremediation / Phytostabilization）的研究多集中于环境修复、重金属耐受及水土流失防治，鲜有定量评估植物根系对尾矿抗剪强度参数（c′、φ′）及整体边坡稳定性的力学贡献，尤其缺乏将室内直剪/三轴试验与极限平衡边坡稳定性模型耦合的研究。香根草（Vetiver grass，Chrysopogon zizanioides (L.) Roberty）具致密须状、近垂直深根系，可通过锚固、互锁及抗拉应力传递提高近地表土层或尾矿的表观黏聚力（Apparent Cohesion，即根–土复合体表现出的附加黏聚力，Pseudo?cohesion），具备生物工程（Bioengineering）应用潜力。在此背景下，研究人员通过受控柱培实验与数值模拟，量化香根草根系对过滤法尾矿（Filtered Mine Tailings，经脱水过滤的低塑性黏土质粉砂 CL 按 USCS 分类）剪切强度参数及浅层边坡安全系数（Factor of Safety，FS）的影响，为将植物稳定化纳入可持续矿业与废弃物资源化（Circular Economy）体系提供初步岩土力学依据。本文发表于《Sustainability》期刊。
二、主要关键技术方法概述
研究人员采集厄瓜多尔南部扬察萨（Yantzaza）地区过滤法尾矿，按 ASTM 标准完成基本物性、颗粒分析、阿太堡界限及无侧限/三轴压缩与直剪试验，确定未加固尾矿的 c′ 与 φ′。设置直径18 cm、高33 cm 聚乙烯培养柱，填装20 cm 尾矿并植入香根草插穗，控水培养30 d 后制取含根–尾矿原状试样，再次进行直剪（Direct Shear Test，ASTM D6528?24）与三轴压缩试验（Triaxial Compression Test，ASTM D7181?20）获取根–尾矿复合体的 c′、φ′。基于实验结果，采用 Morgenstern–Price 极限平衡法（Limit Equilibrium Method，LEM）对 3H:1V、2H:1V、1H:1V 三种边坡几何形态，结合假定根长（0.3 m 来自实测，1 m、5 m 为文献参数推演）、根取向（260°、270°、280°）及干/简化饱和工况开展二维浅层（0–5 m）边坡稳定性分析，并进行局部敏感性分析（c′ ±5%、φ′ ±10%）。
三、研究结果
3.1. Geotechnical Evaluation of Mining Tailings (Filtration)
通过 USCS 分类与室内试验，确认尾矿为低塑性黏土质粉砂（CL），液限26.32%，塑指8.08%；未加固状态下直剪与三轴试验给出黏聚力 c′≈6 kPa，内摩擦角 φ′≈30°，平行试验变异性低，符合 CL 类材料预期。
3.2. Impact of Vetiver on Mechanical Strength Properties
对含香根草根–尾矿试样的直剪与三轴试验表明，根系主要提高 c′（由约6 kPa 增至约8 kPa，增幅约20%–34.6%），φ′ 仅轻微增加（<10%，最大8.41%），说明根系加固机制以伪黏聚力（Pseudo?cohesive Reinforcement）为主，源于根–土间抗拉应力传递、锚固与互锁效应。
3.3. Alteration of Vegetation on Slope Stability
未加固尾矿边坡 FS 随坡比变陡下降（3H:1V 时 FS=1.516，1H:1V 时 FS=1.031，接近临界）。引入香根草根系后，各坡型 FS 均有提升；根长越长（1 m、5 m 参数情景）、根走向越接近垂直（260°–280° 中优选），FS 改善越明显，且在近极限状态（陡坡、近 FS≈1.0）下提升具工程意义，但非独立稳定高渗压或极不稳定边坡之替代措施。
3.4. Effects of Shear Strength on Plant Growth Characteristics and Orientation
定量结果显示 c′ 最大增幅34.61%，φ′ 最大增幅8.41%，进一步印证根诱导的互锁与抗拉应力主要贡献于表观黏聚力。根长增加提高与潜在滑面相交概率从而增强锚固；近垂直根向更利于受拉发挥加固作用。
3.5. Influence of Root Length and Orientation on Slope Stability
数值分析采用实测短根（≈32–37 cm）及文献推演长根（1 m、5 m）作参数情景，确认 FS 改善程度依赖于根–滑面几何相容性；0.3 m（实验期）效果有限，充分发育根长方达显著加固。
3.6. Statistical Impetus and Confidence (Credibility of the Statistical Study)
局部敏感性分析显示未加固边坡 FS 对 c′、φ′ 波动敏感（±5%–10% 强度参数致 FS 偏差达10.3%）；加根后多数情景 FS 变异系数（CV%）<9%，差异具统计显著性（p<0.01 kPa），支持结果可靠性。少数极端数值出现非物理 FS<1.0，提示需外部补强。
3.7. Comparative Evaluation of the Orientation and Anchorage of Vetiver Grass
全局比较表明 FS 随根长增大及取向260°附近呈上升趋势，深根构造对低强度尾矿边坡具较高加固覆盖率。
四、讨论与结论翻译
讨论指出：香根草根系主要通过增加有效黏聚力（Δc′）改良尾矿抗剪响应，可用修正 Mohr–Coulomb 破坏包络线描述；根加固效果在缓坡（3H:1V）较有限，在陡坡（1H:1V、2H:1V）近极限状态较显著，应视为补充性生物岩土措施（Biogeotechnical Measure）；根长与近垂直取向优化锚固与滑面拦截；种植密度、预期根构型及建植时间须纳入设计。研究局限含柱培部分饱和、根面积比（Root Area Ratio，RAR）与空间分布未直接量化、未测尾矿养分与植物毒性、未考虑根腐解衰减等长期因素。
结论（译文）：
本研究在受控实验室与数值模拟条件下评估了香根草根系加固过滤法尾矿的岩土力学潜能。根系加固试件较未加固尾矿表现出更高表观黏聚力，由约6 kPa 增至近8 kPa，最大增幅34.6%；内摩擦角变化低于10%，表明根系系统的主要贡献为伪黏聚力加固而非根本改变尾矿摩擦结构。边坡稳定性分析显示计算安全系数取决于边坡几何形态、假定根长、根走向及简化水文工况；其中1 m 与5 m 根长方案应解释为参数推演而非30 d 实验所达实际根长。本研究未证实完整植物稳定化效果，因未评估养分含量、植物毒性、污染物固定化及现场生态表现。未来研究应在实施前加入地球化学表征、植物响应指标、长期根系监测、现场验证及生命周期或成本–效益评估。
