弃渣场边坡是工程施工过程中形成的废料堆积而成的边坡,在边坡堆积过程中,形状各异、粒经不均的弃渣在重力作用下自然堆积分选,最终形成粒径分布特征明显、内部结构不均匀的堆积体边坡。弃渣堆积体的内部结构在一定程度上控制了边坡稳定性,特别是在强降雨条件下,其稳定性降低明显甚至产生破坏失效,威胁周边居民和工程建筑物的安全,造成突发性环境事件,形成较大的社会影响。因此,近年来弃渣边坡的稳定性问题及其环境效应成为业主、设计和施工部门关注的重要问题。作为一种成分复杂的散粒体构成的临时平衡体系,变形破坏受外界扰动极其明显,以降雨入渗后最为突出,而且当前稳定性评价方法多参照均质土体,弃渣边坡的变形破坏模式和稳定性评价分析方法尚待厘清。本文以叙大铁路沿线的弃渣场边坡为研究对象,采用现场调查与资料收集的方法,总结了弃渣边坡的坡体结构特征以及可能的变形破坏问题,通过原位与室内实验掌握了弃渣的力学参数。使用三维离散元方法对弃渣边坡的典型变形破坏过程进行了研究,在此基础上搭建了室内弃渣边坡物理模型,探究了降雨条件对坡体结构的改造,以及降雨诱发弃渣边坡的变形破坏规律,并运用流固耦合方法完成了弃渣边坡在降雨入渗后发生变形破坏的数值模拟。对弃渣场边坡的结构特征与稳定性的研究成果如下:(1)研究地区地势西低东高,南北挺拔,表现出沟深坡陡的特点。根据铁路沿线弃渣场的野外调查统计情况,研究表明弃渣区属低山区构造剥蚀地貌,沿线弃渣场所在原始地面主要有路边梯田、山坡、山沟,危害对象为农田、水沟、山沟、农房等。弃渣坡表主要呈现为“平-陡-缓-陡”形状,在空间上表现为“舌”状和“椭圆”状展布堆积。(2)弃渣边坡成分复杂物理力学性质差异较大,其变形破坏受坡体结构与堆置场地环境等多方面因素影响。弃渣场的变形破坏主要表现为坡表破坏,包括支挡排水结构损坏、渣体裂缝、坡表滑动、坡表冲刷、局部垮塌等,大规模的变形破坏较少。(3)研究区内弃渣边坡重要变形破坏规律为坡表与平台前缘处的破坏。坡表为浅表部滑动破坏,平台前缘为裂缝发育密集,弃渣体开裂破坏。坡体浅层有细小碎石聚集带具有“滚珠”效应,因此表面的弃渣碎石容易滑动。在此基础上总结出了弃渣边坡的典型变形破坏,即是不含黏土时的坡表浅层滑动,其特点为滑动面位于坡面浅表层且滑动面近似平面。(4)运用三维离散元软件对古蔺站场弃渣边坡变形破坏过程进行数值模拟,分析了弃渣边坡典型失稳破坏过程。模型中的颗粒按筛分级配与概化后的形状生成。研究表明弃渣边坡变形区域按由表及里从下到上的顺序,逐步向坡体内部发展。变形区分界面的变化模式为“台阶-圆弧-台阶”持续交替进行。边坡表面弃渣碎石最先达到失稳临界点,变形失稳时弃渣碎石平行坡面逐层滑动。(5)室内边坡模型实验材料由现场原位采集,模型按照实际弃渣边坡的级配堆积满足相似指标。根据黏土与碎石含量关系铺设适量黏土在模型边坡表面,模型原始地面根据实际地形概化为平面。利用降雨喷洒系统进行降雨模拟,高度还原弃渣边坡在自然降雨条件下坡体结构变化,自然风干后,通过研究模型边坡破坏过程得到降雨入渗条件下弃渣边坡的基本变形破坏机理。(6)试验模型中弃渣边坡的稳定性与地面坡度角大小存在明显反比关系,典型情况下的弃渣边坡无黏土存在,上部的碎石滑动后带动中下部碎石出现小范围滑动,滑动过程迅速且协调变形在短时间内完成。对于含有黏土的弃渣场边坡,降雨入渗使得黏土在坡内大范围扩散,黏土的入渗范围主要集中在坡体表层,深层含量小,黏土风干后能够粘结碎块石,上下层的黏结差异导致边坡滑动时坡顶平台前端出现特有“凹腔”,“凹腔”消失后边坡稳定性增强。(7)三维离散元软件的流固耦合功能可以对降雨作用下的弃渣边坡变形过程做到近似模拟。弃渣表面的黏土颗粒在流水渗透力下,在坡表层大量分布下部少量分布。位移变形区分界面的变化从时间上可分为前后两阶段,在空间上可分为上下两部分。表层碎石颗粒比下层粘结紧密,因此下层的颗粒位移较大,位移变形区从坡脚发展到平台后,该处位移分界面上部分表现为“凹腔”状,下部分依旧为“台阶-圆弧-台阶”状。室内试验与数值模拟试验得到的弃渣体结构特点与边坡变形破坏过程相似,达到相互验证的目的。