弃碴堆砌体是山区隧道建设过程中形成的人工建造岩土体,以岩块为主。作为由大量不规则坚硬颗粒构成的临时体系,其力学参数取值一直是颗粒力学中的研究难点。以往的研究多以颗粒随机生成为主,随着图像识别和三维建模技术的发展,使得颗粒的精细描述成为现实。本文以四川省泸州市新建地方铁路叙永至大村线核桃湾隧道出口右侧弃碴场灰岩弃碴堆积体为研究对象,采用试验研究、理论分析相结合的方法,以颗粒几何外形为核心评价指标,基于弃碴颗粒群体形态特征量化,结合室内大型三轴压缩试验和离散元数值模拟试验,分析颗粒群体形态对弃碴堆积体剪切特性的影响。本研究开展颗粒群体形态对弃碴堆积体物理力学性质影响的研究,对于弃碴场稳定性评价中弃碴堆积体岩土参数的选取、丰富弃碴场边坡设计理论、促进山区铁路工程建设可持续发展及避免水土流失都有着重大意义。本文主要研究工作如下:(1)借助CT扫描技术和图形处理技术,获得了弃碴颗粒的三维形态信息。利用球谐函数实现了对颗粒三维形态的精准重构,并通过重构颗粒与实体颗粒体积的对比分析,验证了颗粒球谐函数重构方法的合理性和有效性。提出了颗粒相似转动惯量椭球体的概念及计算公式,重新推导和改进了适合利用球谐函数计算各个颗粒形状量化指标的计算公式。(2)根据改进后的公式计算出每个样品颗粒的形状指标,包括颗粒球度、棱角度、伸长率、扁平率、最大投影球度、形状因子等6个形状指标。其中棱角度、伸长率、扁平率、最大投影球度、形状因子等5个形状指标因两种等效椭球体的计算方法有两个取值。用这11个参数对样本集颗粒开展形状特征评定研究。利用主成分分析方法对形状指标进行降维分析,计算分析了各个形状指标之间的相关性。将主成分分析结果中的第一主成分作为单颗粒形状量化指标F1*,其取值与颗粒球度、伸长率、扁平率呈正相关,与棱角度呈负相关。计算出每一个样品颗粒的F1*,并作出形状参数累计分布曲线图,利用曲线图来对粒组群体形态特征进行描述和量化。并利用球谐函数实现了对粒组群体形态特征的重构。(3)进行了弃碴堆积体室内大型三轴压缩试验,试验设计了0.1 MPa、0.2MPa、0.3 MPa三个不同围压,得到了三个不同围压下的应力-应变全过程曲线以及抗剪强度指标,为离散元数值模拟试验细观参数的选取提供了依据。(4)利用PFC3d建立了与室内试验条件相同的数值模拟试验,通过对比数值模拟试验和室内试验的应力-应变曲线标定了离散元模型的细观参数。在细观参数确定后,针对不同群体形态特征粒组分别进行0.1 MPa、0.2 MPa、0.3 MPa围压下数值模拟三轴压缩试验,并在试验过程中设置围压、轴压、轴向应变、环应变监测。利用监测数据绘制了不同粒组的应力-应变曲线,对比分析出颗粒群体形态特征对弃碴堆积体物理力学性质的影响。(5)在进行室内试验和数值模拟试验的基础上,选取叙大铁路核桃湾隧道出口右侧弃碴场作为研究对象。建立了弃碴场边坡三维概化离散元模型,通过模拟得到的位移云图和监测点位移数据分析了该弃碴场边坡的失稳过程;将滑带依次替换为具有不同群体形态特征的粒组后,再进行失稳模拟,研究粒组群体形态特征对弃碴场稳定性及失稳过程的影响。