【摘 要】
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随着交通工程的快速发展,大型隧道工程日益增多,隧道开挖产生的工程弃渣的堆积规模越来越大。为尽可能多地堆积弃渣,很多弃渣场都存在超载堆渣的现象,加之弃渣体因其本身物理力学性质、当地地质条件及弃渣场设计参数等因素影响,故而存在较多的病害隐患。本文基于离散元的颗粒流分析方法,以室内物理力学试验和数值模拟相结合,对某铁路隧道弃渣场建立设计库容和超载库容两种边坡模型,开展了对天然、地震和降雨三种工况下的弃渣
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随着交通工程的快速发展,大型隧道工程日益增多,隧道开挖产生的工程弃渣的堆积规模越来越大。为尽可能多地堆积弃渣,很多弃渣场都存在超载堆渣的现象,加之弃渣体因其本身物理力学性质、当地地质条件及弃渣场设计参数等因素影响,故而存在较多的病害隐患。本文基于离散元的颗粒流分析方法,以室内物理力学试验和数值模拟相结合,对某铁路隧道弃渣场建立设计库容和超载库容两种边坡模型,开展了对天然、地震和降雨三种工况下的弃渣场失稳破坏过程及滑坡机理的边坡稳定性研究。本文的主要研究工作及成果如下:（1）通过对研究区弃渣场现场调查取样,进行室内土工试验,获取弃渣的物理力学参数。运用PFC2D软件建立直剪试验模型,根据细观参数的变化规律,不断试错调整弃渣的细观参数,建立颗粒流细观参数和宏观参数之间的变化关系,使得其细观力学特征与宏观力学特性基本一致。（2）根据标定好的弃渣细观参数,运用分层级配法建立设计库容和超载库容弃渣场边坡模型,以重力增加法模拟天然工况弃渣场边坡的失稳破坏过程,通过对边坡失稳过程、弃渣边坡位移变化、拦渣坝水平推力和土体应力变化四方面对比分析设计库容和超载库容边坡的失稳破坏特征和滑坡机理。模拟结果表明:设计库容边坡失稳过程表现出推移式滑坡的特征,超载库容滑坡则为牵引式滑坡。堆渣量的增多,使得相同位置土体位移和应力增大,拦渣坝墙后水平推力是设计工况的3.4倍,土体滑移量和滑距也大大增加。数值模拟结果与极限平衡法结果对比发现,设计库容弃渣场的边坡安全系数为2.562,超载库容的边坡安全系数为1.573。与颗粒流程序得出的安全系数2.4和1.4相比,其安全系数较大、滑动面积更大,主要是因为颗粒流中将弃渣划分为每一个独立球体,更符合实际边坡失稳的破坏机理。（3）根据弃渣场抗震等级,选取ELcentro地震波进行加载,模拟弃渣场边坡在地震作用的失稳破坏过程。模拟结果表明:无论是设计库容还是超载库容边坡,地震作用下其边坡内部土体应力增大且变化频率加快,近临空面处土体快速滑移后其竖向应力和切应力迅速降低至0。与天然工况一致,设计库容边坡失稳破坏模式为推移式滑坡。超载库容边坡失稳破坏模式为牵引式滑坡,受地震波扰动,坡体产生大面积滑移,最大滑距达21.83m,大量弃渣冲出拦渣坝后威胁谷口居民生命财产安全。计算所得边坡滑动面与极限平衡法计算结果一致,证明研究区超载弃渣场在地震作用下会产生大面积滑坡。（4）在模拟降雨条件时,建立流体单元模拟雨水入渗。从边坡失稳破坏结果来看:设计库容边坡失稳运动中连续台阶处土体虽出现滑坡现象但滑距较小,对整个土体影响较小。超载库容边坡在持续性降雨作用下,分级台阶坡肩处土体强度降低后向下滑移牵引中上部土体大面积滑移冲出拦渣坝,整体边坡对拦渣坝的水平推力达到所有工况最大值4.78×10~7N,极有可能造成弃渣场溃坝。土体位移方面,坡体内部因降雨作用有限,位移均在0.7m以下,坡表土体位移受雨水下渗在整个滑坡过程中呈持续增大的趋势。在两种库容边坡模型中,由于弃渣受雨水下渗后自重增大加之中上部土体推移作用,相同位置土体所受竖向应力和切应力较天然和地震工况大幅增加。（5）针对上述工况可能发生的滑坡运动和当前弃渣场的现有病害问题,提出分级台阶堆渣、削坡减载、坡脚压坡、渣土边缘线加设截水沟和临时排水沟的工程防治措施和加筋麦克垫+高性能生态基材的生态复绿技术,旨在提高研究区弃渣场边坡稳定性,降低滑坡、泥石流等地质灾害发生概率,为国内超载弃渣场处置方案提供理论基础和研究方向。
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