山地交通工程开挖弃渣边坡稳定性风险分区评估方法研究

为解决山地交通工程开挖弃渣边坡稳定性评估难题，研究人员通过50处现场调查与PFC数值模拟，揭示了弃渣颗粒组成（粗粒占比40-60%）、自然休止角（33°-43°）与密度的关联性，提出基于动能-摩擦耗散平衡方程的三色分区法（红/黄/绿区），为山区弃渣场风险管控提供了高效工具。

　　

在山区交通工程建设中，大量开挖产生的弃渣常堆积成边坡，这些由粗颗粒主导的松散体暗藏巨大风险——一旦失稳，可能冲击下游居民区、道路甚至引发次生灾害。传统评估方法要么依赖复杂的数值软件，要么采用经验公式忽略动态摩擦特性，导致结果与实际偏差较大。更棘手的是，弃渣颗粒在堆积过程中会自然分选（大颗粒滚落至坡脚，小颗粒填充空隙），形成非均质结构，而现有研究对其工程特性与运动机制的关联认知不足。

针对这一难题，研究人员通过系统调查50处山地公路弃渣场，结合现场测试与实验室分析，发现这类弃渣具有显著特征：密度集中于1.65-1.95 g·cm^-3，自然休止角与粗-细颗粒比(k)呈指数关系（k>1.0时休止角稳定在40°左右）。借助颗粒流代码(PFC)模拟，首次明确了弃渣颗粒的三种运动模式——滑动、翻滚及滚滑交替，其中大颗粒因势能高更易堆积于坡脚。基于此，团队创新性地建立了动能-摩擦耗散平衡方程，推导出最小(L_2min)与最大运动距离(L_2max)，并据此提出三色风险分区：坡脚至L_2min为红色高危区，L_2min-L_2max为黄色中危区，超出L_2max为绿色安全区。该成果发表于《Results in Engineering》，为山区弃渣场风险防控提供了理论支撑。

关键技术包括：1) 采用限体积灌砂法测定现场弃渣密度；2) 通过90°角自然堆积试验获取休止角；3) 振动筛分分析颗粒组成（粗粒占比40-60%）；4) PFC2D模拟颗粒运动轨迹；5) 基于CAD质量特性命令计算滑动体重心高度。

物理特性分析
通过50处弃渣场测试数据，揭示粗颗粒主导（>2mm占比60-80%）的组成特征，密度1.65-1.95 g·cm^-3。自然休止角β与粗-细比k的拟合方程为β=-21.6e^0.83k+46.5（R²=0.98），当k>1.0时休止角稳定于40°-43°。

堆积过程模拟
PFC模拟显示弃渣呈现水平分层：上部1/4高度为细粒密实层，中部5/12为粗细混合骨架层，下部1/3为粗粒架空结构。大颗粒因高势能迁移更远，形成"上细下粗"的典型分布。

风险分区方法
基于运动方程L₂=h(tanj₁-μ₁)/[tanj₁(cosj₂μ₂-sinj₂)]，结合摩擦系数速率效应（速度↑→μ↓），将威胁范围划分为三色区。案例验证表明：5级边坡的L_2max=95.7m时，47m处的挡墙属红色高危区，127m外的桥墩位于绿色安全区。

该研究首次建立了弃渣物理特性-运动机制-风险评估的完整链条，提出的三色分区法避免了数值模拟的复杂性，尤其适合山区工程快速评估。未来可结合降雨入渗、地震动等多元因素，进一步优化动态摩擦系数的量化模型，为边坡设计规范提供更精准的依据。