煤系土岩质软弱,含炭成分大,遇水极易风化、崩解,结构易破坏而丧失强度,是一种工程性能较差的特殊土体,在降雨条件下这种煤系软岩体极易造成边坡失稳。目前针对煤系土的研究主要是从宏观层面开展的,现有文献未从土体微细观角度对煤系土宏观力学特性的细观机理进行分析与解释,本文以江西省萍乡至莲花高速项目的煤系土边坡为工程背景,采用离散元方法与计算流体动力学方法耦合,从微细观角度分析煤系土边坡在降雨入渗作用下的失稳破坏机理。主要工作内容如下:1.土体细观参数对煤系土宏观力学响应(特性)影响分析。对工程背景项目的煤系土边坡进行现场取样,通过室内三轴试验获得了煤系土的强度参数;从细观角度,采用离散元方法,建立了三轴试验三维数值压缩模型,对不同颗粒的细观参数(如颗粒直径、颗粒切向抗剪刚度、法向抗剪刚度、颗粒摩擦系数、颗粒粘结强度等)、不同颗粒几何形状以及颗粒破碎程度等对土体宏观力学响应的影响规律进行了计算分析。结果发现,颗粒的几何形状对土体抗剪强度影响比较大,颗粒的粘结强度、摩擦系数以及颗粒的刚度对土体抗剪强度影响很大,颗粒发生破碎会导致土体强度降低。2.从细观角度对煤系土剪切带的形成与演化机理进行研究。采用离散单元法,建立了煤系土三轴试验三维数值模型,模拟了煤系土在加载过程中试样的宏观力学响应,分析了颗粒旋转、体积分数、配位数及力链的发展变化规律,从细观角度探讨了煤系土剪切带的形成和演化过程。结果表明,颗粒旋转是剪切带形成的主要原因,在加载受力过程中,剪切带区域的颗粒更容易发生旋转;剪切带土体的孔隙率逐渐增加,颗粒间配位数逐渐降低,相对于剪切带外颗粒间接触更差;同时试样软化与剪切带的形成也密切相关。3.采用DEM-CFD耦合方法,从细观角度对降雨入渗作用下的煤系土边坡失稳机理进行研究。以煤系土室外边坡模型试验为模拟对象,将离散单元法(DEM)与计算流体动力学(CFD)进行耦合,建立了煤系土边坡DEM-CFD耦合的三维数值计算模型,对降雨入渗作用下的煤系土边坡模型失稳破坏过程进行了仿真计算分析。计算结果发现,煤系土边坡失稳破坏的主要模式是雨水冲刷,边坡滑动面预测结果为近似的直线段,这与室外边坡模型试验结果非常接近,说明采用DEM-CFD流固耦合方法分析煤系土边坡失稳机理是可行的,为从细观角度分析边坡稳定性提供了新的思路。