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期刊: Computers and Geotechnics

作者: Guodong Ma a , Annan Zhou a* , Ha H. Bui b.

工作單位: a: 澳大利亞維多利亞州墨爾本市皇家墨爾本理工大學(xué)工程學(xué)院土木與基礎(chǔ)設(shè)施工程系

              b: 澳大利亞維多利亞州克萊頓市莫納什大學(xué)土木與環(huán)境工程系

降雨誘發(fā)的非飽和土坡失穩(wěn)是全球范圍內(nèi)最常見且最具破壞性的滑坡類型之一，往往會造成重大人員傷亡和經(jīng)濟損失。準(zhǔn)確預(yù)測此類失穩(wěn)不僅需要一種能夠捕捉非飽和土水力和力學(xué)耦合行為的穩(wěn)健數(shù)值方法，還需要全面了解土壤性質(zhì)的空間變異性對邊坡穩(wěn)定性的影響。在本研究中，首次采用光滑粒子流體動力學(xué)（SPH）結(jié)合先進的非飽和本構(gòu)模型，研究孔隙比依賴性和變異性對降雨誘發(fā)的非飽和土坡失穩(wěn)的影響。該模型能夠捕捉非飽和土的水力-力學(xué)耦合行為，考慮孔隙比對水滯、入滲和強度特性的影響。采用單層多相 SPH 方法，每個粒子同時代表水、氣和固體相，從而能夠高效且穩(wěn)健地模擬大變形問題。將 SPH 模型應(yīng)用于具有空間可變土壤特性的合成斜坡，以探究孔隙比的不均勻性如何改變破壞機制和起始條件。研究結(jié)果為孔隙比不均勻性在降雨引發(fā)的滑坡中的作用提供了新的見解，并展示了先進的 SPH 模型在巖土工程應(yīng)用中進行實際概率分析的潛力。

圖1 不同孔隙比下的飽和程度和相對滲透系數(shù)。

圖2 次荷載和屈服面本構(gòu)模型

圖3 SPH設(shè)置用于顆粒坍塌。

圖4 顆粒坍塌幾何形態(tài)的比較。

圖5 初始孔隙比和初始吸力對本構(gòu)模型性能的影響。

圖6 均質(zhì)與非均質(zhì)斜坡孔隙度的演化。

圖7 均質(zhì)邊坡與非均質(zhì)邊坡平均有效應(yīng)力的演化。

圖8 均質(zhì)和異質(zhì)中D、E、F位置的位移neous斜坡。

本研究開發(fā)并實施了一個完全耦合的光滑粒子流體動力學(xué)（SPH）數(shù)值框架，以研究降雨引起的非飽和邊坡失穩(wěn)，特別關(guān)注非飽和土中孔隙比的依賴性和變異性。先進的非飽和本構(gòu)模型成功地集成到 SPH 框架中，以捕捉邊坡失穩(wěn)過程中復(fù)雜的水力 - 力學(xué)相互作用。首先在單元級別驗證了非飽和本構(gòu)模型的性能，然后通過 SPH 簡單剪切試驗和顆粒崩塌試驗進行了驗證。將完全耦合的 SPH 模型應(yīng)用于非飽和路堤邊坡的降雨入滲場景，為孔隙率的空間異質(zhì)性如何影響水入滲模式、孔隙壓力發(fā)展、有效應(yīng)力和邊坡穩(wěn)定性提供了關(guān)鍵見解?？紫侗鹊目臻g變異性增加通常會增強邊坡的潛在不穩(wěn)定性，并為滲流創(chuàng)造更多優(yōu)先路徑。結(jié)果，入滲時間縮短，由于密度的顯著變化，土壤強度降低。數(shù)值結(jié)果表明，孔隙比的空間變異性增大時，邊坡破壞時的滑動面積會擴大，但對滑移距離的影響有限。同時，它還會導(dǎo)致邊坡破壞的提前發(fā)生?？傮w而言，所提出的基于光滑粒子流體動力學(xué)（SPH）的方法為分析非飽和土中復(fù)雜的邊坡破壞機制提供了一種穩(wěn)健且高效的工具。這些發(fā)現(xiàn)為未來在降雨條件下對異質(zhì)性巖土材料進行概率性和基于性能的邊坡穩(wěn)定性評估提供了寶貴的指導(dǎo)，并奠定了堅實的基礎(chǔ)。

Guodong Ma, Annan Zhou, Ha H. Bui. Smoothed particle hydrodynamics (SPH) modelling for rainfall-induced unsaturated slope failure considering void ratio dependence and variability. Computers and Geotechnics 189 (2026) 107629.