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期刊: Computers and Geotechnics

作者: Guodong Ma a , Annan Zhou a,1,* , Ha H. Bui b.

工作單位: a: 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: 莫納什大學(xué)土木與環(huán)境工程系

降雨誘發(fā)的非飽和邊坡失穩(wěn)是世界范圍內(nèi)最常見和最具破壞性的滑坡形式之一，往往造成重大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。準(zhǔn)確預(yù)測此類破壞不僅需要采用穩(wěn)健的數(shù)值方法來捕捉非飽和土的水力和力學(xué)耦合行為，還需要深入了解土體性質(zhì)的空間變異性如何影響邊坡穩(wěn)定性。在這項研究中，光滑粒子流體動力學(xué)( SPH )與先進(jìn)的非飽和本構(gòu)模型相結(jié)合，首次研究了孔隙比依賴性和變異性對降雨誘發(fā)非飽和邊坡破壞的影響。該模型捕捉了非飽和土的水-力耦合行為，考慮了孔隙比對持水、入滲和強(qiáng)度特性的影響。采用單層多相SPH方法，其中每個粒子同時代表水、空氣和固體相，實(shí)現(xiàn)了大變形問題的高效和穩(wěn)健模擬。將SPH模型應(yīng)用于具有空間可變土體性質(zhì)的合成邊坡，以探究孔隙比的不均勻性如何改變破壞機(jī)制和破壞起始條件。研究結(jié)果為孔隙比非均勻性在降雨型滑坡中的作用提供了新的見解，并展示了先進(jìn)的SPH建模在巖土應(yīng)用中實(shí)際概率分析的潛力。

圖1 不同孔隙比下的飽和度和相對滲透系數(shù)。

圖2 當(dāng)前模型與Zhou and Sheng ( 2015 )模型和實(shí)驗數(shù)據(jù)的對比評估。

圖3 初始孔隙比和初始吸力對本構(gòu)模型性能的影響。

圖4 合成路堤的幾何形狀及邊界條件。

圖5 邊坡破壞的表面輪廓。

圖6 均質(zhì)邊坡孔隙水壓力和豎向有效應(yīng)力的演化規(guī)律。

圖7 均質(zhì)邊坡孔隙度和變形的演化。

圖8 非均質(zhì)邊坡孔隙水壓力和豎向有效應(yīng)力的演化規(guī)律。

本研究開發(fā)并實(shí)現(xiàn)了一個完全耦合的光滑粒子流體動力學(xué)( SPH )數(shù)值框架，以研究降雨誘發(fā)的非飽和邊坡破壞，特別是非飽和土中孔隙比的依賴性和變異性。將改進(jìn)的非飽和本構(gòu)模型成功地集成到SPH框架中，以捕捉邊坡破壞過程中復(fù)雜的水-力相互作用。首先在單元水平上驗證了非飽和本構(gòu)模型的性能，然后通過SPH單剪試驗和顆粒崩塌試驗驗證了非飽和本構(gòu)模型的性能。將全耦合SPH模型應(yīng)用于非飽和路堤邊坡的降雨入滲場景，為孔隙空間異質(zhì)性如何影響水分入滲模式、孔壓發(fā)展、有效應(yīng)力和邊坡穩(wěn)定性提供了重要的見解。增大孔隙比的空間變異性一般會增強(qiáng)邊坡的潛在不穩(wěn)定性，為滲流創(chuàng)造更多的優(yōu)先路徑。因此，由于密度的顯著變異性，入滲時間縮短，土體強(qiáng)度劣化。數(shù)值結(jié)果表明，增大孔隙比的空間變異性會增大邊坡破壞時的滑動面積，但對滑動距離的影響有限。這也導(dǎo)致邊坡破壞發(fā)生的時間提前。

總體而言，本文提出的基于SPH的方法為分析非飽和土中復(fù)雜的邊坡破壞機(jī)制提供了一個穩(wěn)健而有效的工具。研究結(jié)果為未來降雨條件下，特別是非均質(zhì)巖土材料條件下的概率和基于性能的邊坡穩(wěn)定性評估提供了有價值的指導(dǎo)，并奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。

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