基于物质点法的土体流动大变形过程数值模拟

土体滑坡作为一种自然地质灾害，受自然因素和人类活动的影响在我国时有发生，给周围居民的生命和财产安全带来了很大威胁，日益受到人们的广泛关注。滑坡防治也逐渐成为工程研究的热点之一。土体本质上是一种具有复杂组成结构的颗粒材料堆积体，通过对颗粒流动的模拟可以深入理解自然界中的土体流动现象，如滑坡、泥石流等，进而预测灾害破坏范围及改进相应工程防护措施。但由于土体流动是一个涉及大变形及大位移的复杂流动过程，传统的基于网格的有限元法（FEM）由于网格畸变，并不适合这类问题的研究。本文采用物质点法（MPM）模拟土体流动大变形问题。作为一种源于particle-in-cell（PIC）法的无网格法，兼具欧拉法和拉格朗日法的优点，因而，物质点法在处理大变形问题上具有独特的优势。目前，国内外利用物质点法模拟边坡滑动问题已有不少研究，但对相关参数进行敏感性分析的较少。本文基于物质点法模拟了黏性土体及无黏性土体流动大变形问题，并进行了参数敏感性分析，包括土体材料的内摩擦角、黏聚力、高宽比、底面坡度对土体滑动距离的影响规律。本文计算中采用Drucker-Prager（DP）弹塑性本构模型描述土的非线性特性。研究结果表明:（1）基于物质点法得到的土体的流动形态、滑动距离以及自然休止角等数值模拟结果均与文献中的实验结果基本吻合，验证了物质点法模拟土体大变形力学行为的精度及有效性；（2）随着内摩擦角、黏聚力的增大，滑动距离相应减小；（3）坡度对边坡稳定的影响是显著的，随着底面坡度的增大，滑动距离相应增大；（4）当土柱高宽比较小时，与滑动距离呈线性增长关系。其中，内摩擦角和黏聚力反映了土体的抗剪切性能，因此通过工程措施提高土体的抗剪能力可以降低土体滑坡带来的危害。研究结果为探索土体滑动破坏规律，降低滑动破坏范围提供了可靠的参考。