堆载诱发型土质滑坡运动特征物质点法模拟

坡顶堆载是人类工程活动诱发滑坡的主因之一。物质点法（MPM）属于一种无网格数值计算方法,它能够有效模拟滑坡大变形全过程物质行为与运动特征。文章基于线性形函数离散方法、MUSL求解格式及Drucker-Prager屈服准则,建立了可用于滑坡全过程模拟的单套单相物质点模型;通过对比干燥铝棒堆积物模拟砂堆失稳过程的基准试验结果,对模型有效性进行了验证。对堆载诱发型土质滑坡典型工况进行了物质点法全过程模拟,获得了滑坡全过程中典型时刻坡体形态、塑性应变分布以及控制点滑速演化趋势。结果表明:算例堆载诱发型土质滑坡属推移型滑坡,具有渐进性破坏特征,可分为坡顶压缩、局部蠕滑、加速滑动与减速滑动等四个阶段。参数分析结果亦表明,堆载诱发型土质滑坡前缘物质运动特征量均与堆载量间存在强正相关性、而与土体黏聚力及内摩擦角存在强负相关性。统计29种典型工况,分别建立了峰值滑动加速度、最大滑速、最大滑距及坡体最大动能等运动特征量与堆载量、土体黏聚力及内摩擦角之间的线性回归方程,可用于堆载诱发型土质滑坡致灾行为预测。     

土质滑坡运动全过程物质点法模拟及其应用

物质点法（MPM）属于一种无网格数值计算方法,它可导入各种土体本构模型,考虑土体流固耦合行为,能够有效模拟土质滑坡大变形及超大变形。本文介绍了物质点法基本原理、控制方程与求解格式;基于5种物质点法的多孔介质表征模型,简要回顾了土质滑坡运动全过程物质点法模拟的最新研究进展。采用单套单相物质点模型,对深圳“12·20”人工堆填土滑坡全过程进行了物质点法模拟,使用了线性加载方式确定初始应力场,并使用了Drucker-Prager屈服准则弹塑性本构模型、GIMP算法与MUSL求解格式。模拟结果表明,该边坡发生失稳后,最大滑距达510m,滑坡范围纵向间距为1050m,最小滑坡角5.95°,均与观测结果相吻合。土体内部等效塑性应变区的演化趋势显示,滑坡机制为渐进式破坏,具体表现为:坡趾土体首先沿基岩界面发生剪切破坏,随后坡顶出现拉张裂隙,坡趾与坡顶塑性区分别沿基岩界面向坡体内部发育,形成贯通滑动面后滑动加速,超大变形出现。物质点法模拟滑坡运动全过程有助于理解滑坡致灾行为,可为滑坡防治提供参考。     

海底滑坡运动全过程的物质点法模拟

本文借助物质点软件（Anura 3D）,设置接触算法和流固耦合,基于M-C强度准则,对南地中海真实海底滑坡的运动全过程进行了模拟反分析,得到该海底滑坡滑动接触面的综合摩擦系数为0.052,该滑坡从坡脚处开始,逐渐向内部发展,形成整块滑坡体后,滑坡体整体沿着斜坡加速滑动,在第15 s时,达到最大速度14.52m s-1,之后由于摩擦阻力下滑力,滑坡体开始减速,第21s时,滑坡体整体滑到平缓地段（坡度为1.1）,下滑力接近于0,不同质点的速度具有差异,因而发生在水平方向上的扩散型滑移,在第57s时速度降为0,滑动中止,最终滑距为420.3m。提出海底滑坡接触面的综合摩擦系数（）的概念,借助去表征海底滑坡滑动过程中海水混入引起的土体软化和滑水现象,并应用于海底滑坡运动全过程的模拟,这种分析方法为海底滑坡运动全过程的模拟提供了一种新的思路。     

高速远程滑坡物质点法模拟

采用显式物质点法模拟高速远程滑坡的破坏过程。计算方法采用广义插值物质点法,计算流程采用MUSL格式,本构关系采用基于Drucker-Prager屈服准则下的弹塑性模型。首先,利用泡沫铝材料模型试验验证了物质点法模拟大变形问题的有效性。其次,构建远程滑坡模型,模拟远程滑坡的整个破坏过程,讨论了内摩擦角对大变形滑坡滑距的影响。结果表明,内摩擦角对远程滑坡的滑距起着决定性的作用,内摩擦角的减小,滑坡的滑距越大。从土体强度理论分析,土体内摩擦角越小,对应于非饱和土体的三轴不固结不排水剪切试验的强度,说明土体的固结效果和排水效果较差。因此对于一些杂填土边坡,要保证土体完全固结和排水,否则极易产生高速远程滑坡。     

马边滑坡运动特征及冲击强度的数值研究

滑坡运动堆积特征及其冲击强度研究对滑坡风险定量评估具有重要意义.通过对四川乐山市马边滑坡基本特征调查,利用支持向量机模型(SVM)和颗粒流方法(PFC),对滑坡岩土体细观强度参数进行反演和标定,结合UAV数据生成滑坡区高精度DEM,在此基础上,重构马边滑坡三维颗粒流数值模型,模拟并研究滑坡的运动堆积和冲击过程.结果表明...     

高速库岸岩质滑坡运动过程及速度分析

基于滑坡气垫层学说,分析了大型岩质滑坡高速滑动的成因和整体滑动的动态过程,提出了判断滑坡产生高速的必要条件,即滑坡厚度大于临界厚度;并提出了库岸高速岩质滑坡运动过程分析模型,即将整个过程分为4个阶段:初始滑动阶段、开始运动至加速度增大至最大阶段、继续加速阶段和减速至停止阶段。运用分阶段运动过程分析模型,以千将坪滑坡为例,计算了其各个阶段的速度、加速度及滑动距离,并与前人已有的研究成果进行了对比,验证了模型的合理性。与动能定理相比,该计算模型可以较好地分析滑坡速度的动态变化,可以较直观地反映滑坡入水的最大速度,为滑坡涌浪的首浪分析奠定了基础。     

岩口滑坡的发育特征及运动过程研究

首选运用传统的地质分析法对滑坡发育特征进行研究,分析了岩口滑坡形成机制;然后 格郎日差分法和离散单元法相结合,对滑坡发生的运动过程进行全程再现模拟,认为滑坡形成的主要因素是采石场的人工开挖,暴雨是滑坡发生的触发因素。     

物质点强度折减法边坡失稳判据选择方法

用物质点强度折减法求解边坡安全系数时,需要选择一定的失稳判据,而采用不同的失稳判据获得的安全系数通常存在一定差异.为此,采用物质点强度折减法对两个边坡算例进行了稳定性分析,对比研究了文献中常用的4种边坡失稳判据(计算不收敛、特征点位移突变、塑性应变贯通及界限值判据)在计算边坡安全系数时的合理性及适用性.同时,将Spen...     

不同物质(土质、岩质)的岩石滑坡体高密度电法异常特征区别

应用物探方法对滑坡进行勘查,已成为一种经济、快捷、有效的手段,文章首先从认识两类典型滑坡(Ⅰ类—土质滑坡、Ⅱ—类岩质滑坡)的滑坡结构开始,从物性差异角度分析了滑体、滑面和滑床的电性特征,说明了物探方法在滑坡勘查中的有效性;通过在某已知滑坡地质体上采用高密度电法不同装置、不同极距进行测试,得出滑坡勘查中电性响应特征的一般规律,总结了高密度电法在滑坡勘查中的技术要点和“滑面”解释原则;最后对贵州地区典型的2处滑坡(土质、岩质滑坡)勘查成果进行实例分析,结果显示:两类物质(土质、岩质)的岩石滑坡地质体电性响应特征具有相同规律,均有明显的三层电性结构层(高-低-高阻)分别对应滑体、滑面、滑床,但土质滑坡地质体的软弱夹层反映在电性剖面特征上的“体积效应”更显著。     

天水市大沟滑坡-泥石流运动过程模拟分析

滑坡-泥石流通常由降雨触发,是一种危害极大的灾害链。本文以甘肃天水市大沟村泥岩滑坡-泥石流为例,从滑坡后壁取原状泥岩样进行固结不排水（CU）三轴剪切试验,获取强度参数,利用LS_RAPID软件对该滑坡-泥石流运动过程进行模拟,再现了滑坡从发生到转化为泥石流的过程。试验表明饱和泥岩的摩擦角仅11,小于沟道坡度。模拟表明滑坡下滑至坡脚时滑体平均速度为5.2ms-1,对沟道滑床具有极大的冲击作用,滑床泥岩在滑坡强大的冲击作用下强度进一步降低,有利于滑坡体迅速转化为泥石流,并造成更大的致灾范围,模拟堆积范围和形态与实测基本一致。     

西藏易贡滑坡物质运动全过程数值模拟研究

2000年4月9日20时05分，西藏波密县易贡乡发生的大型山体崩滑，造成极大危害。在野外调查基础上，运用离散单元法模拟该崩滑体破坏、运动的全过程，此次灾害为扎木弄沟源头的山体崩塌，振动引起沟内崩坡积物发生沙土液化而随崩塌体一起运动，形成高速碎屑流的破坏运动机制，与实际情况较为吻合。     

土质滑坡格构锚杆抗滑机制及受力试验研究

通过滑坡防治格构锚固大型物理模型试验,分析了土质滑坡格构锚杆体系在坡顶荷载下的变形和位移,揭示了格构锚杆的抗滑机制,探讨了锚固力与坡体位移及锚杆变形的关系,提出了极限锚固力的计算方法。结果表明：滑坡滑动时,格构梁与坡体整体发生旋转滑移,锚杆在滑面处发生了弯曲变形,处于弯曲和轴向拉伸组合变形状态;格构锚杆的抗滑作用表现为锚杆在滑面处的抗剪抗滑和锚杆格构梁的挡土阻滑;格构锚杆的极限锚固力由初始预应力、锚杆弯曲变形引起锚拉力、坡体位移引起锚拉力三部分组成,可通过公式 计算。该研究结果可为格构锚固体系的优化设计提供一定的参考。     

基于颗粒流方法的堆积层滑坡运动过程模拟

以颗粒流离散元为研究方法对勉县杨家湾十组堆积层滑坡破坏方式与运动过程进行数值模拟研究。通过PFC^2D双轴模拟试验所标定的岩土体宏观模拟参数与室内试验所获取的宏观实测参数进行对比,确定堆积层滑坡所需的颗粒细观参数,然后将标定的细观参数代入堆积层滑坡模型,对滑坡破坏方式及运动过程进行模拟研究。结果表明：滑坡破坏在初始阶段蠕滑变形累积,滑坡体挤压坡脚,直至坡脚产生剪切破坏,并向上牵引发展,使得滑坡整体顺接触面破坏下滑并堆积于坡脚,表现为典型的牵引式渐进破坏,结果与实际情况基本吻合。研究认为,采用颗粒流方法对堆积层滑坡破坏与运动过程的模拟研究具有较高的适用性,对该类滑坡防治具有一定的参考意义。     

基于PFC2D的刘涧滑坡破坏运动过程模拟

以陕西省洛南县刘涧滑坡为研究对象,采用颗粒流离散元法对其破坏运动过程进行数值模拟。首先通过双轴数值试验对滑坡饱和土体进行细观参数标定,并与室内试验中饱和土体宏观力学参数进行对比,经验证该细观参数能应用到滑坡的破坏运动分析中,进而引入颗粒流（PFC2D）程序中平行黏结模型,采用ball-wall建模方法建立滑坡模型,对滑坡不同关键部位颗粒进行位移、速度监测,阐明其破坏运动特征。模拟结果表明,降雨为刘涧滑坡的直接诱发因素,斜坡变形破坏模式为由坡脚开挖引起的自前缘向后部牵引-孔隙水压力诱发的后部向前缘推移式滑塌。总体特征为上部推移,中部剪切,下部牵引;滑坡滑动最高时速13.4 m/s,最大滑移170 m,滑动阶段持续25 s。利用颗粒流法对滑坡的破坏运动过程模拟具有较好的适用性,可为工程决策提供依据。      

陕西泾阳东风高速远程黄土滑坡运动过程的模拟

陕西泾阳南塬的东风滑坡是一个典型的高速远程黄土滑坡,由于斜坡顶部的黄土台塬长期灌溉所诱发。通过野外调查,采取滑坡后缘斜坡的黄土试样,对斜坡中部的Q2黄土做天然含水率的固结不排水剪试验,对斜坡底部地下水位面附近的Q1黄土做饱和固结不排水剪试验,结果表明非饱和的Q2黄土和饱和的Q1黄土在破坏后都具有显著的应力降,但前者是由结构强度引起,而后者则是由剪切形成的超孔隙水压力引起,由此表明该斜坡一旦破坏,就会有较高的启动速度。对滑坡坡脚以外一级阶地上的砂卵层做环剪慢剪试验,测得其有效残余摩擦角,根据滑坡各部分含水状态给定孔隙水压力参数,利用Sassa. K滑坡运动模型对该滑坡运动过程进行模拟,从模拟结果反映出滑坡运动过程中的覆盖范围和速度的变化,模拟的滑坡运动距离和覆盖范围与实测比较吻合,最高速可达到37m s-1,为高速滑坡。黄土滑坡以高的初速度下滑到坡脚下一级阶地上的饱和砂卵层上,砂卵层上液化是导致其远程运动的主要原因。     

高陡层状土质边坡风蚀失稳过程及机理研究

吐鲁番交河故城台地高陡层状土质边坡的失稳过程受风蚀控制和影响非常典型;在土层组合特征和抗风蚀能力差异以及当地终年多大风的气候特征的共同作用下,坡体土层形成风蚀空腔并在空腔的控制下发生变形破坏.以工程地质定性分析、风洞实验、物理模拟为主要手段,结合数值模拟,分析了该边坡在自然风蚀改造过程中表现出具有特殊性、多样性和阶段性...     

武隆鸡尾山滑坡发生机制与裂缝成因分析

滑坡失稳运动的动力学过程及影响范围对滑坡灾害的风险区划分和防控具有重要影响。为了能准确且系统地分析滑坡失稳运动过程中的动力特性变化,对三峡库区湖北省秭归县盐关滑坡失稳运动过程详细调查分析,通过滑带土的室内环剪试验获得其残余强度变化规律及不同剪切速率的滑带土运动参数。采用适用于大变形模拟计算的物质点法(MPM),再现了盐关滑坡的2次运动堆积过程,并分析了滑坡运动过程中的速度、能量、冲击力等动力特性的动态变化与阶段特征。结果表明,盐关滑坡物质点法(MPM)模拟结果与现场勘测运动距离和滑坡堆积形态相吻合;滑坡2次运动过程均经历失稳启动、加速滑动、减速堆积和停止4个阶段;第一、二次滑动分别在第10、31 s时达到了1.9、3.2 m/s的速度峰值,总动能为1.57×10⁷、1.60×10⁸ J,冲击力峰值为7.82×10³、3.87×10⁴ kN;滑坡平均速度、总动能及最大冲击力均随滑距增加呈现先增加后减小的变化趋势。物质点法应用于滑坡动力学分析取得较好的效果,室内环剪试验获取的控制滑坡运动的滑带土残余摩擦系数为物质点法模拟计算提供了可靠的数据支撑。滑坡失稳运动过程的动力学特征在滑坡灾害范围和危害程度预测及风险评价中具有重要意义。

     

对MPS法在溃坝模拟中数值压力振荡问题的改进

为探索模拟大变形自由面流体运动的高精度数值计算方法,以溃坝水流运动为例,基于MPS法(Moving Particle Semi-implicit method,移动粒子半隐式法)建立了一个垂向二维改良MPS法数值计算模型。首先,为了改善传统MPS法中存在的自由表面粒子误判以及数值能量耗散问题,提出新的自由表面粒子识别方法和高精度的压力梯度模型。在此基础上,以Lobovsky'等的溃坝物理模型实验为例,探讨不同形式压力泊松方程源项对溃坝冲击压计算精度的影响,提出一个新的源项形式。数值结果分析表明,新自由表面粒子识别方法和高精度压力梯度模型可以有效地减少自由面粒子的误判概率,抑制水流运动计算中的数值能量耗散。而压力计算结果与实验结果的对比表明,所提出的压力泊松方程源项可以有效地减少数值压力震荡的幅度。     

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。