基于水-土耦合SPH动力分析方法的地震土坡破坏全过程机理研究

For the soil slope failure triggered by the earthquake, previous studies often employ the site investigation, statistical analysis, theoretical analysis, experiment, and numerical modelling to conduct the stability analysis and flowing analysis. However, it is still difficult to obtain the whole-failure mechanism of soil slope. At the same time, the absence of dynamic procedure in researches with the Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) method makes it impossible to achieve a unified simulation. Therefore, this research will propose a water-soil-coupled SPH method considering the dynamic procedure for the whole-failure simulation of soil slope, including both the failure initialization and flowing propagation. Meanwhile, this research is on the basis of model building of the water-soil-coupled SPH method and focuses on the explanation of failure initializing mechanism, influencing factors and flowing mechanism, therefore it can make up for the drawbacks of recent researches. Findings of this study could provide a newly dynamic numerical method for the soil slope failure induced by the earthquake and revealed mechanism of the whole-failure process will be a reliable reference to the disaster prevention.

针对地震土坡破坏灾害多发的现状，已有研究多采用现场调查与分类、理论解析、模型试验、数值仿真等手段对土坡的稳定性和流滑行为进行分析，难以揭示地震土坡的全过程破坏机理。目前采用光滑粒子流体动力学（SPH）方法的研究，因缺少动力分析，无法对地震土坡的破坏全过程进行统一的仿真。对此，项目将提出适用于地震土坡破坏全过程模拟的水-土耦合SPH分析方法，对地震土坡的破坏启动和破坏成灾全过程进行研究，具有明确的国家需求背景和重要的现实意义。在技术路线上，以地震土坡破坏全过程水-土耦合SPH分析方法的建立为基础，结合SPH模型的验证，以地震土坡破坏启动过程和破坏成灾全过程的计算分析为核心，系统地揭示地震下土坡破坏的启动机理和全过程成灾机制，具有重要的科学意义。研究成果将为地震土坡破坏灾害的风险评估和风险预警提供一种新颖的分析方法，揭示的全过程破坏机理将有助于提高我国防灾减灾工作的科技水平。

针对地震土坡破坏灾害多发的现状，已有研究多采用现场调查与分类、理论解析、模型试验、数值仿真等手段对土坡的稳定性和流滑行为进行分析，难以揭示地震土坡的全过程破坏机理。目前采用光滑粒子流体动力学（SPH）方法的研究，因缺少动力分析，无法对地震土坡的破坏全过程进行统一的仿真。对此，本项目进行了以下内容的研究：（1）基于两相介质固结理论、弹塑性本构、动力边界条件和自由场边界条件，在SPH方法框架中实现了对地震土坡从失稳、启动到流滑成灾全过程的模拟，结合光滑核函数、粒子搜索方法和时间积分方法，建立了适用于地震土坡破坏全过程研究的水-土耦合SPH动力分析方法；（2）利用水土两相边坡、土坡的地震动力响应、堤防地震位移分析、振动台模型试验、水流冲刷溃坝模型以及文家沟滑坡等算例，对提出的水-土耦合SPH动力分析方法进行了验证；（3）建立了不同坡度的土坡计算模型，利用地震土坡破坏全过程水-土耦合SPH分析方法对该算例进行了分析，得到了不同坡度下失稳坡体范围及变形量的变化规律，研究了地震加速度幅值对边坡失稳坡体范围的影响规律；（4）建立了一个概念滑坡案例，通过改变滑坡体的强度参数，模拟了地震边坡失稳后的大变形运动成灾全过程，得到了强度参数对地震土坡破坏全过程成灾机制的影响规律，最后结合元江特大桥的地质资料和桥桩结构，分析了地震和降雨作用下边坡失稳破坏对桥桩结构的冲击作用。本项目构建的水-土耦合SPH全过程动力分析方法，可以为地震边坡破坏灾害的研究提供一种新颖的手段与工具；研究成果揭示了地震作用下土坡渐进式失稳机制和失稳后滑坡大变形动力特征，能够为边坡破坏灾害的防治工作提供依据和参考。