基于并行光滑粒子流体动力学方法的边坡失效概率及失效模式分析

The spatial variability of geotechnical materials is inevitable and the determination of failure probability and failure mode of slopes plays an important role in geotechnical engineering practices. This project aims to develop a parallel Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) method which works in both CPU and GPUs based on the compute unified device architecture. The laboratory sand flow test and cohesive clay slope model test are conducted to validate the proposed parallel SPH method. The magnitudes of deformations and plastic strains for specified locations at the moment of failure are calculated using Finite Element Method (FEM)-based Strength Reduction Method (SRM) and further summarized and analyzed in order to develop a criterion that can be used for identifying the failure locations in slope stability. The proposed criterion is combined with the developed parallel SPH method to locate the failure probability and failure mode. The research results of this project can provide much insight for geotechnical reliability analysis and risk assessment.

岩土工程材料具有较强的空间变异特性，考虑这一特性的边坡失效概率以及失效模式的计算分析就具有较强的理论和工程应用价值，本项目拟基于室内土工试验、数值模拟等研究手段，在串行SPH方法耗时分析基础之上，采用统一计算设备架构体系，提出基于主机与设备端共同协作的快速并行SPH方法，并通过室内砂土流滑试验与粘性土边坡模型试验验证所提并行SPH方法的有效性。采用有限元强度折减方法对典型边坡进行失效时刻的数值模拟分析，总结归纳边坡失效时刻特征点的位移和塑性应变值与边坡几何参数、物理力学参数的关系，进而得出合理的边坡失效准则，将该失效准则与并行SPH方法相结合提出，考虑空间变异特性的边坡失效概率及失效模式快速确定的系统方法，本项目的顺利实施将会丰富岩土工程可靠度分析与风险评价的方法与理论体系。

边坡失效模式与滑坡失效后果紧密相关，因此失效模式研究对滑坡风险量化至关重要，本项目在自主研发的光光滑粒子流体动力学程序SPH-QUT的基础上，通过与砂柱垮塌试验结果对比验证，利用自主研发的SPH-QUT进行了边坡失效模式的演化机制研究，并采用多重响应面方法合理量化滑坡风险，形成了一套具有工程应用前景的滑坡风险量化方法，重点在以下三方面取得重要进展：.(1)粘性土边坡失稳滑动面演化规律研究.基于极限平衡方法和强度折减方法确定的粘性土边坡初始滑动面作为研究基准，利用强度折减法模拟了边坡初始滑动过程，基于初始滑动面面积，提出了确定粘性土边坡临界位移阈值方法，在临界位移阈值确定的基础上，通过不断折减边坡的安全系数来模拟滑坡扩展过程，动态确定了滑动面的面积演化规律，为滑坡失效后果量化奠定基础；.(2)基于滑动面积最大且安全系数等于一的粘性土边坡滑动面积确定方法.在上述边坡失稳滑动面演化规律研究的基础上，通过综合分析前人边坡失稳原型试验过程与结果，在合理假设并进行SPH验证的基础上，在极限平衡方法框架之内，提出了适用于粘性土边坡滑动面积的快速确定方法。该确定方法等价为最大化滑动面积，约束为滑动面安全系数等于一的数学优化问题，通过粒子群和声优化算法的求解，并与SPH结果进行对比验证了所提方法的有效性；.(3)基于多重响应面法的滑坡风险量化方法.基于边坡初始滑动面对应的土体强度参数，提出了响应面样本构建方法，利用SPH-QUT计算样本点的滑动面积，针对某一失效模式构建了二次多项式函数响应面，对多失效模式的滑坡而言，多重响应面法应运而生。所构建的多重响应面法与极限平衡方法以及蒙特卡洛方法结合，提出了快速、合理量化滑坡风险的方法。.本项目研究成果，提出的滑动面演化规律对滑坡机理认识具有借鉴作用，所提滑动面积最大且安全系数等于一的粘性土边坡滑动面积快速确定方法具有很强的工程应用背景，多重响应面与SPH结合的滑坡风险量化方法具有推广前景。