基于有限体积法的滑坡–碎屑流三维运动过程模拟分析

滑坡–碎屑流因其超常的流动性、超高的滑速以及巨大的能量成为一种具有极端破坏力的地质灾害现象。为实现滑坡–碎屑流三维地形条件下运动全过程的数值模拟,在局部拉格朗日坐标系基础上,考虑滑坡–碎屑流运动过程中滑体下表面的侵蚀作用及摩擦阻力的变化,建立基于有限体积法的计算模型。应用模型对萨尔瓦多的El Picacho滑坡进行反演分析,模拟过程采用距离侵蚀速率参数及Voellmy阻力模型,模拟结果的运动路径及滑动距离与滑坡发生的实际情况吻合较好,表明结合模型方程的数值模拟方法对于滑坡–碎屑流运动过程研究的有效性。此外,计算未考虑滑体下表面侵蚀作用的滑坡运动过程,结果显示滑坡运动物质的总体积减少,滑动距离明显变短。因此,侵蚀作用是滑坡–碎屑流运动过程研究所必须考虑的重要因素之一。滑坡–碎屑流三维运动过程的数值模拟研究可以为该类灾害的危险性评估及风险预测等提供科学的参考依据。     

滑坡失稳后变形过程分析

针对滑落体滑动过程的速度和变形的不均匀性、变形能的积累与释放以及滑体与滑床的摩擦等,建立了滑落体运动的弹簧滑块模型,分析了滑块运动过程,结果表明：该模型通过数值方法可以计算滑落体滑动全过程的变形,同时可以计算滑落体每一条块在滑动全过程的速度和变形以及滑落体的滑动时间和最大运动距离。     

复杂运动路径下滑坡转向变形机理研究

滑坡受地表地形地貌和滑面形态的影响,在运动过程中常表现出转向、分叉、聚合等复杂行为,研究复杂运动路径下滑坡转向变形机理对滑坡的防灾减灾工作有重要意义。以三维地质建模技术为基础,构建庞家湾滑坡的三维颗粒流模型。通过PFC模拟滑坡的运动过程,得到如下结论：庞家湾滑坡发生了转向和聚合行为,滑坡中后部土体的滑动方向发生偏转并在坡脚与东北区域滑体聚合;滑坡中部发生转向运动的颗粒以较快的速度首先开始滑动,且速度由滑坡中部向周围呈辐射状减小;滑坡前缘在整个运动过程中,始终保持较快的运动速度,而后缘运动速度较慢,此外滑体表面速度大于滑体内部和底面速度,而滑坡各部分运动速度不同则是造成滑坡转向变形的重要原因。揭示了复杂路径滑坡的运动规律和转向变形机理,为评估滑坡风险,采取更为合理的防治方案提供理论依据。     

高速滑坡远程预测的块体运动模型

 基于对高速滑坡发生机理的认识及对其运动特征和堆积特征的分析, 认为滑体内部的速度和变形具有不均匀性, 且运动过程伴随着变形能的积累、释放和损耗。在此基础上, 假定滑体的运动形式是连续可变的, 建立了预测高速滑坡远程的块体运动模型。应用该模型可以模拟滑坡发生后滑体运动的全过程, 同时可预测滑坡的最大滑速和最大滑距。利用该模型对洒勒山滑坡等实例进行了数值模拟, 结果和实际基本相符。     

考虑滑动过程内部崩解耗散的滑坡体运动模型

滑坡体运动模型是计算滑速、滑距及滑体动能等运动特征参数的基础,是滑坡致灾范围及致灾强度评估的关键技术,现有运动模型将滑体作为质点或刚性块体,没有考虑下滑过程中内部崩解摩擦耗散的能量,而实际滑坡中这部分能量对滑坡致灾强度指标有较大影响,为此,基于滑体下滑运动机理提出了一种考虑内部耗能的运动模型,该模型将滑体下滑运动抽象为变形体平面运动问题,并将滑体简化为内部变形受力服从滑体土直剪实验破坏后应力应变关系的质点黏壶系统,从而建立其运动学控制方程。还推导了黏阻力计算公式,与运动方程联立得出滑速、滑体动能、滑体重力势能、滑体内部耗能及滑距的计算公式。结合实际滑坡工程进行计算分析得出,该模型一定程度上反映了滑体运动过程中内部崩解摩擦耗能的规律,计算结果与离散单元模拟结果及模型试验规律相近,比传统的运动模型更贴近实际,且比数值模拟更简捷,为滑体运动模型理论研究和工程推广提供了一种新的途径。     

滑坡温度特性研究及其在三峡库岸稳定分析中的应用

三峡库区中有上百个大型滑坡,确定这些滑坡发生时的最大滑动速度是库岸稳定性研究中的一个重要内容。研究滑坡温度场,一方面可以了解高速滑坡的机理,更重要的是,通过反测滑带温度。可以定量计算滑坡发生时的最大速度。本文研究了滑坡体、特别是滑带温度场的变化规律,导出了滑带温度场的变化方程;结合摩擦系数的变化规律,讨论了温度与滑动速度、滑动时间、滑体厚度以及滑体热力学参数的关系,并以试验结果加以验证,从而获得了滑体中温度场分布的基本规律;最后,作者根据三峡库区四个大型滑坡滑带温度值,定量给出了滑坡最大速度,其结果与现场资料相当吻合。     

滑坡型泥石流转化机制环剪试验研究

 以四川省达县青宁乡滑坡为研究对象,在查明青宁乡滑坡转化泥石流过程的基础上,利用环剪试验模拟青宁乡滑坡失稳以后滑体长距离滑动剪切的过程,分析在剪切过程中土体的物理力学性质变化。结果显示,滑坡型泥石流的转化,除了目前国际上普遍关注的超孔隙水压力的作用外,软弱基座效应也是重要的转化机制之一。滑体在滑动剪切过程中,滑体的剪缩效应以及颗粒的破碎和分层,使滑体土的体积减小,孔隙水压力上升,滑体土的剪切强度降低;同时,滑体的底部形成粉土液化层,且剪切距离越大,黏质粉土液化层的厚度越大,托着滑体快速向前滑动,大大降低了滑体的整体稳定性,该效应为软弱基座效应。     

基于综合监测的滑坡变形特征的分析

为定量描述滑坡空间变形特征,在对滑坡体地形地貌和地质构造勘察基础上,采用全球定位系统地表绝对位移监测、光纤光栅深部变形监测和自动拉线式裂缝变形监测综合监测技术,结合重庆市玉台村滑坡裂缝变形特点,综合分析玉台村滑坡空间变形规律和失稳破坏机制。结果表明：1)综合全球定位系统监测、光纤监测和自动拉线式裂缝监测的方法有利于从地表变形、深部变形和裂缝变形方面对玉台村滑坡三维变形特征进行全面分析,是一种高效经济、优势互补的监测方法。2)玉台村滑坡表现出深层滑体的阶段性变形特征。在失稳前期,滑体后部整体滑动速率较快,变形量随时间近似呈线性增长,且地表变形监测数据的波动对降雨有较强的响应。随着滑动的持续,后缘裂缝变形逐渐退出增长阶段,靠近中部滑体的裂缝变形仍较为活跃,变形差异与地形陡缓有关。3)不利的地形与汇水条件、连续降雨、基岩隔水性以及坡前切脚与坡后堆载构成了滑坡变形的主控因素。     

新滩滑坡运动全过程的非连续变形分析与仿真模拟

简要介绍了非连续变形分析的基本原理，分析了新滩滑坡的工程地质特征和发展变化特征，并用非连续变形分析的方法对该滑坡运动的全过程进行了数值模拟，明确了其时空变化规律。非连续变形分析模拟结果表明，中部的姜家坡先发生滑动，继而对上部古滑体产生牵引作用，对下部古滑体产生推挤作用，导致新老崩积堆积区、毛家院和柳林地区的失稳，造成整体滑动。     

滑坡失稳时间预测模型

建立了一个简化的单滑面滑坡力学模型,运用尖点突变模型中状态变量的突变来反映滑体的突滑,分析了单滑面滑坡的失稳机制,分析结果表明：滑体突滑失稳的必要条件仅取决于滑动面剪切段介质和蠕滑段介质的刚度比,得到了滑坡突滑时间的计算公式,导出了滑体突滑初速度的计算公式。     

推移式滑坡渐进破坏机制及稳定性分析

 在现行滑坡稳定分析的基础上,建立推移式滑坡渐进破坏稳定性分析法。在分析滑坡破坏机制的基础上,提出临界状态条块或单元,该临界状态条块或单元处于破坏和峰值应力之前两状态之间,并提出相应的决定方法。提出推移式滑坡2种破坏模式,模式I：整个滑体沿弱面发生推移破坏,模式II：后缘沿弱面发生推移破坏,而前缘局部沿滑体发生剪切破坏;在滑坡破坏控制的研究基础上,提出模式I滑坡破坏受弱面的基本力学特性所控制,对于模式II,滑坡后缘破坏受弱面的基本力学特性所控制,而前缘受滑体的抗剪力学特性所控制,2种破坏模式的临界状态逐步由后缘向前缘移动,也即是滑坡破坏不断地产生新的峰值应力状态和破坏后区状态。对推移式滑坡的变形规律进行研究,提出在滑坡模式I和II渐进破坏全过程中,滑坡破坏面上的每一点的时间与位移关系均会呈现不同的“S”型曲线特征,对于整个滑体而言,滑面上每一点的位移与高度关系曲线,在不同时刻呈现不同的抛物线型特征。分析滑面的位移与时间的关系曲线特征,提出滑面位移与时间的关系曲线呈现3种类型：类型a：I型非稳定时间曲线,类型b：I型稳定时间曲线,类型c：III型稳定时间曲线。研究现行滑坡稳定性系数的计算特点,提出滑坡稳定性计算的综合下滑力–抗滑力、主推力和基于位移变化的方法。研究了滑坡的运动特点,提出了主滑方向的定义,且主滑方向随力和位移的变化而变化。研究有限元滑坡稳定计算的特点,分析引起滑坡有限元法计算不收敛的原因,提出滑坡有限元计算的滑面边界法,其滑面既可以施加理想弹塑性模型边界,计算所得稳定系数可与传统的极限状态稳定计算结果相比较,又可以施加不同的应力–应变模型边界,从而获得真实的应力场和位移场,也可利用各种方法计算相对应的稳定系数;对于滑面确定可以采用各种优选计算和现场勘查方法。提出了各种对应关系图,这些图形有利于理解提出的系统理论。     

三维离散元法解析砂型泥石流细观运动特征研究

基于散体介质理论的三维离散元数值分析方法,引入粘滞阻尼模型考虑系统耗能效应,求解固体作用力和流体连续性方程,充分考虑流固耦合作用,对中、细标准砂泥石流过程进行仿真分析,得到不同砂型泥石流破坏过程及渗流场、颗粒速度场、孔隙率、颗粒接触数等参数变化规律。分析表明,中砂、细砂分别表现出分层渐进式和流滑型的破坏模式,这与已有物理试验现象吻合,验证该模型的适用性,并从渗流场分布规律深刻解释该现象发生机理。泥石流过程中土颗粒速度矢量变化规律从细观上揭示了隐藏在颗粒内部的相互碰撞、摩擦、滑动等复杂运动特点,从宏观上揭示了中砂土坡脚薄弱位置率先突破,主滑动体形成直至完全失稳的分级渐进式破坏过程。进一步分析了土体孔隙率和平均接触数分布云图变化规律,中砂泥石流过程中随颗粒运动,滑动体孔隙率逐渐增大,颗粒接触数逐渐减小,并且这种发展趋势逐渐往坡后方土体蔓延;进一步揭示了中砂泥石流分级渐进破坏过程与颗粒速度场分析规律一致。分析结果表明了该模型方法在模拟泥石流这种大变形、流固耦合问题上的适用性,这对泥石流复杂机理的更深入探索是有益的。     

滑坡不同变形阶段演化规律与变形速率预警判据研究

 预测预警是国际滑坡灾害研究的热点与难点,目前滑坡不同变形阶段历时与变形速率临界值方面的研究存在不足。为深入探索滑坡不同变形阶段演化规律与变形速率预警判据,将滑坡变形演化过程划分为初始变形、匀速变形、加速变形和急剧变形4个阶段,基于滑坡数据库信息,采用统计分析方法研究滑坡不同变形阶段历时特征及其与不同影响因素的相关性、总结不同变形阶段裂缝发展及宏观特征、分析不同变形阶段滑坡位移速率预警判据。通过研究发现：(1) 滑坡加速变形阶段历时18 ～1 080 d,接近一半的滑坡加速阶段历时位于区间30～90 d;绝大部分滑坡急剧变形阶段历时小于30 d。(2) 滑坡破坏模式、滑体方量、滑面类型与滑坡变形阶段历时相关,其中滑面类型与变形阶段历时的关系最为密切,滑面为硬性结构时滑坡加速与急剧变形阶段历时较短,滑面为软弱层面时加速与急剧变形阶段历时较长。(3) 滑坡进入加速变形阶段时裂缝最大宽度为1～50 cm,进入急剧变形阶段时最大裂缝宽度为4～126 cm,其中土质滑坡与堆积体滑坡临界裂缝宽度较大,岩质滑坡临界裂缝宽度相对较小。(4) 滑坡进入急剧变形阶段位移临界速率一般不超过50 mm/d,倾倒型滑坡速率临界值相对较大,软弱滑动面滑坡该位移速率临界值较硬性滑动面滑坡大。(5) 各种滑坡进入加速变形阶段的位移速率均不大,此速率值与破坏模式关系密切。破坏模式为滑动破坏的滑坡该位移速率阈值基本都不超过4 mm/d,倾倒破坏或崩塌破坏的滑坡该阈值稍大,一般大于4 mm/d。     

Creep model for unsaturated soils in sliding zone of Qianjiangping landslide

The mechanical behavior of sliding zone soils plays a significant role in landslide. In general, the sliding zone soils are basically in unsaturated state due to rainfall infiltration and reservoir water level fluctuation. Meanwhile, a large number of examples show that the deformation processes of landslides always take a long period of time, indicating that landslides exhibit a time-dependent property. Therefore, the deformation of unsaturated soils of landslide involves creep behaviors. In this paper, the Burgers creep model for unsaturated soils under triaxial stress state is considered based on the unsaturated soil mechanics. Then, by curve fitting using the least squares method, creep parameters in different matric suction states are obtained based on the creep test data of unsaturated soils in the sliding zones of Qianjiangping landslide. Results show that the predicted results are in good agreement with the experimental data. Finally, to further explore the creep characteristics of the unsaturated soils in sliding zones, the relationships between parameters of the model and matric suction are analyzed and a revised Burgers creep model is developed correspondingly. Simulations on another group of test data are performed by using the modified Burgers creep model and reasonable results are observed.     

一种新的节理本构模型及几种新的滑坡稳定系数计算方法

在对滑坡渐进变形分析的基础上,提出一种新的节理本构模型,推理出本构模型参数的决定方法;分析临界状态应力特征,提出临界状态应变方程,将提出的本构理论和现行莫尔–库仑临界状态准则实现无缝连接。分析现行滑坡稳定性系数计算方法的优缺点,相应地提出滑坡稳定性系数几种新的计算方法：基于渐进变形的临界状态稳定性系数计算方法、部分条块强度折减稳定性系数计算方法、综合下滑力–摩阻力稳定性系数计算方法、最大主下滑力滑坡稳定性系数计算方法,以及每一条块滑坡稳定性系数计算方法。对传统滑坡稳定性系数计算方法和本文提出的方法进行对比分析,进而提出综合下滑力–摩阻力稳定性系数以及最大主下滑力稳定性系数计算方法较能反应工程实践。最后,以实例对所提出的计算模型进行对比分析。     

鸡尾山高速远程滑坡运动过程PFC3D模拟

利用三维颗粒流软件PFC3D,对重庆武隆鸡尾山滑坡进行模拟,研究滑坡体在关键块体失稳后,在重力作用下,沿着滑动面在视倾向滑动力主导下的运动过程。结果显示:(1)对于大型远距离滑坡,在滑坡体运动路径上坡面形态确定的情况下,坡面摩擦因数和滑体强度主要影响堆积颗粒在滑坡堆积区的分布,滑坡发生区域微地形则更多地影响滑坡体所能达到的最大位移;(2)鸡尾山高速远程滑坡的发生过程是分阶段完成的;第一阶段主要是滑源区岩体的破裂化,第二阶段为破裂块体的运动及滑出;(3)通过监测速度、位移等发现滑体外围区域块体速度首先达到最大值,并具备二次加速的特征,综合速度及位移可以认为在滑体中处于上部边缘部分更有可能远距离运动;(4)对于鸡尾山滑坡,当墙面摩擦因数为0.05,黏结强度为中等(250～200 MPa)时,得到的结果与实际情形最为契合。通过模拟发现,PFC3D软件对于此类高速远程滑坡具有较好的适用性,尤其是其三维堆积形态及影响范围的初步确定可以对划定安全避让范围等防灾减灾工作提供有益参考。     

Deformation and failure mechanism of slope in three dimensions

Understanding three-dimensional(3D)slope deformation and failure mechanism and corresponding stability analyses are crucially important issues in geotechnical engineering.In this paper,the mechanisms of progressive failure with thrust-type and pull-type landslides are described in detail.It is considered that the post-failure stress state and the pre-peak stress state may occur at different regions of a landslide body with deformation development,and a critical stress state element(or the soil slice block)exists between the post-failure stress state and the pre-peak stress state regions.In this regard,two sorts of failure modes are suggested for the thrust-type and three sorts for pull-type landslides,based on the characteristics of shear stress and strain(or tensile stress and strain).Accordingly,a new joint constitutive model(JCM)is proposed based on the current stability analytical theories,and it can be used to describe the mechanical behaviors of geo-materials with softening properties.Five methods,i.e.CSRM(comprehensive sliding resistance method),MTM(main thrust method),CDM(comprehensive displacement method),SDM(surplus displacement method),and MPM(main pull method),for slope stability calculation are proposed.The S-shaped curve of monitored displacement vs.time is presented for different points on the sliding surface during progressive failure process of landslide,and the relationship between the displacement of different points on the sliding surface and height of landslide body is regarded as the parabolic curve.The comparisons between the predicted and observed load e displacement and displacement e time relations of the points on the sliding surface are conducted.The classi fi cation of stable/unstable displacement e time curves is proposed.The de fi nition of the main sliding direction of a landslide is also suggested in such a way that the failure body of landslide(simpli fi ed as"collapse body")is only involved in the main sliding direction,and the strike and the dip are the same as the collapse body.The rake angle is taken as the direction of the sum of sliding forces or the sum of displacements in collapse body,in which the main slip direction is dependent on progressive deformation.The reason of non-convergence with fi nite element method(FEM)in calculating the stability of slope is also numerically analyzed,in which a new method considering the slip surface associated with the boundary condition is proposed.It is known that the boundary condition of sliding surface can be described by perfect elasto-plastic model(PEPM)and JCM,and that the stress and strain of a landslide can be described properly with the JCM.