学术前沿 | Acta Geotechnica 考虑应变软化的SPH模型模拟旋转-平移黄土滑坡的破坏和运动过程

学术   2024-11-12 08:53   陕西  

旋转-平移型黄土滑坡广泛分布在中国西北地区,通常对周边居民和基础设施构成威胁。这些黄土滑坡的特点是在运动过程中形成多个滑面,黄土滑坡中这种现象的机制尚未得到充分研究。因此,在本文中,我们将弹塑性应变软化本构定律集成到原始的 DualSPHysics 代码中,以扩展其在模拟旋转平移黄土滑坡中的应用。研究了两个基准案例来验证模型,即无应变软化的粘性土边坡和应变软化的敏感粘土边坡的破坏过程。结果表明,我们的模型可以有效地预测大变形。然后,利用修正模型分析西北蔡家坡滑坡的探空过程,探讨其破坏机理。结果表明,蔡家坡黄土滑坡的破坏模式与典型的粘土滑坡倒退破坏有很大差异。蔡家坡滑坡的主要滑面由预先存在的结构平面控制。该滑坡的第二和第三滑面是由于跳动过程中的应力重新分布而在滑体内部形成的。由于形成多个滑坡面,滑坡沉积物中形成了三个断层。考虑到应变软化的 SPH 模型可以很好地再现这种沉积形态,而使用不考虑应变软化的 SPH 模型的结果无法捕捉到这种基本的变形特性。
不同 SRF 的粘性土坡度的最终等效塑性应变不变等值线(虚线表示通过极限平衡法获得的 Bishop 圆)
SPH 模型获得的黏性土边坡中的累积位移 (SRF = 1.6)
SPH 模拟中敏感粘土边坡的倒退破坏(Si 和 Ci 分别代表第 i 个剪切带和第 i 个粘土块。图 6h 说明了 SPH 模型中的最终沉积物配置 [4])
SPH模型模拟的蔡家坡滑坡最终沉积物(a)无应变软化和(b)-(d)应变软化
在本文中,将应变软化弹塑性本构定律纳入原始 DualSPHysics 规范中,以扩展其在旋转平移滑坡建模中的应用。使用两个基准案例来验证改进的 SPH 模型在捕获动态失效过程和边坡失效后行为方面的能力。最后,利用改进模型分析了蔡家坡滑坡的多次破坏和跳动过程。主要结论如下:
  1. (1)

    黏性土边坡和敏感粘土边坡的模拟结果表明,我们改进的 SPH 模型可以有效地预测与应变历史无关的边坡和与应变历史相关的边坡的潜在破坏面。此外,对敏感粘土边坡的仿真结果表明,我们的模型能够捕捉破坏过程中的复杂变形特征。

  2. (2)

    与敏感粘土边坡的倒退破坏不同,蔡家坡滑坡呈现出多次次生滑移的特点。彩家坡滑坡模拟结果表明,在一次滑面出现后,触发了两个次生滑面。初级滑坡面沿着滑坡后坡处预先存在的结构平面发展,这控制了该滑坡的破坏模式。两个次级滑移面是由于滑动质量中的剪切变形而形成的。这些滑坡面将滑坡分为四个块。我们的模型对三个断层和滑坡舌的形成过程进行了令人满意的模拟。

  3. (3)

    本研究分析了倒退失效和多个继发失效。两种故障模式都基于第 1 次故障。对于相对陡峭的 1st 滑移面,由于斜趾处阻力的卸载,很容易触发倒退失效。由于新滑面的出现,后坡逐渐后退。相比之下,基于较平缓的第 1 滑移面的斜坡后部是稳定的。因此,背坡在跳动过程中是静止的,但由于内部变形,通常会出现多个次生滑移面,将整个矿床分成几个单独的块。

  4. (4)

    尽管所提出的模型可以为旋转平移滑坡的结构特征和破坏机制提供有价值的见解,但在应用于实际滑坡模拟时,它具有以下局限性:(1) 模拟结果的准确性受软化系数控制。应变软化系数需要使用现场数据进行校准,这限制了模型的应用。(2) 在动量方程中引入人工粘度(非物理量),以增强 SPH 模型的稳定性。然而,这个系数很难确定,人工粘度的过度增加会导致大量的耗散能。

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