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标题
Title
期刊: Engineering Geology
作者：Jun-Hao Wang a, Wen-Jie Xu a, Xiao-Xiao Liu b
年份：2024
研究亮点：
• 提供了一种考虑降雨水文过程的新型边坡稳定性分析方法。• 该方法可以模拟边坡水迁移、变形和破坏的全过程。• 使用基于 GPU 的物质点法（MPM）和强度折减法（SRM）来计算边坡的安全系数。• 该方法用于研究降雨作用下边坡的变形和破坏机制。• 本研究分析了计算效率。
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摘要
降雨是引发山体滑坡的主要因素之一。降雨过程中边坡的稳定性分析对于灾害防治非常重要。作为一种拉格朗日-欧拉混合计算方法，物质点法（MPM）非常适合模拟岩土材料的大变形过程。通过使用基于 GPU 的 MPM 软件（CoSim-MPM），提供了一种降雨水文过程与岩土力学之间的新型耦合方法，以分析降雨对边坡稳定性的影响。所提供的方法考虑了降雨期间地表径流和入渗的影响，并且能够模拟边坡的水分迁移、变形和破坏的整个过程。为了对降雨过程中的边坡稳定性进行定量分析，引入了强度折减法（SRM）。以中国北京千灵山边坡为例，该边坡在 2023 年的一场强降雨中不稳定。基于数值结果和现场调查，分析了降雨作用下边坡变形和破坏的机制。结果表明，所提供的方法在降雨期间的边坡稳定性分析中具有强大的优势和效率，能够对边坡变形和破坏的整个过程进行直观而全面的模拟。
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图表
图 1. 物质点法（MPM）的流程图
图 2. 坡面上降雨入渗径流过程示意图。
图 3. 降雨水文-地质力学耦合算法示意图。
图 4. 千灵山边坡工程地质图。
图 7. 千灵山边坡的物质点法（MPM）数值模型。
图 9. 自然状态下不同\(Rf\)的千灵山变形特征。
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结论
降雨是引发山体滑坡的重要因素之一，分析降雨作用下的边坡稳定性对岩土工程具有重要意义。物质点法（MPM）是研究岩土材料大变形和破坏的有力工具。在本研究中，基于 GPU 加速软件 CoSim-MPM，提出了一种新的耦合分析方法。该方法结合了考虑地表径流和地下渗流的降雨水文模型以及岩土力学模型。该方法能够模拟降雨、地表径流和地下渗流的水文过程。并且综合考虑了岩土材料强度降低、体积密度增加、渗流力和侵蚀力的变化。还引入了强度折减法（SRM）来分析边坡稳定性和破坏机制。作为该方法的应用，分析了千灵山边坡的稳定性和破坏机制。结果表明，在自然状态下，边坡稳定，安全系数为 1.14，其潜在破坏模式为前部坍塌和后部平移相结合的复合破坏。在强降雨条件下，研究了千灵山边坡的水文过程和破坏模式。随着降雨持续时间的增加，边坡的安全系数逐渐降低。36 小时后，塑性应变区贯通，边坡变得不稳定。边坡变形表现为中部和前部向下滑动，呈现出浅层土破坏模式。数值结果与现场观测结果吻合良好。降雨引发的山体滑坡与降雨水文和岩土力学之间的相互作用密切相关。降雨不仅增加了岩土材料的体积密度和孔隙压力，还通过地下渗流的渗流力和地表径流的侵蚀力共同作用对边坡稳定性产生不利影响。所提供的耦合算法合理地捕捉了降雨与岩土材料之间的动态相互作用，综合考虑了径流和渗流耦合水文过程对岩土材料物理力学性质的影响，为降雨引发山体滑坡的机制提供了更深入的理解。因此，该方法非常适合大规模边坡的稳定性分析和力学研究，可以模拟“降雨-失稳-破坏-滑动”的整个水文和变形过程。
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参考文献
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