期刊: Computers and Geotechnics

作者: Guodong Ma a , Annan Zhou a,1,* , Ha H. Bui b.

工作单位: a: 皇家墨尔本理工大学工程学院土木与基础设施工程系

              b: 莫纳什大学土木与环境工程系

降雨诱发的非饱和边坡失稳是世界范围内最常见和最具破坏性的滑坡形式之一，往往造成重大的人员伤亡和经济损失。准确预测此类破坏不仅需要采用稳健的数值方法来捕捉非饱和土的水力和力学耦合行为，还需要深入了解土体性质的空间变异性如何影响边坡稳定性。在这项研究中，光滑粒子流体动力学( SPH )与先进的非饱和本构模型相结合，首次研究了孔隙比依赖性和变异性对降雨诱发非饱和边坡破坏的影响。该模型捕捉了非饱和土的水-力耦合行为，考虑了孔隙比对持水、入渗和强度特性的影响。采用单层多相SPH方法，其中每个粒子同时代表水、空气和固体相，实现了大变形问题的高效和稳健模拟。将SPH模型应用于具有空间可变土体性质的合成边坡，以探究孔隙比的不均匀性如何改变破坏机制和破坏起始条件。研究结果为孔隙比非均匀性在降雨型滑坡中的作用提供了新的见解，并展示了先进的SPH建模在岩土应用中实际概率分析的潜力。

图1 不同孔隙比下的饱和度和相对渗透系数。

图2 当前模型与Zhou and Sheng ( 2015 )模型和实验数据的对比评估。

图3 初始孔隙比和初始吸力对本构模型性能的影响。

图4 合成路堤的几何形状及边界条件。

图5 边坡破坏的表面轮廓。

图6 均质边坡孔隙水压力和竖向有效应力的演化规律。

图7 均质边坡孔隙度和变形的演化。

图8 非均质边坡孔隙水压力和竖向有效应力的演化规律。

本研究开发并实现了一个完全耦合的光滑粒子流体动力学( SPH )数值框架，以研究降雨诱发的非饱和边坡破坏，特别是非饱和土中孔隙比的依赖性和变异性。将改进的非饱和本构模型成功地集成到SPH框架中，以捕捉边坡破坏过程中复杂的水-力相互作用。首先在单元水平上验证了非饱和本构模型的性能，然后通过SPH单剪试验和颗粒崩塌试验验证了非饱和本构模型的性能。将全耦合SPH模型应用于非饱和路堤边坡的降雨入渗场景，为孔隙空间异质性如何影响水分入渗模式、孔压发展、有效应力和边坡稳定性提供了重要的见解。增大孔隙比的空间变异性一般会增强边坡的潜在不稳定性，为渗流创造更多的优先路径。因此，由于密度的显著变异性，入渗时间缩短，土体强度劣化。数值结果表明，增大孔隙比的空间变异性会增大边坡破坏时的滑动面积，但对滑动距离的影响有限。这也导致边坡破坏发生的时间提前。

总体而言，本文提出的基于SPH的方法为分析非饱和土中复杂的边坡破坏机制提供了一个稳健而有效的工具。研究结果为未来降雨条件下，特别是非均质岩土材料条件下的概率和基于性能的边坡稳定性评估提供了有价值的指导，并奠定了坚实的基础。

Ma, G., Zhou, A., & Bui, H. H. (2026). Smoothed particle hydrodynamics (SPH) modelling for rainfall-induced unsaturated slope failure considering void ratio dependence and variability. Computers and Geotechnics, 189, 107629.