15年磨一剑 | 滑坡研究中的力学方法

2018 年 4 月 20 日 科学出版社 李世海等

滑坡研究是现代岩土力学中一个极具挑战性的领域。我国多年的滑坡灾害防治工作和科学研究虽然积累了大量实践经验和理论成果，但“预测滑坡”仍然是亟待解决的难题。

历时五年，终于完成了国家“973项目——重大工程灾害预警理论及数值模拟方法研究”，这一年刚好是我跟随恩师郑哲敏先生的第三十年，也是研究滑坡问题的第十五年，《滑坡研究中的力学方法》是这些年从事滑坡研究工作的部分总结。

郑哲敏先生以身作则，践行钱学森先生工程科学的思想，面对复杂的工程和科学问题，他总是能够以其睿智准确判断、指明方向；他严格要求学生们苦练基本功，做“出汗”的工作；我多年来接受他的教诲，受益匪浅。滑坡灾害研究中面临着很多力学难题，郑先生开始支持滑坡研究时就曾说过“等你退休做出点眉目就不错了”。由于本人的力学基础功底不扎实、工程经验不足，距离先生的要求相差甚远。

回顾科研经历，凡是遵循工程科学的思想，以解决工程问题为导向，从基本理论出发，开展工程基本规律研究并力求回答工程问题的研究，工作进展就顺利、成效就明显；过分追求“严格”理论和急于工程应用，就会走弯路。非常规的“冒险行为”与接受工程界“残酷的考验”一直伴随着我们，可以从总结中略见一斑。在我国轰轰烈烈的工程建设和“急迫”交出研究成果的大潮之中，我们深感力不从心。团队历经近20年努力工作，真正能够留下来并能持续更长时间发挥作用的只有那些既合理又能回答工程问题的东西。敬请滑坡灾害研究及工程力学研究的众多师长、专家和同仁们对我们的认识、成果予以斧正，也愿相关研究人员、学生借鉴我们的经验与教训。

《滑坡研究中的力学方法》第1～3章主要从力学研究的视角认识滑坡灾害的工程问题和有待力学解决的力学难题，表述了本人对钱学森先生工程科学思想的理解与认知。钱学森先生1948年首次发表《工程与工程科学》一文，至今对我国工程科学的研究仍然有指导意义，对于推进中国工程技术的创新与发展有现实意义。工程科学是以解决工程问题为目的，基于自然科学的理论，研究和探索工程基本规律的科学。作为应用体会，本书论述了在滑坡灾害研究中应用工程科学的方法，提出了滑坡研究理论框架及滑坡灾害评估预警的理念、研究思路以及技术路线。

以工程为目的、地学为基础、力学为手段开展滑坡灾害研究，确定了地质勘探是滑坡灾害研究非常重要和根本的一环，也是地学与力学相结合的切入点。地质勘探的研究成果怎样用于力学分析？第4章简述地质勘探的内容和重要性，抽象了地质工作为力学分析提供的要素以及力学对勘探的需求，特别强调了踏勘的灾变现象对力学分析的检验和对改进力学模型所发挥的重要作用。本章的地质部分是由中国科学院地质与地球物理研究所的李守定研究员撰写的，得到了我的挚友李晓研究员的指导。在多年的合作中，我向他们学到了很多关于工程地质学的知识。地质学家与力学家如何分工合作？我们探索了一条途径，立足各自学科，彼此欣赏、相互学习、取长补短。

量纲分析是认识工程问题、开展科学研究的重要工具之一。利用量纲分析可以帮助我们思考研究方向、确立研究问题、指导试验、优化数值模拟算法及方案。第5章简要介绍量纲分析中的基本定理和方法，总结近年来在滑坡研究中的思想历程和认识过程。借助量纲分析给出的一些结论，可以改变我们对传统滑坡研究方法的认识。读者可以从中清晰地认识到滑体的滑动、转动是力学分析中共存的问题；渐进破坏是地质体成灾的基本力学过程。

工程科学是架设自然科学与工程技术的桥梁。牛顿第二定律和拉格朗日方程是工程科学在自然科学一端的桥头堡，由此建立的固体力学、流体力学、散体运动微分方程可以作为基本理论。拉格朗日方程或变分原理诠释了数值方法在某种能量表达方式和位移模态下求解方程的方法，本团队提出的连续–非连续介质的计算算法也是拉格朗日方程的一种特殊形式的表达。第6章还简要介绍基于拉格朗日方程的拉格朗日–欧拉代表性单元的计算方法。为了给后面各个章节准备预备知识，本章讨论了有限元、有限差分、离散元的传统做法，并给出与拉格朗日方程变量和积分区域的相关性及适用条件。特别是，也将极限平衡方法纳入拉格朗日方程的表述，从中可以清楚地看到该方法中的理论基础和适用条件。

固体、流体中的本构关系和材料破坏的强度准则是建立复杂介质基本力学方程的重要环节。只有通过实验给出本构关系，才可以建立用于力学分析的拉格朗日基本方程。第7章中介绍我们提出的一种新的本构关系——应变强度分布本构模型(也简称应变强度分布准则)。该模型将拉应变、剪应变的强度准则和应力–应变关系用强度分布函数统一表达。将线性、非线性、软化及断裂的破坏全过程仅由线弹性与断裂两种状态和材料强度分布的基本假设推演获得。目前的研究成果可以适应现有的材料试验给出的各种实验曲线。材料试验观察到的破坏全过程，可借助不同的分布函数表征其不同的破裂模式，揭示了试样由可均匀化的体破坏转化为局部面破坏的物理本质；并提出了代表性单元破裂度的概念，对计算过程中单元断裂前的物理演化过程给出了科学的表述方法。应变强度分布准则的思路起源于认识到莫尔–库仑强度准则中黏聚力项和摩擦项直接相加的不合理性。莫尔–库仑强度准则是应变强度分布准则的一种特殊状态。在可能断裂的破坏面上，莫尔–库仑强度准则是指已断裂面的面积和未断裂面积相等，所以两项前面的系数都是1。应变强度分布准则可以给出代表性体积单元的破裂面积，可以将破裂能以导出量的形式计算出来，增加了对材料破坏的认识。

弹簧元借助于引入泊松弹簧和纯剪弹簧概念，构建了一个特殊的弹簧系统。与球形和类球形颗粒相比，它能够反映复杂的形状，并且在内部具有连续介质的特性；与有限元方法相比，它是在局部坐标系下讨论问题，不需要复杂的理论推导过程，仅需要具备理论力学和弹性力学的基本知识就可以构建单元；与链网模型相比，它可以表述任意泊松比。弹簧元可以组装成任意复杂形状的复合弹簧单元，也可以方便地构建薄层单元，具有良好的单元内部断裂与单元重构适应性。第8章论述建立该单元的理论推导、不同形式单元的构建方法以及在数值模拟中的应用实例；特别地，借助量纲分析解释了弹簧元在单元畸变条件下仍然有较高的计算精度。

单元在计算过程中的破裂是连续–非连续计算模型的重要组成部分。本研究团队经过十多年的探索，尝试了很多模型，形成了基于三角形、四面体的成熟的计算方法。第9章主要包括两个部分，其一是单元的破裂算法，其中包括单元的一次破裂、二次破裂及逐级破裂，该方法可以得到与一些实验结果或采用复杂本构关系、扩展有限元算法、断裂力学模型等相一致的物理图像；其二是块体的碰撞和运动计算方法，该方法将复杂的块体碰撞过程转变为接触边与目标面的关系判断，根据3种几何关系即可判别三维空间下的6种接触类型，因此借助该方法预测滑坡灾害的风险有很强的实用性。

第10章在介绍孔隙渗流、裂隙渗流基本概念的基础上，全面介绍研究团队近几年在滑坡规律、力学模型、物理模型实验、计算方法等方面的研究成果。三维裂隙渗流和孔隙渗流的计算模型，将压力孔隙渗流的压力节点放在单元内部，补充多个裂隙节点，有效地解决了两种渗流复杂流动的计算问题，也为渗流诱发单元破裂创造了很好的计算模式。应力场、渗流场和破裂场的耦合是地质灾害和各种地下工程规律研究不可回避的问题。有了连续–非连续模型，就可以准确获得破裂场的分布；有了裂隙渗流和孔隙渗流的模型，就可以给出渗流在山体中的压力；利用有效应力和破裂准则，就可以得到渗流场、应力场耦合下的破裂规律。本章介绍渗流场、应力场和破裂场耦合计算模型，给出了水软化强度、裂隙和孔隙水压力的作用以及滑坡体内部渐进破坏多因素影响下的滑坡灾害分析方法。

第11章论述现场监测和室内实验的研究方法。在本书建立的滑坡灾害防治框架中，现场监测十分重要，直接用于灾害的评估和预警。室内实验主要是验证数值模拟的可靠性，这是由地质体的特性决定的。本章主要介绍数字通信技术和光纤技术为滑坡监测带来的变革、地表裂缝和深部滑移与数值模拟的结合，以及柔性加载实验系统与传统材料试验机的差别；并介绍本团队研发的几种实验仪器、装置以及现场监测设备的基本原理及实用情况。

地震诱发滑坡灾害的研究主要是针对我国西南高地震裂度区高陡边坡的安全问题而开展的。研究期间发生了汶川地震，发生了大量的滑坡次生灾害，造成的损失远大于单纯建筑结构失稳的影响；古滑坡没有在强震作用下复活、大量的斜坡上的“岩溜”以及大型顺层滑坡等现象，直指地震诱发滑坡灾害的力学本质——地震波的传播、动荷载作用下地质体的灾变。第12章基于数值模拟研究地震诱发滑坡灾害的问题。首先说明对于大型滑坡，地震波在滑坡体中的传播不能简单概化为一个动荷载作用于滑坡体产生一致性运动。滑坡尺度和波长相比不可忽略时，现在规范规定的施加地震惯性力用拟静力法模拟很难得到合理的结果；介绍我们发明的一种用爆炸模型试验模拟地震诱发滑坡灾害的方法；作为一种新的尝试，提出了破裂度与永久位移综合判断滑坡稳定性的方法。

第13章中全面论述滑坡灾害预测预警的技术框架。首先从理论上提出度量滑坡灾害危险程度的无量纲量——破裂度，介绍破裂度的计算方法、校核过程；并提出基于地表裂缝、位移反分析滑坡内部的破裂状态的数值分析方法。综合前面各章的研究成果，提出以数值模拟为基础的滑坡灾害预测预警的技术框架，其中包含新的评价指标、现场监测和数值模拟结合的计算方法、地质过程预测转化破坏状态判断具体实现、评价体系引入可靠度评价方法等。

第14章是本书提出的理论方法在不同层面上的应用，介绍的几个实际案例，基本上都是我国近年来发生的重大灾害或传统方法遇到挑战的技术难题，涉及三峡库区滑坡、武隆鸡尾山滑坡、煤矿露井联采的边坡稳定性分析、以地表入渗诱发的低坡角“流动”性滑坡等。这些例子一方面说明新的理论方法可以解决比较复杂的问题，有较为广泛的适用性；另一方面说明新理论方法的局限性，滑坡灾害的研究任重道远。

郑哲敏院士为本书作序

张楚汉院士为本书作序

本文摘编自李世海、冯春、周东等著《滑坡研究中的力学方法》文前，内容有删减。

滑坡研究中的力学方法

李世海、冯春、周东等著

责任编辑刘信力

北京：科学出版社 2018.03

ISBN 978-7-03-052674-8

《滑坡研究中的力学方法》作者从事多年滑坡研究，针对滑坡灾害评价、预警中的问题，开展力学方法研究，形成了滑坡灾害评价、预警新的理论体系，并在若干重大工程案例中应用和验证。

《滑坡研究中的力学方法》的主要内容包括：滑坡灾害需要解决的工程问题及科学难题，钱学森工程科学思想的核心内容以及基于数值模拟方法的滑坡灾害研究的理论框架；几类地质踏勘的主要目的与力学分析需求之间的关系，量纲分析在滑坡研究中的作用；滑坡研究的基本方程及相应数值方法可描述的问题及适用范围，特别是，将拉格朗日方程应用于连续—非连续介质理论模型；集本构关系与强度准则于一体的新的本构模型——应变强度分布本构模型；适合连续—非连续计算且有更高精度的弹簧元方法及应用；论述并实践了新的裂隙与孔隙渗流耦合计算模型、单元破裂模型、散体碰撞检测算法以及应力场、渗流场、破裂场耦合算法；给出了基于数值模拟与破裂度理论的滑坡灾害评价与预警理论体系，并应用相关理论进行了典型工程案例分析。

（本期编辑：安静）