基于粘性亚塑性本构模型的蠕变边坡运动速率预测方法研究

《Landslides》：A method for prediction of creeping slopes by viscohypoplasticity

本研究针对缓慢移动滑坡的蠕变速率预测难题，提出了一种结合粘性亚塑性本构模型（viscohypoplasticity）与有限元模拟的先进框架。通过参数化分析与实际案例（Prackovice滑坡）验证，该模型成功量化了地下水波动与土体黏性参数对位移速率的影响，实现了滑坡时空演化规律的高精度再现。该研究为边坡安全评估与风险管理提供了可靠工具，对降低地质灾害社会经济损失具有重要意义。

　　

缓慢移动的滑坡如同潜伏在地表之下的“沉默杀手”，虽不似瞬间崩塌的灾难性滑坡般引人注目，却以每年毫米至米级的蠕变速度持续威胁着基础设施、建筑物甚至整个村庄的安全。这类滑坡常由季节性降雨引起的地下水位波动触发，其运动速率与孔隙水压力呈复杂非线性关系，且受土体黏性特性控制，预测难度极大。传统极限平衡法无法捕捉其时间依赖性演化，动力分析方法又因惯性力可忽略而不适用。因此，开发能够精确模拟土体时效力学行为与水文耦合作用的数值模型，成为滑坡风险管理领域的迫切需求。

在此背景下，Jan Jerman与David Ma?ín在《Landslides》发表研究，提出了一种基于粘性亚塑性本构模型（viscohypoplastic constitutive model）的滑坡运动速率预测框架。该模型通过整合有限元模拟、参数化反演与现场监测数据，首次实现了对蠕变边坡时空演化规律的定量刻画。

研究采用的关键技术方法包括：

1. 1.1.
   粘性亚塑性本构模型：在临界状态土力学框架下，通过应力率张量?T°、应变率张量?D?及参考蠕变速率?Dr?描述土体的时间依赖性行为；
2. 2.2.
   有限元法（FEM）：利用PLAXIS 2D软件构建理想化边坡与真实案例（Prackovice滑坡）的二维模型，模拟地下水波动与土体蠕变的耦合效应；
3. 3.3.
   参数反演分析：基于测斜仪位移数据与室内试验（三轴与固结试验），标定黏性参数（Iv、Dr）与超固结比（OCR）；
4. 4.4.
   案例验证：通过捷克Prackovice滑坡区的几何重构与长期监测数据，验证模型在复杂场地的预测能力。

模型构建与参数化验证

研究首先通过理想边坡的参数化分析系统评估了临界状态摩擦角（φc）、OCR、黏性指数（Iv）及边坡几何形态对位移的影响。结果表明，φc?从14°增至24.5°时，边坡安全系数（FS）显著上升，位移速率下降；而低OCR土体因靠近正常压缩线，蠕变速率随孔隙比减小而逐渐稳定。

黏性指数?Iv?的敏感性分析显示，其值从0.05增至0.2时，365天累计水平位移（ux）提升约3倍，证实了土体流变特性对蠕变的主导作用。

边坡几何与地下水位的协同效应

研究对比了坡度（β=5.7°、11.3°、21.8°）与剪切带厚度（h=0.5?m、1.0?m、2.0?m）的影响，发现陡坡（β=21.8°）的位移量为缓坡（β=5.7°）的5倍，且位移与剪切带厚度呈正比。

地下水位的波动被证实为位移速率的关键驱动因子。当水位从基准值（地表下10?m）上升2?m时，位移速率峰值达3.32?mm/月（FS≈1.001），而水位下降1?m时速率锐减40%。极端水文事件（如夏季水位骤升）可导致位移曲线永久性偏移，凸显长期监测的必要性。

案例研究：Prackovice滑坡的实践验证

以捷克Prackovice深层蠕变滑坡为对象，研究构建了基于实地几何、水文数据与测斜仪监测（IN1009p、IN1011p）的二维有限元模型。通过反分析标定参数（OCR=2.2，Iv=0.125），模型在2022–2023年校准期内成功复现了地表位移趋势与季节性波动（图9a）。

Forward预测（2024–2030年）表明，极端水位事件可使局部位移增量达年均值的2倍，且边坡不同区段对水文扰动的响应存在显著空间异质性（图9b、c）。

结论与展望

本研究通过粘性亚塑性本构模型与有限元框架的深度融合，实现了对慢速滑坡蠕变行为的物理机制驱动式预测。模型在理想化参数分析与真实案例中均表现出良好的鲁棒性，尤其在地下水波动与土体黏性耦合作用量化方面取得突破。其核心意义在于将滑坡预测从静态稳定性评估推进至动态时空演化模拟，为基础设施规划与灾害 mitigation 提供了决策依据。

未来工作需进一步耦合非饱和渗流与瞬态孔压消散模型，以拓展其在低渗透性黏土边坡中的应用；同时，结合遥感技术与高密度地表位移数据，有望实现全三维场景下的模型优化与验证。