《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》：Energy-driven micro-macro modeling of earthquake-induced landslides via peridynamics-discrete element method framework
编辑推荐：
地震诱发滑坡涉及断裂扩展、滑面汇聚和局部剥离的多尺度灾变过程。传统离散元方法（DEM）在表征非局部键演化机制方面存在局限性，而研究人员提出的一种动-静耦合近场动力学（PD）-DEM模型通过显式模拟临界相互作用半径内的键断裂动力学和能量传递，解决了这一问题。研究
地震诱发滑坡涉及断裂扩展、滑面汇聚和局部剥离的多尺度灾变过程。传统离散元方法（DEM）在表征非局部键演化机制方面存在局限性，而研究人员提出的一种动-静耦合近场动力学（PD）-DEM模型通过显式模拟临界相互作用半径内的键断裂动力学和能量传递，解决了这一问题。研究人员引入具有刚度过渡系数的三阶段弹性-强化-断裂本构模型，克服了渐进破坏模拟中的线性简化，并通过PD键力显式表示非局部相互作用，实现了精确的能量传递建模。该框架进一步融入能量耗散热点方法，利用动能-摩擦能密度的时空梯度识别滑面，揭示了基本的能量驱动破坏机制。针对基准滑坡（包括日本Nigawa滑坡和中国Xishan滑坡）以及实验室振动台实验的验证表明，该模型能够捕捉键断裂控制的滑面发育、地形放大的动力响应以及跨尺度能量耗散与宏观破裂的相关性，从而全面阐明地震能量输入-积累-耗散链。这一PD-DEM框架为滑坡动力学奠定了非局部理论基础，推动了从几何准则向能量场驱动的灾害预警系统的范式转变。
**研究背景与问题**
在地震活跃区基础设施快速扩张的背景下，斜坡在地震荷载下的稳定性研究备受关注。地震诱发滑坡作为严重地质灾害，常导致大量人员伤亡和经济损失。传统数值方法（如有限元法（FEM）和物质点法（MPM））虽能模拟大变形，但在处理与材料分离、岩石碎裂、块体脱离及接触主导的滑程耦合时面临挑战。离散元法（DEM）虽适用于模拟地震诱发的大变形和断裂演化，但传统模型忽略了颗粒间键演化及近场尺度（即近场动力学（PD）视界内定义的微观-介观邻域）的能量传递机制，难以捕捉非局部损伤。为此，研究人员开发了动-静耦合的PD-DEM框架，以显式模拟键断裂动力学和能量传递，并采用能量场方法识别滑面，从而揭示地震能量输入-积累-耗散链。
**研究内容与结论**
研究人员提出了一种PD-DEM动-静耦合模型：DEM提供压缩法向反应和所有切向力，PD键仅在滑移路径附近的近场带中激活，提供拉伸和非局部损伤。引入刚度变化系数（包括弹性、强化和断裂三个阶段）以模拟渐进破坏，并建立能量耗散热点方法，利用动能-摩擦能密度的时空梯度识别滑面。验证案例包括：日本1995年神户地震引发的Nigawa滑坡、中国2008年汶川地震引发的Xishan滑坡，以及基于EL Centro波的振动台实验。结果表明，该模型能准确再现滑面形状、地震放大效应、能量演化过程，且与实测数据高度吻合，实现了从几何准则向能量场驱动的预测范式转变。论文发表在《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》。
**主要关键技术方法**
研究人员采用了以下主要技术方法：
1. **PD-DEM动-静耦合方法**：将计算域划分为静态区（仅DEM）、动态区（激活PD键）和耦合界面；DEM处理压缩和所有切向反应，PD处理近场带内的拉伸和非局部损伤。
2. **三阶段弹性-强化-断裂本构模型**：引入刚度变化系数，将颗粒间键的拉伸响应分为弹性、强化和断裂阶段，以模拟岩石材料的渐进破坏。
3. **能量耗散热点方法**：通过计算颗粒的摩擦能、弹性应变能和断裂能的空间梯度，累积形成能量密度场，据此识别潜在滑面和破坏路径。
4. **案例验证**：采用日本Nigawa滑坡（1995年神户地震）、中国Xishan滑坡（2008年汶川地震）和振动台实验（原型为西南山区岩质斜坡，相似比1:10，模型来源为Yang等（2020））的实测数据进行验证，并校准接触参数。
**研究结果**
**3.1 Nigawa滑坡模拟**
通过对比传统DEM与PD-DEM模型，研究人员发现传统DEM预测的滑面与观测偏差约40.3%，而PD-DEM模型误差降至9.5%。位移场和能量云图显示，能量集中带与观测滑面高度吻合，且滑面形态为浅层弧形剪切破坏。进一步分析粘聚力（Cohesion）参数影响，表明低粘聚力抑制滑面加深，高粘聚力则增加整体失稳风险。能量演化过程揭示：地震输入前能量均匀分布，输入后动能急剧集中在滑面区域，呈现能量输入-积累-耗散链。
**3.2 Xishan滑坡模拟**
采用Ricker子波模拟近垂直入射体波，基于实测谱比曲线校准模型参数。能量场显示，动能、摩擦能和断裂能在潜在滑面处形成连续集中带，滑面从上至下延伸至坡脚。谱放大比分析表明，模拟曲线在低频（<2 Hz）、中频（6–10 Hz）和高频（>10 Hz）范围内均与实测数据吻合，验证了模型对地形放大效应的捕捉能力。
**3.3 振动台实验模拟**
以EL Centro波为输入，对比实验与数值模拟的峰值加速度（PGA）放大因子。结果表明，坡面PGA随高程显著增大（高程放大效应），且坡面响应强于坡体内部。相关系数接近0.99（坡面0.987，坡体0.989），均方根误差小于0.27。能量场显示，能量集中在坡顶、结构面交汇处和坡趾，与PGA分布趋势一致。渐进破坏过程分为滑面形成和整体失稳两个阶段，当输入波幅达0.9g时，上部沿弱结构面滑动；增至1.2g时，裂缝贯通形成连续滑面，导致坡体整体崩塌。
**总结与结论**
讨论部分指出，该PD-DEM框架通过显式考虑颗粒间键的非局部演化，克服了传统DEM忽略近场效应的局限，能更真实地表征地震诱发滑坡的物理破坏机制。能量耗散热点方法从微观能量视角有效识别滑面，揭示了能量输入、积累和耗散的完整链式过程。三个案例验证表明，模型在滑面形态、地形放大效应和能量演化方面均与观测高度一致，证实了其普适性和可靠性。
研究人员得出的结论是：为了研究地震荷载下斜坡破坏的非连续演化，研究人员基于传统DEM引入了非局部近场动力学框架。通过显式考虑颗粒间键连接演化，该方法克服了传统DEM忽略近场效应的局限，更真实地代表了控制地震诱发滑坡的物理破坏机制。此外，研究人员通过引入改进的分段非线性键合模型，建立了动-静耦合分析模型，该模型引入刚度变化系数，将颗粒键的拉伸加载过程划分为弹性、强化和断裂阶段，有效表征了地震荷载下地质材料的渐进损伤演化。进一步地，研究人员提出了能量耗散热点分析方法，利用动能和摩擦能的空间分布特征，从微观能量角度识别潜在滑面和破坏路径。该计算方法显式考虑了颗粒间的非局部相互作用和键断裂演化，能够有效表征地震荷载下斜坡内部的能量传递和耗散路径。典型案例验证确认，该模型有效捕捉了地震诱发滑坡的破坏特征。在Nigawa斜坡案例中，地震荷载下斜坡从静态稳定过渡到整体滑动，能量迅速沿潜在滑面集中，动能演化与位移场紧密对应，揭示了滑坡破坏中的能量输入、积累和耗散机制。在Xishan斜坡案例中，动能分布和谱放大比分析表明，离散元模拟成功再现了地震诱发滑坡的破坏特征，能量集中带清晰勾勒出滑面形成，谱放大曲线与实测数据高度吻合，进一步验证了该方法在研究地震诱发滑坡细观力学机制中的有效性和适用性。在振动台模型试验模拟中，近场动力学动-静耦合模型与物理试验中观测到的加速度放大高度匹配，成功再现了EL Centro波下的“高程放大效应”和“坡面效应”，并从能量角度揭示了破坏的内在物理机制。结果表明，PGA放大因子随高程显著增加，与坡顶区域动能和键断裂能的高集中度一致，证实了高响应区确实是能量输入和耗散的主要位置。此外，沿结构面形成的带状能量集中区与PGA分布趋势在空间上对应，显示了地震响应中加速度放大与微观损伤能量释放之间的耦合关系。
