静态液化模拟(Static Liquefaction)

2014年3月22日在美国华盛顿州奥索(Oso)地区发生了一次大规模的滑坡事件，800万立方米的冰川和河流沉积物运行了超过1公里，滑坡导致了43人死亡，大量房屋、道路和基础设施被摧毁或严重损坏，造成了1.2亿美元的经济损失。救援人员在灾难发生后进行了大规模的搜救行动，并进行了长时间的恢复工作。这次滑坡是美国历史上最为致命的单一滑坡事件之一。下图所示的滑坡事件发生9年后的最新卫星图像。

奥索滑坡发生后，以美国地质协会(USGS)为首对该事件进行了全面的技术调查，包括Iverson等人(2015,2016)，Wartman等人(2016), 调查结果把这个灾难性的滑坡事件归因于河流沉积物的液化，即所谓的静态液化(Static Liquefaction)。

静态液化也称作流动液化【什么是流动液化(flow liquefaction)】，本质是一旦触发了边坡稳定性，会导致有效应力降低，孔隙水压力增加，从而引发静态液化。在最近10年发生的尾矿坝破坏案例中，静态液化是主要原因，因此静态液化模拟是目前最为关注的研究课题【布鲁马迪尼尾矿坝破坏的原因(Brumadinho dam disaster)】。

虽然静态液化这一现象在实验和理论上被广泛认知，然而其数值模拟具有很大的挑战性，主要原因是涉及大变形、动态因素以及需要恰当的本构模型。数值模拟应能够捕捉静态和循环土响应的各个方面，如永久变形和超孔隙压力的积累，以及土模量的退化和随着施加的循环剪切应变增加的同时滞后阻尼的增加。

FLAC2D最早使用了Finn模型模拟液化，后来在此基础上发展了P2PSand模型，Plaxis使用了相似的原理，发展了PM4Sand、PM4Silt、UBC3D-PLM和UBCSand模型以及最新发展的SANISAND模型【Plaxis 2D/3D 2023.2新功能】，其它欧洲的一些研究者使用不同理论发展了液化模型，例如, NTUA-SAND, 细观塑性(Hypoplasticity), 多屈服面塑性(Multi-yield surface plasticity)和Ta-Ger模型，不过这些模型还没有得到广泛应用。

在尾矿坝的静态液化研究中，目前广为接受的是NorSand模型：

• FLAC3D的NorSand模型
• Norsand模型刚度(弹性)参数的输入  
  
• 原始Norsand模型的参数回顾(Jefferies's Excel VBA code)  
  
• 卡迪亚尾矿库溃坝专家组调查结果(Cadia Embankment Failure)  
  
• 状态参数Ψ的起源(State Parameter)  
  

NorSand模型现已合并在一些工业标准的岩土数值模拟软件中，如FLAC2D, FLAC3D,  Plaxis2D, Plaxis3D, RS2, RS3和Sigma/W。

由Yerro等人(2019)使用材料点方法(MPM)【Anura3D的主要特性 | MPM应用论文】对奥索滑坡进行了模拟。研究指出，在异常潮湿的天气后，边坡脚处的碎屑沉积物发生了静态液化，这是滑坡物产生长距离滑行的原因之一。在这篇论文中，他们使用了立即降低材料的Mohr-Coulomb参数来模拟液化现象，显然这大大简化了静态液化的本质。Cuomo等人(2019)也使用了MPM方法进行了静态液化模拟，他们使用的是上述提及的细观塑性(Hypoplasticity)模型。

目前Anura3D确实已经发展了NorSand模型，但不对外开放，我们目前正在调试的是Dr. Carluccio开发的静态液化模型。 

[3] (2016) Modelling landslide liquefaction, mobility bifurcation and the dynamics of the 2014 Oso disaster.

[4] (2016) The 22 March 2014 Oso landslide, Washington, USA. 

[8] (2021) Dynamic large deformation modelling of soils including static liquefaction.