本研究发表于《Computers and Geotechnics》期刊第165卷（2024年），其电子版于2023年10月27日上线。研究由日本海洋研究开发机构（Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology）先进技术研究中心（Center for Mathematical Science and Advanced Technology）的 Jian Chen、Mikito Furuichi 和 Daisuke Nishiura 三位研究者合作完成。

学术背景 本研究的科学领域属于地质灾害模拟与岩土工程数值计算，具体聚焦于大规模滑坡的离散元方法（Discrete Element Method, DEM）高精度模拟。滑坡是造成重大生命财产损失的自然灾害之一，对其运动机理和冲击力进行准确评估对于制定减灾措施至关重要。DEM 因其能够直接模拟颗粒介质的运动和相互作用，并直接计算作用于防护结构上的冲击力，在滑坡模拟领域展现出独特优势。然而，当前DEM模拟大规模滑坡存在一个关键限制：模型分辨率过低。为了在有限的计算资源下模拟大尺度地形，通常将滑坡体颗粒尺寸设为米级甚至更大，并将滑动面视为固定基岩，仅模拟一定数量土体的释放和滑动过程。这种做法忽略了滑坡滑动过程中对坡面可开挖土体的侵蚀与裹挟作用，而这一过程对滑坡的总方量和运动距离有重要影响。因此，为了实现更真实的大规模滑坡DEM模拟，构建具有足够分辨率（即颗粒尺寸足够小，如厘米级）且坡面可开挖的精细化模型是必要且极具挑战性的。本研究的核心目标正是提出一种高效构建大规模、高分辨率、可开挖坡面DEM滑坡模型的新方法，并以此为基础，向实现数十亿颗粒规模的厘米级分辨率滑坡模拟迈出坚实一步。

详细研究流程 本研究的工作流程主要包含四个核心部分：提出新方法、验证方法有效性（构建并分析周期颗粒盒）、应用方法构建大型滑坡模型、以及进行初步模拟验证。研究流程环环相扣，逻辑严谨。 * 第一步：提出周期颗粒盒与“粘合-修剪”建模技术。研究者创新性地提出了“周期颗粒盒”（Periodic Granular Box, PG Box）的概念。一个PG Box是一个满足周期性边界条件的虚拟单元盒内的颗粒集合体，其相对的两个表面在物理上被视为相邻。在此基础上，发展出“粘合-修剪”（Glue-and-Trim）建模流程。首先，制备一个基础的PG Box作为“积木块”。然后，通过简单地复制和平铺这些PG Box，使其填满一个包含目标模型（如滑坡体）的规则空间域。最后，根据数字地形数据定义的复杂坡面边界，“修剪”掉边界外的颗粒，或将其设为边界颗粒，从而得到最终的高分辨率DEM模型。这种方法将建模的主要计算成本前移至PG Box的制备阶段，而一旦PG Box准备就绪，构建任意形状大规模模型的过程将非常高效，避免了传统“自由落体”或“试错法”直接生成大规模复杂几何模型时计算成本高昂、并行实现困难的瓶颈。 * 第二步：构建PG Box并分析其质量（微观结构与力学特性）。这是验证新方法可行性的关键环节。研究者首先设计了一个包含四个步骤（创建初始矩形颗粒盒、通过“切割-移位”操作创建Z向周期性边界、压缩形成立方PG Box、迭代均匀化）的迭代方法，用于生成立方体PG Box。为了评估PG Box的质量，研究者系统分析了其微观结构特性和宏观力学特性。在微观层面，他们创建了五种不同分辨率（颗粒半径从0.005米到0.09米）的PG Box，并在无摩擦和含摩擦两种条件下制备。通过计算颗粒的平均配位数和统计重叠向量的方向分布（相对标准偏差RSD和峰度Kurtosis），评估了PG Box结构的均匀性和各向异性。结果表明，较细颗粒构成的PG Box具有更好的结构均匀性，其重叠向量分布收敛；同时，制备时的摩擦条件会引入固有的各向异性，表现为重叠向量在重力方向上的优先排列。在宏观力学特性方面，研究者使用基于PG Box“粘合-修剪”方法制备了圆柱形试样，并进行了数值三轴试验。试验在0、100、200 kPa三种围压下进行，测量了试样的应力-应变曲线，并基于莫尔-库仑准则反算了试样的凝聚力（c）和内摩擦角（φ）。通过与直接“自由落体”法制备的试样对比发现，基于PG Box方法制备的试样，其力学参数（尤其是c值）误差在可接受范围内（对于较细颗粒，误差多在5%以内），证明了PG Box作为基本构建模块在力学性质上的可靠性。分析还表明，PG Box的宏观力学性质受其微观结构（各向同性或各向异性）影响显著，而分辨率的影响在颗粒足够细时趋于收敛。 * 第三步：应用PG Box方法构建阿苏大桥滑坡高分辨率模型。作为方法演示，研究者选取了2016年日本熊本地震触发的阿苏大桥滑坡作为案例。他们利用50厘米分辨率的AW3D地形数据构建了滑前坡面，并结合滑后地形数据确定了主滑裂面。通过缩放PG Box尺寸（例如，将基础PG Box放大50倍以使其颗粒尺寸达到目标值5厘米），并连接这些放大的PG Box填满一个800米×500米×600米的区域。随后，使用滑前坡面和下移6米的滑后坡面作为上下边界进行“修剪”，得到了一个所有颗粒（除固定底部和侧壁外）均可移动的有限厚度滑坡体模型。其中，位于主滑裂面以上的颗粒被标记为初始释放土体。最后，通过一个考虑重力和粘结力的沉积过程模拟，使颗粒达到新的平衡，形成稳定的初始坡面。最终，他们成功构建了一个由65亿个最大半径为5厘米的颗粒组成的、迄今为止最精细的大规模DEM滑坡模型。 * 第四步：进行初步滑坡模拟以验证可开挖效应与颗粒尺寸影响。为了验证模型的有效性，研究者使用了一个较粗分辨率（约800万颗粒，最大半径0.5米）的模型进行了试验性滑坡模拟。模拟通过切断主滑裂面上的颗粒粘结来触发滑坡。模拟结果清晰展示了滑动区域向下游扩展的过程中，对坡面材料的挖掘和裹挟现象，这与实际滑坡中地表植被残留物的观察一致。此外，研究者还进一步对比了不同颗粒尺寸（最大半径0.5米 vs. 0.1米）下的模拟结果。结果表明，颗粒尺寸对滑坡的运动和堆积有直接影响：细颗粒模型表现出更高的流动性，滑坡体能够越过次级滑动区并推动其物质向下游运动，其最终影响范围与航拍图像更为吻合；而粗颗粒模型的堆积则更多地受到局部平缓地形的影响。定量分析显示，细颗粒的平均和最大运动距离均大于粗颗粒。这凸显了在滑坡模拟中考虑详细三维地形和颗粒尺寸效应的重要性。

主要研究结果 1. 方法学结果：成功开发并验证了基于周期颗粒盒（PG Box）的高效滑坡DEM建模方法。微观结构分析表明，该方法可以生成结构可控（各向同性或各向异性）的PG Box，其质量随颗粒细化而收敛。数值三轴试验证明，基于PG Box构建的试样具有可靠的宏观力学特性，其强度参数与常规方法制备的试样误差较小，满足工程模拟精度要求。 2. 模型构建结果：成功应用新方法构建了阿苏大桥滑坡的厘米级分辨率（65亿颗粒）DEM模型。这标志着首次实现了由数十亿厘米级颗粒构成的可开挖坡面DEM滑坡模型，为超高分辨率滑坡模拟奠定了基础。 3. 模拟验证结果：初步滑坡模拟成功再现了滑坡滑动过程中的坡面材料挖掘与裹挟现象，这是传统固定坡面模型无法捕捉的。对比模拟进一步揭示了地形形态和颗粒尺寸对土体运动和沉积模式的直接影响：细颗粒具有更高的流动性，导致更长的运动距离和不同的堆积形态；局部地形特征（如平缓区）会显著影响粗颗粒的堆积。这些结果强调了进行精细化地形建模和深入研究颗粒尺寸效应的必要性。

研究结论与价值 本研究提出并验证了一种基于周期颗粒盒（PG Box）的“粘合-修剪”建模新技术，能够高效构建大规模、高分辨率、坡面可开挖的DEM滑坡模型。通过成功构建65亿颗粒规模的阿苏大桥滑坡模型，本研究向实现大规模滑坡的精细化DEM模拟迈出了关键一步。其科学价值在于为解决大规模DEM模拟中计算成本与模型分辨率之间的矛盾提供了创新性方案，并首次系统论证了通过连接标准化的颗粒“积木”来构建复杂地质体模型的可行性。其应用价值在于，该方法生成的精细化模型能够更真实地模拟滑坡的动力过程（包括侵蚀效应）和评估对结构的冲击力，从而为滑坡灾害的风险评估、防护结构的设计与优化提供更可靠的工具。此外，PG Box方法并不局限于滑坡模拟，可广泛应用于其他需要处理复杂边界几何形状的大规模DEM模拟领域。

研究亮点 1. 方法新颖性：首创了基于周期颗粒盒（PG Box）和“粘合-修剪”流程的大规模复杂几何DEM模型高效构建方法，突破了传统方法在并行化处理复杂地形时的瓶颈。 2. 模型分辨率突破：构建了世界上首个由数十亿厘米级颗粒组成的、坡面可开挖的大规模DEM滑坡模型，将滑坡DEM模拟的分辨率提升到了新的高度。 3. 系统性验证：不仅展示了模型构建能力，还通过系统的微观结构分析和数值三轴试验，定量验证了PG Box作为模型基本单元在结构和力学性质上的可靠性与收敛性。 4. 揭示了关键影响因素：通过初步模拟，直观揭示了颗粒尺寸和地形细节对滑坡运动与沉积过程的重要影响，为后续精细化研究指明了方向。

其他有价值内容 本研究还展示了其DEM代码（名为“Depth”）在处理大规模并行计算方面的强大能力。该代码采用混合MPI和OpenMP并行化策略，支撑了数十亿颗粒规模的模拟。同时，研究中用于模拟土体粘聚行为的颗粒粘结模型（结合了Hertz-Mindlin接触力学和基于莫尔-库仑准则的粘结力），为模拟具有内聚强度的边坡稳定性提供了必要的力学基础。文中对传统DEM模拟分辨率不足的批判性分析（例如，将米级颗粒的重量与汽车、飞机类比），也深刻指出了当前领域内一个普遍但常被忽视的问题，增强了本研究的说服力。