顆粒物質(zhì)力學(xué)及其在工程地質(zhì)領(lǐng)域中的應(yīng)用初探*

鄭 虎 牛文清 毛無衛(wèi) 李麗慧 汪發(fā)武 黃 雨

(①同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海 200092，中國)(②同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092，中國)(③中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029，中國)(④中國科學(xué)院地球科學(xué)研究院，北京 100029，中國)(⑤中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049，中國)

0 引 言

絕大多數(shù)地質(zhì)體(如松散堆積體、砂土、礫石等)屬于顆粒物質(zhì)，顆粒物質(zhì)是由大量離散顆粒組成的復(fù)雜無序體系(Jaeger et al.，1996；孫其誠等，2017)，堆積時(shí)類似固體，流動(dòng)時(shí)類似液體，但是其液、固態(tài)性質(zhì)都與牛頓流體、彈性固體等連續(xù)介質(zhì)體系有著顯著的差別。顆粒物質(zhì)在靜止堆積狀態(tài)到運(yùn)動(dòng)演化過程中所表現(xiàn)出的特有力學(xué)現(xiàn)象，是近幾十年來在不同尺度(微觀、介觀、宏觀)進(jìn)行系統(tǒng)研究的科學(xué)問題(Bi et al.，2011;Wang M M et al.，2019)。顆粒材料一般指單個(gè)顆粒尺寸大于1μm的離散顆粒固體組成的宏觀物質(zhì)體系，是地球上存在最多，人們最為熟悉的物質(zhì)之一，廣泛存在于日常生活(食品的加工)、農(nóng)業(yè)(谷物的儲(chǔ)存和運(yùn)輸)、醫(yī)藥科學(xué)(藥劑的混合)、工業(yè)生產(chǎn)(礦石的分選與傳輸)和地質(zhì)科學(xué)(滑坡、泥石流、雪崩、地震、火山碎屑流)中(王瑞琪等，2019;鄭光等，2019;王高峰等，2020)。這些領(lǐng)域中均面臨著大量的顆粒材料相關(guān)問題和難題，因此研究顆粒材料力學(xué)性質(zhì)具有重要的實(shí)際意義。

對宏觀顆粒物質(zhì)而言，當(dāng)顆粒尺寸較大時(shí)，可以忽略溫度的影響，傳統(tǒng)的熱力學(xué)影響忽略不計(jì)，在沒有外界擾動(dòng)的情況下，顆粒介質(zhì)自發(fā)地運(yùn)動(dòng)可以忽略不計(jì)。顆粒體系為能量耗散體系，顆粒運(yùn)動(dòng)的能量通過顆粒之間的摩擦和碰撞而耗散掉(Jaeger et al.，1996)。早期一些學(xué)者主要運(yùn)用動(dòng)力學(xué)理論和塑性模型分別描述快速流和準(zhǔn)靜態(tài)流(Garzo et al.，1999)。當(dāng)慣性系數(shù)小于10-3時(shí)的顆粒流動(dòng)可以看作為準(zhǔn)靜態(tài)流動(dòng)，產(chǎn)生的應(yīng)力與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無關(guān)。當(dāng)施加的剪切強(qiáng)度較弱，所研究的體系由密實(shí)的顆粒組成時(shí)，顆粒間運(yùn)動(dòng)相對緩慢或靜止，假定它們遵循庫侖摩擦定律，并使用塑性理論進(jìn)行建模(Jackson，1983)。與此相反，快速顆粒流的慣性行為所產(chǎn)生的應(yīng)力與剪切速率呈二次方變化。在快速剪切的情況下，松散的顆粒系統(tǒng)甚至可以表現(xiàn)出類“氣體”的隨機(jī)碰撞，此時(shí)顆粒被類比為氣體動(dòng)力學(xué)中的分子，并被假定為熱運(yùn)動(dòng)和瞬時(shí)碰撞的相互作用(Campbell，1990)。

在20世紀(jì)80年代末，Edwards(1990)提出了具有開創(chuàng)性的顆粒介質(zhì)熱力學(xué)，為準(zhǔn)靜態(tài)流動(dòng)提出新的物理概念。顆粒物質(zhì)的力學(xué)穩(wěn)定態(tài)與力學(xué)非穩(wěn)定態(tài)轉(zhuǎn)化——阻塞相變逐漸成為軟物質(zhì)物理的研究熱點(diǎn)。Liu et al.(1998)用阻塞相變圖描述了顆粒物質(zhì)阻塞相變轉(zhuǎn)化，當(dāng)顆粒物質(zhì)的體積分?jǐn)?shù)足夠大時(shí)才會(huì)發(fā)生阻塞，進(jìn)入力學(xué)穩(wěn)定態(tài)?？梢酝ㄟ^施加應(yīng)力或減小顆粒系統(tǒng)的體積分?jǐn)?shù)來破壞阻塞狀態(tài)，當(dāng)考慮到溫度的影響時(shí)，也可以通過升高溫度來破壞系統(tǒng)的力學(xué)穩(wěn)定狀態(tài)。Bi et al.(2011)對Liu-Nagel 相圖做了修改，提出了包括一個(gè)有限剪應(yīng)力下摩擦顆粒材料的剪切阻塞(Shear Jamming，SJ)區(qū)域。Chialvo et al.(2012)研究了摩擦顆粒物質(zhì)阻塞相變轉(zhuǎn)化，并討論了準(zhǔn)靜態(tài)、慣性和過渡態(tài)體系流變模型的構(gòu)建。Zhao et al.(2019)利用一種新型的庫埃特多環(huán)底部剪切裝置，擴(kuò)展了顆粒材料的剪切阻塞相圖。顆粒介質(zhì)與經(jīng)典彈塑性材料相比，具有顯著的離散性，只有對顆粒材料內(nèi)部物理變形過程、變形機(jī)制、失穩(wěn)機(jī)理和能量耗散有一個(gè)較為清晰的認(rèn)識(shí)，才能建立科學(xué)合理的本構(gòu)關(guān)系(李廣信，2006；孫其誠等，2009，2011)。

工程地質(zhì)領(lǐng)域中許多地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象的本質(zhì)即為顆粒材料自身相態(tài)的轉(zhuǎn)化，比如，滑坡、泥石流其實(shí)就是顆粒材料由固相(力學(xué)穩(wěn)定的Jammed狀態(tài))向液相(力學(xué)非穩(wěn)定的Unjamming狀態(tài))的轉(zhuǎn)化。顆粒物質(zhì)力學(xué)的研究能提高對泥石流、滑坡、地震等地質(zhì)災(zāi)害誘發(fā)機(jī)理的認(rèn)識(shí)(孫其誠等，2008)。在過去的30年里，物理學(xué)家對顆粒介質(zhì)主要利用統(tǒng)計(jì)和流體動(dòng)力學(xué)方法將類似流體、依賴于速率的流動(dòng)方法與適當(dāng)?shù)那?zhǔn)則結(jié)合起來研究顆粒體系復(fù)雜的流動(dòng)規(guī)律(Jaeger et al.，1996;Henann et al.，2013)。力學(xué)和材料科學(xué)人員從土力學(xué)的角度，基于連續(xù)體固體力學(xué)的原則，采用各種屈服準(zhǔn)則和塑性流動(dòng)關(guān)系來建立顆粒材料流動(dòng)模型(Nedderman，1992)。許多學(xué)者對干顆粒流做了大量研究，假設(shè)顆粒間的流體不起任何作用，這種流變主要受顆粒間的摩擦和碰撞作用所控制。Iverson et al.(2004)考慮到尺度的影響，用微型實(shí)驗(yàn)來測試流體和黏聚力的影響可以忽略不計(jì)的顆粒崩塌模型，模擬了復(fù)雜自然地形的不規(guī)則基底上發(fā)生的干顆粒崩塌行為，實(shí)驗(yàn)采用了一種新型的激光輔助制圖方法來繪制快速流動(dòng)雪崩的三維形態(tài)，該模型不僅能準(zhǔn)確地預(yù)測雪崩的總體行為，而且能準(zhǔn)確地模擬崩塌從發(fā)生到堆積的運(yùn)動(dòng)過程。

顆粒物質(zhì)力學(xué)對顆粒物質(zhì)在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的相變轉(zhuǎn)化、顆粒流變等方面已取得了一定的研究成果，研究注重機(jī)理和理論分析，相關(guān)的研究成果不易直接應(yīng)用到解決具體工程地質(zhì)問題中。目前，在工程地質(zhì)領(lǐng)域已有許多針對工程地質(zhì)問題的顆粒流研究成果，但多數(shù)研究成果為將地質(zhì)體簡化成離散顆粒體系并通過顆粒流離散元數(shù)值模擬開展的，真正意義上將諸如顆粒物質(zhì)相變及顆粒流變等顆粒物質(zhì)力學(xué)應(yīng)用到工程地質(zhì)領(lǐng)域內(nèi)的研究并不多見。通過開展顆粒物質(zhì)力學(xué)與工程地質(zhì)的交叉融合研究，有望拓展顆粒物質(zhì)物理與力學(xué)的研究深度和應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)也可以為重大工程及地質(zhì)災(zāi)害防治的研究提供理論基礎(chǔ)。

1 顆粒物質(zhì)基本性質(zhì)

在古代，人們就開始關(guān)注顆粒物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，利用開口處流出的沙粒流量能保持一個(gè)相對穩(wěn)定的狀態(tài)，發(fā)明了作為計(jì)時(shí)的工具——沙漏。顆粒流模型始于1773年法國物理學(xué)家?guī)靷?Coulomb)第1次把顆粒材料的屈服描述為摩擦過程，提出了庫侖摩擦定律。1831年，英國物理學(xué)家Faraday發(fā)現(xiàn)在裝有顆粒的圓柱形容器中，受到垂直連續(xù)的振動(dòng)力后，顆粒發(fā)生了對流現(xiàn)象。1884年，英國科學(xué)家Roberts觀察到當(dāng)糧食堆積高度大約超過兩倍的底面直徑后，糧倉底面壓力不再一直增大而是趨于飽和，這與容器中液體壓強(qiáng)隨著深度增加而增加的性質(zhì)完全不同。隨后，德國工程師Janssen從連續(xù)介質(zhì)理論出發(fā)提出了Janssen模型，解釋了糧倉效應(yīng)(Janssen，1895)。同期，Reynolds發(fā)現(xiàn)顆粒緊密堆積，施加外力作用使得顆粒體系體積增大，稱為擠壓膨脹現(xiàn)象(Reynolds，1885)。

顆粒體系中單個(gè)顆粒受力特性可以通過固體力學(xué)解釋，而對于堆積的顆粒體系而言，休止角是一個(gè)與顆粒摩擦力相關(guān)描述顆?；拘再|(zhì)的重要參數(shù)之一。休止角現(xiàn)象是指顆粒堆積體相對于水平面可以保持靜止的一個(gè)有限角度。在實(shí)際應(yīng)用中，休止角可以在沙堆失穩(wěn)前取一定范圍的值，在崩塌發(fā)生之前存在一個(gè)最大穩(wěn)定角。由于沙堆是一個(gè)非熱體系，所以具有很強(qiáng)的滯后特性，導(dǎo)致了沙堆表現(xiàn)出雙穩(wěn)性，使得沙堆可以在休止角和最大穩(wěn)定角間任意角度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(Mehta et al.，2001)。顆粒材料堆積時(shí)內(nèi)部的應(yīng)力、對地面的壓力也是人們一直關(guān)注的問題。點(diǎn)源法形成沙堆中心對地面的壓力不是最大的，壓力分布函數(shù)在中間位置有一處凹陷，而落雨法形成的沙堆不存在應(yīng)力凹陷，這說明應(yīng)力分布與堆積歷史有關(guān)(Wittmer et al.，1996)。對顆粒堆積體系施加外力作用，堆積密實(shí)的顆粒體系會(huì)變得體積膨脹，堆積密度變小，即擠壓膨脹現(xiàn)象(Reynolds，1885)。糧倉效應(yīng)從側(cè)面揭示了顆粒體系內(nèi)部特殊的應(yīng)力分布，促使人們希望通過實(shí)驗(yàn)研究顆粒體系內(nèi)部力的傳遞方式。

顆粒材料的動(dòng)力特性也一直備受關(guān)注，當(dāng)兩種大小不同的顆?；旌显谝黄?，受到振動(dòng)作用后，會(huì)發(fā)生分離，一般是大顆粒在上，小顆粒下沉到底部，稱為巴西果效應(yīng)。但后來又發(fā)現(xiàn)與之相反的反巴西果效應(yīng)，體積大的顆粒下沉而體積小的顆粒上升，這兩種效應(yīng)至今也是顆粒物理學(xué)一個(gè)非常熱門的話題之一(Walliser，2002)。Jmnt(1997)對顆粒崩塌過程中的流變行為進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)雙分散相顆?；旌衔镞\(yùn)動(dòng)篩分，會(huì)產(chǎn)生兩層剪切帶，其中大顆粒覆蓋小顆粒。此外，由于雪崩表面運(yùn)動(dòng)速度快于底部，大顆粒被輸送到前方，而小顆粒則集中在雪崩的后部。垂直振動(dòng)下顆粒表面會(huì)形成斑圖，根據(jù)所應(yīng)用的振動(dòng)條件，在干燥振動(dòng)顆粒床中可以觀察到周期性的形成六邊形、條紋或蜂窩狀圖案。在振動(dòng)顆粒床中形成的圖案可能是二維牛頓擺效應(yīng)的結(jié)果(Eldin，2014)。振動(dòng)分選是顆粒物質(zhì)一個(gè)重要性質(zhì)，與工程地質(zhì)領(lǐng)域里高位遠(yuǎn)程滑坡后堆積出現(xiàn)的大顆粒物質(zhì)出現(xiàn)在表面極為類似。

20世紀(jì)80年代末，物理學(xué)家使用統(tǒng)計(jì)力學(xué)來研究顆粒介質(zhì)，顆粒物理領(lǐng)域迅速發(fā)展起來。顆粒體系是復(fù)雜系統(tǒng)，表現(xiàn)出亞穩(wěn)態(tài)、滯后、雙穩(wěn)性和一系列其他獨(dú)特的現(xiàn)象。2005年，在慶祝Science 創(chuàng)刊125周年之際，該雜志公布了目前世界上最具挑戰(zhàn)性的科學(xué)問題，其中將“能否發(fā)展關(guān)于湍流動(dòng)力學(xué)和顆粒材料運(yùn)動(dòng)學(xué)的綜合理論”和“顆粒物質(zhì)的非平衡態(tài)動(dòng)力學(xué)理論”列為其中，成為軟物質(zhì)物理學(xué)和應(yīng)用學(xué)科(如地質(zhì)、工業(yè)、醫(yī)藥等)交叉領(lǐng)域的前沿?zé)狳c(diǎn)之一。

2 顆粒物質(zhì)剪切流動(dòng)特性

即使對于干燥且無黏性顆粒體系而言，顆粒組合的行為也極為復(fù)雜。而當(dāng)顆粒足夠大，且周圍流體黏性較小時(shí)，顆粒間的相互作用以接觸作用為主，通常情況下也會(huì)忽略顆粒間的毛細(xì)壓力、范德華力或黏性等相互作用，假設(shè)顆粒間的力學(xué)性能僅由顆粒間碰撞或摩擦接觸時(shí)的動(dòng)量傳遞來控制(MiDi，2005)。顆粒流流動(dòng)可以依據(jù)顆粒的流動(dòng)速度劃分為3個(gè)不同的體系狀態(tài)：準(zhǔn)靜態(tài)、過渡態(tài)、稀疏流態(tài)。在準(zhǔn)靜態(tài)體系，顆粒的慣性可以忽略，整個(gè)顆粒體系可以看作是連續(xù)的固體，可以用土的塑性模型去描述(Nedderman，1992;Campbell，2006)。對于稀疏態(tài)顆粒流，可以通過二元碰撞相互作用類比描述其運(yùn)動(dòng)特征(Goldhirsch，2003)。然而，對于中間過渡態(tài)，顆粒狀物質(zhì)可以表現(xiàn)得像液體一樣流動(dòng)。顆粒體系的固態(tài)與液態(tài)轉(zhuǎn)化以及其流變特性也是目前顆粒物質(zhì)領(lǐng)域內(nèi)研究的重要科學(xué)問題之一。

2.1 顆粒物質(zhì)阻塞相變與剪切阻塞相變

顆粒堆積體從液相到固相的相態(tài)轉(zhuǎn)化涉及到許多不同的領(lǐng)域，如工程地質(zhì)中的巖土松散體的失穩(wěn)流動(dòng)破壞、懸浮液的剪切稀化與剪切增稠或非連續(xù)剪切增稠、玻璃金屬、玻璃態(tài)等(Zheng et al.，2014;Chen et al.，2019；Wang B D et al.，2019)。Gate et al.(1998)提出顆粒體系阻塞狀態(tài)與普通固體不同，如果施加的應(yīng)力方向發(fā)生了很小的變化，那么阻塞就會(huì)被破壞，沙堆就是一個(gè)典型的例子，基于這個(gè)模型可以認(rèn)為阻塞的顆粒體系不是一個(gè)彈性體。雖然它可以在起初阻塞狀態(tài)力鏈同一方向上支持一個(gè)大的施加的負(fù)荷，但是一個(gè)無限小的力施加在不同的方向，力鏈顆粒會(huì)發(fā)生破壞導(dǎo)致顆粒體系潰散。Liu et al.(1998)認(rèn)為，處于阻塞狀態(tài)的顆粒材料類別實(shí)際上可能更廣泛。不考慮溫度的影響，對于非熱系統(tǒng)的阻塞狀態(tài)只存在于一定的臨界密度(φJ(rèn))以上，增加體積分?jǐn)?shù)會(huì)導(dǎo)致顆粒系統(tǒng)進(jìn)入阻塞狀態(tài)并且在屈服應(yīng)力線上剪切應(yīng)力(τ)可導(dǎo)致不可逆的流動(dòng)發(fā)生。而當(dāng)顆粒尺寸足夠小，考慮到溫度的影響，也可以通過提高溫度使得顆粒系統(tǒng)由阻塞狀態(tài)過渡到未阻塞狀態(tài)(圖1)，阻塞相圖得到廣泛應(yīng)用并吸引了大量學(xué)者進(jìn)行理論研究和數(shù)值模擬。

圖1 阻塞相變圖(Liu et al.，1998)Fig.1 Jamming phase diagram(Liu et al.，1998)

圖2a為不考慮溫度影響時(shí)(T=0)Liu-Nagel阻塞相圖，增加體積分?jǐn)?shù)(φ)可達(dá)到阻塞狀態(tài)，若剪應(yīng)力(τ)越過屈服線系統(tǒng)又會(huì)進(jìn)入流動(dòng)狀態(tài)。雖然對無摩擦顆粒的數(shù)值模擬大體上支持Liu-Nagel阻塞相變觀點(diǎn)，但是摩擦顆粒的阻塞相變卻表現(xiàn)出不一樣的現(xiàn)象，特別是在當(dāng)整個(gè)顆粒體系發(fā)生剪切變形后。Bi et al.(2011)發(fā)現(xiàn)在體積分?jǐn)?shù)低于臨界體積分?jǐn)?shù)一定范圍時(shí)，若整個(gè)顆粒體系發(fā)生剪切變形后，即使在不改變系統(tǒng)體積分?jǐn)?shù)的情況下，顆粒體系也會(huì)由未阻塞狀態(tài)進(jìn)入阻塞狀態(tài)，稱為顆粒物質(zhì)的剪切阻塞，并在Liu-Nagel阻塞相變圖上填補(bǔ)了重要的區(qū)域，如圖2b所示。該區(qū)域的填補(bǔ)對顆粒材料剪切研究，特別是宏觀世界中所遇到的具有摩擦力的顆粒系統(tǒng)的研究具有極為重要的意義。

圖2 T=0平面的阻塞相圖(Bi et al.，2011)Fig.2 Jamming phase diagrams in the T=0 plane(Bi et al.，2011)

2.2 顆粒物質(zhì)局域流變

對于顆粒物質(zhì)流動(dòng)特性的描述至今仍是軟物質(zhì)物理里研究難點(diǎn)之一，顆粒系統(tǒng)內(nèi)部的剪應(yīng)力和抗剪強(qiáng)度是導(dǎo)致顆粒物質(zhì)發(fā)生流動(dòng)的決定性因素，若顆粒系統(tǒng)內(nèi)部的剪應(yīng)力超過臨界剪應(yīng)力時(shí)系統(tǒng)則會(huì)流動(dòng)，顆粒體系進(jìn)入未阻塞狀態(tài)，展現(xiàn)出流體的特性，反之則不會(huì)流動(dòng)，這與經(jīng)典的黏塑性流體有相似之處。Jop et al.(2006)通過對前人的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)總結(jié)，提出了描述密集流態(tài)的顆粒流動(dòng)本構(gòu)模型，在不引入擬合參數(shù)的情況下，該本構(gòu)模型可以很好地預(yù)測顆粒流動(dòng)過程中的形狀和速度分布，且可以定量地描述顆粒流動(dòng)特性，并應(yīng)用于地球物理或工業(yè)中模擬更復(fù)雜的流動(dòng)。

在地質(zhì)工程領(lǐng)域及工業(yè)界常遇到顆粒物質(zhì)在傾斜表面上的流動(dòng)問題，例如高位滑坡碎屑流、礦物和谷物等材料的運(yùn)輸?shù)?。顆粒流動(dòng)的特性主要由顆粒自重、顆粒與顆粒及顆粒與邊界摩擦力的平衡所控制。描述密集顆粒流的難點(diǎn)在于它屬于中間過渡態(tài)流型，其中顆粒間的摩擦和碰撞都起著重要作用。Pouliquen(1999)對玻璃微珠沿粗糙傾斜表面的密集均勻穩(wěn)定顆粒流進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，測量了平均流速作為表面傾斜角θ和最小流動(dòng)層厚度hstop(θ)的函數(shù)(圖3)，發(fā)現(xiàn)Froude數(shù)和歸一化后的流動(dòng)層厚度h/hstop(θ)呈線性關(guān)系：

圖3 4個(gè)系統(tǒng)不同傾角下Froude數(shù)和h/hstop(θ)函數(shù)關(guān)系(Pouliquen，1999)Fig.3 Froude number as a function of h/hstop(θ) for the four systems of beads and for different inclination angles(Pouliquen，1999)

(1)

式中：u為顆粒流動(dòng)速度；β為與顆粒摩擦性質(zhì)相關(guān)的參數(shù)；g為重力加速度；h為顆粒流動(dòng)層厚度。

平面剪切試驗(yàn)是密集顆粒流最常用的試驗(yàn)方法之一，試驗(yàn)過程中兩個(gè)粗糙邊界之間在正應(yīng)力P約束下，通過施加剪應(yīng)力τ，對顆粒材料進(jìn)行剪切。Da et al.(2005)通過量綱參數(shù)分析和數(shù)值模擬，首先定義了摩擦系數(shù)(μ)，并發(fā)現(xiàn)了密集顆粒流動(dòng)過程中剪應(yīng)力與法向應(yīng)力成正比，比例系數(shù)為單一無量綱數(shù)的函數(shù)，這個(gè)無量綱數(shù)稱為慣性數(shù)I：

(2)

(3)

Pouliquen(1999),Pouliquen et al.(2002)通過對比平面剪切試驗(yàn)和沿粗糙斜面上的斜槽流實(shí)驗(yàn)，揭示了摩擦系數(shù)μ和慣性常數(shù)I之間的單調(diào)函數(shù)關(guān)系(圖4)。摩擦系數(shù)存在一個(gè)門檻值(μs)，并隨著慣性常數(shù)增大，最終趨近于一個(gè)最大值μ2。Jop et al.(2006)提出了與此實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象相符的摩擦定律：

圖4 摩擦系數(shù)μ和無量綱參數(shù)I的函數(shù)關(guān)系(Jop et al.，2006)Fig.4 Friction coefficient μ as a function of the dimensionless parameter I(Jop et al.，2006)

μ(I)=μs+(μ2-μs)/(I0/I+1)

(4)

式中：I0是一個(gè)常數(shù)；μs摩擦系數(shù)臨界值；μ2摩擦系數(shù)極限值。

這種對顆粒流的簡單描述已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)對二維傾斜平面流和堆積流的流動(dòng)速度預(yù)測，但卻難以描述更復(fù)雜的密集顆粒流變特性，比如三維流變。因此，Jop et al.(2006)通過假設(shè)顆粒流動(dòng)過程中致密區(qū)域中觀察到的體積分?jǐn)?shù)的微小變化可忽略不計(jì)，將顆粒材料描述為不可壓縮流體，提出了三維顆粒材料流動(dòng)模型：

σij=-Pδij+τij

(5)

(6)

(7)

(8)

2.3 非局域流變

顆粒物質(zhì)局域流變理論是從顆粒物質(zhì)剪切速率出發(fā)的(Pouliquen et al.，2009)，而當(dāng)顆粒材料的剪切接近準(zhǔn)靜態(tài)時(shí)，顆粒物質(zhì)局域流變便難以描述流動(dòng)特性，會(huì)出現(xiàn)顆粒物質(zhì)的非局域流變。非局域效應(yīng)與局域流變所存在的偏差，通常會(huì)出現(xiàn)在如下兩種情況(Koval et al.，2009;Kamrin，2012)：在斜面流動(dòng)中，顆粒流動(dòng)層較薄時(shí)需要較大的傾斜角才能觸發(fā)顆粒流動(dòng)。因?yàn)樵诖藭r(shí)剪切應(yīng)力與法向應(yīng)力的比值(μ)是不變的，而靜態(tài)屈服系數(shù)(μs)是與厚度有關(guān)的函數(shù)(Silbert et al.，2003)；在大體積非均勻變形的顆粒材料中，局域流變預(yù)測在μ<μs區(qū)域不發(fā)生流動(dòng)，但在μ<μs亞屈服區(qū)域?qū)嶋H存在極為緩慢顆粒流動(dòng)，其剪切速率剖面具有指數(shù)衰減的特征，衰減長度與顆粒直徑有關(guān)(Mueth，2003；MiDi，2004)。因此，局部流變在描述此類問題時(shí)存在著明顯的局限性。

Kamrin et al.(2012)提出并驗(yàn)證了一種偏微分方程(PDE)非局域流動(dòng)規(guī)律，旨在描述顆粒物質(zhì)的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)非局域性，通過顆粒材料的剪切速率和摩擦系數(shù)定義顆粒流體：

(9)

基于塑性重新排列會(huì)引起應(yīng)力再分布的概念，定量描述ξ作為應(yīng)力狀態(tài)的函數(shù)。

(10)

通過拉普拉斯算子可以將非局域定律推廣到二維空間上。因此，

2i

(11)

顆粒介質(zhì)沿粗糙斜面向下流動(dòng)，表現(xiàn)出許多非局域現(xiàn)象。Tang et al.(2018)研究了環(huán)形剪切試驗(yàn)中密集顆粒流的非局域流變，驗(yàn)證了非局域模型在描述流動(dòng)特性方面的有效性。顆粒材料的密度變化的一個(gè)重要的特點(diǎn)是剪脹性，或由剪切變形引起的體積變形。Dsouza et al.(2020)提出了可考慮顆粒材料剪脹效應(yīng)的緩慢顆粒流非局域流變模型，并分別在有無重力的情況下測試了此模型，發(fā)現(xiàn)它的預(yù)測與顆粒動(dòng)力學(xué)模擬有很好的一致性。

顆粒物質(zhì)力學(xué)領(lǐng)域內(nèi)對于不同相態(tài)的顆粒系統(tǒng)研究均取得了一定的成果，如顆粒物質(zhì)的剪切相變、顆粒物質(zhì)局部流變和非局部流變等，但如何將不同相態(tài)的顆粒系統(tǒng)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，建立統(tǒng)一的力學(xué)行為表征和不同尺度間的耦合關(guān)聯(lián)，揭示顆粒物質(zhì)跨尺度的物理機(jī)制，仍是目前顆粒物質(zhì)剪切流動(dòng)研究的重要內(nèi)容之一。

3 典型顆粒物質(zhì)力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法

隨著高精度、高采集頻率的圖像采集技術(shù)和高性能計(jì)算的誕生，傳統(tǒng)的顆粒物質(zhì)力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法也得到了很大的改進(jìn)。顆粒物質(zhì)受力內(nèi)部應(yīng)力傳遞特征、力鏈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以通過顆粒材料的光彈實(shí)驗(yàn)直觀地展現(xiàn)出來，顆粒材料內(nèi)部的顆粒間局部位置發(fā)生非仿射位移可以通過顆粒物質(zhì)的聲發(fā)射和CT成像技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)捕捉。與此對應(yīng)各顆粒位移特征也可以通過粒子圖像測速(PIV)、粒子跟蹤測速(PTV)等計(jì)算方法實(shí)現(xiàn)在時(shí)間尺度的追蹤。

3.1 顆粒材料光彈實(shí)驗(yàn)

光彈實(shí)驗(yàn)是應(yīng)用光學(xué)原理研究彈性力學(xué)問題的一種實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析方法。將具有雙折射效應(yīng)的透明塑料制成的結(jié)構(gòu)模型置于偏振光場，給模型施加載荷時(shí)，可通過測量模型上產(chǎn)生的不同干涉條紋來確定其應(yīng)力分布特征。以美國杜克大學(xué)Behringer教授為代表的科研團(tuán)隊(duì)，基于光彈測試方法在顆粒物質(zhì)力學(xué)研究領(lǐng)域進(jìn)行了廣泛而深入的探索。顆粒材料光彈實(shí)驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)定量且無擾動(dòng)的測量顆粒尺度上各顆粒的受力狀態(tài)、細(xì)觀尺度上的力鏈結(jié)構(gòu)等重要參量(Zadeh et al.，2019)。

光彈性實(shí)驗(yàn)中最基本的就是平面偏振光裝置，由光源和一對偏振鏡組成，近光源的為起偏鏡，遠(yuǎn)光源的為檢偏鏡(圖5)。當(dāng)兩個(gè)偏振鏡軸正交時(shí)形成暗場，互相平行時(shí)則為亮場。與線偏振光相比，使用圓偏振光可以得到更精確的各向同性測量結(jié)果。利用線性偏振器和四分之一波相移板組合的圓偏振器，可以將非偏振光轉(zhuǎn)換為圓偏振光。如果材料沒有受力，就沒有透射光，就會(huì)產(chǎn)生暗像。然而，在材料中任何存在各向異性應(yīng)力的地方，沿局部應(yīng)力張量的兩個(gè)主軸極化的波分量將以不同的速度傳播。這種速度差異導(dǎo)致這兩個(gè)波的組成部分的相對相移，在被測量物體表面就會(huì)形成明暗條紋，根據(jù)明暗條紋的分布形態(tài)便可以定量地計(jì)算出單個(gè)顆粒內(nèi)部的應(yīng)力場分布，以及顆粒與鄰近顆粒間的接觸力(Majmudar et al.，2005)。

圖5 暗場透射偏光鏡的光彈性技術(shù)原理示意圖(Zadeh et al.2019)Fig.5 Schematic image of the photoelastic technique for a darkfield transmission polariscope(Zadeh et al.2019)

顆粒材料光彈實(shí)驗(yàn)是研究二維顆粒材料受力后內(nèi)部應(yīng)力分布的重要實(shí)驗(yàn)方法。實(shí)驗(yàn)過程中通常將顆粒置于水平透明桌面上開展不同工況的實(shí)驗(yàn)研究，這樣便不可避免地會(huì)受到顆粒與桌面間摩擦力對試驗(yàn)結(jié)果的影響，Zheng et al.(2014)通過開展密度匹配的試驗(yàn)方法消除底部摩擦力的影響，對比有無底部摩擦力試驗(yàn)結(jié)果后發(fā)現(xiàn)，顆粒底部摩擦力會(huì)在一定程度上改變剪切阻塞的臨界體積分?jǐn)?shù)，但不會(huì)改變剪切阻塞的基本現(xiàn)象。

3.2 顆粒材料聲發(fā)射試驗(yàn)

聲發(fā)射(Acoustic Emission，簡稱 AE)是指材料在受到應(yīng)力作用或發(fā)生變形時(shí)，由于能量的快速釋放而產(chǎn)生的瞬態(tài)彈性波(ASTM，2015)。對于顆粒材料而言，其內(nèi)部顆粒的滑動(dòng)和滾動(dòng)摩擦、顆粒碰撞、顆粒破碎等一系列變形和運(yùn)動(dòng)機(jī)制都會(huì)產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)(Smith et al.，2019)。聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)通過壓電傳感器將顆粒材料所釋放的彈性波轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，進(jìn)而通過信號(hào)分析技術(shù)建立聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)與顆粒材料宏微觀力學(xué)特性之間的關(guān)聯(lián)(Chen et al.，2019)。

雖然聲發(fā)射測試技術(shù)早期主要應(yīng)用于金屬、混凝土和復(fù)合材料等連續(xù)介質(zhì)，近年來圍繞顆粒系統(tǒng)的聲發(fā)射特征已有較多進(jìn)展，包括工程地質(zhì)、巖土工程、采礦工程等不同學(xué)科領(lǐng)域(Johnson et al.，2008；Mojtaba et al.，2017;Dixon et al.，2018)。目前在工程地質(zhì)領(lǐng)域，聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于典型顆粒系統(tǒng)如砂土地基的承載特性監(jiān)測(Mao et al.，2015a，2018b)、土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(Smith et al.，2015;Dixon et al.，2018)、顆粒破碎現(xiàn)象(Mao et al.，2015b;Mao et al.，2020)等領(lǐng)域的研究。大量現(xiàn)場監(jiān)測以及室內(nèi)試驗(yàn)研究結(jié)果表明，聲發(fā)射特征與顆粒材料的屈服強(qiáng)度、峰值強(qiáng)度以及殘余強(qiáng)度等力學(xué)特性有著密切的相關(guān)性(Mao et al.，2016，2018a;Smith et al.，2019;Lin et al.，2020;Smith et al.，2020)。此外，通過設(shè)置傳感器陣列，可對聲發(fā)射信號(hào)源進(jìn)行三維定位，結(jié)合信號(hào)特征參數(shù)分析，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對顆粒材料內(nèi)部力學(xué)狀態(tài)演化的精細(xì)化分析。Mao et al.(2020b)通過聲發(fā)射三維定位對樁底砂土顆粒破碎帶的空間分布演化進(jìn)行了分析。在此基礎(chǔ)上，Lin et al.(2020)進(jìn)一步對三軸加載條件下砂土試樣的應(yīng)變局部化過程進(jìn)行了精細(xì)化分析。

3.3 顆粒材料CT成像技術(shù)

顆粒物質(zhì)力學(xué)研究的一個(gè)重要方面是闡明顆粒體系的宏觀力學(xué)行為與其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)演化之間的復(fù)雜關(guān)聯(lián)(Jaeger et al.，1996)。然而，由于大多數(shù)顆粒材料是不透明的，在三維空間中研究顆粒體系內(nèi)部的結(jié)構(gòu)演化極具挑戰(zhàn)。CT技術(shù)利用X射線對顆粒材料試樣進(jìn)行無損掃描成像，并通過圖像處理技術(shù)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)顆粒系統(tǒng)的三維重構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)顆粒體系內(nèi)部結(jié)構(gòu)的高精度定量化表征，已日益成為顆粒材料微觀尺度研究的有力工具。

Kou et al.(2017)借助CT掃描成像技術(shù)對準(zhǔn)靜態(tài)循環(huán)剪切三位顆粒系統(tǒng)的微觀動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了深入的研究，證實(shí)了顆粒的微尺度弛豫動(dòng)力學(xué)遵循一個(gè)振蕩剪切的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)顆粒的分布和位移可由Gumbel定律描述，導(dǎo)致一般意義上認(rèn)為的顆粒固體，其實(shí)是一種處在液固邊界的臨界相，在外部微擾下就會(huì)流動(dòng)，更類似于復(fù)雜流體。Li et al.(2014)利用快速X射線層析成像技術(shù)對無熱顆粒堆積過程進(jìn)行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)當(dāng)填料是濕的且存在短程吸引作用時(shí)，顆粒體系存在具有五重對稱性的局部優(yōu)先結(jié)構(gòu)，與膠體凝膠具有很大的結(jié)構(gòu)相似性。Cheng et al.(2018)通過小型三軸原位X射線掃描裝置對顆粒材料(球形玻璃珠和角狀玻璃珠)剪切過程的顆粒間接觸演化進(jìn)行了研究，獲取了剪切全過程的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)、顆粒位移演化、配位數(shù)和接觸運(yùn)動(dòng)特征等。Athanassiadis et al.(2014)利用X射線斷層掃描系統(tǒng)，研究顆粒材料在機(jī)械載荷下的響應(yīng)，并討論了三維計(jì)算機(jī)斷層掃描系統(tǒng)的標(biāo)定，以及圖像重建過程。Chevaller et al.(2019)使用微聚焦型X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)與直剪試驗(yàn)裝置研究了砂土作為剛性顆粒和輪胎切屑作為彈性顆粒在直剪條件下的力學(xué)行為。Laurent et al.(2020)利用X射線斷層掃描技術(shù)研究了高粱和水稻在漏斗流動(dòng)過程中堆積密度、配位數(shù)和顆粒旋轉(zhuǎn)的變化。

3.4 顆粒運(yùn)動(dòng)測量

隨著光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了許多新的光學(xué)非接觸測量方法。基于數(shù)字圖像的顆粒流速測量方法主要有：粒子圖像測速(particle image velocimetry，PIV)、粒子跟蹤測速(particle tracking velocimetry，PTV)以及空間濾波測速法(spatial filtering velocimetry，SFV)，其中粒子跟蹤測速和粒子圖像測速在顆粒流實(shí)驗(yàn)測量中應(yīng)用最為廣泛(楊暉等，2018)。然而，如果顆粒流濃度較高，PIV在識(shí)別顆粒位移的能力方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于PTV(Fu et al.，2018)。同時(shí)，如果顆粒流流速對比較大，SFV法由于測量結(jié)果平均，可能會(huì)造成較大的測量誤差。通常，PTV是測量復(fù)雜顆粒流的最佳方法(Wang et al.，2019a)。

Dai et al.(2020)采用粒子圖像測速(PIV)技術(shù)，測量了玻璃珠、剛玉珠和粗砂3種典型顆粒材料的靜止角、內(nèi)摩擦角、顆粒壁面摩擦角以及流動(dòng)特性。Zhang et al.(2020)研究了地面和水下顆粒柱崩塌過程中的能量演化規(guī)律。Alsaydalani(2020)采用粒子圖像測速技術(shù)(PIV)研究了水平水射流作用下顆粒床的破壞機(jī)理。Huang et al.(2020)采用粒子圖像測速技術(shù)，研究了顆粒樁重力崩塌誘發(fā)沖擊波的過程。Sudeshna et al.(2019)研究了粗糙和光滑表面的干燥玻璃珠剪切帶性質(zhì)以及剪切單元填充高度和旋轉(zhuǎn)頻率的依賴關(guān)系。

可以看到，顆粒物質(zhì)力學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本思路是綜合運(yùn)用光、聲、振動(dòng)、射線等各種測試手段，獲取單個(gè)顆粒(或顆粒集合)的實(shí)時(shí)空間位置、顆粒形態(tài)和受力狀態(tài)等參數(shù)，以此來分析整個(gè)顆粒系統(tǒng)的力學(xué)行為。測試結(jié)果通常較為精確，直觀，可為揭示顆粒系統(tǒng)的力學(xué)狀態(tài)提供必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。但各種測試方法都存在一定不足，如光彈、PIV技術(shù)主要適用于二維平面顆粒，CT技術(shù)主要用于小型單元試樣。由于顆粒系統(tǒng)的特點(diǎn)，測試精度與研究尺度之間永遠(yuǎn)是一對矛盾。如何發(fā)展適用于顆粒系統(tǒng)大尺度、三維的測試方法，是顆粒物質(zhì)實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向。

4 工程地質(zhì)中顆粒物質(zhì)力學(xué)問題

顆粒物質(zhì)是工程地質(zhì)體的主要物質(zhì)形態(tài)之一(Zheng et al.，2019a)。自然界中常見地質(zhì)體的災(zāi)變過程，如邊坡失穩(wěn)破壞、泥石流和海底滑坡等都與顆粒物質(zhì)力學(xué)息息相關(guān)。地質(zhì)體的災(zāi)變是從穩(wěn)定態(tài)到非穩(wěn)定失穩(wěn)變形、繼而發(fā)生大變形流動(dòng)的復(fù)雜演變過程。從顆粒物質(zhì)力學(xué)角度上看，是組成地質(zhì)體的顆粒集合體在外部邊界的約束下，由阻塞狀態(tài)發(fā)展為流變狀態(tài)的過程。因此，深化顆粒物質(zhì)力學(xué)理論在工程地質(zhì)災(zāi)害中的應(yīng)用，對進(jìn)一步理解工程地質(zhì)災(zāi)害的致災(zāi)機(jī)理具有重要意義。

4.1 松散地質(zhì)體穩(wěn)定性研究

局部塑性變形涉及顆粒在幾個(gè)顆粒間距離的小區(qū)域內(nèi)的協(xié)同重排、非仿射位移、自組織成剪切帶等，最終導(dǎo)致材料發(fā)生破壞(Zheng et al.，2018a)。理解非晶態(tài)固體的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)之間的聯(lián)系在物理學(xué)、巖土工程以及地球物理學(xué)等領(lǐng)域是必不可少的(Wang et al.，2020)。

松散地質(zhì)體形成剪切帶演化至失穩(wěn)破壞現(xiàn)象的本質(zhì)其實(shí)是細(xì)觀尺度上的顆粒力鏈斷裂與重建、各顆粒空間位置發(fā)生非仿射位移后重新排布(鄭虎，2014)。顆粒物質(zhì)領(lǐng)域內(nèi)的光彈實(shí)驗(yàn)對揭示顆粒系統(tǒng)內(nèi)部細(xì)觀尺度力鏈結(jié)構(gòu)分布特征有著極大的優(yōu)勢，對從力鏈尺度揭示松散地質(zhì)體剪切帶演化、失穩(wěn)的研究有重要的應(yīng)用前景。Zheng et al.(2019a)利用光彈性測試技術(shù)進(jìn)行顆粒物質(zhì)的雙軸實(shí)驗(yàn)，研究了光彈性顆粒體系中剪切帶力鏈網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展過程(圖6)。除此之外，通過對顆粒系統(tǒng)中各顆粒的空間方位進(jìn)行追蹤。定量揭示了顆粒材料在剪切過程中，隨著剪切帶的演化，局部體積分?jǐn)?shù)、力鏈網(wǎng)絡(luò)分布特征、各顆粒的轉(zhuǎn)動(dòng)量等微/細(xì)觀參量的變化特征。并指出在剪切帶區(qū)域內(nèi)，位移場與旋轉(zhuǎn)場有很強(qiáng)的相關(guān)性。顆粒物質(zhì)的阻塞相變理論對松散地質(zhì)體的穩(wěn)定性研究也具有重要的指導(dǎo)意義，Zhao et al.(2019)通過開展均勻剪應(yīng)變場的顆粒材料Couette剪切試驗(yàn)研究，觀察到在大剪切應(yīng)變下小于臨界體積分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)會(huì)使得顆粒體積達(dá)到穩(wěn)定性的臨界狀態(tài)。

圖6 不同剪應(yīng)變下顆粒材料內(nèi)部的力鏈網(wǎng)絡(luò)(Zheng et al.，2019a)Fig.6 The snapshots of the force chain network at different strains(Zheng et al.，2019a)

在顆粒物質(zhì)力學(xué)的研究中，由于顆粒系統(tǒng)所展現(xiàn)出來的復(fù)雜性，通常會(huì)采用由二維圓盤或三維球組成的顆粒系統(tǒng)為研究對象，在認(rèn)識(shí)許多顆粒物質(zhì)力學(xué)行為的物質(zhì)機(jī)制方面取得了很多創(chuàng)新性研究成果。然而，對非球形粒子系統(tǒng)，即橢圓、多邊形無論是試驗(yàn)還是數(shù)值模擬的開展都有一定的難度，但近年來均已得到了較好的解決。對于顆粒材料光彈實(shí)驗(yàn)而言，由于制作圓盤顆粒相對容易，絕大多數(shù)的研究成果是通過對二維圓盤的總結(jié)得出的。近年來，由于澆筑法制作光彈顆粒方法的發(fā)明，并結(jié)合3D打印技術(shù)，使得通過光彈實(shí)驗(yàn)研究其他形狀的顆粒材料成為了可能。Wang et al.(2020)研究了簡單剪切作用下由橢圓組成的準(zhǔn)二維顆粒系統(tǒng)。通過跟蹤橢圓的位置和方向，發(fā)現(xiàn)隨著剪切應(yīng)變的增加，橢圓逐漸旋轉(zhuǎn)并沿優(yōu)選方向排列。同時(shí)，橢圓系統(tǒng)的剪切阻塞，系統(tǒng)壓力和配位數(shù)隨剪切應(yīng)變增加。

4.2 巖土顆粒物質(zhì)大變形流滑

在山區(qū)，松散巖土體在重力驅(qū)動(dòng)下極易發(fā)生失穩(wěn)破壞并進(jìn)一步演化為大變形流動(dòng)，造成巖石崩塌、滑坡和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害事件(Campbell et al.，1995)。高速遠(yuǎn)程滑坡和泥石流是工程地質(zhì)災(zāi)害中典型的顆粒物質(zhì)大變形問題，具有運(yùn)動(dòng)速度高、滑動(dòng)距離長、破壞力大的特點(diǎn)，往往造成重大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡(Dowling et al.，2014)。

1932年，Heim發(fā)表了關(guān)于瑞士埃爾姆的高速遠(yuǎn)程滑坡的系統(tǒng)研究成果，揭開了世界范圍內(nèi)研究學(xué)者對高速遠(yuǎn)程滑坡開展深入研究的序幕。多年來，眾多地質(zhì)和工程學(xué)家，對歐洲阿爾卑斯山區(qū)、加拿大落基山區(qū)、美國加利福尼亞山區(qū)和日本等山區(qū)發(fā)生的高速遠(yuǎn)程滑坡事件進(jìn)行了調(diào)查和分析(程謙恭等，2007)。2008年汶川大地震觸發(fā)了大量的高速遠(yuǎn)程山體滑坡，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡(殷躍平，2008)。2015年深圳市發(fā)生山體滑坡，造成管道受損泄露并發(fā)生爆炸，造成73人死亡。因此，大型山體穩(wěn)定性和高速遠(yuǎn)程滑坡問題，已成為山區(qū)大型基建必須考慮的重要研究課題。

除了高速遠(yuǎn)程效應(yīng)外，高速遠(yuǎn)程滑坡一般還具有以下4個(gè)基本特征：流態(tài)化、尺寸效應(yīng)、層序保持現(xiàn)象、反序現(xiàn)象(程謙恭等，2007；張明等，2010)。汪發(fā)武(2019)通過環(huán)剪試驗(yàn)以及對滑坡現(xiàn)場調(diào)查分析，探討了地震誘發(fā)滑坡土結(jié)構(gòu)和土粒子破碎產(chǎn)生的滑動(dòng)帶液化的不同機(jī)理，論述了兩種機(jī)理對滑坡災(zāi)害預(yù)測研究中的重要性。黃潤秋等(2008)對汶川地震后大光包巨型滑坡的基本特征及形成機(jī)理進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)斜坡的臨空條件和貫通性好的巖層面是滑坡產(chǎn)生的基礎(chǔ)，長持時(shí)和高強(qiáng)度地震是導(dǎo)致滑坡的根本因素，并把滑坡產(chǎn)生的機(jī)理和過程分為坡體震裂、松弛和解體階段。殷躍平(2008)對汶川地震觸發(fā)的高速遠(yuǎn)程特征進(jìn)行了分析，滑坡主要沿龍門山中央斷裂帶地震破裂帶展布，并具有以下特征：母巖強(qiáng)烈風(fēng)化破碎、拋擲效應(yīng)、碰撞效應(yīng)、鏟刮效應(yīng)和氣墊效應(yīng)。劉廣煜等(2019)基于塊體離散元方法，以易貢滑坡為例研究了高速遠(yuǎn)程滑坡的災(zāi)害動(dòng)力機(jī)制。葛云峰等(2019)基于室內(nèi)物理模型試驗(yàn)，通過PIV技術(shù)獲取滑體顆粒的水平速度、豎直速度、位移等運(yùn)動(dòng)參數(shù)，研究了高速遠(yuǎn)程滑坡堆積過程中的能量傳遞機(jī)制。Huang et al.(2012)采用SPH方法(光滑流體動(dòng)力學(xué))模擬強(qiáng)震觸發(fā)的滑坡，通過在SPH中引入賓漢姆流體模型，能較好模擬滑坡體的變形流動(dòng)過程。Zhu et al.(2020)用分子動(dòng)力學(xué)軟件Lammps模擬了振動(dòng)作用下傾斜表面上的顆粒流動(dòng)，探討地震動(dòng)效應(yīng)對山體滑坡運(yùn)動(dòng)特征的影響機(jī)制。目前，單相顆粒流流變理論發(fā)展相對成熟。但是，面對復(fù)雜海洋環(huán)境條件下的海底滑坡誘發(fā)過程，基于流變學(xué)理論的多相流模型的建立仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

泥石流也是世界各地山區(qū)常見的災(zāi)害。我國山區(qū)極端暴雨型泥石流經(jīng)常發(fā)生，在2008年汶川地震后20萬個(gè)山體滑坡被觸發(fā)，野外調(diào)查表明，許多滑坡堆積物由于降雨被重新搬運(yùn)，并導(dǎo)致隨后的淺層滑坡和泥石流(Xu et al.，2014)。類似的還有中國臺(tái)灣Chi-Chi地震后的斜坡堆積物在臺(tái)風(fēng)季節(jié)的強(qiáng)降雨作用下被侵蝕搬運(yùn)，造成了災(zāi)難性的泥石流災(zāi)害(Shieh et al.，2009)。因此，加強(qiáng)泥石流的孕育、運(yùn)動(dòng)致災(zāi)機(jī)理研究是地質(zhì)災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)領(lǐng)域的重要課題。泥石流是以重力為主要驅(qū)動(dòng)力的固液兩相混合流體，固體顆粒物質(zhì)含量高，粒徑相差大，具有典型的非牛頓流體特征。泥石流顆粒之間的接觸力鏈演化規(guī)律可以基于顆粒物質(zhì)力學(xué)理論和方法進(jìn)行分析。Iverson et al.(2014)結(jié)合了臨界狀態(tài)土力學(xué)、顆粒流動(dòng)力學(xué)和流體力學(xué)推導(dǎo)了一個(gè)深度平均的兩相模型，模擬泥石流從起始到沉積的流動(dòng)行為。模型的平衡方程描述了固體體積分?jǐn)?shù)、基底孔隙流體壓力、流動(dòng)厚度和流速兩個(gè)分量的耦合演化。顆粒流模型更適用描述含有粗顆粒的泥石流運(yùn)動(dòng)，符合泥石流的動(dòng)力特征，在泥石流數(shù)值模型理論研究中取得了大量研究成果。

總體上看，巖土顆粒物質(zhì)的大變形流滑問題，本質(zhì)上都涉及顆粒物質(zhì)力學(xué)中的相態(tài)轉(zhuǎn)化和流變問題。顆粒物質(zhì)力學(xué)發(fā)展至今，已經(jīng)為合理描述顆粒系統(tǒng)的力學(xué)行為提供了較為完備的理論基礎(chǔ)，顆粒物質(zhì)力學(xué)理論和方法的引入可為解決工程地質(zhì)領(lǐng)域的顆粒物質(zhì)問題提供更廣闊的空間。但需要指出的是，基于物理學(xué)發(fā)展而來的顆粒物質(zhì)力學(xué)，其主要應(yīng)用性成果如顆粒阻塞相變圖、流變模型等，雖然具有一定的普適性，但本質(zhì)上對顆粒材料本身特征、邊界條件和所處力學(xué)狀態(tài)等都具有一定依存性。面對工程地質(zhì)領(lǐng)域的顆粒物質(zhì)問題，如何基于其獨(dú)特的顆粒材料特征及力學(xué)條件，合理引入顆粒物質(zhì)力學(xué)理論和方法，是成功解決工程地質(zhì)災(zāi)害問題關(guān)鍵，仍需要大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及理論分析的支持。

5 結(jié)論與展望

松散地質(zhì)體屬于顆粒物質(zhì)范疇，表現(xiàn)出了極為復(fù)雜的力學(xué)性質(zhì)，許多由松散地質(zhì)體變形破壞所致地質(zhì)災(zāi)害的本質(zhì)即為顆粒物質(zhì)阻塞至未阻塞間的相態(tài)轉(zhuǎn)化，與之對應(yīng)的便是松散地質(zhì)體的力學(xué)穩(wěn)定態(tài)到力學(xué)非穩(wěn)定態(tài)間的轉(zhuǎn)變。顆粒物質(zhì)力學(xué)中相關(guān)的理論方法可以為松散地質(zhì)體變形破壞致災(zāi)的研究提供新的思路。例如，顆粒通過顆粒材料阻塞相變性質(zhì)揭示土石混合體的力學(xué)行為隨土與石的比例不同而發(fā)生的非連續(xù)突變等。

許多顆粒物質(zhì)力學(xué)研究的常用實(shí)驗(yàn)方法也可以借鑒到工程地質(zhì)領(lǐng)域內(nèi)，如光彈實(shí)驗(yàn)方法、聲發(fā)射等。光彈實(shí)驗(yàn)方法對實(shí)驗(yàn)對象有所要求，必須采用具有人工雙折射性質(zhì)的材料，雖然有別于傳統(tǒng)的巖土體材料，但揭示的顆粒材料基本力學(xué)特性在工程地質(zhì)領(lǐng)域也是具有普適性的。當(dāng)然，顆粒光彈試驗(yàn)也具有其局限性，雖然可以針對不同形狀的顆粒系統(tǒng)開展相關(guān)研究，但目前還難以拓展到三維的顆粒系統(tǒng)，需要結(jié)合折射率匹配、大量的圖像處理等技術(shù)；聲發(fā)射試驗(yàn)方法所監(jiān)測的彈性波信號(hào)可直接反映其發(fā)生源的物理力學(xué)機(jī)制，大量涉及地質(zhì)體變形破壞的工程地質(zhì)問題，如滑坡失穩(wěn)、碎屑流長距離運(yùn)動(dòng)、地震孕育等，都可通過其伴生的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行反演分析。聲發(fā)射信號(hào)的關(guān)鍵參數(shù)特征提取及其與信號(hào)源物理力學(xué)機(jī)制的關(guān)聯(lián)性研究目前仍具有廣闊的發(fā)展空間。

物理領(lǐng)域內(nèi)所研究的顆粒物質(zhì)力學(xué)通常是從較為簡單的物理模型或數(shù)值模型得到的，如何將相關(guān)的研究成果應(yīng)用到復(fù)雜的工程地質(zhì)領(lǐng)域中，是成功交叉融合顆粒物質(zhì)力學(xué)和工程地質(zhì)學(xué)的關(guān)鍵。特別是顆粒物質(zhì)相變的研究成果多基于雙分散圓形或球形的規(guī)則形狀顆粒體系，工程地質(zhì)領(lǐng)域所遇到的顆粒物質(zhì)力學(xué)問題往往是不規(guī)則形狀，且分選性也非常差，雖然顆粒物質(zhì)的相變是客觀物質(zhì)規(guī)律，但復(fù)雜巖土顆粒材料的臨界體積分?jǐn)?shù)卻難以確定。除此之外，針對黏性顆粒材料的顆粒物質(zhì)力學(xué)研究，目前雖有一些數(shù)值模擬的研究成果，但在試驗(yàn)上難以定量地控制顆粒間的黏聚力，黏性顆粒物質(zhì)力學(xué)試驗(yàn)研究仍處于探索階段。