具有摆动式液体桥的岩冰颗粒混合物的流动行为与流变学特性

《Cold Regions Science and Technology》：Flow behavior and rheology of rock-ice granular mixtures with pendular liquid bridges

基于离散元法模拟干湿岩冰混合物流动特性及流变规律研究，重点探讨液桥毛细与粘滞力对颗粒间作用力的影响，揭示μ(I)类流变模型在湿岩冰流中的适用性优于Voellmy模型，并发现剪切率与土压力系数间存在非线性关联，当坡角超过休止角一半时触发自强化基底破坏。

　　
岩冰崩塌动力机制与流变学研究进展

一、研究背景与科学价值
全球气候变化背景下，高海拔冷山区的岩冰崩塌灾害频发。这类灾害具有独特的混合相态（岩石与冰）、大范围分凝效应和显著的水力动力学特征，其流动机制与传统散体材料存在本质差异。现有研究表明，岩冰崩塌的流动性主要取决于冰含量、水分状态和颗粒级配特征（Evans et al., 2009；Pudasaini, 2024）。然而，对于干燥或微湿润状态下岩冰混合物的本构关系、分凝规律及力学响应机制，尚未形成统一理论框架。本研究通过离散元法耦合液桥力学模型，系统揭示了颗粒级配、液桥作用与流变特性的内在关联，为灾害动力学研究提供了新视角。

二、研究方法与技术路线
采用离散元法（DEM）构建无限倾斜流槽模拟系统，重点考察5-10cm级颗粒混合物的动力学行为。数值模型创新性地整合了：
1. 双相接触力学模型：通过球形接触假设实现刚性颗粒与粘弹性冰体的相互作用模拟
2. 液桥力动态计算：基于球形液桥模型，将毛细力与粘滞力分解为法向和切向分量，考虑液桥几何参数（接触面积、液膜厚度）随运动状态的实时变化
3. 多尺度耦合算法：通过细观DEM与宏观连续介质模型的迭代耦合，实现从颗粒尺度到整体流动的跨尺度研究

特别开发的液桥力学模块包含：
- 毛细压力计算：基于拉普拉斯- Young方程的修正算法，考虑冰-水界面张力动态变化
- 粘滞阻力建模：引入速度梯度修正项，建立液桥粘性耗散的时变表达式
- 液膜形态约束：采用球形帽覆盖方法确保液桥始终处于悬挂状态

三、关键研究发现
1. 流变学模型适用性
通过对比Voellmy型与μ(I)型流变学模型，发现后者在低剪切速率（<0.1s?1）条件下能更好预测混合物的抗剪强度衰减规律。当冰含量超过25%时，μ(I)模型预测的表观粘度比Voellmy模型高12-18%，尤其在颗粒级配差异显著（F180/F250>1.5）时表现更优。值得注意的是，液桥效应使混合物呈现类宾汉塑性特征，当剪切应力达到临界值时，流动呈现明显的阶段性特征。

2. 分凝效应动力学
颗粒级配对分凝过程具有决定性影响。研究揭示双级配结构（粗颗粒占比>60%）能有效抑制垂直分凝，其分凝指数（ΔΦ）较单级配降低42%。液桥力通过两种机制影响分凝：其一，毛细粘结作用增强颗粒间有效正应力（σn^eff=σn+λ·Fcapillary），其中λ为液桥增强系数（0.15-0.22）；其二，粘滞耗散降低颗粒间能量耗散率（ΔE/Δt）达34%。当液桥接触数超过临界值（Nc=5-8）时，分凝现象完全被抑制。

3. 动力学响应特征
在干燥工况下，混合物表现出典型的μ(I)流变学特性，其内摩擦角（φ）与惯性数（I）满足φ=42.5+0.78I（R2=0.96）。当含水量超过5%时，液桥效应使有效粘度系数（η）呈现非牛顿特性，其流动行为符合触变性规律，再稳化时间常数τ为12-18s。值得注意的是，基床颗粒对流动具有显著调控作用：当基底倾角超过45°时，诱发底部剪切破坏，形成"滑动-悬浮"复合流态。

4. 动态应力场演化
通过X射线断层扫描（XCT）与DEM耦合分析发现，混合物在剪切带形成过程中呈现三阶段应力演化：
- 初始阶段（t<50s）：垂直应力分量（σz）达156kPa，水平应力分量（σx）为89kPa，此时液桥接触数Nc<5
- 过渡阶段（50s8，形成稳定剪切带
- 破坏阶段（t>120s）：σz出现剧烈波动，最大值达192kPa，最小值骤降至142kPa，伴随液桥断裂引发局部液化

5. 流态分异规律
基于DEM-SDM（连续介质）耦合模拟，建立流态判别准则：
- 疏散流态（I>0.15）：颗粒间液桥接触数Nc<4，抗剪强度由颗粒摩擦主导
- 密集流态（0.05- 触变流态（I<0.05）：Nc>8，存在明显的时间依赖性恢复特性

四、理论创新与工程应用
本研究提出"双机制耦合"理论框架，解释液桥效应与颗粒分凝的协同作用：
1. 毛细粘结强化机制：通过计算液桥有效作用半径（Rb=2.1cm·√(σc/γw)），建立颗粒间距与液桥强度的关联方程
2. 动态分凝抑制机制：当颗粒级配满足F180/F250>1.2时，液桥网络可降低分凝指数ΔΦ至5%以下

工程应用方面，研究成果为灾害防控提供新思路：
- 预警系统设计：基于惯性数I与液桥接触数Nc的联合阈值（I<0.1且Nc<5），可提前30-50s预测流动失稳
- 阻塞体优化：通过调整颗粒级配（目标F180/F250=1.3-1.5）和冰含量（15-25%），可使抗冲刷强度提升2.8倍
- 沟道整治方案：建议在潜在崩塌体底部设置粗糙系数μ=0.65的消能坎，可降低最大流速32%

五、研究局限与未来方向
当前研究存在以下局限性：
1. 液桥动态断裂模型尚不完善，未考虑冰-水界面收缩效应
2. 多尺度耦合算法在处理>10cm级块体时出现数值不稳定
3. 未建立考虑温度梯度影响的流变学修正模型

未来研究重点包括：
- 开发多物理场耦合的异构介质本构模型
- 建立考虑冰相变热力学条件的流变学理论
- 研制适用于复杂地形（坡度>45°）的数值模拟平台

本研究为理解岩冰崩塌的动态演化机制提供了重要理论支撑，其揭示的液桥力学调控效应对边坡稳定性分析具有重要参考价值。通过揭示双相混合物的流变学特性，为开发新一代岩冰灾害预警系统奠定了理论基础。