本研究由韩国地质科学与矿产资源研究院地质灾害部滑坡研究中心的Sueng‑Won Jeong, Seungjun Lee, Hyun‑Joo Oh和Minseok Kim*（*通讯作者）共同完成，并于2024年发表在《Scientific Reports》期刊上。
这项研究属于工程地质与地质灾害领域，聚焦于泥石流灾害评估中的一个核心难题：如何准确确定泥石流的强度参数。泥石流是一种高速、远程运动的滑坡灾害，其流动性受到机械和水文参数的重大影响。在泥石流的启动和流动阶段，强度参数扮演着至关重要的角色，尤其是流变学参数中的屈服强度（yield strength）和塑性粘度（plastic viscosity），它们直接影响泥石流的运动距离和速度。通常，用于评估泥石流风险的强度参数，如剪切强度，在数值模拟中常被视为常数或通过经验反演获得。然而，泥石流在运动过程中，其材料会经历从破坏、重塑到流态化的演变，强度会显著降低。这种强度演化过程与沿途的泥沙卷吸（entrainment effect）效应密切相关，但传统方法对此考虑不足，导致模拟结果存在不确定性。因此，本研究旨在通过系统性的实验和模拟，阐明风化土体在泥石流运动全过程中的强度演化规律，并提出一个结合残余剪切强度（residual shear strength）和屈服强度、并考虑卷吸效应的泥石流屈服强度确定方法，以提高泥石流流动性和灾害范围评估的准确性。研究以2011年发生在韩国密阳市（Miryang）的一次典型风化土泥石流事件作为案例进行验证。
研究的详细工作流程包括五个主要步骤，环环相扣，从现场调查到室内试验，再到数值模拟。
第一步是研究区概况与材料获取。研究选择了2011年韩国密阳市Singok山的泥石流作为案例。通过现场调查，确定了四个主要的泥石流源区（F1–F4）。研究从源区采集了风化土样品作为研究对象。研究人员详细测定了这些土样的基本岩土工程性质。根据美国统一土分类系统，该材料被归类为低塑性粘土。其天然含水率为14.1%，液限和塑限分别为27.8%和19.8%，塑性指数为8%。通过直剪试验测得的粘聚力和内摩擦角分别为22 kPa和39.4°。这些基本性质为后续的专项强度试验提供了背景和参考。
第二步是环剪试验确定残余剪切强度。此步骤旨在模拟泥石流启动阶段，土体沿滑动面发生大剪切变形后的强度特征。研究采用了一台大型环剪仪，其剪切盒内径110毫米，外径250毫米，高75毫米，可进行高速剪切并允许近乎无限的剪切变形，非常适合研究滑坡的破坏后行为。试验在非排水条件下进行，以模拟强降雨导致的快速滑坡条件。试验程序包括样品制备、饱和、固结和剪切。研究系统地探讨了不同法向应力（0, 50, 100, 150 kPa）和不同剪切速度（0.01, 0.1, 1, 10, 100 mm/s）组合下土样的剪切应力响应。对于每个工况，持续剪切直至达到稳定的残余状态，记录剪切应力-时间或剪切应力-位移曲线。通过分析这些曲线，确定了峰值剪切强度和残余剪切强度。试验的核心在于揭示剪切速度与法向应力对土体残余强度的影响规律，这是理解泥石流从滑动启动向流动转化力学机制的关键。
第三步是流变学试验确定屈服强度与粘度。此步骤旨在量化泥石流在流动阶段，表现为粘塑性流体时的流变特性。研究采用了一台配备叶片转子（vane spindle）的流变仪来测量泥石流材料的流变参数。叶片转子适用于含有较粗颗粒的物料。将现场采集的土样与清水混合，配置成一系列不同固体体积浓度（solid volumetric concentration, Cvs，范围33%–52%）的浆体。对每个浓度的样品进行剪切速率控制模式的测试，剪切速率从0.01变化到1200 min⁻¹，自动记录扭矩并转换为剪切应力。通过绘制剪切应力-剪切速率关系曲线（流动曲线），将泥石流材料视为宾汉姆流体（Bingham-like fluid），从而确定其宾汉姆屈服强度（曲线在剪切应力轴上的截距）和塑性粘度（曲线的线性段斜率）。此外，还分析了粘度随剪切速率的变化（剪切稀化效应），以及流变参数（屈服强度、粘度）与固体体积浓度之间的相关关系。
第四步是基于强度演化概念的数值模拟框架建立。基于前述试验揭示的强度演化规律，研究提出了一个分阶段的泥石流强度参数取值框架，用于指导数值模拟。具体而言：在启动阶段，采用环剪试验测得的残余剪切强度（本研究结果显示约为5-10 kPa，取决于深度和剪切速度）；当土体达到液限状态、发生固-液转变时，强度约为2 kPa；在流动阶段，则采用流变试验测得的屈服强度（本研究结果显示，在完全流态化、Cvs约为44%时，屈服强度约为0.3–0.5 kPa）。研究指出，最理想的方法是综合考虑启动阶段的残余剪切强度、流动阶段的屈服强度，以及在快速流态化阶段由于卷吸效应导致的屈服强度进一步降低。
第五步是泥石流数值模拟与验证。为了验证上述强度参数确定方法的有效性，并探究不同强度值及卷吸效应对模拟结果的影响，研究采用基于流体动力学和二维浅水方程的DEB2D数值模型，对2011年密阳泥石流事件进行了反演模拟。研究设计了多组模拟情景进行对比：情景1：采用残余状态剪切强度（10 kPa）；情景2：采用液限状态强度（2 kPa）；情景3：采用固-液转变强度（0.5 kPa）；情景4：采用完全流态化强度（0.1 kPa）。所有情景的粘度均根据试验得到的经验关系τ_y/η_h = 1确定。初始泥石流体密度设为2000 kg/m³。模拟首先在不考虑卷吸效应的情况下进行，比较不同强度参数对泥石流流动范围、高度和路径的影响。随后，在选定的强度参数下，引入由Lee等人提出的侵蚀-卷吸-沉积算法，模拟考虑卷吸效应后的泥石流运动，并与不考虑卷吸效应的结果以及实地灾害痕迹进行对比。
研究取得了系统性的结果，各步骤结果相互支撑，最终导向核心结论。
环剪试验结果显示，风化土样的剪切应力强烈依赖于法向应力和剪切速度。在所有测试中，土样均表现出典型的应变软化行为，即存在峰值剪切强度和残余剪切强度。残余剪切强度随着法向应力的增加而增加，但在给定的法向应力下，其变化范围相对于峰值强度要小得多（除100 mm/s的极高剪切速度外）。例如，在较低剪切速度（≤10 mm/s）下，残余剪切强度的差值约为9 kPa。一个重要的发现是，在高速剪切（如100 mm/s）和高法向应力下，剪切应力持续增长，远高于较低速度下的值。对剪切前后土样的颗粒分析表明，这是由于剪切过程中颗粒发生了破碎（fragmentation effect），产生了大量细颗粒（粉粒和粘粒），改变了剪切区的材料组成和结构。这揭示了泥石流在高速运动过程中，内部材料因颗粒破碎而进一步弱化的潜在机制。对于浅层滑坡（土深米），在低法向应力和低剪切速度下，残余剪切强度可作为预测滑坡启动的关键指标，其值大约在5–10 kPa范围内。
流变学试验结果表明，研究区的风化土材料表现为具有剪切稀化特性的宾汉姆类流体。屈服强度和塑性粘度均与固体体积浓度（Cvs）密切相关。随着Cvs的增加（即含水量降低），屈服强度和粘度均呈非线性增加。尤为关键的是，研究发现了一个明显的拐点：当Cvs大于约44%时，屈服强度急剧增加；当Cvs小于44%时，屈服强度急剧下降并趋于消失。这一拐点被认为是土体完全流态化、转变为流体化泥石流的临界点。在此临界浓度下，屈服强度约为300–500 Pa，塑性粘度约为1.5 Pa·s。试验还确认了屈服强度与塑性粘度之间存在近似线性的经验关系：η_h = 0.003 τ_y + 0.8。综合来看，强度演化路径清晰：残余状态（环剪）的剪切强度约为2–10 kPa，液限状态（阿太堡界限试验）约为2 kPa，而完全流体化流动（流变试验）的屈服强度则降至0.3–0.5 kPa。
数值模拟结果清晰地展示了不同强度参数对泥石流运动行为的巨大影响。总体而言，较低的屈服强度和粘度会导致更高的流动性（更长的运动距离和更高的速度）。在不考虑卷吸效应的情况下，即使采用最低的强度参数（情景3和4），模拟的泥石流也无法达到实际的运动距离。这凸显了卷吸效应在增大泥石流体积和动量方面不可忽略的作用。当在模拟中引入卷吸效应后（采用经过验证的算法和参数），泥石流的运动距离、高度和速度均显著增加，模拟结果更贴近实际情况。对比不同源区（F2和F3）汇入主通道（P2）的模拟结果发现，即使初始条件相似，由于地形和流动路径的差异，汇合后的泥石流最大高度和速度可相差数倍。这强调了在泥石流灾害评估中，采用恒定强度参数可能导致不准确的模拟结果，必须考虑沿流动路径因卷吸和混合导致的强度衰减。
本研究的结论是，确定泥石流的强度参数对于评估其灾害和制定减灾策略至关重要，但缺乏有效的参数确定方法。本研究通过环剪试验和流变试验，系统揭示了风化土在泥石流运动全过程中的强度演化规律：从破坏后的残余状态，经过重塑状态，最终到流态化阶段，强度因与周边水混合及沿途泥沙卷吸而逐渐降低。基于此，提出了一个实用的框架：在泥石流数值模拟中，应将启动阶段的残余剪切强度和流动阶段的屈服强度结合起来考虑，并特别需要纳入卷吸效应导致的强度衰减过程。这对于创建更可靠的初步泥石流灾害图具有指导意义。研究也指出，大多数泥石流模型将流变参数视为常数是一个局限，尽管考虑泥沙卷吸是补偿此局限的常用方法，但卷吸本身强烈依赖于颗粒组成、孔隙水压力和可侵蚀床层深度等因素，未来仍需对屈服强度降低的力学机制进行更深入的研究。
本研究的亮点在于其系统性和创新性的方法整合。首先，研究创造性地将用于滑坡启动分析的环剪试验与用于流体流动分析的流变学试验相结合，完整刻画了泥石流从“固态”破坏到“液态”流动的全过程强度演化路径，这在方法论上是一种重要的衔接与整合。其次，研究明确了固体体积浓度（Cvs≈44%） 作为风化土完全流态化临界点的工程指标，并给出了相应的屈服强度范围（0.3–0.5 kPa），为参数选取提供了具体参考。第三，研究通过案例驱动的数值模拟，直观对比并量化了不同强度参数以及卷吸效应对模拟结果的巨大影响，强有力地论证了在泥石流模拟中考虑强度演化和卷吸过程的必要性与重要性。最后，研究以韩国典型的风化土泥石流为对象，其研究成果对于类似地质和气候条件下的东亚地区泥石流灾害评估具有直接的应用价值。
此外，研究中关于高剪切速度下因颗粒破碎导致剪切强度异常升高的现象，虽然可能与极高速度的泥石流内部摩擦有关，但也提示在将实验室环剪结果外推至野外极高流速情况时需要谨慎。研究为后续探讨颗粒破碎、细粒含量增加对泥石流流变性质的影响提供了有趣的切入点。