冰岩碎屑流运动性中冰与岩石摩擦差异作用的环剪试验研究学术报告

一、作者团队及发表信息
本研究由同济大学土木工程学院谭晓琳、黄雨、李斌、罗瑛、朱崇强、李星月合作完成，发表于《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》（2025年9月）。研究依托同济大学岩土工程学科与国家重点实验室平台，聚焦冰川灾害机理，旨在揭示冰岩混合碎屑流超常运动性的摩擦控制机制。

二、学术背景与研究目标
冰岩碎屑流（ice-rock avalanches）是高山地区破坏性极强的低温灾害，其运动距离常超10公里，速度达50–80 m/s，传统摩擦模型难以解释其超常流动性（hypermobility）。核心科学问题在于：冰颗粒（低摩擦系数μ＜0.3）与岩石碎屑（μ＞0.3）的摩擦差异如何通过颗粒间相互作用（如力链重组、基底润滑）影响整体流变行为。现有研究受限于实验条件（剪切位移短、应力水平低），未能定量刻画这一机制。本研究通过环剪试验（ring shear test）模拟地质应力环境，系统探究双摩擦颗粒体系的剪切特性，为灾害预测提供力学依据。

三、研究方法与流程
1. 实验设计与材料选择
- 设备：采用SRS-150自动环剪仪，最大法向应力300 kPa（模拟60米厚碎屑流荷载），剪切速率0.22–7.96 m/min，可实现无限剪切位移（理论优势）。
- 材料：选用两种玻璃珠（glass beads）模拟冰与岩石：光滑玻璃珠（SGB，μ=0.16±0.01）代表冰颗粒；粗糙玻璃珠（RGB，μ=0.34±0.02）代表岩石。通过控制RGB含量（0%–100%）构建双摩擦体系，排除颗粒形状、级配干扰。

1. 试验方案

   • 分组：30组试验，分为恒定剪切速率（M1–M15）与梯度速率（M16–M30）两类，法向应力覆盖100–300 kPa。
     
   • 关键参数：实时记录剪切应力、体积应变、表观黏度（apparent viscosity），通过临界状态理论分析剪切带演化。
     

2. 数据计算

   • 剪切应力（τ）与有效摩擦系数（μe=τ/σ）通过扭矩-角位移公式推导（Eqs.1–3）；体积应变通过试样高度变化计算（Eq.4）。
     

四、主要结果与发现
1. 剪切强度非线性增长
- RGB含量增加显著提升峰值与残余剪切强度（图2）。例如，100 kPa下，RGB从0%增至100%时，残余强度从36.7 kPa升至40.8 kPa，但增长速率递减，表明粗糙颗粒主导力链构建，但平滑颗粒削弱整体摩擦（非线性叠加效应）。

1. 体积应变分异

   • 高RGB混合物（＞25%）表现持续剪胀（dilatancy），而纯SGB体系（0% RGB）呈收缩（图3）。300 kPa下，50% RGB试样的稳态体积应变比0% RGB高15%，反映岩屑富集导致颗粒骨架膨胀，促进流动失稳。
     

2. 表观黏度与应力依赖性

   • 表观黏度随RGB含量与法向应力增加（图4）。300 kPa下，100% RGB试样的黏度为0% RGB的1.3倍，但高剪切速率（7.96 m/min）下黏度下降，揭示厚层碎屑流可能因应变软化（strain-softening）触发流体化。
     

3. 摩擦系数演化

   • μe随RGB含量与法向应力非线性上升（图5）。300 kPa时，μe比100 kPa高10%–15%，表明高压环境增强颗粒接触密度，与野外观察的厚层碎屑流较短运动距离现象吻合。
     

五、结论与价值
1. 科学意义：首次通过环剪试验量化了双摩擦颗粒体系的流变阈值，提出“冰颗粒基底润滑-岩屑剪胀”竞争机制，完善了冰岩碎屑流超常运动性的微观力学解释。
2. 应用价值：为基于摩擦参数的灾害动态模型（如DEM离散元模拟）提供标定数据，支持气候变化下冰川灾害的风险评估与工程防治。

六、研究亮点
1. 方法创新：采用无限剪切位移环剪试验，克服传统直剪试验（≤0.1 m位移）与低应力槽实验（≤100 kPa）的局限。
2. 理论突破：揭示摩擦差异驱动的非均匀剪切带形成是流体化转变的关键，挑战了线性叠加假设。

七、局限与展望
当前研究未考虑相变（冰融化）与颗粒破碎的影响，未来需结合热-力耦合试验与DEM模拟，进一步探究真实冰岩混合物的多场耦合行为。