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颗粒破碎驱动地质材料的摩擦弱化与流动性演化机制研究

颗粒材料；破碎动力学；剪切局部化；摩擦弱化；可视化分析

颗粒材料的剪切局部化与颗粒破碎现象对于理解滑坡、岩崩等地球物理流动动力学至关重要。然而，目前对于不同剪切条件下颗粒破碎演化机制及其对摩擦系数的影响仍缺乏系统认知。为揭示颗粒破碎如何重塑地球物理流动中的摩擦特性与运动行为，本研究系统考察了可破碎石英砂、易碎盐岩和不可破碎玻璃微珠在不同法向应力（50-400 kPa）、剪切速度（1-100 mm/s）及位移（0.1-100 m）条件下的动态响应。通过结合高速环剪试验、X射线计算机断层扫描（X-CT）及微观结构分析，从多尺度研究了颗粒破碎、形貌变化及粒径分布的影响效应。

研究表明，石英砂和盐岩在剪切过程中表现出快速的破碎特性和显著的摩擦弱化，而玻璃微珠则通过稳定的滚动摩擦主导维持其力学性能（图1）。对于石英砂和盐岩等可破碎颗粒材料，正应力的增加会显著加速颗粒破碎过程，导致剪切阻力更早达到峰值并随后出现明显的摩擦弱化现象。分析认为摩擦弱化主要归因于剪切带内细颗粒的富集，从而降低了颗粒间的互锁并促进润滑。X-CT三维重构揭示了颗粒破碎具有显著的空间局域性，剪切变形主要集中于特定厚度的剪切带内，而基于固相分数波动提出的新方法为剪切带厚度的定量表征提供了可靠依据（图2）。研究发现颗粒材料剪切过程中剪切带厚度逐渐减小，随着剪切位移增加，剪切带厚度范围内细颗粒（<0.075 mm）含量显著增加，材料内部形成了“粗颗粒-细基质”的双骨架结构。通过引入实际剪切带内颗粒的相对破碎指标B_r，量化了颗粒破碎程度与剪切位移的关系，发现B_r随位移呈对数增长，在10 m位移后增速趋缓。微观分析表明，破碎产生的细颗粒具有更高的球度（平均球形度从初始0.73增至0.84），这种形态演化进一步降低了颗粒间的滑动阻力（图3）。

结合宏观剪切行为及细微观分析结果，提出了剪切过程中颗粒破碎-滚圆协同作用机制。颗粒材料的摩擦行为呈现出典型的三阶段演化特征：初始阶段由颗粒互锁和力链强化主导，形成瞬态峰值阻力；随后进入以颗粒破碎驱动的强化阶段；最终过渡到由细颗粒滚动和润滑效应控制的弱化阶段。颗粒材料的剪切行为由颗粒破碎和细颗粒滚动间的动态平衡决定。

这些发现为理解地质材料在大应变条件下的流变行为提供了新视角，特别是揭示了颗粒破碎、形态演化和结构重组之间的耦合机制，也为模拟自然灾害中大应变密实颗粒流提供了耦合颗粒破碎-形貌演化-结构重组机制的动力学框架。