高速远程滑坡超强运动的功密度摩擦弱化机理研究取得进展
2020-05-25 07:31:00
5月12日，中国科学院成都山地灾害与环境研究所研究员何思明团队在国际地学期刊Geophysical Research Letters发表了题为An empirical power density-based friction law and its implications for coherent landslide mobility的论文。该论文揭示了高速远程滑坡超强运动的功密度摩擦弱化机理。
高速远程滑坡具有超强流动性和规模效应，其内在机制是国际学术界长期高度关注的热点和难点问题，严重影响了灾害风险评估的可靠性和精度。高速远程滑坡摩擦弱化机制现有速度弱化和法向应力弱化两种观点，速度和法向应力弱化从速度和滑体厚度两个不同层面描述摩擦弱化，会造成同一位置有不同摩擦系数的悖论。
为解决这一问题，博士生邓宇在研究员何思明指导下，在该论文中提出了基于功率密度（功率密度指滑面剪切应力和剪切速度的乘积，表示剪切带内温度的增加速度和颗粒的破碎速度）摩擦弱化机制。从能量角度解读高速远程滑坡摩擦弱化具有更为深刻的物理含义，可以将高速滑坡的热效应、颗粒破碎、磨蚀、声学液化等假说都归结为功密度弱化机制。
研究团队通过收集近280组岩石高速旋转摩擦试验数据，将试验岩样分为高温下稳定矿物（包含石英，正长石，斜长石等）、高温下发生脱水反应矿物（包含高岭石，蒙脱石，石膏等）和高温下发生脱碳反应矿物（石灰石，大理石等）三类。通过对试验数据进行整理、拟合和分析（图1）发现，功率密度弱化模型相对于速度弱化模型和法向应力弱化模型具有更好的趋势和相关性。
通过对比不同尺寸式样（25mm直径，40mm直径，1m长宽）的摩擦系数及弱化距离变化趋势，发现式样尺寸越大，摩擦系数和弱化距离下降得越早，这种重要的尺寸效应将为推广实验尺度变化趋势到自然滑坡尺度提供重要支撑。
以上研究成果得到国家重点研发计划课题（2017YFC1501003）、国家自然科学基金重大项目（41790433）的支持。
图1. 基于高速摩擦试验数据拟合结果
图2. 不同尺寸试验数据对比
来源：中国科学院成都山地灾害与环境研究所