颗粒流作为一种常见自然现象而广泛存在，如滑坡、泥石流、岩崩、雪崩、砂堆运动。颗粒流运动过程中，颗粒之间的摩擦和碰撞同时存在且在颗粒运动行为中发挥着各自的作用。通常，在沿坡面而下的颗粒流过程中，颗粒物质重力势能逐步转化为伴有摩擦和碰撞的颗粒物质动能，期间颗粒物质将遭受压缩和剪切力学过程而产生变形和破碎。颗粒流运动过程产生的颗粒破碎必然引起颗粒物质颗粒-孔隙结构重分布，进而改变其强度变形特性，最终影响颗粒物质的力学-运动行为。

    中科院成都山地灾害与环境研究所苏立君研究员团队以颗粒流灾害为背景，聚焦颗粒流摩擦-碰撞颗粒破碎科学问题，通过鼓式颗粒流试验（硅砂与陶瓷球），模拟颗粒流连续运动过程，引入颗粒破碎因子（相对破碎率）量化颗粒破碎，阐明了颗粒流运动过程中颗粒摩擦-碰撞颗粒破碎特性，揭示了颗粒破碎对颗粒土特性的影响，破解了颗粒流摩颗粒擦（磨蚀）-碰撞（破裂）破碎机理，且取得以下主要结论：

    （1）颗粒流颗粒摩擦-碰撞均导致颗粒破碎，且颗粒破碎（指，相对破碎率，下同）随颗粒流运动时间增加而增加，但增加的速率逐渐减小；颗粒破碎随陶瓷球数量的增加而线性增加；然而，颗粒破碎随硅砂数量的增加而先增加后减少，即存在一个产生最大颗粒破碎的硅砂特征量，但因颗粒流摩擦-碰撞颗粒破碎机理不同，这个硅砂特征量在颗粒流摩擦或碰撞试验中可能不同；

    （2）颗粒流颗粒碰撞比颗粒摩擦导致更多的颗粒破碎；颗粒流颗粒摩擦-碰撞产生不同的颗粒破碎机理，即，颗粒流摩擦颗粒破碎主要通过颗粒磨蚀来完成，而颗粒流碰撞颗粒破碎主要通过颗粒破裂来实现；

    （3）颗粒流摩擦-碰撞颗粒破碎导致细粒含量增加，然而颗粒流颗粒摩擦产生的细粒含量速率更高但量相对较少；颗粒流颗粒碰撞产生的细粒含量随硅砂数量的增加而先减少后增加，但其随陶瓷球数量的增加而产生一个增量逐渐减小的增加；对于一个给定的颗粒流，细粒含量-颗粒破碎关系可能存在一个下边界线；颗粒流摩擦-碰撞颗粒破碎的增加导致颗粒土特征粒径D10和D30产生减量逐渐减小的降低，但导致颗粒土特征粒径D50和D60线性下降。

    该研究得到了国家自然科学基金（41807268）、中国科学院西部之光“一带一路”国际合作团队（Lijun Su）、中国科学院青年创新促进会（2018408）和中国博士后科学基金特别资助项目（2019T120864）资助。该论文发表在中国科技期刊卓越行动计划领军期刊Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering，余方威青年研究员为论文第一作者，苏立君研究员为论文通讯作者。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jrmge.2020.08.004

颗粒流摩擦-碰撞颗粒破碎特性与机理研究