大型岩石碎屑流内部颗粒破碎机理研究

邹 振 李祥龙

(1．广东科诺电力岩土工程有限公司，广东广州 510000; 2．中国地质环境监测院，北京 100081)

1 概述

岩石碎屑流是由大型岩质崩滑体所形成的具有极高运动速度(30 m/s以上)和极大破坏力的地质灾害［1］，其具有超远距离的运动能力和流态化的运动堆积模式。岩石碎屑流堆积体主要由干燥的岩石碎屑物质组成，在某些岩石碎屑流中能找到含水率很低的碎屑物质，但并不影响岩石碎屑流离散介质特征［2］。对于岩石碎屑流的堆积体的研究工作一直是研究高速远程碎屑流的难点之一，因为岩石碎屑流通常表面覆盖有巨大的岩石块体(块径可达百米级)，并且堆积体厚度很大，通常在数十米以上，很难观察其内部结构特征。只有少数的碎屑流堆积体被地表径流冲蚀后，其堆积体截面在冲沟两侧有部分揭露。现场调查发现，大型岩质崩滑体在经历了启动过程和解体破碎过程后，形成了无数岩石块体构成的碎屑物质集合体，即岩石碎屑流，碎屑流在运动过程中其内部岩石块体会进一步破碎解体，当岩石碎屑流运动堆积完毕后，堆积体颗粒粒径降至毫米级至厘米级，广泛存在于岩石碎屑流堆积体内部各个部位，在一些岩石碎屑流堆积体中可以观察到粒径由下至上逐渐变大，呈反序堆积［3］。岩石碎屑流内部颗粒破碎解体是其碎屑流态化的重要原因，然而国内外关于其破碎机理的研究却很少。Crosta等［4］对意大利境内的数个岩石碎屑流堆积物质进行了迄今为止最为系统的调查研究，分析了堆积体内部结构特征及颗粒粒径分布特征，但并未就其内部颗粒破碎机理给出令人信服的解释。Davies［5］首次提出岩石碎屑流在运动过程中的碎屑化过程可以提高碎屑流的运动能力。他推测碎屑流内部颗粒的破碎会释放储存于碎屑流内部颗粒中的弹性势能，并以扩散压力的形式传递给周围颗粒，其效果类似于孔隙水压力，会降低有效正应力，进而使碎屑流摩阻力降低。虽然他的理论尚未通过实验或现场直接证据得到证实，但他首次对岩石碎屑流运动过程中内部颗粒的破碎解体过程提出关注。本文以岩石碎屑流运动过程中的碎屑化，即其内部岩石颗粒破碎解体过程为研究对象，初步研究破碎机理和影响因素，得出了一些有意义的结论，为后续的深入研究提供理论方向。

2 岩石碎屑流内部颗粒破碎机理

2．1 岩石颗粒破碎机理研究方法

颗粒物质的破碎机理是非常重要的物理现象，在很多自然现象和工业流程中都扮演着重要的角色，一直是力学、材料科学和物理学研究的重点之一。然而，颗粒物质的破碎机理却因为其受力破坏机理的不同而存在极大的差异。例如，研究边坡落石的破碎机理，多是将岩石块体看做一完整颗粒，由于碰撞作用破碎解体;采矿过程中爆破也可以看做完整块体物质的破碎;建筑工业中石料的破碎也是将粒径大的岩石颗粒破碎为小粒径的岩石颗粒。

对于岩石碎屑流中颗粒的破碎机理研究，似乎可以借鉴其他学科的研究成果。Blasio简要分析了采矿工程中广泛应用的Bond关系式和流体力学中广泛应用的Haff法则对于岩石碎屑流破碎机理研究的适用性，认为这些方法均无法合理解释岩石碎屑流堆积内部所呈现的颗粒破碎解体现象。Blasio认为其根本原因在于岩石碎屑流的运动状态和受力状态与上述两种理论所研究的物体完全不同［6］。由此看来，研究碎屑流中岩石颗粒的破碎机理的前提是确定岩石碎屑流运动堆积机理。但由于观察现实中的岩石碎屑流运动过程是不可能完成的任务，因此本文将从岩石碎屑流堆积物的特征分析入手，寻找证据判断其运动机理。

2．2 岩石碎屑流堆积物特征

2．2．1 区域堆积形态特征

由于大型岩质崩滑几乎无法预测，因此很难观察到岩石碎屑流运动过程，只有零星的目击者描述可以供我们参考，多数目击者都指出，岩石碎屑流在运动过程中有明显的流体化现象。由于目击者是在逃生过程中观察，并且观察视角很小，这些描述并不能作为描述岩石碎屑流整体运动特征的有力证明［7］。然而通过分析研究岩石碎屑流堆积区域内堆积路径和堆积体形态特征，可以得出推论:岩石碎屑流具有极高的速度。大多数的大型岩质崩滑从破坏到岩石碎屑流堆积结束，持续时间仅有数分钟，而堆积体的运动距离却达到了数千米。岩石碎屑流在运动过程中会形成大量的粉尘，遮天蔽日［8］。许多学者根据运动路径中的爬坡现象、离心运动现象和撞击山体现象估算岩石碎屑流的运动速度均在30 m/s以上，目前已知的最高速度的Avalanche-Lake碎屑流其估算速度甚至达到213 m/s［9］。传统的块体滑动模型无法解释这种高速度的产生机理。从图1中可以看出，岩石碎屑流平面堆积的形态具有明显的流态化特征(爬坡，转弯，分叉等)，因此碎屑物质运动方式类似于流体。

2．2．2 堆积体内部特征

岩石碎屑流内部颗粒想要破碎，颗粒间必须有强大的接触力。颗粒接触方式存在两种可能:1)颗粒间紧密接触;2)颗粒相互碰撞接触。接触类型直接决定颗粒破碎机理。针对颗粒物质集合体的室内物理实验结果支持碰撞接触为颗粒间主要接触类型。例如Hungr［10］在粗砂的运动过程中观测到由于颗粒同运动路径表面撞击，使得内部砂颗粒相互碰撞，空隙增大，砂砾集合体体积膨胀达22%。但是，所有的物理实验中均未观察到颗粒产生明显的流态化运动特征，事实上，由于物理实验无法复制真实情况下的碎屑流内部的高压力和高速度，物理模型实验同真实碎屑流运动机理是否一致值得怀疑。近距离观察岩石碎屑流堆积体，会发现几乎所有的岩石碎屑流，其表层都覆盖有一层块径很大的岩石块体(块径从数十厘米到数十米不等)，类似于一层壳，其下部堆积体粒径突降，多数为厘米级和毫米级物质的混合。上层壳体似乎是在运动过程被下伏的碎屑物质托浮着运动。这个现象似乎可以否定岩石碎屑流颗粒破碎的机理为颗粒间无序的碰撞。因为假设颗粒由于相互碰撞破碎，那么颗粒之间的碰撞速度应该很大，碰撞造成颗粒的无序运动，会使碎屑流体积膨胀，空隙增大，类似气体被加热后气体分子布朗运动加速，导致气体膨胀。假设两种不同的气体在初始情况下分层，加热气体会使其加速混合。同样，如果碎屑流颗粒在运动过程中也处于无序的相互碰撞状态，堆积物应是充分混合的，不可能出现大块体覆盖于最上部形成壳体的现象。但人们在观察颗粒物质的振动中发现，振动中的颗粒物质会形成反序堆积，即大粒径的颗粒在振动过程中逐渐上移至最顶部。由于无法排除岩石碎屑流在运动过程中存在类似的振动分选，碎屑流堆积表层巨石层的存在并不能排除碎屑流物质在运动过程中相互碰撞导致破碎的可能性。

不过，笔者仍然认为，岩石碎屑流内部颗粒接触应主要为颗粒间紧密接触。由于颗粒碰撞会消耗动能，因此如果颗粒要保持无序的碰撞，必须有持续的动能输出。岩石碎屑流内部颗粒数量极其庞大，并且在运动过程中碎屑流厚度通常在10 m以上，在这种情况下，颗粒间要维持有效的碰撞使颗粒破碎，所需要的初始动能很大，并且碰撞所消耗的能量也极大，即使假设碰撞恢复系数为0．8，碎屑流也会在很短的时间内依靠碰撞耗能完全停止。而在现实条件下，岩石碎屑流内部颗粒物质的碰撞恢复系数几乎为零［11］，却可以沿角度很小的斜坡保持高速运动很远的距离，显然，碰撞接触无法对此作出合理解释。在对岩石碎屑流堆积体内部结构的调查中，有些学者［12，13］发现了一种“拼图”现象(见图2)，只存在于碎屑流堆积物的最前沿，堆积体内部破碎的颗粒物质形成的颗粒碎片相对位移很小，像拼图一样仍然拼成颗粒破碎前的形状。这说明颗粒碎片在运动过程中颗粒间的自由运动空间很小，使得颗粒破碎为碎片后，由于周围其他颗粒的紧密包围，无法四散崩逃。如果岩石颗粒主要由于相互碰撞而破碎，碎片应会立即向四周崩散，不会形成“拼图”现象。

综合分析可以得出结论，岩石碎屑流在运动过程中内部颗粒很难产生有效的碰撞使颗粒破碎解体。其运动状态应类似于流体运动，岩石颗粒之间由于自身的重力作用紧密接触，保持相一致的速度运动，颗粒自由运动空间很小(见图3)。

2．3 力链概念及力链破坏机理

既然已经证明了岩石碎屑流在运动过程中颗粒间保持相对紧密接触的有序的流动，那么在研究岩石碎屑流内部颗粒破碎的机理时就应将研究对象定位于紧密接触运动过程中颗粒间的接触力。引入力链概念进行颗粒间接触力的研究就显得非常适合。颗粒物质是由众多离散颗粒组成的软凝聚态物质，毗邻颗粒间发生接触形成诸多强度迥异的力链，它们相互交接构成网络并非均匀地贯穿于颗粒物质内［14］。图4中显示了粒径呈高斯分布的圆球状颗粒集合体受剪切时其内部力链的分布［15］。图中力链的宽度代表着接触力的大小。椭圆形区域圈出了一个即将破坏的力链。

对于处于静止状态的岩石碎屑流堆积体，内部力链的作用是支撑重力和提供抗剪强度，使碎屑物质整体保持稳定;当岩石碎屑流颗粒处于运动状态时，颗粒之间会形成动态的力链，这些力链与颗粒物质在静止状态下由重力作用形成的力链不同。由于碎屑流内部抗剪强度已经丧失，呈流态化运动形态，内部力链的作用为支撑重力和提供内部抵抗剪切变形的摩阻力。此时内部力链的强度反映了岩石碎屑流抵抗剪切变形的能力。运动中岩石碎屑流由于在垂直区间内存在速度差，因此会受到剪切作用。在正压力和剪切力的共同作用下，岩石颗粒间相互接触的强力链会产生变形，力链走向与剪切方向存在一个逆角度(见图5a)。模型实验和数值模拟实验都证实，在颗粒物质受剪切作用产生变形和破坏时，强力链基本全部破坏，而包裹强力链的弱力链只产生变形，不产生破坏。

当强力链中接触力较小时，力链的破坏形式主要为力链的塌陷或弯折。此时力链中颗粒接触分为滑动摩擦接触和滚动摩擦接触两种(见图5b，图5c)，力链破坏时，根据破坏形式不同，需克服这两种摩擦力。设力链所承受正压力为σc，岩石颗粒摩擦角为φi，力链破坏所需克服的摩阻力τc为:

此时τc为力链的强度。当强力链所承受的正压力σc很大，超过颗粒破碎强度为σf时(见式(2))，力链的破坏模式发生改变，力链中的岩石颗粒破碎，分解为更小粒径的碎片，同时力链断裂(见图5d)。此时力链内颗粒破碎强度σf即为力链强度。

式(1)，式(2)共同构成了力链破坏准则。运动过程中岩石颗粒破碎的机理就是岩石碎屑流内部力链破坏的机理，因此岩石颗粒破碎准则为式(2)。

3 影响内部颗粒破裂解体的因素

3．1 碎屑流厚度

从破碎准则中我们可以简单地预测到，岩石碎屑流的重力作为力链压力的来源，势必会影响到力链破坏时的破碎准则服从式(1)还是式(2)。岩石碎屑流运动过程中厚度达到一定值后，内部力链接触力的大小才有可能超过颗粒物质的强度，内部颗粒的破碎才会发生。这也说明了为什么在小尺度的物理模型实验中无法观察到颗粒的破碎现象，因为碎屑流运动厚度太小，内部形成的力链破坏遵循式(1)。因此，岩石碎屑流颗粒破碎解体存在明显的体积效应。显然体积越大，碎屑流运动过程中越厚，由重力提供的压应力也越大。本节研究主要内容为碎屑流运动厚度与内部颗粒破碎的关系。岩石碎屑流内部颗粒间力链在运动过程中会产生破坏，并非全部破坏的力链都会导致其中颗粒的破碎，只有满足破碎准则的力链在破坏时才能使颗粒破碎解体。

3．2 运动速度

碎屑流物质在运动过程中，内部力链的生存周期为:力链形成→变形→破坏→形成新力链;这是一个不断循环往复的过程。虽然内部力链的破坏和形成是瞬时的，但变形不是瞬时的。要使力链的生存周期循环一次，需要碎屑流产生一定的剪切变形。因此力链破坏速率与剪切变形速率成正比，相应的，岩石碎屑流内部颗粒破碎速率与碎屑流剪切变形速率也成正比，如图6a)所示。

对岩石碎屑流堆积体的调查发现，有些火山碎屑流堆积体中存在着明显的高剪切应变区域，呈带状分布，厚度为5倍～10倍颗粒粒径，区域内颗粒物质粒径远小于区域外，并且存在明显的高剪切变形所形成的网状结构特征。因此在图6b)中，设剪切变形集中区域处于岩石碎屑流底部，厚度为10 cm，岩石碎屑流底部剪切变形集中区域的剪切变形速率很高，而集中区域以上的岩石碎屑流运动速度在垂直方向的梯度为零，也就是说，上部岩石碎屑流不产生剪切变形。在这种情况下，岩石碎屑流内部颗粒的破碎集中于底部高剪切变形区域，而上部岩石颗粒被“托浮”着以相对一致的速度高速运动，其内部颗粒基本无法破碎。

4 结语

大型岩石碎屑流在高速运动过程中，内部岩石块体和岩石颗粒处于相对紧密的接触状态，碎屑流内部空隙很小，颗粒之间无法产生有效自由的碰撞使颗粒破碎解体。岩石颗粒之间的接触力共同构成了动态的力链，支撑颗粒自重，并提供抗剪切变形的摩阻力。1)岩石碎屑流在运动过程中，力链内部颗粒的破碎解体是力链受剪切变形产生破坏的形式之一。当力链中压力超过其岩石颗粒的抗压强度时，颗粒破碎解体，从而导致力链破坏。2)岩石碎屑流物质上覆厚度越大，内部力链破坏时导致颗粒破碎解体的概率越高。换句话说，岩石碎屑流内部颗粒破碎解体概率随其所在深度的加深而增大。3)岩石碎屑流内部剪切变形速率越高，颗粒破坏速率越大。因此，剪切变形速率集中区域内颗粒平均粒径减小的速度高于内部其他区域。4)岩石碎屑流在运动过程中内部存在动态的高剪切变形区域，可以显著提升运动过程中内部颗粒破碎解体效率，从而减小堆积体颗粒平均粒径。

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