成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室滑坡动力学团队，依托国家自然科学基金杰出青年基金、自然科学基金重大项目，和成都理工大学珠峰科学研究计划，联合美国麻州大学、中国地震局地质研究所、上海交通大学等单位，在密集颗粒流动力学领域取得重要进展。研究成果以“密集颗粒流速度分布及颗粒温度分布规律（Velocity Profile Geometries and Granular Temperature Distributions in Very Dense Granular Flows）”为题，于2024年1月12日发表于《Geophysical Research Letters》（地球物理研究快讯）。

论文链接：https://doi.org/10.1029/2023GL104410

地震断层带及滑坡滑带均由颗粒物质组成，揭示相对高压(100 kPa - 1 MPa)条件下颗粒流微观动力学特征，对于理解地质剪切带的形成及其力学特性至关重要。成都理工大学滑坡动力学团队基于自主研发的透明环剪实验腔，首次实现了相对高压条件下颗粒流的直接观测，并通过高速摄像机与粒子图像测速法（PIV）成功获取密集剪切带内颗粒速度分布规律。

▲图1. a.成都理工大学ICL-2大型环剪仪；b和c.滑坡动力学团队自主研发的高压透明环剪实验腔体；d.基于透明实验腔实现对高压颗粒流的直接观测

实验观测表明密集颗粒流内的颗粒速度分布并非如传统简化模型一般呈线性分布，而是会在施加剪应力一侧形成约7-8个颗粒粒径厚的剪切带，且正应力和剪切速度对速度分布形态影响十分有限。在剪切带内，颗粒呈准线性分布，而在准静态区颗粒速度呈指数级衰减，剪切带与准静态区之间并没有泾渭分明的界限（图2c）。研究通过理论推导证明这种准静态区内颗粒速度的指数级衰减很可能是由于颗粒物质的非局域行为（non-local physics）所引起的，并基于实验观测获取了相对高压条件下非局域特征长度。

▲图2. a.归一化的颗粒速度分布曲线；b.高压条件下非局域特征长度；c.延时摄影表明颗粒剪切带与准静态区之间没有泾渭分明的界限，颗粒速度呈指数级衰减

同时该研究与颗粒物理学学科交叉，引入了颗粒温度（非热力学温度）来分析密集颗粒流的微观动力学机理。颗粒温度在能量输入（施加剪应力）的一侧最高，并逐渐衰减直至颗粒流体锁固（Jamming）相变为颗粒固体。这种颗粒动力学特性表明了密集颗粒流内复杂的能量传递与耗散机制，可能导致颗粒流的非均匀性(heterogeneity)与剪切局部化(shear localization)行为。上述研究对于预测滑坡及地震的启动具有重要的基础理论价值。

▲图3. a和b.基于颗粒运动学的颗粒温度分布； c和d.基于统计物理学的颗粒温度分布

滑坡动力学团队是四川省青年科技创新研究团队，团队带头人胡伟教授为本研究成果的通讯作者，李延副教授为论文第一作者。

▲图4. Geophysical Research Letters文章首页

《Geophysical Research Letters》（地球物理研究快讯）为地球科学类综合性期刊，“自然指数”（Nature index）期刊，以快速发表地学领域有广泛影响的创新性研究成果为特点，是国际地球科学领域最有影响力的学术期刊之一。

原文链接及DOI：https://doi.org/10.1029/2023GL104410

Li, Y., Hu, W.*, Xu, Q., Huang, R., Chang, C. S., Chen, J., & Wang, Y. (2024). Velocity Profile Geometries and Granular Temperature Distributions in Very Dense Granular Flows. Geophysical Research Letters, 51(2), e2023GL104410.