滑坡从启动、加速、长距离运移到最终堆积的过程中，其运动路径往往并不是一个坡度恒定的理想斜坡。受岩性差异、地形起伏和长期地貌演化影响，天然滑坡运动路径通常包含多个明显的坡折位置。坡度突然增大可能使滑体快速加速，直接影响滑坡的运动速度和冲击能量；坡度突然减小则会导致强烈减速，并进一步控制滑坡的运移距离、堆积形态以及堵江等次生灾害风险。

以2010年贵州关岭滑坡为例，其运动路径上存在多处明显的坡度和运动方向变化。因此，坡度变化所诱发的强非稳态加速和减速，并不是滑坡运动中的特殊情况，而是滑坡从启动到最终堆积过程中普遍存在的重要阶段。

图1　滑坡从启动、运移到堆积过程及坡度变化概念模型

目前，大尺度滑坡运动预测主要依赖深度平均模型（Depth-Averaged, DA）和基于颗粒流变学的连续介质模型。这些方法具有较高的计算效率，但许多关键假设和本构关系主要建立在稳态颗粒流基础上。例如，深度平均方法通常将整个颗粒层沿深度方向积分，弱化了不同深度颗粒运动状态之间的差异；经典局部 μ(I) 流变关系则假定有效摩擦系数μ 可以由局部惯性数 I 唯一确定。然而，在滑坡突然加速、减速和停止过程中，颗粒体系可能表现出明显的垂向非均匀性。已有研究表明，滑坡减速和堆积并不一定在整个深度方向同步发生，忽略这种差异可能造成过早预测滑坡停止，进而低估实际运移距离。

因此，一个关键问题是：当坡度突然发生变化时，滑坡内部的颗粒究竟如何响应？这种响应会怎样影响现有深度平均模型和颗粒流变本构关系？

二、研究亮点

（1）采用三维离散元方法研究颗粒体系在静止-流动、流动-静止以及不同稳态流动状态之间转变时的非稳态动力过程。

（2）揭示坡度突变后颗粒体系具有明显的“基底先响应、扰动逐渐向上传播”特征，说明滑坡并不是整个深度方向同步加速或同步减速。

（3）发现启动阶段的振荡接触网络失稳（Oscillatory Contact-network Instability, OCI）以及堆积后期的特征性颗粒重分布（Distinctive Particle Redistribution, DPR）两类非稳态细观机制。

（4）揭示稳态局部 μ(I) 流变关系在相变和准静态阶段的局限性，并发现μ与I之间存在明显的时间松弛与结构记忆效应。

（5）进一步将颗粒尺度现象与深度平均模型中的形状因子、基底法向应力以及流变本构关系联系起来，为滑坡全过程数值模拟提供新的物理依据。

三、主要研究结果

3.1 坡度变化后，颗粒并不是“一起动、一起停”

当坡度由0°突然增大至27°时，颗粒体系由静止状态逐渐进入稳定流动状态。结果显示，最先发生明显变化的并不是上部速度最大的颗粒，而是靠近基底的颗粒层。

图2　坡度由0°增大至27°后颗粒速度、剪切率及固相体积分数的时空演化

3.2 启动过程中，颗粒接触网络会发生明显振荡

颗粒从静止状态开始流动时，内部接触结构并不会直接、平滑地过渡到新的稳定状态。研究发现，在启动初期，局部配位数和体系平均配位数均出现明显的周期性振荡，而且振荡幅值随着时间逐渐衰减。该现象反映出颗粒接触网络在启动过程中不断经历破坏-重建-再次破坏的循环，研究将其定义为振荡接触网络失稳（OCI）。OCI的形成与启动阶段形成的垂向不均匀密切相关，这种不均匀性会造成法向运动差异。坡度增大后，基底首先剪胀，使其对上部颗粒的支撑降低；随后，上部颗粒向下运动并与下部颗粒发生碰撞和反弹，由此形成上下颗粒层之间不断变化的法向速度差。

当上部颗粒向下运动更快时，颗粒相互靠近，新的接触形成，配位数和法向压力升高；当上部颗粒向上运动更快时，颗粒发生分离，部分接触破坏，配位数和法向压力降低。如此循环，最终形成明显的接触网络振荡。

图3　静止颗粒体系向27°稳态流动转变过程中的接触网络振荡

3.3 “速度变成零”并不意味着颗粒体系已经真正停止演化

在颗粒由稳态流动向堆积状态转变时，研究发现整个停止过程可以明显划分为两个阶段。第一阶段是快速减速阶段。颗粒体系的总动能迅速降低，质心位置明显下降，同时平均配位数快速增加，表明颗粒由碰撞主导的流动态快速向具有稳定接触网络的固态转变。但更值得注意的是第二阶段。当体系宏观动能已经基本耗散之后，颗粒质心仍然持续缓慢下降。也就是说，从宏观速度来看颗粒体系似乎已经“停止”，但内部结构实际上仍在继续调整。与此同时，基底区域的固相体积分数持续增加，而局部配位数变化却已经很小，最终形成下部相对密实、上部相对疏松的垂向分层结构。研究将这一缓慢过程定义为特征性颗粒重分布（DPR）。

这一现象还带来了一个重要结果。在传统稳态简单剪切条件下，固相体积分数φ与配位数Z通常具有明确的对应关系：颗粒越密实，平均接触数量通常也越高。但是在DPR阶段，当配位数达到临界值后，Z趋于稳定，而φ仍然可以继续增加。因此，进入接近堵塞和最终堆积阶段后，φ与Z之间原有的一一对应关系被打破。相同的配位数可能对应不同的颗粒堆积密度，这意味着仅利用单一宏观变量可能不足以描述颗粒体系最终停止过程中的内部力学状态。

图 5　 固相体积分数 φ 与配位数 Z 对应关系的破坏

3.4 稳态 μ(I) 关系在强非稳态过程中出现明显偏离

μ(I)流变关系是目前连续介质颗粒流模型中最常用的本构关系之一。其核心思想是通过惯性数 I 将局部剪切速率与有效摩擦系数μ 联系起来。研究首先利用不同坡度下的稳态颗粒流数据拟合μ(I)关系，随后将其用于描述坡度突变后的非稳态过程。结果显示，在I > 0.01的惯性流动区域，非稳态数据总体仍围绕稳态μ(I)关系分布，但离散程度会随着惯性数增大而明显增加。而在相变附近以及I < 0.01的准静态区域，非稳态数据则出现明显的系统性偏离，部分数据甚至越过由稳态流动确定的屈服范围。这说明传统稳态μ(I)关系在流动启动和停止阶段存在明显局限。

进一步分析μ和I随时间的变化后发现，两者并不是始终同步演化。在静止态向流动态转变过程中，μ率先发生响应，而I明显滞后；而在流动态逐渐停止时，则表现为μ的变化滞后于I。颗粒当前的应力状态并不能始终由“当前时刻的剪切速率”唯一确定，内部颗粒结构对外部状态变化具有明显的延迟响应。

图6　静止态向稳态流动的相互转变过程中有效摩擦系数μ与惯性数I的时间演化

研究认为，这种时间松弛与颗粒内部接触网络和力链结构的结构记忆效应有关。在稳态条件下，颗粒结构与运动状态已经建立稳定对应关系；但坡度突然发生改变后，运动状态可以迅速变化，而颗粒内部接触网络需要一定时间才能完成重新组织。因此，微观结构与宏观运动之间出现暂时不同步，最终表现为μ与I之间的时间松弛。这意味着传统局部μ(I)关系所隐含的“瞬时响应”假设在强非稳态条件下并不总是成立。未来针对滑坡启动和停止过程的流变模型，可能需要显式考虑松弛时间尺度或引入能够描述颗粒结构演化的内部状态变量。

3.5 颗粒内部的非均匀响应会直接影响深度平均模型

上述颗粒尺度行为最终会反映到工程中广泛采用的深度平均模型。深度平均动量方程中通常包含一个形状因子α，用于修正真实垂向速度分布与深度平均速度之间的差异。对于理想的Bagnold稳态速度剖面，其理论值约为1.25；一些简化模型则直接采用α = 1，相当于假设整个颗粒层接近塞状流动。

但本研究发现，坡度突变后α并不是一个恒定参数。在颗粒由静止态加速进入稳定流动时，α最初约为1.05，随后随着基底颗粒率先运动快速增大至约1.35~1.40，之后再逐渐降低并恢复至接近稳态Bagnold值1.25。这一本质上来源于PBP造成的垂向速度和密度分布不断变化。因此，在强非稳态滑坡过程中采用固定形状因子，可能无法准确保持真实的深度方向动量通量。

图7　静止态启动过程中形状因子α的瞬态演化

另一方面，OCI还会引起基底法向压力明显振荡。传统深度平均模型通常假设基底法向压力主要由上覆颗粒自重决定，即采用近似静水或岩土静压力分布。然而OCI表明，在强烈启动阶段，颗粒的垂向加速度和层间碰撞会产生额外的动态法向压力。

因此，滑坡启动阶段的基底压力并不仅仅是一个“静力重量问题”，还包含明显的动态贡献。忽略这一部分可能影响基底摩擦阻力的计算，并进一步影响对滑坡早期加速过程的预测。

四、研究结论与工程意义

（1）坡度突变后，颗粒体系并不会在整个深度方向同步响应。无论加速还是减速，基底颗粒均最先发生变化，随后扰动逐层向上传播，由此形成明显的垂向速度、剪切率和固相体积分数非均匀性。

（2）颗粒由静止状态启动时存在明显的振荡接触网络失稳。上下颗粒层之间的法向速度差会驱动颗粒接触反复破坏和重建，并使基底法向压力出现明显动态波动。因此，强非稳态启动过程中传统静力基底压力假设存在一定局限。

（3）颗粒宏观停止后内部结构仍可能继续演化。流动颗粒达到近似静止后仍会发生长期缓慢的重力驱动重分布，使基底持续密实，并最终导致稳态简单剪切条件下建立的φ-Z对应关系发生破坏。

（4）稳态局部μ(I)关系不能简单外推到所有非稳态过程。在惯性流动区间，稳态μ(I)关系仍具有一定描述能力；但在启动、停止及准静态阶段，μ与I之间会出现明显时间松弛和非局部效应。

研究结果为深度平均滑坡模型和非稳态颗粒流变本构关系的进一步发展提供了颗粒尺度依据。未来模型可能需要根据运动阶段动态调整形状因子，在基底压力中考虑垂向运动产生的动态贡献，并在流变本构中显式引入时间松弛、结构记忆以及接触网络或组构等微观状态变量。

总体而言，本研究从颗粒尺度建立了“坡度突变-垂向非均匀响应-细观结构演化-宏观流变变化-连续介质模型修正”之间的联系，为理解滑坡从启动、运移到最终堆积的全过程提供了新的物理认识。

转载自：同济地质灾害防治团队