Page 186 - 《爆炸与冲击》2025年第6期

第 45 卷 戚承志，等： 慢速和快速滑移下断层颗粒夹层的黏性特性 第 6 期

的率-态模型无法成功再现断层的黏滑运动特征。为了再现断层的黏滑运动特征，必须在率-态模型的标
准方程中 [7-8] 引入一个与黏度有关的项： τ vis = ηv/δ ，即：

[ ]
(1)
τ = σ n µ 0 +aln(|v|/v 0 )+bln(v 0 θ/D c ) +ηv/δ = τ fric +τ vis
[ ]
τ fric = σ n µ 0 +aln(|v|/v 0 )+bln(v 0 θ/D c ) σ n 为有效正应力 (施加的正应
式中： τ 为剪切力； ，为与摩擦相关项；
力减去孔隙压力)；v 为断层滑移速度；v 为参照速度；μ 为 0 v=v 时的稳态摩擦因数；a、b 为材料特性参
0
0
c δ 为颗粒夹层厚度。通过试验数据与数值模拟的最佳对应关系，
数；D 为临界滑移距离； θ 为状态变量；
v max 的关系 [40] ：
得到了相关系数为 R = 0.95 的有效黏性系数 η 与最大断层滑移速度
η = 235v −0.97 (2)
max
v max 的单位为 mm/s。但式（2）中黏性系数与最大断层滑移速度依赖关系的物理机制尚未阐明。
式中：
Lu 等 [43] 通过试验研究了剪切颗粒流过渡区的剪切弱化现象，发现颗粒流从类固体向类液体的转变
发生在 Savage 数 Sa 约为 10 时。但这种转变的机制尚未被揭示。
−7
Chen 等 [28] 引入摩擦加热激活的多个晶粒尺度变形机制，将滑移模型扩展到高断层滑移速度范围
（1 mm/s≤v≤10 m/s）。随着速度和温度的增大，该模型预测了主要变形机制的持续转变，从低速和低温
下部分配位的塑性摩擦颗粒流，到高速和高温下配位增加的固态扩散晶界滑移。研究还表明 [28] ，熔体层
内的温度升高、熔融和黏性剪切在断层滑移弱化中起着重要作用。但目前的模型没有考虑断层夹层在
高剪切应变率下剪切的湍流性质。因此，对高剪切应变率下的黏性系数的理论和试验研究是必要的。
但到目前为止，仍然缺乏力学模型来描述断层夹层颗粒介质力链的演化，以及随着剪切应变率的增
大，夹层颗粒流从类固体向类液体的转变特征 [44-45] ，以及夹层颗粒黏性系数的确定问题；也没有模型考虑
断层夹层颗粒介质在高剪切应变率下的湍流特性对于其黏性系数的影响问题。因此，本文中建立描述
断层夹层颗粒介质滑移运动特性的力学模型，以期揭示断层夹层颗粒介质黏性随剪切应变率变化的
机制。

1 低速滑移下的断层颗粒夹层的黏性特性

大多数岩石断层都含有颗粒夹层，其力学行为影响断层的动力学特性。大多数对于岩石摩擦特性
的研究没有提供剪切介质中接触力的直接数据。相比之下，断层颗粒夹层模型可以明确地描述断层带
内的力的演化特性。因此，研究断层颗粒夹层的力学特性有助于理解地震发生的力学和物理机理。
在荷载作用下，力并非均匀分布在整个颗粒介质中，而是集中在力链中。力链是准线性颗粒链，在
变形颗粒介质中传递高于平均水平的接触力。力链网络具有复杂的层次结构，即具有不同的尺度级
别。最大应力集中在最大尺度的力链中。随着断层滑移速度的增加，较大尺度的力链发生屈曲，较小尺
度的力链逐渐承载更多的载荷。力链的生产率与剪切应变率成正比，力链的寿命与剪切应变率成反比。
力链位于弱粒子网络的包围中（即承受低于平均接触力的粒子网络中）。一方面，在持续的荷载和
变形作用下，力链最终在力链侧向约束薄弱邻域发生屈曲，导致剪切带形成和介质卸载，这是颗粒物质
破坏的关键机制。另一方面，持续剪切将加载颗粒介质。因此，对颗粒介质中力链的演化可使用 Maxwell
类型的松弛模型来描述 [46] 。对于给定的颗粒介质和加载条件，集中在具有特征长度为 l 的力链中的等效
(l) 的演化方程可由以下列方程描述：
偏应力 s ij
(l)
2
(l)
ds /dt = 2ρc ˙e ij −v b s /l (3)
ij
s
ij
˙ e i j
式中：右边第一项反映了荷载是由剪切变形施加的，而第二项反映了松弛是由剪切带的传播引起的；
ρ 为介质的密度；v 为松弛速度，可以认为是颗粒夹层局部剪切滑移带的有效扩展速
b
为偏应变率分量；
c s 是弹性剪切波在颗粒介质中的传播速度。
度，目前尚无确定该速度的理论方法，仅有试验数据；
至于剪切滑移带的有效扩展速度，砂土剪切试验表明 [47] ，剪切滑移带在 γ ≈10% 的剪切变形下开始
*
形成，在断层滑移速度从 0.005～0.5 mm/s 两个数量级的变化时，局部剪切滑移带的有效扩展速度约为
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