饱和颗粒介质中的剪切局部化：来自多尺度颗粒 - 流体模型的见解

充液颗粒介质的耦合力学控制着许多自然系统的行为，如饱和土壤、断层泥和滑坡。颗粒运动与流体压力相互影响：众所周知，当流体压力升高时，充液颗粒系统的抗剪强度降低，从而可能触发土壤液化、地震和加速滑坡等灾难性事件。反之，当孔隙压力下降时，这些系统的抗剪强度增加。尽管颗粒 - 流体系统的耦合力学至关重要，但控制这种耦合的基本物理机制尚不清楚。我们开发了一种基于离散元法并与流体压力连续介质模型耦合的新多尺度模型，以探索这一动力学系统。最近的研究表明，该模型能够捕捉由颗粒重排引起的孔隙度变化与由孔隙构型变化引起的局部压力变化之间的基本反馈。本文报告了关于夹在两个平行粗糙边界之间的圆形二维颗粒连续剪切层的数值实验新结果。实验在边界壁上施加固定的围压，并对其中一个边界施加恒定速度，仿佛该系统是填充有“断层泥”的滑动地质断层的内部。此外，我们还控制了层渗透率和排水边界条件。本文展示的建模结果表明，剪切局部化（即在剪切层内形成狭窄的剪切带）受到流体存在的强烈影响。虽然在干燥颗粒层中剪切局部化的起始位置没有偏好，但在排水系统中，剪切倾向于在边界处局部化。我们提出了一个标度论证来描述剪切带中的压力偏差，并利用该论证根据断层和断层泥的性质预测剪切局部化的允许位置。