光弹颗粒材料的直剪实验研究

对颗粒材料中的力链分布特征的了解,有助于从根本上了解颗粒材料基本性质。借助光弹实验,对两种直径混合的颗粒材料在二维直剪作用下的平均强度力链分布和几何结构变化进行了初步的探索。光弹实验方法是目前能够直观观察到力链分布的唯一有效的实验方法,在进行光弹实验前,设计研制了光弹直剪仪并进行了多次光弹圆盘颗粒材料退火实验。利用数字图像技术对光弹实验结果进行处理,并尝试用彩色梯度算法表征颗粒材料的平均受力情况,并获得平均强度力链。结果表明,二元颗粒材料集合体的几何结构具有各向异性。对力链方向统计分析表明,平均强度力链出现了局部化。     

颗粒物质力学及其在工程地质领域中的应用初探

由碎散物质组成的地质体失稳流滑大变形所致的地质灾害严重影响国民经济发展和人民生命财产安全,绝大多数造成此类地质灾害的对象属于颗粒物质,而地质灾害与颗粒物质力学的交叉融合一直以来都是软物质物理学和工程地质科研工作者的努力方向之一。颗粒物质是由大量离散颗粒组成的复杂无序体系,其力学特性极为复杂,根据颗粒的运动状态可以表现出气体、流体和固体的力学行为。地质工程领域中,典型的地质灾害现象如滑坡、泥石流等都与颗粒物质力学密切有关,其本质即为由碎散物质组成地质体的固液相变。本文通过介绍颗粒物质的基本性质,颗粒物质力学中的阻塞相变、局部流变和非局部流变的剪切流动特性,以及常用的开展颗粒物质力学研究的试验方法,最后初步探讨了颗粒物质力学在工程地质领域内的应用前景。颗粒物质力学与工程地质的交叉融合,一方面可以拓展我国颗粒物质物理与力学的研究深度,同时也可以为我国重大工程及地质灾害防治的研究提供理论基础。     

颗粒体双轴加载双向流动力链演化光弹试验研究

颗粒集合体在外力作用下,颗粒间产生复杂的接触力链效应。为了揭示和描述颗粒集合体力链形成、发展过程以及力链分布形态,基于光弹材料受力产生光学条纹图像的原理,研发出能够使颗粒实现双轴加载和双向流动的颗粒光弹试验装置。通过不同工况条件下的颗粒流动光弹试验,初步反映出颗粒集合体流动产生力链的发育过程和分布形态,即经过颗粒集合体的流动其流动口上部会形成一个拱结构,其可以对上部颗粒体进行支撑以保持上部结构的稳定。为研究不同背景条件下颗粒流力链结构和颗粒集合体细观力学行为,特别是颗粒双向可流动性设计为实际工程应用提供了基础试验方法。     

颗粒体系中的骨架及力链网络

颗粒物质是大量离散的固体颗粒相互作用而组成的复杂体系,具有非连续和接触耗散等基本特征,其物理机制研究是近20年科学前沿之一。砂土就是典型的颗粒物质,土体中的有效应力是作用在土体骨架上的平均应力,土体变形主要来源于骨架上的颗粒位置,但对土体骨架并没有一个清晰的物理描述。近期颗粒物质力学研究认为,体系中颗粒相互接触形成的网络结构是外荷载传递路径的物理基础,可能就是土力学所指的骨架。同时还发现,较大的力通常沿着准直线的路径传递,人们常把传递较大力、与该准直线路径对应的若干颗粒组成的链状结构,称为强力链;弱力链则传递较小力。力链结构及其演变规律的描述是颗粒物质研究的核心之一。以单轴侧限压缩数值模拟为例,对比说明了土体颗粒骨架与力链结构的关系,明确提出强力链网络决定颗粒体系的宏观力学行为。     

基于光弹测试技术的颗粒材料细观变形试验研究

针对颗粒材料剪切变形的细观尺度研究,介绍了基于密度匹配原理的颗粒实现完全移除底部摩擦力的光弹试验技术。通过对密实度为82%的光弹颗粒系统进行直剪变形研究,研究结果表明颗粒系统在直剪试验过程中,力链的主方向即主应力方向沿着剪切室短对角线方向发展,并贯穿于整个颗粒系统后在剪切室的边界处达到应力平衡; 而颗粒系统中各颗粒的位移场在归一化后表现出很好沿剪切室中轴的对称性。     

非静水应力作用固体的化学位及其构造地球化学意义

非静水应力作用的含水岩石中的力学 -化学相互作用是构造地球化学研究的主要对象之一 ,非静水应力作用固体物质的化学位则是了解这种作用的关键。本文在总结前人有关成果的基础上 ,从理论上了提出了非静水应力作用固体岩石中固 -液界面上的固体物质的化学位的一般形式。在此基础上 ,根据 Onsager扩散方程和局部平衡假设 ,推导了固体物质在颗粒间流体中溶解浓度随固体岩石中应力场和应变能的时空变化关系的动力学方程。以此论证了在温度较低时 ,固体物质在颗粒间流体中的溶解的浓度的时间变化是受固体岩石中应力梯度和应变能梯度控制的     

YJ-3000t型紧装式六面顶大腔体高温高压实验装置样品室的压力标定

固体、流体及其混合体系的高温高压实验一直是人们了解各种物质及体系的成分、结构、性状和过程的重要手段.因此,开展各种物质及体系的高温高压实验研究具有重要的理论和实际意义[1].在高温高压实验研究中,样品室内的压力通常必须已知.然而,对于采用固体物质作为传压介质的多面顶大腔体高温高压设备,由于传压介质的内摩擦会使得砧面压力与样品室内压力不一致,因此有必要对样品室内的压力进行标定.     

布里渊散射及其在地学中的应用进展

布里渊散射通过测定光的频移,精确计算物质的声速、弹性系数、弹光系数、折射率、绝热体弹模量,极化率,绝热方程等一系列基本的物理量。以这些物理量为基础,可以得到物质的相变、结构,以及地球深部及行星内部物质的组成、状态、性质等信息。声速和弹性对于压力的依赖性对模拟地球的成分和演化具有重要作用。本文介绍布里渊散射的产生和原理,从不同温度、压力的角度阐述了布里渊散射在地球科学中的应用,对目前该研究存在的问题作出了评述,并对布里渊散射光谱的发展趋势进行了展望。     

土体力学特性颗粒尺度效应的理论与试验研究

土体是一种复杂的颗粒体系,其强度与变形具有显著的颗粒尺度效应。为考虑土体不同尺度土颗粒对其宏观力学特性的影响,根据土颗粒间相互作用产生的黏聚和摩擦物理效应而非纯粹几何尺寸,划分土颗粒尺度层次以构造反映土体内部材料信息和颗粒特征信息的土体胞元。基于土体不同尺度结构层次上力学响应的特征,引入微重比的概念,建立具有多尺度分层次理论框架的胞元土体理论,解释土体力学特性颗粒尺度效应的物理机制,把微细观土力学理论从定性分析推进到定量计算的水平。设计一系列饱和重塑土的三轴不固结不排水剪切试验对土体的颗粒尺度效应进行测试,并定量计算胞元土体理论的应变梯度和內禀尺度等微细观计算参数。试验和理论计算结果均表明,土体强度和变形的颗粒尺度效应随加强颗粒的体分比增加以及粒径减小而增强,反映出土体强度和变形显著的颗粒尺度效应;土体强度和变形尺度效应的理论预测与试验结果具有较好的一致性。     

Zn_3(PhCH=CHCOO)_6(phen)_2·H_2O的纳米晶结构计算及环境属性

Zn3(PhCH=CHCOO)6(phen)2.H2O晶体具有与锰氧化物及锰氢氧化物类似的微结构,在生成环境与晶体化学微结构方面有明显的环境属性,是一种新生环境矿物.为研究其纳米晶结构、最佳纳米尺度和环境矿物属性,在溶液法合成该配合物晶体的基础上,采用纳米晶参数计算方法,对该配合物纳米级微粒的晶胞数、原子数、表面原子数和表面活性随微粒在纳米尺度范围内的变化进行了计算,对比锰氢氧化物结构,发现该配合物晶体活性、表面效应与颗粒尺度有密切关系,内部结构具有鲜明的环境属性.结合晶体颗粒的比表面积与总原子数相对颗粒尺度的变化关系,理论上确定了该颗粒最佳纳米化尺度为138nm,为此类物质纳米晶在环境方面的研究应用奠定了基础.     

刚性块体压入颗粒体系时的受力及力链演变

颗粒体系由大量离散颗粒组成,普遍存在于自然界中,比如砂土地基、泥石流及滑坡体等。外荷载通常沿着准直形的路径在体系内传递,形成区别于单个颗粒和整个体系的细观结构--力链,亦即颗粒物质具有典型的多尺度特征。采用颗粒离散元方法模拟刚性块体压入颗粒体系的过程,计算得到了刚性块体底部所受阻力与压入深度的幂率关系;给出力链的判断准则和搜索强力链程序,构建颗粒体系强力链网络,并分析了压入试验过程中力链的演变及其长度的分布规律。     

Unified modelling of granular media with Smoothed Particle Hydrodynamics

In this paper, we present a unified numerical framework for granular modelling. A constitutive model capable of describing both quasi-static and dynamic behaviours of granular material is developed. Two types of particle interactions controlling the mechanical responses, frictional contact and collision, are considered by a hypoplastic model and a Bagnold-type rheology relation, respectively. The model makes no use of concepts like yield stress or flow initiation criterion. A smooth transition between the solid-like and fluid-like behaviour is achieved. The Smoothed Particle Hydrodynamics method is employed as the unified numerical tool for both solid and fluid regimes. The numerical model is validated by simulating element tests under both quasi-static and flowing conditions. We further proceed to study three boundary value problems, i.e. collapse of a granular pile on a flat plane, and granular flows on an inclined plane and in a rotating drum.     

Role of particle crushing on particle kinematics and shear banding in granular materials

The paper provides an in-depth exploration of the role of particle crushing on particle kinematics and shear banding in sheared granular materials. As a two-dimensional approximation, a crushable granular material may be represented by an assembly of irregularly shaped polygons to include shape diversity of realistic granular materials. Particle assemblies are subjected to biaxial shearing under flexible boundary conditions. With increasing percentage of crushed particles, mesoscale deformation becomes increasingly unstable. Fragmented deformation patterns within the granular assemblies are unable to form stable and distinct shear bands. This is confirmed by the sparsity of large fluctuating velocities in highly crushable assemblies. Without generating distinct shear bands, deformation patterns and failure modes of a highly crushable assembly are similar to those of loose particle assemblies, which are regarded as diffuse deformation. High degrees of spatial association amongst the kinematical quantities confirm the key role that non-affine deformation and particle rotation play in the generation of shear bands. Therefore, particle kinematical quantities can be used to predict the onset and subsequent development of shear zones, which are generally marked by increased particle kinematic activity, such as intense particle rotation and high granular temperature. Our results indicate that shear band thickness increases, and its speed of development slows down, with increasing percentage of crushed particles. As particles crush, spatial force correlation becomes weaker, indicating a more diffuse nature of force transmission across particle contacts.     

基于双胞元的颗粒材料应力-应变关系研究

基于细观力学,建立颗粒材料的宏观应力-应变与接触力、接触位移、枝矢量等细观量之间的关系。用改进的Voronoi-Delaunay法对颗粒材料进行几何和物理上划分,得到改进Bagi双胞元体系;以固体胞元为基础,运用牛顿第二定律和Gauss定理提出含有旋转矢量和重力的颗粒材料平均等效应力,避免了颗粒材料的准静态假设;在孔隙胞元区域内利用变形协调条件推导出含有孔隙面矢量等几何变量的颗粒材料平均等效应变。结合文献的二维颗粒材料宏观试验结果验证了双胞元平均等效应力-应变的正确性;在三维情形下,对比双胞元等效应变和最优拟合应变结果,同样验证了基于双胞元的颗粒材料应力-应变关系,因此,该颗粒材料应力-应变关系可以为数值模拟颗粒材料力学行为提供依据。     

DEM investigations of internal erosion: Grain transport in the light of micromechanics

Internal erosion by suffusion can change dramatically the constitutive behavior of granular materials by modifying the fabric of granular materials. In this study, the effect of an internal fluid flow on granular materials is investigated at the material point scale using the numerical coupling between a discrete element method (DEM) and a pore-scale finite volume (PFV) coupling scheme. The influence of the stress state and the hydraulic loading (direction and intensity) on the occurrence of grain transport in dense widely graded granular samples is thus investigated and interpreted in terms of micromechanics. In particular, it is shown that grain transport is increased when the macroscopic flow direction is aligned with the privileged force chain orientation. The stress-induced microstructure modifications are shown to influence the transport distances by controlling the number of rattlers.     

侧限条件下充填散体压缩承载和传力特性

充填散体的压缩承载和传力特性对防控充填开采矿山的地表变形具有重要意义。通过河卵石、碎石、尾矿、河砂、尾砂5种散体材料和7组不同粒径河卵石的侧限压缩试验,以及河卵石数值模拟压缩试验,分析了其压实过程和粒径对其变形、承载的影响,揭示了散体压缩过程中的传力特性。结果表明：散体压缩过程可分为空隙压密、颗粒破碎压密和压实固结3个阶段,且散体类型和粒径对其非线性压实过程基本没有影响,但对其内部结构重组过程有较大影响;压缩过程中,存在一个临界密实度使不同粒径河卵石的承载能力次序发生反转,且河卵石散体平均变形模量与颗粒特征因子呈负指数关系;基于河卵石数值模拟压缩试验得到的散体内部力链强度分布和“压力拱”,很好地证实了室内压缩试验中散体垂直应力沿加载方向呈递减的趋势,以及侧向应力在整个散体高度上先增后减这一试验结果。     

基于数字图像相关法的砂土细观直剪试验及其颗粒流数值模拟

砂土等天然颗粒材料具有的剪胀性、压硬性、各向异性等特殊力学性质受控于其内部的微细结构及其演化,如何利用试验与数值模拟等手段对砂土细观组构进行量化,对深入研究砂土变形机制尤为重要。基于数字图像相关方法的光学测量技术与土工试验相结合的新手段,通过对直剪仪的可视化改造,开发了能初步实现土体宏细观力学性状联合测量的“砂土变形细观瞬时光学测量系统”,并利用该系统对福建标准砂进行了室内细观直剪试验。随后进行了基于颗粒流软件PFC2D直剪数值试验,提取室内试验还难以获得的细观信息,作为对室内试验的补充。通过对宏观力学性质和位移场、应变场、颗粒定向、速度场、颗粒配位数和接触力链等细观的室内与数值试验结果进行剖析,探讨了砂土力学性质的细观机制。