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。

基于颗粒物质力学与连续介质热力学的岩土本构模型初探

首先简要介绍颗粒物质力学与模拟岩土材料本构特性的热力学方法,其次对力链及其对应的强弱网络的形成、力学特性与能量耗散特点与机制进行深入地分析,随后在Collins提出的土体热力学模型的基础上,考虑强弱网络结构的应力应变特征,引入合理的假设,探讨建立符合热力学原理的宏细观结合的岩土本构模型的思路与步骤。

基于颗粒物质力学的粉末高速压制过程中应力传递分布分析

为探究粉末高速压制过程中应力变化规律,结合颗粒物质力学理论与粉末高速压制高速加载特点,采用离散元法研究粉末高速压制过程,获取了应力整体传递变化规律,应力大小和方向性变化规律及应力传递与力链间关系。研究结果表明:在粉末高速压制中应力逐层传递并在边界反射,其沿高度方向在不同时刻展现出峰值流动特性,随压制进行峰值分别处在0.014m、0.0075m、0.0025m、0.011m、0.014m高度位置,并随压制进行沿宽度方向在模壁处出现逐渐降低现象;应力大小分布概率密度基本呈现单峰特性,在0.5ms、0.8ms时刻峰值分别出现在归一化应力值为3和1.5附近,在1.3ms、1.7ms、4ms时刻峰值出现在归一化应力值为1附近;主应力方向经历无规律分布逐渐向各向异性即90°方向转变,最上层粉末主方向角变化最为剧烈,变化率峰值达到61.5?10(o)/s与6-2.5?10(o)/s,最下层粉末主方向角变化最为舒缓,变化率峰值仅为60.3?10(o)/s;同时,归一化力链强度值与应力值绝对差值保持在0.1下,1.3ms^3.3ms阶段平均增长斜率分别为0.31与0.32,应力传递与力链延展保持较为一致趋势。本研究有助于更深入地了解粉末颗粒物质在高速压制过程中受力变化规律,为进一步提高粉末压制件致密化程度与密度均匀性提供指导。

基于颗粒物质热动力学理论的非饱和土热水力耦合模型研究

基于颗粒物质热动力学理论和混合物理论,结合改进的土水特征曲线(SWCC)模型,考虑温度和饱和度变化引发的颗粒层次能量耗散,提出了一个非饱和土的热水力耦合模型。该模型引入颗粒熵和颗粒温度的概念,通过构建热力学恒等式得出非饱和土非弹性变形的本构关系,并通过迁移系数和能量函数模型将非饱和土体的耗散机制与宏观的物理力学行为建立联系。基于该理论模型,研究了非饱和土的热水力耦合问题,通过模拟结果与试验数据的对比,证实了模型的有效性。模拟结果表明,模型具有描述非饱和土在不同温度和吸力下的固结和剪切特性以及非等温条件下的热体应变特性的能力。

数值模拟揭示颗粒物质的奥秘——记浙江大学航空航天学院工程力学系研究员郭宇

颗粒和粉体(一般指粒度小于100微米的颗粒)物质是工业生产中除了水之外最常见的物质,在化工、制药、冶金和能源工业中,必需的生产原料通常都是以颗粒散体的形态存在。其实颗粒和粉体也广泛地存在于我们的日常生活中,最常见的就是做饭用的食盐和面粉等。而一些自然灾害和环境污染例如沙尘暴、泥石流、雪崩和粉尘造成的空气污染等,其罪魁祸首也是颗粒物质。