探头在准二维颗粒介质中慢速运行的受阻实验研究

测量了圆锥探头缓慢压入准二维颗粒介质过程中所受阻力随深度的变化,发现阻力曲线在不同区域呈现不同的增长规律,曲线全过程存在两次增长规律的转变。本实验条件下观测到的现象表明:当填充颗粒总高度较高时,阻力曲线存在两个拐点,前部拐点是由颗粒回填所致,拐点深度约65mm(与探头尺寸有关),且不随颗粒填充高度变化,后部拐点是由于底部边界影响所致;后部拐点出现的深度Z2随着颗粒填充高度Zmax的增加线性增加,容器底部边界开始影响探头受力时探头距离底部的距离H也会随着颗粒填充高度Zmax的增加而增加,Z2-Zmax和H-Zmax关系拟合直线的斜率均约为0.5。

抗转动对散粒介质三轴剪切力学行为的影响机制

颗粒间的抗转动对散粒介质的力学特性有重要影响,但目前对其内在机制的认识还不够充分。采用三维离散单元法模拟了散粒介质三轴固结排水剪切试验,分别给出了宏观、微观和细观3个尺度的模拟结果并进行了关联分析,揭示了密实散粒介质荷载传递和变形发展的过程,并探究了抗转动对散粒介质力学行为影响的内在机制。结果表明:在应变硬化阶段,力学配位数降低,组构各向异性增大,成链颗粒数增加,力链变长,力链数减少,平均法向接触力增大,小颗粒簇的数量和体积占比均减小而大颗粒簇的数量和体积占比均增加,故试样在初始弹性压密后即发生剪胀;当三轴剪切荷载增加到一定程度时,力链中颗粒间接触力很大,而力链周围的大颗粒簇体积占比已较高,此时部分力链将发生屈曲或坍塌,组构各向异性降低,成链颗粒数开始减少,力链长度变短,宏观上对应了应变软化;在应变硬化阶段,颗粒间较大的抗转力矩能有效抑制力链中颗粒之间的相对转动且减弱了力链周边大颗粒簇的可变形性,这使得力链的稳定性大大提高,故能有效提高散粒介质的抗剪强度;在应变软化阶段,由于抗转动使得颗粒位置不易及时调整,试样变形将主要集中于力链屈曲或坍塌的局部区域,这些区域内颗粒转动越来越大,且易形成更大的颗粒簇,故此时试样的软化和剪胀更显著,并产生了明显的剪切带。该研究加深了对散粒介质复杂力学行为的认识和理解,且可为散粒介质多尺度本构理论研究提供一定的启发。

阻塞态颗粒介质的慢速阻力

报导了不同尺寸的大球缓慢压入颗粒床过程中所受阻力随深度变化的实验测量结果,发现阻力曲线在不同的深度区域有不同的增长规律,存在凹—凸转变.阻力在较浅的区域满足1.3次方的幂率增长,而在较深的区域趋向0.3次方的幂率增长.通过研究凹凸转变中拐点的性质,发现这种阻力增长速度趋缓的转变不是来源于前人认为的器壁支撑导致的介质压强饱和,而是来源于侵入物自身的体积效应.此外,适用于颗粒介质快速阻力的静水压力描述并不适用于阻塞态颗粒介质的慢速阻力行为,实验表明慢速阻力对深度的依赖关系不是线性,且测得的静水压力系数也远大于理论估算值.

圆锥探头在准二维颗粒介质中匀速穿行的受力研究

研究圆锥状探头匀速压入准二维颗粒介质过程中所受阻力随深度的变化,发现阻力曲线在不同深度区域呈现不同的变化规律,存在凹—凸—凹的转变。针对本实验条件下观测到的现象,分析并讨论曲线凹—凸—凹转变中出现两个拐点的物理机制,认为阻力曲线的变化来源于侵入物自身的体积效应和容器底部对颗粒结构的影响。研究表明,一般流体的静水压力描述并不适用于颗粒介质的慢速阻力行为,颗粒介质存在自身的结构规律。