PDF《颗粒物质力学几个关键问题的思考 *》

3 . 图3光弹性实验中强力链的受剪演变过程. ( a) 顶部颗粒层自右向左剪切 , 浅色线表示强力链 ;

( b) 图和( c) 图中可以看到弱力链对强力链的辅助支撑作用 ;

( d) 图中 强力链开始不稳定 , 稍后迅速断裂 , 但很快构成新的强力链 力链具有大于单个颗粒粒径, 而小于颗粒体系 的尺寸, 它不仅与颗粒材料的内禀性能有关( 比如 杨氏弹性模量、 poisson 比和表面摩擦系数等) , 而 且还受颗粒体系边界条件 、 初始条件和外载荷的影 响.这些都决定着颗粒体系的整体性质, 因此颗粒 物质研究涉及多个物理层次结构和机制 , 是多尺度 力学问题 : 微观尺度的颗粒单体、 细观尺度的力链 和宏观尺度的颗粒体系, 其中细观尺度力链结构的 形成及演变规律则是颗粒物质多尺度力学研究的核 心.复杂体系内层次间的辩正关系也一直是复杂系 统理论的关键.颗粒物质显示出许多独特的静力和 动力特性 , 为现有力学和物理理论所不能描述 , 其 根源就是因为我们目前对细观尺度力链结构及其复 杂力学行为不清晰而造成的. 图4简要的描述了这三者间的关系.微观尺度 主要决定于颗粒材料内禀性能参数, 细观尺度则基 于微观尺度的接触力构成力链, 并在宏观尺度控制 参数下演变;

细观力链抵抗外载荷而动态演化规律 决定了宏观尺度的摩擦响应和弹性、 流变关系等宏 观物理规律. 一般说来 , 颗粒表面摩擦系数和颗粒 体积分率更直接的影响力链结构及其稳定性.当颗 粒体积分率较小时, 颗粒较为松散而不能形成强力 链;

同样, 当表面摩擦系数较小时, 即使微小剪切 也使得力链断裂 , 因而也不能形成稳定力链 , 所以 这两个参数是决定颗粒介质静力性质、 特别是流动 形态的重要参数 . 图4颗粒介质的多尺度力学研究框架. 微观尺度主要决定于颗 粒和填隙 浆液的内 禀性能参 数, 如粒径及 其分布 、 摩擦系数 、 浆液 黏性等 , 该研 究是基础 ;

细观尺 度中若 干颗粒接触力构成力链 , 并在宏观 尺度控制 参数下演 变,该研究 是核心;

力 链抵抗重力、外载荷力而动态演化,决定了宏观尺度 颗粒物质 的摩擦响 应和弹性 、流变关 系等宏观 统计规 律,可直接应用于工程

1106 第18 卷第10 期2008 年10 月这3个尺度起的作用和所在地位都不同.微观 尺度的研究是基础 , 宏观尺度侧重于应用, 细观尺 度的研究则是联系基础研究和应用的桥梁, 是建立 跨尺度关联的重要环节.一般来说 , 在连续介质力 学中已经充分发展起来的 、 处理多尺度问题的有效 分析方法 , 比如相似方法和微扰方法 , 在颗粒物质 的研究中仅适用范围很窄 , 而以力链为核心的多尺 度研究框架则揭示了颗粒物质的内在本质, 涵盖了 整个颗粒物质的研究, 能够有效地促进颗粒物质物 理的研究 , 具有重要的基础科学意义和工程应用价 值.但是 , 建立以力链为核心的颗粒物质多尺度力 学非常艰难, 目前如何量化力链还不清楚, 这涉及 一系列的基础问题 : 力链在一定时间尺度上是稳定 的, 比如在环剪实验中强力链的持续时间与剪切速 率成反比 , 这已经远大于微观颗粒间的接触碰撞时 间( ~ 10-5 s) , 如何确定力链持续时间的临界点? 区 分强力链和弱力链的分界点如何确定 ? 几乎毫无排 布规则的力链空间分布如何描述? 在确定细观尺度 力链演变规律方面 , 要具体涉及