本文關(guān)鍵詞：顆粒固體的力學(xué)響應(yīng)和聲波傳播的研究　出處：《中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院物理研究所)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：顆粒物質(zhì)兼有離散、宏觀、多體的特點(diǎn),是在地球上存在的最廣泛的物質(zhì)聚集狀態(tài)之一。它的離散特點(diǎn)使它和通常的物質(zhì)形態(tài)有很大的不同,表現(xiàn)出非常多的奇特現(xiàn)象,既能表現(xiàn)出像通常的氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)的性質(zhì),但又有很大的差別,這激起了人們對(duì)它的研究興趣。最近關(guān)于顆粒固體的研究,尤其是對(duì)其發(fā)生Jamming轉(zhuǎn)變的研究有許多新的進(jìn)展。顆粒物質(zhì)處于jammed狀態(tài)時(shí)能抵抗一定的外界剪切力,而當(dāng)發(fā)生jammed狀態(tài)向unjammed狀態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí),顆粒物質(zhì)表現(xiàn)出流動(dòng)的特性;顆粒固體這些特性的研究對(duì)于深入理解工業(yè)生產(chǎn)中顆粒體系的突發(fā)事件(如堆積物料的崩塌),以及地質(zhì)災(zāi)害有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。這篇論文的工作主要包括以下兩個(gè)方面:1)顆粒固體體系在三軸壓縮條件下的力學(xué)響應(yīng)的研究。2)顆粒固體體系中的聲波傳播的影響因素的實(shí)驗(yàn)探討,以及聲速-壓力指數(shù)關(guān)系轉(zhuǎn)變的研究。首先對(duì)于三軸壓縮條件下顆粒固體的力學(xué)響應(yīng),之前已有許多的工作討論了。在我們的實(shí)驗(yàn)工作中,采用不同的顆粒材料(顆粒的粒徑大小、分布),不同的樣品制備歷史,不同的加載控制方案,討論顆粒固體樣品的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng),以及滯滑、蠕變等現(xiàn)象。由于顆粒固體是由大量離散的顆粒構(gòu)成的,顆粒的性質(zhì)如粗糙度、級(jí)配等對(duì)顆粒固體宏觀的性質(zhì)如應(yīng)力-應(yīng)變曲線上的屈服點(diǎn)是有顯著影響的;我們也觀察到了顆粒固體樣品的圍壓,以及剪切速率,甚至連樣品的制備歷史也是會(huì)影響應(yīng)力-應(yīng)變曲線。在實(shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)應(yīng)力-應(yīng)變的臨界區(qū)具有類似于通常固-液轉(zhuǎn)變臨界的特點(diǎn),并且不受樣品制備歷史的影響;當(dāng)加載力稍小于屈服強(qiáng)度,顆粒樣品不斷蠕變,應(yīng)變?cè)絹?lái)越慢并趨于穩(wěn)定;而當(dāng)加載力大于屈服強(qiáng)度時(shí),顆粒固體樣品形變是加速的,就像不能承重的液體一樣。這里驅(qū)動(dòng)顆粒固體‘液化(或者說(shuō)Jamming transition)’的手段是三軸壓縮;我們認(rèn)為在顆粒固體體系受壓發(fā)生‘液化’的區(qū)域是局域化的,對(duì)三維顆粒固體目前還沒(méi)有好的方法去動(dòng)態(tài)的觀察和研究。剪切轉(zhuǎn)變區(qū)理論(Shear Transformation Zone,STZ)能被應(yīng)用來(lái)討論顆粒固體的這種不均勻‘液化’的理論,我們嘗試?yán)么朔椒▽?duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行討論,但由于我們的體系是三維的,沒(méi)辦法觀察到顆粒體系內(nèi)部的情況,所以只是在粗糙假設(shè)的前提下采用STZ理論對(duì)實(shí)驗(yàn)中的現(xiàn)象做了說(shuō)明。其次,我們將聲波作為探測(cè)顆粒固體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的一種手段,小振幅的聲波不對(duì)體系內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的影響。我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)討論了顆粒樣品的厚度、應(yīng)變、邊界條件對(duì)其的影響。發(fā)現(xiàn)樣品厚度對(duì)聲速隨壓力的指數(shù)關(guān)系是有影響的,樣品越厚,聲速-壓力指數(shù)越大,剪切波中的這種現(xiàn)象比壓縮波更明顯。在探討顆粒固體樣品的應(yīng)變對(duì)聲速的影響時(shí),我們發(fā)現(xiàn)聲速隨應(yīng)變的增大會(huì)增加并漸漸趨于穩(wěn)定,所以若在樣品應(yīng)變前測(cè)量聲速必定是偏小的,這啟示我們樣品的密實(shí)度對(duì)聲速-壓力指數(shù)在較小壓力區(qū)偏離等效介質(zhì)理論(Effective Media Theory,EMT)也許有貢獻(xiàn),也啟示我們?cè)跍y(cè)量顆粒樣品的聲速前,適當(dāng)?shù)念A(yù)壓樣品是很有必要的。對(duì)于不同邊界條件下的顆粒固體樣品,邊界的軟硬度以及對(duì)樣品圍向的力是不同的,這會(huì)影響剪切波相干波部分的波形,但在首次加載條件下聲速-壓力的指數(shù)表現(xiàn)卻是相同,不受邊界條件的影響。最后,由于剪切波速常被用來(lái)作為顆粒體系形成穩(wěn)定剪切帶的標(biāo)志,并且至今對(duì)聲速-壓力的指數(shù)關(guān)系偏離EMT的預(yù)測(cè)的原因,還是爭(zhēng)論的焦點(diǎn),我們專門(mén)討論了顆粒固體樣品中的聲速。對(duì)樣品循環(huán)加載、邊界條件的影響做了實(shí)驗(yàn)探測(cè),發(fā)現(xiàn)在單軸邊界條件下,隨著循環(huán)加載的進(jìn)行,聲速-壓力指數(shù)的轉(zhuǎn)變?cè)絹?lái)越明顯,這在各向同性邊界中并未出現(xiàn)。在理論上,我們考慮進(jìn)樣品密度、配位數(shù)、以及加載過(guò)程中力的轉(zhuǎn)向比等因素對(duì)EMT進(jìn)行修正,并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論預(yù)測(cè)之間的偏差還是沒(méi)有消除。顆粒固體中聲波傳播的復(fù)雜性,源于顆粒固體內(nèi)部接觸網(wǎng)絡(luò)的敏感性和復(fù)雜性,以及力鏈結(jié)構(gòu)的各向異性。在加載力的作用下,一條強(qiáng)力鏈的斷裂的同時(shí),可能導(dǎo)致很多新的弱力鏈的形成,從而接觸網(wǎng)絡(luò)上多個(gè)節(jié)點(diǎn)被激活而傳播聲波,這是一種非線性的變化,EMT等理論的描述還是顯得很不足。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：O482

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前4條

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2 張昱;韋艷芳;彭政;蔣亦民;段文山;厚美瑛;;傾斜沙漏流與顆粒休止角研究[J];物理學(xué)報(bào);2016年08期

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本文編號(hào)：1316999