[論文レビュー] Experimental Stick-Slip Behaviour in Triaxial Test on Granular Matter

F. Adjémian, P. Évesque|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2005

Granular flow and fluidized beds参考文献 1被引用数 10

ひとこと要約

本研究は、ガラス球（d = 0.2 mm, 0.7 mm, 3 mm）の粒状パッキングにおける三軸試験におけるスティック・スリップ行動を調査し、微小粒子サイズにおける rheology の速度依存性の弱体化が、巨視的スティック・スリップ不安定性を生じさせることを明らかにした。より高いひずみ速度では弱体化が顕著になり、周期性が低下する一方、より小さなサンプルでは局所的フラクチュエーションにより不規則な発火が生じ、巨視的 rheological 法則が不安定性を支配していることが示唆された。

ABSTRACT

This paper is concerned with the quasi-static rheology of packings of glass spheres of diameter d (d=0.2mm, 0.7mm or 3mm). Stick-slip behaviour is observed on small spheres, i.e d=0.2mm & 0.7mm ; one observes also in this case a weakening of the rheology as the rate of deformation increases, and the larger the rate the larger the weakening; this generates macroscopic instabilities and stick-slip. Statistics of stick-slip events have been determined, which show that the larger the sample the more regular (i.e. "periodic") the sick-slip, the faster the strain rate the less periodic the events. One concludes that this stick-slip is generated at the macroscopic level and comes from the macroscopic rhelogical law. However when sample is small, local fluctuations perturb the macroscopic events and trigger them erratically. Pacs # : 5.40 ; 45.70 ; 62.20 ; 83.70.Fn

研究の動機と目的

• 準静的三軸圧縮下における粒状材料のスティック・スリップ行動の起源を調査すること。
• スティック・スリップが巨視的 rheological 法則に起因するのか、あるいは局所的粒子スケールのフラクチュエーションに起因するのかを特定すること。
• 粒子サイズおよびひずみ速度がスティック・スリップイベントの周期性および統計的性質に与える影響を分析すること。
• サンプルサイズが粒状パッキングにおける巨視的不安定性の規則性にどのように作用するかを評価すること。

提案手法

• 直径 0.2 mm、0.7 mm、3 mm の単分散ガラス球パッキングを用い、準静的三軸圧縮試験を実施した。
• 変形中に軸方向応力と軸方向ひずみを測定し、急激な応力低下によってスティック・スリップイベントを検出した。
• ひずみ速度を変化させ、速度依存性 rheological 弱体化効果を検証した。
• スティック・スリップイベントの統計的性質、特にイベント間隔の分布および周期性を分析した。
• 異なるサンプルサイズ間の比較により、巨視的フラクチュエーションと局所的フラクチュエーションの役割を分離した。
• 観察された弱体化および不安定性のパターンを解釈するために、巨視的 rheological モデルを用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 三軸荷重下における粒状パッキングのスティック・スリップ行動の原因は、巨視的 rheology か、局所的粒子スケールのフラクチュエーションか？
• RQ2 ひずみ速度は巨視的 rheology の弱体化およびそれに続くスティック・スリップ不安定性にどのように影響するか？
• RQ3 サンプルサイズはスティック・スリップイベントの周期性および規則性にどのように影響するか？
• RQ4 小さなサンプルにおける局所的フラクチュエーションは、巨視的不安定性パターンをどの程度破壊するか？
• RQ5 観察されたスティック・スリップ行動は、巨視的速度依存性 rheological 法則によって説明可能か？

主な発見

• スティック・スリップ行動は、0.2 mm および 0.7 mm の小さな粒子でのみ観察され、3 mm の大きな粒子では観察されず、不安定性機構がサイズ依存であることを示唆した。
• rheological 弱体化はひずみ速度に比例して増大し、より高い速度ではより頻繁に発生し、周期性が低下するスティック・スリップイベントが観察された。
• 大きなサンプルではより規則的で準周期的なスティック・スリップ行動を示し、不安定性ダイナミクスが巨視的に制御されていることを示唆した。
• 小さなサンプルでは、局所的粒子スケールのフラクチュエーションによる摂動により、スティック・スリップイベントの発火が不規則になった。
• 本研究は、スティック・スリップが主に速度依存性の巨視的 rheological 法則によって支配される巨視的現象であると結論づけた。
• 統計的分析により、ひずみ速度の増加はイベントの周期性を低下させ、サンプルサイズの増加は周期性を向上させることを確認した。