[논문 리뷰] Experimental Stick-Slip Behaviour in Triaxial Test on Granular Matter

F. Adjémian, P. Évesque|arXiv (Cornell University)|2005. 06. 21.

Granular flow and fluidized beds참고 문헌 1인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 유리 구체(지름 d = 0.2 mm, 0.7 mm, 3 mm)의 입자 집합체에서 삼축 압축 시험을 수행한 결과, 미세한 입자 크기에서의 비례적 점성 감소에 기인한 거시적 스틱-슬립 불안정성이 발생함을 규명하였다. 높은 변형률 속도에서는 점성 감소가 심해져 주기성이 감소하고, 작은 시료에서는 局부 변동에 의해 불규칙한 촉발이 발생하여, 거시적 점성 법칙이 불안정성의 원인임을 시사한다.

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

연구 동기 및 목표

• 비정적 삼축 압축 하에서 입자 물질의 스틱-슬립 거동 기원을 규명하는 것.
• 스틱-슬립이 거시적 점성 법칙에 기인하는지, 또는 국소적 입자 척도의 변동에 기인하는지 확인하는 것.
• 입자 크기와 변형률 속도가 스틱-슬립 사건의 주기성 및 통계적 특성에 미치는 영향을 분석하는 것.
• 시료 크기가 입자 집합체에서 거시적 불안정성의 규칙성에 어떻게 영향을 미치는지 평가하는 것.

제안 방법

• 지름 0.2 mm, 0.7 mm, 3 mm인 단일입자 유리 구체 집합체에 대해 비정적 삼축 압축 시험을 수행하였다.
• 변형 중 축방향 응력과 축방향 변형률을 측정하여 급격한 응력 감소를 통해 스틱-슬립 사건을 탐지하였다.
• 비율 의존적 점성 감소 효과를 분석하기 위해 변형률 속도를 변화시켰다.
• 스틱-슬립 사건의 통계적 특성, 특히 사건 간 간격 분포와 주기성을 분석하였다.
• 다양한 시료 크기 간 결과를 비교하여 거시적 요동과 국소적 요동의 역할을 분리하였다.
• 관측된 점성 감소 및 불안정성 패턴을 해석하기 위해 거시적 점성 모델을 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 삼축 하중 조건에서 입자 집합체의 스틱-슬립 거동 원인은 거시적 점성 법칙인지, 국소적 입자 척도의 변동인지?
• RQ2 변형률 속도는 거시적 점성 법칙의 감소와 그로 인한 스틱-슬립 불안정성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 시료 크기는 스틱-슬립 사건의 주기성과 규칙성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 작은 시료에서 국소적 변동은 거시적 불안정성 패턴을 어느 정도 방해하는가?
• RQ5 관측된 스틱-슬립 거동은 거시적 비율 의존적 점성 법칙으로 설명될 수 있는가?

주요 결과

• 스틱-슬립 거동은 유일하게 작은 입자(지름 d = 0.2 mm 및 0.7 mm)에서 관찰되었으며, 큰 입자(d = 3 mm)에서는 관찰되지 않아 크기에 의존하는 불안정성 메커니즘이 있음을 시사한다.
• 점성 감소는 변형률 속도가 높을수록 심화되어 고속도에서 더 자주 발생하고 주기성이 떨어지는 스틱-슬립 사건이 발생한다.
• 큰 시료에서는 더 규칙적이고 준주기적인 스틱-슬립 거동를 보여, 불안정성 역학이 거시적 제어를 받음을 시사한다.
• 작은 시료에서는 국소적 입자 척도의 변동에 의해 스틱-슬립 사건의 촉발이 불규칙하게 발생한다.
• 이 연구는 스틱-슬립이 주로 비율 의존적 거시적 점성 법칙에 의해 지배되는 거시적 현상임을 결론 내린다.
• 통계 분석을 통해 변형률 속도 증가 시 사건 주기성이 감소하고, 시료 크기가 증가할수록 주기성이 향상됨을 확인하였다.