[论文解读] Discrete modelling of capillary mechanisms in multi-phase granular media

L. Scholts, Bruno Chareyre+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 2012

Granular flow and fluidized beds参考文献 26被引用 23

一句话总结

本研究提出一种离散元方法（DEM）模型，利用杨-拉普拉斯方程模拟部分饱和颗粒材料中的毛细力，以捕捉弯月面的形成与破裂。结果表明，剪切强度主要受液桥密度控制，而非毛细压力，且弯月面数量与宏观黏聚力之间存在强烈相关性。

ABSTRACT

A numerical study of multi-phase granular materials based upon micro-mechanical modelling is proposed. Discrete element simulations are used to investigate capillary induced effects on the friction properties of a granular assembly in the pendular regime. Capillary forces are described at the local scale through the Young-Laplace equation and are superimposed to the standard dry particle interaction usually well simulated through an elastic-plastic relationship. Both effects of the pressure difference between liquid and gas phases and of the surface tension at the interface are integrated into the interaction model. Hydraulic hysteresis is accounted for based on the possible mechanism of formation and breakage of capillary menisci at contacts. In order to upscale the interparticular model, triaxial loading paths are simulated on a granular assembly and the results interpreted through the Mohr-Coulomb criterion. The micro-mechanical approach is validated with a capillary cohesion induced at the macroscopic scale. It is shown that interparticular menisci contribute to the soil resistance by increasing normal forces at contacts. In addition, more than the capillary pressure level or the degree of saturation, our findings highlight the importance of the density number of liquid bonds on the overall behaviour of the material.

研究动机与目标

• 开发一种微观力学DEM模型，以捕捉颗粒材料在摆状状态下的毛细力作用。
• 通过在润湿与干燥循环过程中动态形成与破裂液桥，考虑水力滞后效应。
• 研究局部毛细力相互作用如何影响宏观力学行为，特别是黏聚力与摩擦力。
• 通过将模拟的三轴响应与Mohr-Coulomb准则及实验趋势进行对比，验证模型。
• 探讨微观结构与织构演化在调控流体分布与力学响应中的作用。

提出的方法

• 采用离散元方法（DEM）模拟三轴加载条件下颗粒集合体的颗粒尺度相互作用。
• 通过杨-拉普拉斯方程引入毛细力，以模拟由于液桥在颗粒接触处产生的黏附力。
• 将毛细压力与表面张力效应整合到接触力模型中，与标准的弹性-塑性颗粒相互作用相结合。
• 通过基于热力学平衡的弯月面形成与破裂追踪，模拟水力滞后效应。
• 施加三轴加载路径以模拟宏观行为，并从代表性体积元（RVE）中导出有效应力-应变响应。
• 应用Mohr-Coulomb准则解释并验证模拟得到的宏观剪切强度与黏聚力。

实验结果

研究问题

• RQ1 在颗粒接触尺度上，毛细力如何影响颗粒材料在摆状状态下的宏观剪切强度？
• RQ2 由于弯月面形成与破裂引起的水力滞后，在多大程度上影响湿润颗粒集合体的力学响应？
• RQ3 部分饱和颗粒材料的宏观黏聚力主要受毛细压力控制，还是受液桥数量控制？
• RQ4 初始微观结构（例如，干燥与润湿历史）如何影响剪切强度与液桥分布的演化？
• RQ5 固体骨架各向异性在调节流体分布与水-力耦合中的作用是什么？

主要发现

• 毛细弯月面显著增加了颗粒接触处的法向力，从而贡献于表观宏观黏聚力。
• 在相同毛细压力（Δu = 20 kPa）下，干燥样品的峰值剪切强度为30 kPa，润湿样品为27 kPa，表明黏聚力存在1.3倍的差异。
• 干燥与润湿情景下黏聚力之比（1.3）与峰值应力时平均液桥数量之比（7.4 / 5.5 = 1.34）非常接近，证实了弯月面密度与强度之间存在强关联。
• 尽管初始状态存在差异，但两个样品在大变形后均收敛至具有相似平均液桥数量的共同残余状态，表明发生了微观结构重排。
• 屈服状态下的液桥数量与诱导黏聚力密切相关，表明液桥密度是比毛细压力水平更关键的控制参数。
• 固体骨架各向异性显著影响流体分布与水-力耦合，这一因素在传统模型中常被忽略。