[论文解读] 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 10

一句话总结

本研究调查了玻璃微球颗粒堆（d = 0.2 mm, 0.7 mm, 3 mm）在三轴试验中的滑移-停顿行为，发现宏观滑移-停顿失稳现象源于小颗粒尺寸下的速率依赖性软化。较高的应变率会增强软化效应，降低周期性；而较小的样品则因局部涨落导致触发行为紊乱，表明宏观流变定律控制了失稳行为，而非微观尺度动力学。

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

研究动机与目标

• 研究准静态三轴压缩下颗粒材料中滑移-停顿行为的起源。
• 确定滑移-停顿现象是由宏观流变定律引起，还是由局部颗粒尺度涨落引起。
• 分析颗粒尺寸和应变率对滑移-停顿事件周期性及统计特性的影响。
• 评估样品尺寸如何调节颗粒堆中宏观失稳的规律性。

提出的方法

• 对直径为0.2 mm、0.7 mm和3 mm的单分散玻璃微球颗粒堆进行了准静态三轴压缩试验。
• 在变形过程中测量轴向应力和轴向应变，通过突然的应力下降检测滑移-停顿事件。
• 改变应变率以研究速率依赖性流变软化效应。
• 分析滑移-停顿事件的统计特性，包括事件间时间分布和周期性。
• 通过比较不同样品尺寸的结果，分离宏观与局部涨落的作用。
• 采用宏观流变模型解释观测到的软化与失稳模式。

实验结果

研究问题

• RQ1 在三轴加载下，颗粒堆中滑移-停顿行为的成因是宏观流变学还是局部颗粒尺度涨落？
• RQ2 应变率如何影响宏观流变学的软化效应以及由此产生的滑移-停顿失稳？
• RQ3 样品尺寸如何影响滑移-停顿事件的周期性和规律性？
• RQ4 小样品中局部涨落在多大程度上破坏了宏观失稳模式？
• RQ5 观测到的滑移-停顿行为能否由宏观速率依赖性流变定律解释？

主要发现

• 滑移-停顿行为仅在较小颗粒（d = 0.2 mm 和 0.7 mm）中观察到，而在较大颗粒（d = 3 mm）中未出现，表明存在尺寸依赖的失稳机制。
• 流变软化随应变率增加而增强，导致高应变率下滑移-停顿事件更频繁且周期性降低。
• 大尺寸样品表现出更规律、准周期性的滑移-停顿行为，表明失稳动力学受宏观控制。
• 小尺寸样品由于局部颗粒尺度涨落的扰动，表现出滑移-停顿事件触发的紊乱性。
• 本研究结论认为，滑移-停顿主要是由速率依赖性宏观流变定律主导的宏观现象。
• 统计分析证实，提高应变率会降低事件周期性，而增大样品尺寸则增强周期性。