散体材料结构特性的

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【摘 要】文中阐述散体材料结构振动分离现象、物质态特性、拱效应、自组织现象和谷仓效应的特性,为颗粒物质的运输、存放及散体材料对工程的应用提供了有力的理论依据.

【关 键 词】散体材料结构；振动分离现象；拱效应；自组织现象

1.引言

散体材料结构是指由大量颗粒物堆积在一起形成的集合体.对颗粒物质性质[1～2]的理解与研究对于全球工业与经济的发展有极大的好处.此外,沙摸化、泥石流、雪崩、山体滑坡等自然灾害的形成与发生也与散体颗粒物质的性质有密切的关系,了解散体材料结构的特性,对于这些自然灾害的防治也有一定的指导意义,因此,先对散体结构的特性介绍如下.

图1自组织临界性现象

图2碎石颗粒堆的一段荷载和位移的关系线

2.自组织沉降现象

自组织沉降现象是散体材料结构从一种平衡状态到另一种平衡状态的过程中,颗粒堆会发生崩塌沉降、颗粒堆密实度增大,孔隙变小的现象,这个过程我们称为一次自组织.自组织沉降现象广泛存在于自然社会中的一种现象,如雪崩、地震、泥石流、滑坡等都可以认为是自组织沉降现象.最常见的例子是沙堆演化,在一处很平的地面,往上面缓缓的堆沙,每次只加一粒沙子,在最初落下的沙子就停在原地,当我们继续加沙粒时,沙堆就会越来越陡.当出现再加上一粒沙子时就有可能使部分沙粒发生滑落,从而又可以继续加沙粒,这就是一次自组织沉降现象,往复循环.由图1可见在沙粒将要发生滑落的时刻就是自组织的临界状态.我们做如下试验：用钢板制作容器,内置碎石块,与位移计相连,在万能试验机上施加纵向荷载,得出荷载和位移关系曲线如图2所示,在该曲线波动一次都会有自组织沉降现象的发生.

图3巴西坚果效应

图4反巴西坚果效应

3.颗粒分离现象

（1）上世纪30年代,巴西人在长途运输坚果时,发现装有不同大小坚果的容器经过长途颠簸,总是大的果子浮在上层,细碎的小果留在下面.根据常识,大而重的坚果在振动过程中受重力影响应当沉在下面,但事实却是大而重的坚果在振动过程中浮在上面,小而轻的果子沉在下面.散体材料在振动时小颗粒可以从大颗粒的间隙中掉下去,小颗粒在下方的支撑作用使大颗粒停留在上部如图3所示.这就是著名的“巴西坚果效应”（Brazil-nuteffect）,后来Breu[3]等人通过实验观察到：若在容器中下部装入小颗粒散体材料,上面装入大颗粒材料,受到振动后会出现小颗粒向上运动,大颗粒向下运动的情况如图4所示,被称为“反巴西坚果效应”（ReverseBrazil-nuteffect）.姜泽辉[4]等人在竖直振动两种不同颗粒混合物的实验中,发现大而重的颗粒被夹在两层小而轻的颗粒之间,小颗粒一部分覆盖在上表面,一部分留在底部,被称为“三明治”式分离.我们也可以做个小实验,把一枚硬币投入一个糖罐中,然后上下有规律地摇动,会发现,钱币逐渐浮现上来,直到最后这枚硬币会浮在盐罐的最上层,蕴含颗粒物质的振动分离现象.

（2）在扫频仪振动台上做如下实验：采用四种大小不同的砂土颗粒：0.5mm中砂,按不同的颜色分为7层,依据土工试验标准中击实试验的方法填装,填装高度15.00cm.以观测散体材料结构内部的变化情况.振动前如图5（a）颗粒分层明显,各层颜色单一；频率f等于20Hz振动时间t等于60s时颗粒级配严重破坏,各层颜色不再单一,出现移动的混乱现象,如图5（b）.散体材料结构在震动荷

载作用下出现了振动分离现象.

图5不同时间及频率试验现象

4.拱效应

（1）拱效应是散体材料结构的独特行为.由于散体材料“散”和“动”的特性,使散体材料结构的物理性质介于固体和液体之间,并在二者之间转变.其内部应力分布也有别于固体和液体.由于散体材料是非连续性材料,所以由散体材料组成的系统内部的应力并不是连续分布的,而是形成链状结构的应力传播路径,通常称为应力链如图6所示.

图6散体材料结构颗粒的力传递模型

（2）当颗粒体系受纵向压力作用时,其应力易于改向,一部分力传递于横向,若有容器则表现为纵向压力大部分传递到边界壁,这是颗粒体系与均匀相固体不同的特性.颗粒体系的这种倾向是造成颗粒成拱及被堵塞的一个重要原因.形成拱的条件取决于输送颗粒物的管子直径与颗粒大小的比值、颗粒间及颗粒与管壁间摩擦力的大小,以及颗粒排列的紧密程度.

5.“颗粒物质”态

散体材料结构是一种特殊的结构,是散体材料颗粒堆积在一起形成的.颗粒与颗粒之间有孔隙产生.当这种堆积物受压时,颗粒先松动而后重新排列,孔隙变小,密实度增加.因此散体材料结构内部具有特殊的应力——应变关系和特殊的强度——变形规律.通常是一个自然的、非线性系统,颗粒与颗粒之间无粘性连结,没有变形协调的约束.它具有不同于固体和液体的独特性质,主要表现在：

（1）颗粒物质具有类似于液态物质的特性,即流动性,但比液态物质的流动性差.

（2）颗粒之间只是在接触时,才有力的作用,颗粒之间存在压应力和剪应力,具有对边界面产生压力的性质,难以抵抗拉力,散体材料堆还具有压硬性、剪胀性.其规律比固态物质更为复杂.

（3）离散颗粒材料有异于固体、液体和气体的另一个例子就是是声音的传播.声音在固体、气体与液体中均能良好地传播.然而它在颗粒体系中却很难传播.因此有人称之为“颗粒物质态”.

6.谷仓效应

德国工程师詹森[5]发现粮仓中的粮食堆得很高时,底部收到的力不再随添加物的增加而增大的现象,他从连续介质力学理论出发,提出了一个模型定量解释了这种现象,即Janssen模型,颗粒与器壁的摩擦力使器壁负担了颗粒系统中“丢失了的重量”.Janssen模型表明,存在一个临界深度即特征长度,当堆积高度时,值接近于流体力学中的静水压力值而当之时,即在颗粒层很深的地方,容器底部压力p趋于最大值,不再明显增加,如图7所示.这就是我们俗称的“粮仓效应”.P.G.DeGennesV[6]指出他没有考虑竖直应力在任意角度上的分量及假设了谷仓的每一处与颗粒接触都是接触的.但小颗粒条件下的janssen模型是正确的.

图7Janssen模型中的P（Z）与静水压的比较图

7.总结

从大量的资料及实验可以得出散体材料结构的特性：

散粒体材料结构的振动分离现象、物质

态特性、拱效应、自组织现象和谷仓效应对颗粒物质的运输、存放及散体材料对工程的应用提供了有力的理论依据.但颗粒材料的研究仍处于起步阶段,需要我们不断的努力探索.