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【摘 要】文中闡述散體材料結構振動分離現象、物質態特性、拱效應、自組織現象和谷倉效應的特性,為顆粒物質的運輸、存放及散體材料對工程的應用提供了有力的理論依據.

【關 鍵 詞】散體材料結構;振動分離現象;拱效應;自組織現象

1.引言

散體材料結構是指由大量顆粒物堆積在一起形成的集合體.對顆粒物質性質[1~2]的理解與研究對于全球工業與經濟的發展有極大的好處.此外,沙摸化、泥石流、雪崩、山體滑坡等自然災害的形成與發生也與散體顆粒物質的性質有密切的關系,了解散體材料結構的特性,對于這些自然災害的防治也有一定的指導意義,因此,先對散體結構的特性介紹如下.


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圖1自組織臨界性現象

圖2碎石顆粒堆的一段荷載和位移的關系線

2.自組織沉降現象

自組織沉降現象是散體材料結構從一種平衡狀態到另一種平衡狀態į

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40;過程中,顆粒堆會發生崩塌沉降、顆粒堆密實度增大,孔隙變小的現象,這個過程我們稱為一次自組織.自組織沉降現象廣泛存在于自然社會中的一種現象,如雪崩、地震、泥石流、滑坡等都可以認為是自組織沉降現象.最常見的例子是沙堆演化,在一處很平的地面,往上面緩緩的堆沙,每次只加一粒沙子,在最初落下的沙子就停在原地,當我們繼續加沙粒時,沙堆就會越來越陡.當出現再加上一粒沙子時就有可能使部分沙粒發生滑落,从而又可以繼續加沙粒,這就是一次自組織沉降現象,往復循環.由圖1可见在沙粒將要發生滑落的時刻就是自組織的臨界狀態.我們做如下試驗:用鋼板制作容器,內置碎石塊,與位移計相連,在萬能試驗機上施加縱向荷載,得出荷載和位移關系曲線如圖2所示,在該曲線波動一次都會有自組織沉降現象的發生.

圖3巴西堅果效應

圖4反巴西堅果效應

3.顆粒分離現象

(1)上世紀30年代,巴西人在長途運輸堅果時,發現裝有不同大小堅果的容器經過長途顛簸,总是大的果子浮在上層,細碎的小果留在下面.根據常識,大而重的堅果在振動過程中受重力影響應當沉在下面,但事實卻是大而重的堅果在振動過程中浮在上面,小而輕的果子沉在下面.散體材料在振動時小顆粒可以從大顆粒的間隙中掉下去,小顆粒在下方的支撐作用使大顆粒停留在上部如圖3所示.這就是著名的“巴西堅果效應”(Brazil-nuteffect),后來Breu[3]等人通過實驗觀察到:若在容器中下部裝入小顆粒散體材料,上面裝入大顆粒材料,受到振動后會出現小顆粒向上運動,大顆粒向下運動的情況如圖4所示,被稱為“反巴西堅果效應”(ReverseBrazil-nuteffect).姜澤輝[4]等人在豎直振動兩種不同顆粒混合物的實驗中,發現大而重的顆粒被夾在兩層小而輕的顆粒之間,小顆粒一部分覆蓋在上表面,一部分留在底部,被稱為“三明治”式分離.我們也可以做個小實驗,把一枚硬幣投入一個糖罐中,然后上下有規律地搖動,會發現,錢幣逐渐浮現上來,直到最后這枚硬幣會浮在鹽罐的最上層,蘊含顆粒物質的振動分離現象.


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(2)在掃頻儀振動臺上做如下實驗:采用四種大小不同的砂土顆粒:0.5mm中砂,按不同的顏色分為7層,依據土工試驗標準中擊實試驗的方法填裝,填裝高度15.00cm.以觀測散體材料結構內部的變化情況.振動前如圖5(a)顆粒分層明顯,各層顏色單一;頻率f等于20Hz振動時間t等于60s時顆粒級配嚴重破壞,各層顏色不再單一,出現移動的混亂現象,如圖5(b).散體材料結構在震動荷

載作用下出現了振動分離現象.

圖5不同時間及頻率試驗現象

散體材料結構特性的參考屬性評定
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4.拱效應

(1)拱效應是散體材料結構的獨特行為.由于散體材料“散”和“動”的特性,使散體材料結構的物理性質介于固體和液體之間,并在二者之間转变.其內部應力分布也有別于固體和液體.由于散體材料是非連續性材料,所以由散體材料组成的系統內部的應力并不是連續分布的,而是形成鏈狀結構的應力傳播路徑,通常稱為應力鏈如圖6所示.

圖6散體材料結構顆粒的力傳遞模型

(2)當顆粒體系受縱向壓力作用時,其應力易于改向,一部分力傳遞于橫向,若有容器則表現為縱向壓力大部分傳遞到邊界壁,這是顆粒體系與均勻相固體不同的特性.顆粒體系的這種傾向是造成顆粒成拱及被堵塞的一個重要原因.形成拱的條件取決于輸送顆粒物的管子直徑與顆粒大小的比值、顆粒間及顆粒與管壁間摩擦力的大小,以及顆粒排列的緊密程度.

5.“顆粒物質”態

散體材料結構是一種特殊的結構,是散體材料顆粒堆積在一起形成的.顆粒與顆粒之間有孔隙产生.當這種堆積物受壓時,顆粒先松動而后重新排列,孔隙變小,密實度增加.因此散體材料結構內部具有特殊的應力——應變關系和特殊的強度——變形規律.通常是一個自然的、非線性系統,顆粒與顆粒之間無粘性連結,沒有變形協調的約束.它具有不同于固體和液體的獨特性質,主要表現在:

(1)顆粒物質具有類似于液態物質的特性,即流動性,但比液態物質的流動性差.

(2)顆粒之間只是在接觸時,才有力的作用,顆粒之間存在壓應力和剪應力,具有對邊界面产生壓力的性質,難以抵抗拉力,散體材料堆還具有壓硬性、剪脹性.其規律比固態物質更為復雜.

(3)離散顆粒材料有異于固體、液體和氣體的另一個例子就是是聲音的傳播.聲音在固體、氣體與液體中均能良好地傳播.然而它在顆粒體系中卻很難傳播.因此有人稱之為“顆粒物質態”.

6.谷倉效應

德國工程師詹森[5]發現糧倉中的糧食堆得很高時,底部收到的力不再隨添加物的增加而增大的現象,他從連續介質力學理論出發,提出了一個模型定量解釋了這種現象,即Janssen模型,顆粒與器壁的摩擦力使器壁負擔了顆粒系統中“丟失了的重量”.Janssen模型表明,存在一個臨界深度即特征長度,當堆積高度時,值接近于流體力學中的靜水壓力值而當之時,即在顆粒層很深的地方,容器底部壓力p趨于最大值,不再明顯增加,如圖7所示.這就是我們俗稱的“糧倉效應”.P.G.DeGennesV[6]指出他沒有考虑豎直應力在任意角度上的分量及假設了谷倉的每一處與顆粒接觸都是接觸的.但小顆粒條件下的janssen模型是正確的.

圖7Janssen模型中的P(Z)與靜水壓的比較圖

7.总结

從大量的資料及實驗可以得出散體材料結構的特性:

散粒體材料結構的振動分離現象、物質

態特性、拱效應、自組織現象和谷倉效應對顆粒物質的運輸、存放及散體材料對工程的應用提供了有力的理論依據.但顆粒材料的研究仍處于起步階段,需要我們不斷的努力探索.

參考文獻

[1]蔣紅英.顆粒介質傳力特性及其在巖土工程中的若干應用問題[J].蘭州大學博士論文,2005:1~25.

[2]蔣紅英、厲玲玲等散體材料結構沉降與自組織現象分析[J]四川建筑科學研究2010.(36)6:85~88.

[3]A.P.J.Breu,H.-M.Ensner,C.A.Kruelleand1.Rehberg.ReversingtheBrazil-NutEffect:CompetitionbetweenPercolationandCondensationPhys.Rev.Let.2003,90(l):014302(2).

[4]姜澤輝,陸坤權,厚美英,陳唯,陳相君.振動顆粒混合物中的三明治是分離.物理學報,2003,52(9):2244~2248.

[5]GennesP.G.de.Granularmatter:atentativeview.ReviewsofModernPhysics,1999,71(2):S374~S382.

[6]P.G.deGennes.Granularmatter.atenattiveview.ReviewofMordenPsits.1999,71:5371~S284.

[基金項目]商丘市科技局計劃內項目(20110616)《離散體材料的力學特性研究.

[文章編號]1006-7619(2013)04-21-348

[作者簡介]厲玲玲(1982-)女,籍貫:河南開封,學歷:碩士,職務:助教.研究方向:巖土工程方面的研究.

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