不同接触模型下剪切颗粒体系强度和声速的离散元模拟

摘要

颗粒体系在受压剪切过程中强度的变化以及声波通过其中产生的扰动都会造成体系的失稳，此类固-液相变过程与断层泥被挤压，剪切，失稳触发地震类似。准静态颗粒体系剪切强度的变化及声传播性质的研究对于理解地震、雪崩的形成有重要的意义，本文用离散元方法研究不同接触模型下剪切曲线性质以及声速在剪切过程中的变化，为从颗粒物质性质的角度理解地震、雪崩提供参考。 不同接触模型对剪切曲线影响显著，本文重点讨论的是颗粒间的滚动阻力模型，因为一方面法向、切向接触模型相对成熟，另一方面常用的滚动阻力模型不但多而且彼此间有矛盾之处，如何正确引入滚动阻力是一个悬而未决的问题。本论文将一种圆形滚动阻力模型推广到非圆形颗粒体系，与国内外常用的五种滚动阻力模型作对比，从率无关和客观性的角度甄别出正确的一种滚动阻力模型。这种滚动阻力模型给出的滚动速度满足客观性，不同剪切速度的剪切、剪胀曲线是重合的，即满足率无关，不同正应力、摩擦系数下的模拟结果和实验相符，对常用的四种法向、切向接触模型也是适用的。在正确的接触模型下模拟了声波在球形剪切颗粒体系中的传播，不仅很好的获取了横、纵波波形，而且还计算得到了声波在颗粒体系中传播速度和位移的变化关系。模拟结果显示剪切带和定常流动的液体不同，横波是可以通过剪切带的，波速和正应力的1/6次方成正比，模拟结果和实验结果一致。 本文的结果，有助于理解由声扰动触发的地震、雪崩等自然灾害发生的物理机制。

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