轴对称受限颗粒系统中横向应力分布与应力转向比的研究

当前备受重视的颗粒介质准静态性质的研究在本质上都可归结于对其内部力链结构的分布与重组发展的研究。因为对其认识仍相当有限，许多颗粒力学的基本问题得不到解决或无法达成共识。为推进此方面研究，本项目拟对横向受限的圆柱对称颗粒系统进行全面详细的实验研究。以期获得包括横向应力在内的，细致的局域应力分布，以及应力在各种加载和内部扰动条件下的响应性质和稳定情况。实验采用应力状态可调的被测系统，使得应力沿对称轴方向可从很均匀到很不均匀任意调节。以上特征使得本项目能极大地突破以往此类工作大多集中于底部压力的测量（忽视横向应力的研究），系统应力状态单一（局限于普通粮仓应力状态），对扰动行为关注少，对局域关注少，等不足，从而使我们能更全面和深入地了解力链的性质及其变化和重组规律。这些实验数据也将促进当前广泛关心的一些颗粒基础问题的解决，特别是有关应力转向比的性质和其取值大小的分歧，因此具有前沿性和重要科学意义。

粮仓效应中的应力转向比问题既是颗粒物质物理关心的理论基础问题，也关系到工程应用中如何制定粮仓设计规范，以保证粮仓不倒塌这一重要的安全问题。 本项目第一次实现了对轴对称受限颗粒系统（即粮仓系统）侧壁局域法向应力和切向应力分布和涨落的实时同步测量，基于测量结果研究了应力转向比问题，并直接验证了Janssen模型的假设。项目研究结果表明，尽管侧壁局域应力由于力链分布的非均匀性而涨落较大，但其整体合力（即局域应力的积分）非常稳定，这意味着应力局域的不确定和涨落必须受到宏观整体确定性的约束。这种宏观确定性是任何宏观颗粒静力学连续理论存在的基础。研究发现，对于直接倾倒制备的最常见粮仓，在不同深度处的侧壁摩擦系数和应力转向比均不是常数，与Janssen模型的假设不符。即Janssen模型描述的只是一种特定条件下局限的粮仓应力状态。针对物理和工程上出现的应力转向比明显大于工程规范中Jaky 公式估算值的现象,项目还通过非线性弹性理论计算给出了合理解释。