不同偏应力下粒径对颗粒材料蠕变状态的影响

doi:10.12141/j.issn.1000-565X.240473

华南理工大学学报(自然科学版) ›› 2025, Vol. 53 ›› Issue (10): 74-85.doi: 10.12141/j.issn.1000-565X.240473

不同偏应力下粒径对颗粒材料蠕变状态的影响

李涛¹, 舒佳军¹^,²^,³, 李越¹, 万利岷¹, 伍冰妮⁴, 邓正定³, 黄晶柱³, Galindo Ruben²

^1.中国矿业大学（北京）力学与土木工程学院，北京 100083
^2.马德里理工大学土木工程高等技术学院，马德里 28039，西班牙
^3.江西理工大学江西省环境岩土与灾害控制重点实验室，江西赣州 341000
^4.华东交通大学土木建筑学院，江西南昌 330013

收稿日期:2024-09-21 出版日期:2025-10-25 发布日期:2025-04-07
通信作者: 舒佳军（1998—），男，博士生，主要从事岩土力学研究。 E-mail:shujj98@qq.com
作者简介:李涛（1981—），男，教授，博士生导师，主要从事城市地下工程研究。E-mail： lit@cumtb.edu.cn
基金资助:
新疆维吾尔自治区重大科技专项(2024A01003);国家自然科学基金项目(51508556);江西省自然科学基金项目(20232BAB203079);江西省自然科学基金项目(20224BAB213045);国家留学基金委资助项目(202406430056)

Influence of Particle Size on the Creep Behavior of Granular Materials Under Different Deviatoric Stress

LI Tao¹, SHU Jiajun¹^,²^,³, LI Yue¹, WAN Limin¹, WU Bingni⁴, DENG Zhengding³, HUANG Jingzhu³, RUBEN Galindo²

^1.School of Mechanics and Civil Engineering，China University of Mining and Technology-Beijing，Beijing 100083，China
^2.Higher Technical School of Civil Engineers，Universidad Politécnica de Madrid，Madrid 28039，Spain
^3.Jiangxi Province Key Laboratory of Environmental Geotechnical Engineering and Hazards Control，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou 341000，Jiangxi，China
^4.School of Civil Engineering and Architecture，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，Jiangxi，China

Received:2024-09-21 Online:2025-10-25 Published:2025-04-07
Contact: 舒佳军（1998—），男，博士生，主要从事岩土力学研究。 E-mail:shujj98@qq.com
About author:李涛（1981—），男，教授，博士生导师，主要从事城市地下工程研究。E-mail： lit@cumtb.edu.cn
Supported by:
the Major Science and Technology Project of Xinjiang Uygur Autonomous Region(2024A01003);the National Natural Science Foundation of China(51508556);the Natural Science Foundation of Jiangxi Province(20232BAB203079);the Program of China Scholarship Council(202406430056)

摘要/Abstract

摘要：

作为典型的非连续介质，离散颗粒材料的蠕变行为对滑坡、泥石流等地质灾害的形成与演化具有重要影响。然而，关于颗粒粒径与偏应力之间的交互作用机制及其对蠕变行为影响的系统研究仍显不足。为揭示颗粒粒径与偏应力对蠕变行为的耦合作用机制，该研究开展了多工况下二氧化硅圆珠颗粒的室内蠕变试验，系统分析了不同粒径与偏应力对颗粒材料蠕变特性的影响规律。基于Derec蠕变模型并结合试验结果，构建了颗粒材料蠕变状态的定量化计算模型，阐明了粒径对系统蠕变参数的调控机制。结果表明，颗粒系统的蠕变行为本质上是颗粒内部变形与其抵抗变形能力之间动态平衡的体现。蠕变参数通过调控颗粒间滑移与爬行行为，对系统的蠕变特性产生显著影响。具体表现为，随着颗粒粒径的增大，系统的蠕变值显著提高，更易进入类液态的流动状态，同时系统的抗变形能力减弱，并表现出对偏应力更高的敏感性。同时发现，颗粒粒径的增大不仅显著提升了颗粒体系的流动性，还增强了其对偏应力变化的敏感性。较大粒径颗粒在高偏应力条件下的响应更为显著，颗粒材料的流动特性亦更易受到粒径变化的影响。这种影响表现为颗粒粒径与系统初始状态参数及特征应变呈正相关关系，而与粘滞系数、临界蠕变速度和临界蠕变应力呈负相关关系。

关键词: 粒径, 颗粒材料, 蠕变, 状态演化, Derec模型

Abstract:

As a typical discontinuous medium, discrete granular materials’ creep behavior plays a crucial role in the formation and evolution of geological disasters such as landslides and debris flows. However, systematic research on the interaction mechanism between particle size and deviatoric stress and its impact on creep behavior remains insufficient. To reveal the coupled effects of particle size and deviatoric stress on creep behavior, this study conducted indoor creep tests on silica spherical particles under multiple conditions and systematically analyzed the influence patterns of different particle sizes and deviatoric stresses on the creep characteristics of granular materials. Based on the Derec creep model and experimental results, this study constructed a quantitative computational model of the creep state of granular materials and clarified the regulatory mechanism of particle size on the creep parameters of the system. The results indicate that the creep behavior of granular systems essentially reflects the dynamic balance between internal deformation and resistance to deformation within the particles. Creep parameters significantly influence system creep characteristics by regulating particle slip and creep behavior. Specifically, as particle size increases, the creep value of the system increases markedly, making it more prone to entering a liquid-like flow state. Concurrently, the system’s resistance to deformation declines while exhibiting heightened sensiti-vity to deviatoric stress. Furthermore, an increase in particle size not only significantly enhances the fluidity of the particle system but also amplifies its sensitivity to changes in deviatoric stress. Particles with larger diameters show a more pronounced response under high deviatoric stress conditions, and the flow characteristics of granular mate-rials are more susceptible to particle size variations. This influence manifests as a positive correlation between particle size and both the system's initial state parameters and characteristic strain, while exhibiting negative correlations with viscosity coefficient, critical creep velocity, and critical creep stress.

Key words: particle size, granular materials, creep, state evolution, Derec model

中图分类号:

TU43

李涛, 舒佳军, 李越, 万利岷, 伍冰妮, 邓正定, 黄晶柱, Galindo Ruben. 不同偏应力下粒径对颗粒材料蠕变状态的影响[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2025, 53(10): 74-85.

LI Tao, SHU Jiajun, LI Yue, WAN Limin, WU Bingni, DENG Zhengding, HUANG Jingzhu, RUBEN Galindo. Influence of Particle Size on the Creep Behavior of Granular Materials Under Different Deviatoric Stress[J]. Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition), 2025, 53(10): 74-85.

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Influence of Particle Size on the Creep Behavior of Granular Materials Under Different Deviatoric Stress

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