好文推荐第71期 | 2025最新Powder Technol文章《粒径和加载频率对堆石材料小应变模量的影响：DEM 研究》！

• 开发了一个考虑尺寸和应变率效应的颗粒强度模型。

• 采用DEM程序模拟了不排水应力控制循环三轴试验。

• 分析了粒径和加载频率对小应变模量的影响。

由于与实验室设备规模相关的限制，通常使用比例测试来估计原型堆石材料的力学性能。 然而，经验证据表明，堆石颗粒的破碎强度与尺寸有关，导致原型材料与按比例样品相比的应力-应变行为存在显着差异， 尺寸效应引起了广泛关注。 在循环载荷的情况下，颗粒强度也受应变率的影响。在本研究中， 基于单颗粒破碎试验开发了考虑尺寸和应变率影响的颗粒强度统计模型。然后，使用离散元法 （DEM） 模拟不排水应力控制的循环三轴试验。 使用最大粒径 （dmax） 为 60 mm, 160mm 和 500mm。据观察，大尺寸样品在固结过程中比平行分级的缩放样品经历更多的破损。这种增加的破损导致了更致密的内部配置和小应变水平下更高的杨氏模量 （E）。此外，根据应变率对颗粒强度的影响，分析了加载频率对 E 的影响。加载频率对小应变杨氏模量 （Emax） 进行缩放的样本，而 Emax的原型样品随着加载频率的增加而显著增加。 总体而言，该研究为利用 DEM 模拟堆石材料的循环加载行为提供了有价值的见解和参考。

堆石坝广泛用于水利和水电工程。在中国，正在建设或规划的 200-300 m 水位大坝大多位于地震多发地区，这使得地震活动下的高坝安全至关重要。小应变杨氏模量 （Emax）是动态属性的一个参数，用于确定这些大坝的地震响应分析的准确性。 目前，堆石材料的特性参数主要通过规模化的实验室测试获得，其中最大粒径 （dmax） 在限制为 60 mm 的大型三轴测试中。相比之下，dmax的原型材料可以达到 500-1000 毫米，导致缩放样品和原型样品之间的力学性能存在显着差异。克服尺寸效应已成为堆石坝变形计算中的关键技术问题。

目前研究主要涉及静态三轴剪切试验，关于动力学特性尺寸效应的研究仍然有限，相关报告主要集中在沙子上。 离散元法 （DEM） 提供了一种研究堆石材料尺寸效应物理机制的替代方法，因为样品量不受限制。 大颗粒系统的计算问题可以通过比例缩放来解决。颗粒破碎降低了试件的剪切强度和模量，但尺寸分布的扩大增强了抗变形能力。 尽管DEM已被广泛用于模拟颗粒材料的循环三轴测试，但很少有研究关注颗粒碎裂和尺寸效应。应该注意的是，循环三轴试验中的载荷是准静态的，颗粒强度受应变率的影响。对于在 DEM 模拟中考虑碎裂，对粒径和应变速率对颗粒强度的影响进行统计评估至关重要。

本研究开展了一系列不同粒径和加载速率的单颗粒粉碎试验，提出了考虑应变速率效应的颗粒强度统计模型。然后将统计模型引入 DEM 以确定加载过程中的颗粒破碎，并分析颗粒大小和加载频率对堆石材料动态特性的影响。