砂-粉混合物中基于三维颗粒形态的阈值细粒含量与极限孔隙比研究

本文通过实验与离散元模拟(DEM)，系统研究了三维颗粒形态对砂-粉混合物极限孔隙比(emax/emin)和阈值细粒含量(Fth)的影响。创新性提出整体规则性指数(OR)量化颗粒形态特征，揭示了不规则颗粒（福建砂FS）因更强的嵌锁效应而具有更高的Fth和孔隙比。研究建立了整合OR与粒径比(χ)的预测模型，并通过DEM阐明了强接触力分布对堆积状态的调控机制，为土工材料工程设计提供了理论依据。

　　

亮点

本研究通过玻璃珠(GB)与福建砂(FS)的对比实验，结合三维CT扫描技术，首次量化了颗粒整体规则性指数(O_R)对砂-粉混合物临界状态的调控作用。DEM模拟生动揭示了不规则颗粒如何通过"力链重组"机制改变细粒阈值行为。

e_max、e_min与F_th的形态依赖性

实验数据显示，棱角分明的FS颗粒因"几何互锁效应"始终表现出比球形GB更高的极限孔隙比。当细粒含量(f_c)达到F_th时，孔隙比曲线呈现明显的V型转折，且FS的F_th值随粒径比χ增大而显著降低，这种"尺寸-形态耦合效应"通过新型O_R-χ预测模型得到完美诠释。

微观力学视角

DEM模拟呈现了令人着迷的接触力网络差异：不规则颗粒体系中出现更多"力链热点"，强接触力占比提升32%，这种"应力集中现象"直接导致其堆积结构对细粒含量变化更为敏感。概率分布函数显示，最终堆积状态就像"微观多米诺骨牌"，其稳定性高度依赖强接触力的空间构型。

结论

研究开创性地将三维形态参数O_R引入砂-粉体系本构关系，建立的预测模型精度较传统2D方法提升41%。DEM揭示的"力链调控法则"为理解颗粒材料宏-微观行为关联提供了新范式。