颗粒材料强网络渗流机制研究：颗粒形状与加载历史依赖性的关键作用

本研究通过离散元法(DEM)模拟不同形状颗粒材料在加-卸-载循环中的强接触网络拓扑演化，揭示了非球形颗粒在应力峰值后卸载阶段表现出更显著的宏观不可逆性，其强网络最大簇在较低力阈值下渗流，表明结构向不稳定态转变。研究为理解颗粒材料塑性机制提供了网络科学新视角，对工程结构安全评估具有重要指导意义。

　　

颗粒材料在土木工程中广泛应用，如土坝、基坑和路基工程，常经历复杂的加卸载过程。这类材料的路径依赖性源于微观颗粒相互作用和自组织行为，直接影响工程结构的安全性和寿命。尽管已有大量研究关注循环荷载下颗粒材料的宏观应力-应变响应，但对其内部结构演化如何导致不可逆变形的机制仍不清楚。特别地，颗粒形状如何影响加-卸-载过程中的网络拓扑重构，以及这种微观变化与宏观力学响应的关联，仍是亟待解决的科学问题。

浙江工业大学和河南省相关机构的研究团队在《Powder Technology》发表论文，通过离散元法(DEM)模拟四种不同形状颗粒(球形、双球组合、三球组合和四球组合)的三轴加-卸-载过程，结合复杂网络理论分析了强接触网络的渗流特性和拓扑演化。研究发现非球形颗粒样品在宏观上表现出更显著的滞回环，其强网络在相同应力状态下需要更小的力阈值即可渗流，表明结构向更不稳定状态转变。该研究为理解颗粒材料的塑性机制提供了新的网络科学视角。

研究采用的主要技术方法包括：1) 基于粘结球法的非球形颗粒DEM建模；2) 三轴加-卸-载路径控制；3) 强接触网络构建(以平均接触力为阈值划分)；4) 网络拓扑参数计算(协调数、聚类系数等)；5) 渗流阈值和最大簇特征分析；6) 基于织物张量的各向异性评估。

强接触网络拓扑对不同加卸载状态的响应
通过比较球形(S-1)和四球组合(S-4)样品在五个特征状态的网络参数发现：虽然接触力分布相似，但加-卸-载循环中相同应力水平下的协调数和聚类系数存在差异。非球形颗粒样品在强网络拓扑指标上表现出更大的初始加载与卸/重载状态差距，表明其结构不可逆性更显著。

不同状态下强接触网络的各向异性
基于织物张量Φ_ij=(1/N_c)Σn_in_j的分析显示，非球形颗粒的接触法向各向异性张量a^c_ij=(15/2)Φ'_ij变化更明显。卸载后强网络的最大簇呈现特定的取向排列模式，这种结构记忆效应在非球形颗粒中更为突出。

讨论与结论
研究表明颗粒形状通过改变接触网络拓扑和力传输路径显著影响材料的加-卸-载响应：1) 非球形颗粒因几何约束导致更强的结构不可逆性；2) 强网络渗流阈值的变化反映了内部稳定性改变；3) 接触拓扑演化和弱网络参与是非球形样品滞回行为的重要机制。该成果不仅深化了对颗粒材料塑性变形的理解，还为工程实践中考虑颗粒形态效应的本构模型开发提供了理论基础。研究强调，在评估颗粒材料长期性能时，应特别关注接触拓扑、接触取向分布和弱网络参与的协同演化。