六足颗粒剪切柱中的屈服、刚性与拉应力

非凸或细长颗粒的颗粒堆积可形成如墙或拱般的独立支撑结构。对于某些颗粒形状（如订书钉），刚性源于成对颗粒的互锁，但非互锁颗粒的刚性起源仍不清楚。我们报告了由“六足体”（由三个中心重合的相互正交的球柱体构成的颗粒）组成的剪切柱的实验与数值模拟。我们改变球柱体的长径比 $\alpha$，并对堆积施加准静态直接剪切。对于小 $\alpha$，我们观察到有限的屈服应力。然而，对于大 $\alpha$，该柱在剪切时变得刚性，所支撑的应力随应变增加急剧上升。对剪切过程中收集的 X 射线微计算机断层扫描（Micro-CT）数据的分析表明，刚化与名义剪切平面附近一个倾斜的扁球状六足体簇有关，其中颗粒变形与平均接触数均增加。模拟结果显示，尽管颗粒并不成对互锁，它们沿一个方向集体处于张力之下。这些张力来自承载大扭矩的接触力，且它们垂直于堆积中的压应力。它们抵消了膨胀的趋势，从而稳定了颗粒簇。