颗粒通过狭窄通道时，很容易在出口处相互搭接形成堵塞。这一现象广泛存在于粮食储运、矿物输送、颗粒材料加工以及泥石流灾害开口结构防控工程中。堵塞形成后，颗粒体系内部的应力分布直接关系到结构承载与工程安全。1895年，德国科学家Janssen发现，沙漏／筒仓中侧壁摩擦会分担部分颗粒重量，使竖向应力随深度逐渐趋于饱和，这一现象被称为Janssen效应。2020年，美国佐治亚理工学院Alberto Fernandez－Nieves团队与新加坡南洋理工大学Massimo Pica Ciamarra团队进一步发现，在强约束条件下，侧壁摩擦也可能反向压缩颗粒，使应力超过颗粒自重，对应反常Janssen效应。然而，传统Janssen模型主要依据侧壁摩擦与颗粒自重描述静态应力，难以完整描述颗粒崩塌后形成的堵塞应力场。堵塞形成前的颗粒崩塌和重排过程如何影响最终应力，仍缺乏统一认识。中国科学院成都山地所周公旦团队发现当底部存在开口并经历颗粒排出后，堵塞应力既不完全服从液体静压力关系，也难以由正常或反常Janssen模型统一描述，尤其是出口附近会表现出明显的开口尺寸依赖性。
研究采用离散元方法（DEM），以堵塞形成前崩塌的颗粒数量，即颗粒崩塌尺寸（avalanche size），刻画颗粒体系此前经历的流动历史。研究首先比较不同开口尺寸下的颗粒崩塌统计和应力分布，随后建立颗粒崩塌尺寸与局部堵塞应力之间的联系，并通过标准化处理统一描述不同开口尺寸和不同空间位置下的应力变化，进一步从侧壁作用、力链取向和应力传递方式解释其内在机制。
研究发现，堵塞应力随颗粒崩塌尺寸增加呈稳定的S形变化，由较高平台逐渐向较低平台转变。不同开口尺寸和不同测量位置的数据经标准化后收敛到统一曲线，可划分为弱崩塌、中等崩塌和强崩塌三个堵塞状态。随着颗粒崩塌程度增大，侧壁剪切由压缩颗粒逐渐转变为支撑颗粒，边界附近的力链逐渐向侧壁偏转，使更多竖向荷载转移至侧向边界，最终驱动堵塞应力降低。这表明，颗粒体系的最终静态应力不仅取决于当前几何和边界条件，还取决于堵塞形成前经历的颗粒崩塌程度及内部结构演化。该研究建立了颗粒崩塌历史与最终堵塞应力之间的联系，为颗粒输运系统的堵塞应力预测与结构设计提供了理论依据。
相关研究成果发表于Nature系列期刊Communications Physics。本研究得到国家重点研发计划项目（2024YFE0104200）、国家自然科学基金项目（U24A20618、12572471）、中国科学院战略性先导科技专项（XDB1390200）以及四川省科技计划项目（2024NSFJQ0043）的支持。
颗粒由流动向堵塞状态的演化过程。（a）颗粒速度随崩塌过程的演化；（b）颗粒运动方向及流动轨迹，展示中部颗粒持续向出口汇聚、侧壁附近逐步形成低速死区的过程；（c）颗粒力链的形成与演化。
标准化颗粒崩塌尺寸控制下的堵塞应力统一关系。不同开口尺寸和不同测量位置的数据经标准化后收敛到统一曲线，并由两个转变界限划分为弱崩塌、中等崩塌和强崩塌三个区域。