[发明专利]一种测定及计算颗粒材料系统剪切强度的方法

权利要求书

1.一种测定及计算颗粒材料系统剪切强度的方法，其特征在于，所述方法步骤如下：

(1)建立颗粒材料系统应变分量关系，考虑旋转对应变的影响，得出竖向应变率表示为旋转率影响的方程：

式中，为竖向应变率；颗粒的旋转率；为切应变率；ψ为剪胀角；

(2)引入能量平衡方程和颗粒接触竖向应力平衡方程，得到初步的颗粒系统剪切强度模型，其关系表达式为：

式中，λ为颗粒旋转引起的滑移占总滑移的比例；是颗粒接触摩擦系数；τ为剪切带上的切应力；σ_n为正应力；

(3)将经典速率-状态摩擦定律引入上述模型中，得到最终的颗粒系统剪切强度模型，其关系表达式为：

式中，是稳定状态下摩擦系数；a和b是材料常量，分别用于描述剪切速度v突变对摩擦系数引起的“直接”作用及“演化”效应；v₀是参考速度；L是特征滑移距离；θ为接触面上的状态变量；κ为未定常系数；s为剪切位移；其中参数a、b、v₀、L、λ、ψ和κ的取值都是通过直剪试验数据拟合得到；

求解方程组时，先由(c)式确定接触面上的状态变量，再将接触面上的状态变量代入(b)式确定颗粒接触摩擦系数，最后由(a)确定颗粒材料系统剪切强度与剪切位移的关系；

(4)通过室内直剪试验数据拟合得到各个参数与竖向压力的线性关系；

(5)由所得的线性关系可以获得任一竖向压力下的各个参数取值，再将其代入剪切强度模型中，得到颗粒材料系统剪切强度随位移的发展曲线，从而可预测颗粒材料系统强度在任意条件下的强度。

2.根据权利要求1所述的一种测定及计算颗粒材料系统剪切强度的方法，其特征在于，所述切应变率滑移引起的切应变率及旋转引起的切应变率之和，即，

3.实现如权利要求1所述一种测定及计算颗粒材料系统剪切强度方法的装置，其特征在于，所述装置包括剪切传动机、垂直加荷框架、透水石、玻璃珠、上剪切盒、剪切力计量表、下剪切盒、剪切力计量台架和测量底座；所述剪切传动机、垂直加荷框架和剪切力计量台架依次安装在测量底座平面上；所述剪切传动机的输出端连接上剪切盒；上剪切盒的另一端连接剪切力计量台架上的剪切力计量表；所述上剪切盒安装在下剪切盒上，上剪切盒与下剪切盒之间的空腔中放满了玻璃珠，在玻璃珠面上压有透水石，透水石上安装有垂直加荷框架；通过垂直加荷框架对试样玻璃珠施加不同的竖向荷载，设定剪切速率后开始剪切，由剪切传动机推动下剪切盒，使上下剪切盒发生剪切错位并产生剪切力，剪切力通过上剪切盒传递至剪切力计量装置，并由剪切力计量表测量不同荷载下的剪切力。