颗粒材料的剪切流动行为广泛地存在于滑坡、泥石流等自然灾害以及矿物原料传输、泵送等工业过程中。颗粒材料在不同体积分数、剪切速率和应力约束下会表现出不同的流动状态并发生相互转化。对颗粒材料在剪切流动过程中力学特性的研究有助于加深理解其发生不同流动状态的内在机理，为解决相应的颗粒材料问题提供理论依据。为此，本文研制了颗粒材料剪切流动的中型环剪仪，并对颗粒材料在不同法向约束应力和剪切速率下的剪切应力和体积膨胀率进行了测试。结果表明，剪切应力和体积膨胀率均随剪切速率的增大而增大，但增长速率在临界剪切速率处发生转变，使其随剪切速率的平方呈分段式线性增长。通过对颗粒材料在不同剪切速率和惯性数下有效摩擦系数变化趋势的分析，讨论了颗粒材料由慢速流向快速流转化的基本规律，以及在临界剪切速率处发生流动状态转化的内在条件。此外，通过对不同法向应力下临界剪切速率以及快速流动下运动规律的测试，发现临界剪切速率随法向应力的增加而减小，即法向应力可促进颗粒材料由慢速流向快速流的转化，但在快速流动状态下的有效摩擦系数对法向应力不敏感。以上对颗粒材料在不同剪切速率、法向应力下流动状态的环剪试验研究有助于揭示其发生不同流动状态转化的内在机理。
颗粒材料 环剪仪 临界剪切速率 剪切流动 流动状态转化