本发明属于岩土工程的，具体涉及一种颗粒摩擦的反复剪切试验装置及流动型分类方法。
背景技术：
1、世界上90％以上的地震和所有的强烈地震均属于构造地震，构造地震是地球上分布最广、数量最多、危害最为严重的地震。构造地震中走滑断层的摩擦行为产生的黏滑行为被认为是地震产生的重要原因之一。经过越来越多的试验和地震观测结果显示，地质断层或界面中因在长期相互剪断滑动、碎裂、碾磨和黏土矿化等物理化学作用下，积累的一层颗粒形态的材料，即“断层泥”，可能在地震的孕育过程中起到关键性作用。颗粒物质的流变特性对于理解固体地球科学中的各种变形过程起着至关重要的作用。它可能对断层的摩擦也很重要，因为断层含有细小的岩石粉末，这些粉末是由过去的断层运动磨碎形成。在这种变形过程中，摩擦系数对剪切速率的依赖关系决定了变形的稳定性，因此受到了人们的重视。
2、目前，许多国内科研学者通过颗粒剪切试验来研究颗粒摩擦的相关机制并取得了一定成果，但是目前的直剪试验装置只能进行静荷载或者单向加载，以及在剪切一段时间后在剪切面会漏出颗粒试样等问题。
技术实现思路
1、本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种颗粒摩擦的反复剪切试验装置及流动型分类方法，以解决现有的直剪试验装置只能进行静荷载或者单向加载，以及在剪切一段时间后在剪切面会漏出颗粒试样的问题。
2、为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：
3、第一方面，一种颗粒摩擦的反复剪切试验装置及流动型分类方法，其包括承载框架、法向加载系统、水平加载系统、水平固定系统、剪切盒、智能控制系统和高速摄像系统；
4、承载框架底部固定于试验底座上，剪切盒放置于所述试验底座上；法向加载系统位于承载框架顶部，法向加载系统对剪切盒施加法向荷载；水平加载系统位于承载框架左右两侧的下部，水平加载系统对剪切盒施加水平荷载；水平固定系统位于承载框架左右两侧的上部，水平固定系统用于限制剪切盒位移；高速摄像系统正对剪切盒布置，并实时采集剪切盒内颗粒试样的参数信息；
5、法向加载系统、水平加载系统、水平固定系统和高速摄像系统均与智能控制系统电性连接。
6、进一步地，承载框架包括若干块承载盘和若干根承载柱；其中两块承载盘对立设置，并固定于试验底座中的固定底座上，且两块承载盘与若干根承载柱螺纹连接；其中另一块承载盘位于承载框架的顶部位置，且该承载盘通过多根承载柱固定于固定底座上。
7、进一步地，试验底座包括试验座、可移动底座和固定底座；试验座固定在可移动底座上；可移动底座包括可移动箱和滑轮；可移动箱底部固定有滑轮，并通过滑轮设于固定底座上。
8、进一步地，法向加载系统包括法向动态加载油缸、法向传动轴、法向位移传感器和法向压力传感器；法向动态加载油缸通过螺纹与位于承载框架顶部的承载盘螺纹连接；法向传动轴一端与法向动态加载油缸相连，法向传动轴的另一端与剪切盒的顶部接触；法向位移传感器设置于法向动态加载油缸内并露出顶端，法向压力传感器固定在法向传动轴的下端位置。
9、进一步地，水平加载系统包括结构相同的左水平加载系统和右水平加载系统；左水平加载系统和右水平加载系统对称设于承载框架的两侧；
10、右水平加载系统包括水平动态加载油缸、水平传动轴、水平传动板、水平位移传感器和水平压力传感器；
11、动态加载油缸通过螺纹与位于承载框架右侧的承载盘螺纹连接；水平传动轴与水平动态加载油缸相连，水平位移传感器内置在水平动态加载油缸内并露出顶端，水平传动板固定在水平传动轴的自由端，水平压力传感器固定在水平传动轴上靠近所述水平传动板的位置；水平传动板紧贴所述剪切盒。
12、进一步地，水平固定系统包括结构相同的左水平固定系统和右水平固定系统；左水平固定系统和右水平固定系统对称设于承载框架的两侧；
13、右水平固定系统包括水平加载油缸、水平固定传动轴、水平限位板、水平固定位移传感器和水平固定压力传感器；水平加载油缸通过螺纹与位于承载框架右侧的承载盘螺纹连接；
14、水平固定传动轴与水平加载油缸相连，水平固定位移传感器内置在水平加载油缸内并露出顶端，水平限位板固定在水平固定传动轴左端，水平限位板紧贴剪切盒上部右侧；水平固定压力传感器固定在水平传动轴的左端位置。
15、进一步地，剪切盒放置在试验座上；剪切盒包括结构相同且互为连通的上剪切盒和下剪切盒，的上剪切盒放置在下剪切盒上；
16、上剪切盒包括透明亚克力板、钢板和若干块垫块；两块钢板竖向且对立设置，透明亚克力板通过螺纹固定在钢板的两侧；钢板与水平限位板接触；若干块垫块放在上剪切盒内，且位于最上端的垫块与法向传动轴接触；
17、下剪切盒上的钢板与水平传动板接触。
18、进一步地，还包括供油装置；供油装置分别与法向动态加载油缸、水平动态加载油缸和水平加载油缸连通。
19、第二方面，一种颗粒摩擦的反复剪切试验装置的颗粒流动型分类方法，包括以下步骤：
20、s1、准备颗粒试样；
21、s2、在剪切盒内放入若干垫块，再将若干的颗粒试样放在当前最顶部的垫块上，并在颗粒试样上放入若干块垫块，最后将剪切盒放置在试验座上；
22、s3、智能控制系统控制水平传动轴移动，直至水平传动轴与剪切盒的下部右侧接触；
23、s4、智能控制系统控制水平固定传动轴移动，直至水平固定传动轴与剪切盒的上部右侧接触；
24、s5、智能控制系统控制法向传动轴移动，直至法向传动轴与剪切盒内最顶部的垫块接触；
25、s6、智能控制系统控制法向传动轴移动并施加法向荷载，当颗粒试样达到预设压力后，控制右侧的水平传动轴进行水平加载；
26、s7、剪切至一定的距离后，当水平位移达到左侧极限时，控制右侧的水平传动轴卸载并返回至原始位置，然后控制左侧的水平传动轴进行反向剪切试验；
27、s8、当剪切至右侧极限时，重复步骤s7再从右侧开始进行正向剪切试验；并如此反复循环进行正向剪切试验和反向剪切试验，直至达到试验目的；且在试验过程中，采用高速摄像系统实时采集剪切试样中颗粒试样的参数信息；
28、s9、根据实时采集的颗粒试样的参数信息进行颗粒层流动型分类。
29、进一步地，步骤s9具体包括以下步骤：
30、s9.1、根据参数信息，计算颗粒在不同方向的有效滑动速率：
31、
32、其中，以环剪剪切盒顶部中心定义为y方向的原点，向下为正；为不同y处的有效滑动速率；ws为有效流宽；h为剪切盒中剪切材料高度的一半；v0为进行剪切试验时的设置的剪切速率；c为与颗粒材料相关的参数；x的值是以剪切盒内部左侧边界为起点，向右为正；l为剪切材料的水平长度；
33、s9.2、根据不同y处的有效滑动速率计算惯性数i：
34、
35、其中，d为颗粒平均粒径；f(y)为法向应力在高度上的分布；ρ为颗粒密度；fn为试验设置的固定法向应力，m、n为与颗粒材料有关的参数；
36、s9.3、根据惯性数i进行颗粒流动型分类：
37、当i≥10-1时，流动速度快且发生碰撞，为碰撞流态区；
38、当ic<i<10-1时，为非弹性愈合中占主导地位的惯性流态区；
39、当i<ic时，为摩擦愈合占主导的准静态区；
40、其中，ic为特征惯性数。
41、本发明提供的颗粒摩擦的反复剪切试验装置及流动型分类方法，具有以下
42、有益效果：
43、1、本发明通过各个系统的协同配合，能够实现绝大多数的颗粒直剪试验，包括在静荷载、动荷载、反复剪切条件下的试验情况，并能实现颗粒运动过程中流动型的分类；可有效解决现有技术中直剪试验装置只能进行静荷载或者单向加载，以及在剪切一段时间后在剪切面会漏出颗粒试样的问题。
44、2、本发明提供的试验底座中的可移动底座，承载着上部剪切盒，下部通过滑轮连接到固定底座上，能有效传递由于法向加压固定底座带来的相同的反力，通过滑轮传递，可以有效降低可移动底座与固定底座在剪切过程中摩擦带来的剪切力的损耗，使加载到剪切盒上的荷载更加准确。
45、3、本发明提供的法向加载系统中，动态加载油缸包括位移和力两种加载方式，加载方式包括静态加载和动态加载方式，动态加载方式包括三角波、正选波和自定波形动态加载方式，能够提供最大法向静荷载为1500kn，最大法向动荷载为±300kn，频率为0.1-20hz；本发明的法向加载系统能够满足绝大多数直剪试验所需要的法向加载条件，同时与传统试验装置相比，能够实现法向振动荷载的施加，其对于研究现实中振动对断层剪切的影响将会产生很大帮助。
46、4、本发明提供的水平加载系统中，动态加载油缸包括位移和力两种加载方式，加载方式包括静态加载和动态加载方式，动态加载方式包括三角波、正选波和自定波形动态加载方式，能够提供最大水平静荷载为1000kn，最大水平动荷载为±300kn，频率为0.1-20hz。本发明的水平加载系统能够满足绝大多数直剪试验所需要的水平加载需求，同时与传统试验装置相比，能够实现水平振动荷载的施加，其对于研究现实中不同方向上的振动对断层剪切的影响将会产生很大帮助。
47、5、本发明提供的水平加载系统中，分为左右两个水平加载系统；相对于现有的只能在一个方向上进行剪切试验，其能进行的试验状况十分局限；但是在本试验装置中，左右各一个水平加载系统，让剪切试验中的颗粒试验可以进行反复剪切，这就使得所进行的剪切位移不会受到局限，同样对需要大位移剪切的试验提供了很好的环境。
48、6、本发明提供的水平固定系统中，分为左右两个水平固定系统，能够很好的固定住上剪切盒，限制上剪切盒的位移，尤其是上剪切盒的法向位移；在传统试验中，随着剪切试验地进行，上剪切盒与下剪切盒在直剪试验时，会由于水平位移增大，出现扭矩，而致使上剪切盒产生法向的位移，从而使颗粒会从上剪切盒和下剪切盒之间的缝隙中漏出，这对于试验数据会产生负面影响；本发明水平固定系统很好的解决了这个问题，限制住上剪切盒的位移，使试验数据更加可靠、准确。
49、7、本发明提供的水平固定系统中的限位板，与水平固定系统中水平传动轴之间通过可调节的螺纹固定，可以取下更换盒调节上下位置，使得水平固定系统很灵活的对于不同尺寸的剪切盒做出调整，并且降低耗材，节省经费。
50、8、本发明提供特制的剪切盒，其中，透明亚克力板可以更加清楚的观察并采集整个剪切试验过程，并有助于对采集的数据进行后处理；剪切盒中的垫块可以适应不同的试样尺寸，更加灵活的调节出所需要的试样空间。
51、9、本发明创新性的提出适应于本发明试验装置的一套分类方法-基于惯性数的流动区域分类方法，可以快速可靠的对不同试验条件下的不同分布的颗粒流动型进行分类，这将大大有利于后续对于颗粒剪切相关特性的研究工作。
1.一种颗粒摩擦的反复剪切试验装置，其特征在于：包括承载框架、法向加载系统、水平加载系统、水平固定系统、剪切盒、智能控制系统和高速摄像系统；
2.根据权利要求1所述的颗粒摩擦的反复剪切试验装置，其特征在于：所述承载框架包括若干块承载盘和若干根承载柱；其中两块所述承载盘对立设置，并固定于试验底座中的固定底座上，且两块所述承载盘与若干根所述承载柱螺纹连接；其中另一块所述承载盘位于所述承载框架的顶部位置，且该承载盘通过多根所述承载柱固定于固定底座上。
3.根据权利要求1所述的颗粒摩擦的反复剪切试验装置，其特征在于：所述试验底座包括试验座、可移动底座和固定底座；所述试验座固定在可移动底座上；所述可移动底座包括可移动箱和滑轮；所述可移动箱底部固定有滑轮，并通过滑轮设于固定底座上。
4.根据权利要求1所述的颗粒摩擦的反复剪切试验装置，其特征在于：所述法向加载系统包括法向动态加载油缸、法向传动轴、法向位移传感器和法向压力传感器；所述法向动态加载油缸通过螺纹与位于承载框架顶部的承载盘螺纹连接；所述法向传动轴一端与法向动态加载油缸相连，所述法向传动轴的另一端与所述剪切盒的顶部接触；所述法向位移传感器设置于所述法向动态加载油缸内并露出顶端，所述法向压力传感器固定在法向传动轴的下端位置。
5.根据权利要求1所述的颗粒摩擦的反复剪切试验装置，其特征在于：所述水平加载系统包括结构相同的左水平加载系统和右水平加载系统；所述左水平加载系统和所述右水平加载系统对称设于所述承载框架的两侧；
6.根据权利要求1所述的颗粒摩擦的反复剪切试验装置，其特征在于：所述水平固定系统包括结构相同的左水平固定系统和右水平固定系统；所述左水平固定系统和所述右水平固定系统对称设于所述承载框架的两侧；
7.根据权利要求3所述的颗粒摩擦的反复剪切试验装置，其特征在于：所述剪切盒放置在试验座上；所述剪切盒包括结构相同且互为连通的上剪切盒和下剪切盒，上剪切盒放置在下剪切盒上；
8.根据权利要求1所述的颗粒摩擦的反复剪切试验装置，其特征在于：还包括供油装置；所述供油装置分别与法向动态加载油缸、水平动态加载油缸和水平加载油缸连通。
9.一种基于权利要求1～8任一项所述的颗粒摩擦的反复剪切试验装置的颗粒流动型分类方法，其特征在于，包括以下步骤：
10.根据权利要求9所述的颗粒摩擦的反复剪切试验装置的颗粒流动型分类方法，其特征在于，所述步骤s9具体包括以下步骤：
