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采用詹尼克剪切仪测定散装固体剪切性能的标准试验方法（D6128-22）
本方法源于散装固体流动理论先驱詹尼克（A.W. Jenike）的经典研究，早在1970年代即形成雏形，后经ASTM D18.24分委员会多次修订，最终于2022年发布当前版本。标准的核心是规范使用詹尼克剪切仪测量散装固体在连续流动以及静置存储后的内聚强度，同时还可测定内摩擦角、堆积密度和不同壁面材料上的壁摩擦特性。它最广泛的应用场景是料仓和料斗的流动设计——通过提供准确的内聚力、摩擦角等参数，防止料流中出现结拱和鼠洞，并确定料斗壁的最佳倾角与光滑度以实现整体流。此外，这些数据也可用于储料设备的荷载与结构强度计算。标准明确要求所有观测值和计算值必须遵守D6026有效数字与修约规定，并且所有计量单位均采用国际单位制。对于在剪切盒行程内无法达到稳态流动的物料，例如高弹性颗粒类散料，则禁止使用本方法。
提示：对试样是否适用本方法，可通过预试验判断：在最大允许剪切位移内若不能达到稳态应力状态（连续三个循环应力偏差＜5%），则应更换其他方法。
标准不仅引用了D653土壤岩石术语、D2216含水率测定、D3740机构要求、D4753称量设备指南等，还参考了E177和E691有关精度与实验室间研究的规定。这些关联确保了试验的整体质量框架——从设备校准到数据分析都有据可依。适用范围虽然宽松，但实际操作中必须注意：只有那些能够在剪切盒有限行程内（通常约.25 mm）达到稳态的散料才能获得有效结果；对于黏性过强或颗粒弹性过大的物料，可能存在剪切带不发育或应力振荡的问题，因此需要事先筛选。
📋 概述与适用范围
标准由ASTM D18.24委员会制定，第一版发布于1997年，2022年版本对设备公差和校准程序进行了技术性修订。它专门用于评价散装固体在流动和静止后的剪切强度，所测参数直接指导料仓的防堵设计。适用对象包括从细粉到颗粒的各种散料，但必须能在剪切盒中达到稳态流动。典型不可测试物料包括高弹性橡胶粒、某些湿粘物料等。标准技术体系与D653、D2216、D3740等ASTM标准紧密衔接，所有数值处理须遵循D6026规则。
⚙️ 试验原理与方法
试验利用詹尼克剪切盒——由固定上环和移动下环组成，中央填满压实散料。对试样施加垂直载荷后，下环以恒定速率（通常0.5 mm/min）水平移动，使散料沿上下环界面剪切。剪切应力经数据采集系统连续记录。试验分两阶段：首先在设定的垂直应力下进行预剪切，直到剪切应力不再随位移变化，此即“稳态”；随后降低垂直应力进行破坏剪切，记录峰值应力。每个垂直应力水平需重复至少三次。通常采用5个不同垂直应力（例如1、2、4、6、10 kPa）进行全套试验，从而绘制破坏包络线，得出内摩擦角和内聚力。
警告：垂直加载系统与剪切力传感器的线性误差必须控制在满量程的 ± 0.5 %以内，否则将导致摩擦角计算严重偏离。
壁摩擦试验的步骤类似，只是在下环底部安装待测壁面材料板，上环仍填充散料。通过测量不同垂直应力下发生滑动时的剪切力，计算壁摩擦角。试样制备需按D2216控制含水率，并过筛去除粒径大于剪切盒高度1/3的颗粒。装样时采用分层压实至目标密度，密度偏差应小于 ± 2 %。全部试验应在温度为23 ± 2 ℃、相对湿度50 ± 10 %的条件下进行，以保证结果可比较。
📊 技术参数与指标
| 参数 | 技术要求 |
|---|---|
| 剪切盒内径 | 95.0 mm ± 0.1 mm |
| 剪切盒总高度 | 35.0 mm ± 0.1 mm |
| 上下盒间隙 | 0.10 mm ± 0.05 mm |
| 盒体材质 | 不锈钢，洛氏硬度C ≥ 55 |
| 剪切行程 | ≥ 25 mm |
| 控制项目 | 规定范围或精度 |
|---|---|
| 垂直应力范围 | 1.0 kPa ~ 100.0 kPa |
| 垂直载荷示值误差 | ≤ ± 0.5 % |
| 剪切力示值误差 | ≤ ± 1.0 % |
| 剪切位移速率 | 0.500 mm/min ± 0.001 mm/min |
| 数据采集频率 | ≥ 10 Hz |
| 垂直应力 σ (kPa) | 稳态剪切应力 τ_ss (kPa) | 破坏剪切应力 τ_f (kPa) |
|---|---|---|
| 2.00 | 1.18 | 1.56 |
| 4.00 | 2.35 | 3.10 |
| 6.00 | 3.52 | 4.63 |
| 8.00 | 4.68 | 6.15 |
| 10.00 | 5.85 | 7.68 |
垂直应力与剪切应力的线性拟合斜率即为内摩擦角正切值，纵截距则为内聚力。壁摩擦系数的计算与此类似。标准要求报告所有原始数据、拟合曲线、以及计算的流动函数（FF）。若试验出现明显偏离线性的情况，则需检查试样是否饱和或发生了颗粒破碎。
🔬 工程应用与注意事项
内摩擦角和内聚力是决定散料在料仓中能否形成稳定料拱的关键。通过Jenike流动理论，将实测参数转化为流动函数（FF），再与料仓的流动系数（ff）比较：若FF > ff，则确保整体流动。壁摩擦角直接决定料斗的最小倾角（通常壁摩擦角 + 5°～10°）。因此，在设计新料仓或诊断已有料仓堵塞时，必须按照D6128获得可靠数据。需要注意：试样应与实际储料相同，尤其是水分和颗粒级配；壁摩擦测试用的壁面板应从现场料仓壁切取或用同种材料加工，表面粗糙度需代表使用状态。
要点：成功的设计不仅要测准参数，还须考虑料斗壁面在长期使用中的磨损与粘附变化，建议在试运行后进行验证测试。
质量控制方面，每个试验日应选用一种标准参考物料（例如干石英砂）进行校核，确保设备状态正常。数据判读时，若内聚力与垂直应力之比异常（一般不超过0.3），需检查试验是否存在漏气或侧壁摩擦干扰。对于压力敏感性较强的散料，可适当增加垂直应力水平至100 kPa以模拟实际贮存条件。
❓ 常见问题解答
🔍 问：詹尼克剪切试验与常规直剪试验有何本质区别？
答：常规直剪试验强制剪切面位于上下盒之间，适用于土壤；而詹尼克试验通过预剪切使散料达到稳态，剪切带自然发展，因此更真实反映散料在仓内连续流动后的强度，且能测试壁摩擦，更适合料仓设计。
答：常规直剪试验强制剪切面位于上下盒之间，适用于土壤；而詹尼克试验通过预剪切使散料达到稳态，剪切带自然发展，因此更真实反映散料在仓内连续流动后的强度，且能测试壁摩擦，更适合料仓设计。
💡 问：如何判断试验是否已达到稳态？
答：当剪切应力随位移不再上升，且连续三个剪切循环的峰值应力变化小于该应力水平的5 %时，即可认为达到稳态。若超过25 mm行程仍不满足，则判定该物料不宜用本方法。
答：当剪切应力随位移不再上升，且连续三个剪切循环的峰值应力变化小于该应力水平的5 %时，即可认为达到稳态。若超过25 mm行程仍不满足，则判定该物料不宜用本方法。
⚡ 问：试样含水率对结果影响多大？
答：含水率是影响内聚力最敏感的因素。一般随含水率增加，内聚力先升后降。标准要求试验前后按D2216测定含水率并控制偏差在0.5 %以内，否则必须重新制样。
答：含水率是影响内聚力最敏感的因素。一般随含水率增加，内聚力先升后降。标准要求试验前后按D2216测定含水率并控制偏差在0.5 %以内，否则必须重新制样。
📌 问：壁摩擦试验对壁面板有何要求？
答：壁面板应与实际料仓材料一致，表面加工状态（粗糙度、硬度）也要代表使用情况。标准建议在安装前用待测散料进行预磨，使接触面达到实际运行时的状态。
答：壁面板应与实际料仓材料一致，表面加工状态（粗糙度、硬度）也要代表使用情况。标准建议在安装前用待测散料进行预磨，使接触面达到实际运行时的状态。
🎯 问：试验数据如何直接用于料斗设计？
答：由壁摩擦角计算料斗最小倾角（通常为壁摩擦角 + 10°）；由内摩擦角和内聚力计算流动函数FF，再依据料斗几何形状求流动系数ff，若FF > ff则保证整体流，否则会发生漏斗流或堵塞。
答：由壁摩擦角计算料斗最小倾角（通常为壁摩擦角 + 10°）；由内摩擦角和内聚力计算流动函数FF，再依据料斗几何形状求流动系数ff，若FF > ff则保证整体流，否则会发生漏斗流或堵塞。
关键注意：任何试验数据的有效数字位数应遵循D6026的规定，最终报告的内摩擦角精确到0.1°，内聚力精确到0.01 kPa，不可随意修约。
通过严格遵循D6128-22所规定的试验流程与精度要求，工程人员能够获得高质量的剪切参数，为散料储运设备的安全、高效设计奠定坚实基础。
