（岩土工程专业论文）基于三轴试样局部变形测量的土体应力应变特性研究.pdf

大连理工太学耩士学位论文 摘要 弱部变形数字盈像溯量技术在三轴试样交形测爨中的应闰，克服了传统变形测 量方法的不足，提高了变形测量的糖废，为土工三轴试验提供了全瓶豹、更合理有 效的变形测量手段。本文对局部变形测量条件下土体的变形特性进行了试验研究。 分析了不同因素造成的测量误差，提出了相应的消除或减小误差的方法。在测 麓系统的爰常使用条件下，系统的精度可以达到理论耩度，满足试榉变形高糕度测 爨的要求。 利用三轴试样变形图像测量系统开展了膜嵌入问题研究。选取d u n c a n - c h a n g 模 涎、剑桥模型与南水模型，并以d u n c a n c h a n g 模型为主澍基予局部变形测量结果的 主体应力巍交特性进行了分橱。通过对模型参数确定方法的研究，分毒斥了局部变形 与整体测量方法得出的参数产生差异的原因及对计算结果的影响。由于测量方式和 测量部位的不同，d u n c a n c h a n g 模型中反映初始弹性模量与初始体积模量的参数 k 、n 和k b 、m 的差别很大，特别是k 和凰值；南水模蘩中由局部交形溺量缩果得 出的r d 、c d 、d 与传统整体变形计算的结果存在很大差异；剑桥模烈中参数五、茁也 因体积测量结果及变化规律的不同而有成倍的差异。由存在差异的参数计算土体变 形的结果也不同。 体泊松拢是反浃土体侧向变形的重募参数。通过对泊松比试验结果进行的分 毒厅，锝出了泊松比的变化援律：轴向应变。径肉应变关系曲线的变化规律在各匿压 条件下仍保持基本相阎，切线泊松比在加载初期从o 2 o 3 开始变化，达到o 5 时的 径向变形很小。图像测量局部变形的切线泊松比变化比传统测量整体变形的快，其 值也跑传统测量整体变形的结柒大。随主应力比的增加，切线泊松比随之增加，当 体主应力比达到一定范嘲后，切线泊松比的值犬于o 5 ，建立泊松比与主应力比之 间的关系更符合泊松比取值规律。 分析了砂性材料三轴循环加卸载试验结果，由于颗粒骨架的结构性，加载达到 一定褥载霜，只要试样体积出现膨胀，餐载就会出现钵缩。薅藿密度、加载藏围的 增大，卸载体缩现象越明鼹，卸载体缩现象减退所需要的加卸载循环次数越多。多 次加卸载循环后，颗粒的滑移、滚动和破碎等结构性变形最终将完全消除。 关键调：麟邦变形；图像测量；三轴试验；应力应变关系；参数整理；泊捡比； 循环加卸载；孔隙介质 基于三李由试样镯部交彤测繁的土体应力应变特性研究 s t u d yo nt h es t r e s s - s t r a i nc h a r a c t e r i s t i c so fs o i l sw i t ht r i a x i a lt e s t b a s e do nl o c a ld e f o r m a t i o nm e a s u r e m e n t a b s t r a c t t h e a p p l i c a t i o n o fd i g i t a l i m a g ep r o c e s s i n gt e c h n i q u e f o rl o c a ld e f o r m a t i o n m e a s u r e m e n ti nt r i a x i a lt e s tl e a d st om u c ha d v a n t a g e sc o m p a r i n gt ot r a d i t i o n a lm e a s u r i n g m e t h o d i ti m p r o v e st h ea c c u r a c yo fd e f o r m a t i o nm e a s u r e m e n t ，a n dp r o v i d e san e w ，m o r e r e a s o n a b l ea n de f f e c t i v em e t h o di n s p e c i m e nd e f o r m a t i o nm e a s u r e m e n t b yu s i n gt h e d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gt e c h n i q u e ，s t r e s s - s t a i nc h a r a c t e r i s t i c so fs o i l sa r es t u d i e db a s e do n l o c a ld e f o r m a t i o nm e a s u r e m e n to f s o i ls p e c i m e n f i r s t l y ，t h et h e s i sa n a l y z e st h ee r r o r sc a u s e db yd i f f e r e n tf a c t o r s a n dp r o p o s e s c o r r e s p o n d i n gm e t h o d st oe l i m i n a t eo rl e s s e nt h ee r r o r s s o m ei t e m s f o rm i n i m i z i n g m e a s u r e m e n te r r o r sa n dn o t i c e dt e s t i n gc o n d i t i o n sa r el i s t e d t h ep r e c i s i o no fd i g i t a li m a g e p r o c e s s i n gt e c h n i q u e c a nr e a c ht h et h e o r e t i c p r e c i s i o n a n ds a r i s f yh i 醇p r e c i s i o n r e q u i r e m e n to f s p e c i m e nd e f o r m a t i o nm e a s u r e m e n tu n d e rs t e a d yc o n d i t i o n s e c o n d l y ，w i t ht h eh e l po fl o c a ld e f o r m a t i o nm e a s u r e m e n ti nt r i a x i a ld e f o r m a t i o nt e s t ， t h ea u t h o rs t u d i e st h em e m b r a n ep e n e t r a t i o no ft r i a x i a l s p e c i m e n ，a n dd i s c u s s e st h e c h a r a c t e r i s t i c so fs o i ls t r e s s s t a i n p r o p e r t y i nl o c a ld e f o r m a t i o nm e a s u r e m e n tu s i n g d u n c a n - c h a n gm o d e la l o n gw i t hc a m c l a ym o d e la n dn a n s h u im o d e l b ys t u d y i n go nt h e d e t e r m i n a t i o nm e t h o do fm o d e lp a r a m e t e r s ，t h et h e s i sc o m p a r e st h ep a r a m e t e r so ft h et w o m e t h o d s ，a n dd i s c u s s e st h ei n f l u e n c eo nt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t s b e c a u s eo f t h ed i f f e r e n c eo f m e a s u r e m e n tm e t h o d sa n dm e a s u r e m e n ta r e a ，t h ep a r a m e t e r sa r ed i f f e r e n tf r o me a c ho t h e r b e t w e e nl o e a ld e f o r m a t i o na n dw h o l ed e f o 黼a t i o nm e a s u r e m e n to ft h et h r e em o d e l s i n d u n c a n c h a n gm o d e l ，t h ed i f f e r e n c eb e t w e e n 墨na n dk b ，mi sn o t a b l e ，p a r t i c u l a r l yk a n d 焰i nt h en a n s h u im o d e l ，t h e r ea r eg r e a td i f f e r e n c e sa m o n gr d ，e da n dd s i m i l a r l y ，t h e r e a r et i m e so fd i f f e r e n c eb e t w e e n sp a r a m e t e r s ) 、a n dki nc a m - c l a ym o d e l t h ec a l c u l a t i o n r e s u l t sb a s e do nt h e s ei n a c c u r a t ep a r a m e t e r sa r ea l s oi n a c c u r a t e t h i r d l y ，t h es o i l sp o i s s o n sr a t i oi sa r li m p o r t a n tp a r a m e t e rf o rt r a n s v e r s ed e f o r m a t i o n t h el a wo f p o i s s o n sr a t i oi nt h i ss t u d yi so b t a i n e df r o mt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s 。t h ea x i a l s t r a i n r a d i a ls t r a i nv a r i a t i o nt r e n di ss i m i l a ru n d e rd i f f e r e n tc o n f i n i n gp r e s s u r e t h et a n g e n t p o i s s o n sr a t i oc h a n g e sf r o m0 2t o0 3a ti n i t i a ll o a d i n g a n dr e a c h e so 5a tv e r ys m a l l s t r a i n t h et a n g e n tp o i s s o n sr a t i oo fl o c a ld e f o r m a t i o nc h a n g e sf a s t e rt h a nt h a to f t r a d i t i o n a lw h o l ed e f o r m a t i o nm e a s u r e m e n ta n dt h ev a l u eo ft h ef o r m e ri sl a r g e rt h a nt h a t - i i 大连理工大学博士学位论文 o f t h el a t t e r t h es o i lt a n i g e n tp o i s s o n sr a t i oi n c r e a s e sa st h ep r i n c i p a ls t r e s sr a t i oi n c r e a s e s w h e nt h ep r i n c i p a ls t r e s sr a t i oo ft h es o i lr e a c h e sac e r t a i nv a l u e ，t h et a n g e n tp o i s s o n s r a t i ow i l lb el a r g e rt h a n0 5 。i ti sr e a s o n a b l et oe s t a b l i s ht h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e p o i s s o n sr a t i oa n dp r i n c i p a ls t r e s sr a t i o f i n a l l y ，t h et h e s i sa n a l y z e st h er e s u l t so ft r i a x i a lc y c l i cl o a d i n ge x p e r i m e n to fs a i l d y s o i l d u et ot h ea t t r i b u t e so fs o i l sp a r t i c l e f r a m e w o r k ，i fl o a d i n ga r r i v e sa tac e r t a i ne x t e n t ， t h ev o l u m ew i l ls h r i n ki nu n l o a d i n ga sl o n ga st h es p e c i m e ne x p a n d si nl o a d i n g w i t ht h e i n c r e a s i n go fd e n s i t ya n dt h el o a ds c o p e ，t h ep h e n o m e n ao fe x p a n d i n gi nl o a d i n ga n d c o n t r a c t i o ni n u n l o a d i n gb e c o m em o r eo b v i o u s ，a n dr e c o v e r i n g o ft h ec o n t r a c t i o no f v o l u m en e e dm o r et i m e so fc y c l i cl o a d i n g 。a f t e rs e v e r a lt i m e so fc y c l i cl o a d i n g ，t h e s t r u c t u r a ld e f o r m a t i o no fp a r t i c l e s ，s u c ha ss l i p p a g e ，r o t a t i o na n dc r u s h i n g ，w i l lf a d ea w a y e v e n t u a l l y a n dt h es t r u c t u r ed e f o r m a t i o nw i l la r r i v ea tas t 北! cs t a t e k e yw o r d s ：l o c a ld e f o r m a t i o n ；i m a g ep r o c e s s ；t r i a x i a lt e s t ；s t r e s s - s t r a i nr e l a t i o n ； m o d e lp a r a m e t e r ；p o i s s o n sr a t i o ；c y c l i cl o a d i n g ；p o r o u sm e d i u m i i i 基于三轴试样局部变形测量豹体应力应变特性研究 插豳清单 图2 1 三轴试验系统示意图5 图2 2 三轴试验基本原理。6 图3 1 三轴试样变形图像测量系统组成2 2 图3 2 三轴试验配套设备改制2 3 图3 3 三轴试样变形图像测量2 3 图3 4 温度、直径和高度时间曲线( 升温) 2 7 雷3 5 温度、直径和高度黠阁曲线( 降温) 2 8 圈3 6 直径测跫误茇澄度改变量关系2 8 图3 7 温度、直径和意度时间曲线( 包含光线交化影响) 2 9 图3 8 电压、温度、直径和高度时间曲线3 0 图3 9 温度、蹇径和商度对阀l 接线( 稳定状态) 3 2 闺3 ，l o 分层试验试样稳体图像( 试验结束时) 3 4 图3 11 试样层西局部放大图像及其层露轮廓。3 5 图3 1 2 图像测量视场内三轴试样图像3 5 瀚3 1 3 粉煤灰三轴试样剪切带破坏形态3 7 圈3 1 4 图像测量区域3 8 图3 1 5 不同围压下的端郝膜嵌入及藏水区的体积变化4 0 图3 1 6 等向固结体积变化示意图4 i 图3 。1 7 不同围压下的貘嵌入4 l 图3 1 8 圪a 或o ，d 关系曲线图4 2 图3 1 9 匕五( 氏，妇) 墨关系曲线图4 3 图3 2 0 不同围压下膜嵌入体积与特征粒径d ；。关系曲线4 4 图4 1 标准砂试样( p a = 1 6 6 1 9 c m 3 ，n = 0 。6 7 ) 2 成变范围内偏差应力 轴向成交关系曲线4 7 图4 2 标猴砂试样( p a = 1 6 6 1 9 e r a 3 ，魍= o 6 7 ) 2 应变范围内偏差应力 轴向成交关系曲线( 交换级坐标) 4 8 v 1 大连理工大学博士学位论文 图4 3 标准砂试样( 岛= 1 6 6 l g ，c 一，q = o 6 7 ) 变换纵坐标主成交关系曲线 4 8 图4 4 标准砂试烊( p , x = 1 6 6 1 9 , c m 3 ，口= o 6 7 ) 偏差应力、体积应变轴向应变关系 曲线4 9 圈4 5 双曲线应力瘟变关系一5 5 图4 6 变换纵嫩标的应力应变关系5 5 图4 7 初始弹性模量随围压变化曲线5 6 黧4 8 双曲线主应变关系5 6 圈4 9 变换纵艇标双曲线主应变关系5 7 图4 1 0 初始泊松比随围压变化曲线5 8 图4 。1 1 初始切线体积模量随围压变化曲线5 9 图4 1 2 剑轿模型参数的定义6 0 圈4 1 3 应力、体积应变轴向应变关系曲线6 1 图4 1 4 标准砂等向压缩及膨胀试验结果7 2 圈4 1 5 糕等囱压缩及膨胀试验结鬃7 2 图4 1 6 各参数变化对水平位移的影响7 4 图4 1 7 各参数变化对垂直位移的影响7 4 图4 1 8 三种试验材料的剐度 匕较7 5 图5 1 细砂轴向应变径向应变关系蓝线8 3 图5 2 标准砂轴向应变径向应变关系曲线8 3 图5 3 粉土轴向应变径向应变关系曲线( 岛= 1 4 0 9 c m 3 ) 8 4 翻5 4 粉土轴国应变径国应交关系曲线( 岛= 1 。5 0 9 c m 3 ) 8 4 图5 5 粉土轴向应变径向应变关系曲线( 功= 1 6 0 9 c m 3 ) 8 4 图5 6 细砂切线泊松比径向应变关系曲线。8 5 图5 7 标准砂切线泊松比径自应变关系赭线8 5 图5 8 粉土切线泊松比径向应变关系曲线( , o d = 1 4 0 9 c m 3 ) 8 6 图5 9 粉土切线泊松比径向应变关系曲线( 戊= 1 5 0 9 c m 3 ) 8 6 图5 1 0 粉土切线泊松沈经向应变关畚赭线( 岛一1 。6 0 9 e r a 3 ) 。8 6 图5 1 1 细砂切线泊松比主应力比关系曲线8 7 图5 1 2 标准砂切线泊松比主应力比关系曲线8 7 圈5 1 3 粉主切线泊松比主斑力比关系曲线( 反= l 。4 0 9 c 矗) 8 8 v i i * 基于三轴试样蜀郝变形测量缒体应力应交特性研究 图5 1 4 粉土切线泊松比主应力比关系曲线( p u 一1 。5 0 9 e m 3 ) 8 8 图5 1 5 粉土切线泊松比主应力比关系曲线( 岛= 1 6 0 9 c m 3 ) 8 8 图5 1 6 有限元计算网格剂分图9 0 图5 。1 7 变形嘲格图( 放大l o 倍) 9 0 图5 + 1 8 主应力比等值线图9 l 图5 1 9 泊松比等值线图9 l 图6 1 轴向、径向和体积应变时间关系曲线( 2 0 n 1 3 p m a x ) 9 7 图6 2 偏差应力轴向应变关系曲线( 2 0 n l t 3 p 。) 9 7 图6 3 象l j 向、径向和体积应变时间关系曲线( 2 0 n 2 3 p m a x ) 9 8 圈6 4 偏差应力轴向应变关系曲线( 2 0 n 2 3 p m a x ) 9 8 图6 5 轴向、径向和体积应变时间关系曲线( 未经历第一级加卸载循环，2 0 n 2 3 p m 。) 9 9 图6 6 轴向、径向和体积应变时间关系曲线( 2 0 n 9 5 p r o 。) 1 0 0 图6 7 偏差应力轴向应变关系曲线( 2 0 n 9 5 p ) 1 0 1 图6 8 轴向、径向和体积应交时间关系曲线( 未经历前两级加卸载循环，2 0 n 9 5 予越) 打，0 。1 0 1 图6 9 ( a ) 小荷载结构变形：( b ) 大荷载结构变形1 0 2 鞠6 1 0 不同加载条件下泊松比的变化曲线1 0 3 大连理王大学博士学位论文 附表清单 表3 1 不同算法对应的3 盯值2 4 表3 2 变截面铜柱直径测量结采2 5 表3 3 澄度变化对应的赢径测量耦对误差2 7 表3 4 试验材料的基本参数一3 9 表4 1 d u n c a n c h a n g 模型、剑桥模型和南水模型参数取值分析6 2 表4 2 试验嗣土豹基本参数6 5 表4 3 试样的控制密度6 5 表4 4 不同测量方法得到的标准砂的d u n c a n c h a n g 模趔和南水模型参数6 8 表4 5 不同测量方法得到的细砂的d u n c a n c h a n g 模型和南水模型参数6 9 表4 6 不同测量方法得到的粉的d u n c a n c h a n g 模蝥和南水模型参数6 9 表4 7 不同测量方法褥到的旗的d u n c a n - c h a n g 模型和南水模型参数7 0 表4 8 不同测量方法标准砂参数足、凰和臼的比较7 0 表4 9 不同测量方法细砂参数k 、蚝和。的比较7 l 表4 1 0 不同测量方法粉主参数置、托和。的比较7 1 表4 1 l 不同测量方法糙参数x 、置。和白的比较7 表4 1 2 习；同测量方法标准砂参数r ，的比较7 l 表4 1 3 表4 1 4 表5 1 表5 2 表5 3 表5 4 表6 1 不同测量方法得到的标准砂和粘土的剑桥模型参数7 3 最大水平位移和竖向位移计算结果7 3 土的试验控制密度和围压8 0 切线涫松比鹪= o 5 对应的主应力比q ，8 2 粉土有限元计算捞料参数。8 9 不同泊松比对应的竖向位移计算结果 试验材料的基本参数 1 x 8 9 9 5 独创性说锯 作者郑重声明：本博士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人黑经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 大连理工大学或其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一嬲工作 的阍志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢 意。 作者签名：妇掘习期：鱼篓掣 大连理工大学博士学位论文 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权 搜用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部f l 或机构送交学位论文的复印 件和电子版，允许论文被奁阅和借阅。本人授权大连理王大学可以将本学位论文的 金部或部分 i = 容编入有关数据库进行捡索，也可采用影印、缨印或扫撼等复铡手段 保存和汇编学位论文。 作者签名丕圭鲞搬 翩铭：卑缈厂 碰年f ! 月j 卫目 1 2 5 大连理工大学博士学位论文 1 引言 岩体积土体是岩工程研究的主要对象，趣袭的岩体经过风化作髑后形成了 土，它们或留存在原地，或经过风、水及冰川的剥蚀和搬运作用在异地沉积形成土 层。在各地质时期各地区的风化环境、搬运和沉积的动力条件均存在差异，因此土 体不仅工程性质复杂两且其性质的区域性和个性很强 1 ；2 1 。 土体支撑或组成着大量豹岩土工程结构，巍然形成的山坡、海岸、河岸和人工 构筑的坝坡、路堤等乏所以能保持一定的坡度或直立状态，是因为士体本身具有一 定的强度。各种构筑物的玻度或直立的高度都是有一定限度的，这种g 艮度是由其自 身的强度所决定，如超过其强度承载能力就会发生滑动或坍塌两产生破坏。挡土壤 坍塌、房腿因地基破坏箍倾倒等事故，就是土体内部由于外加旖载所产生的剪鹿力 超过了土体捷剪强度所致。因此在崭工程勘察设计中，它f f 的基础或组成成份一 体的物理力学性质弑要被充分疆究和分析，纂本思路都是先通过试验线参考弱类 工程确定土体强度和变形参数，然黯进行有限元分手厅。土豹强度参数是计算和疆究 土体稳定性、地基承载力帮压力等的熏要指标髓4 1 。 是斑固体颗粒、水积气三楣藏出固体颗粒鞠水或固体颗粒和气两魍所组成 的，它的力学性质比一般金属韦孝料或其它 金属材料的力学憔震要复杂的多，其力 学性质不仪与地质条件蠢关，焉显与它豹含水率、颗粒级配、矿物成分、密度零日加 载历史等荫密切关系。的特性复杂的另一个原因在于箕结构性，土的结构可视为 一个赉单鞭、集粒或凝块等骨架单元共同形成的空润结构体系，它浆单咒形态( 单 粒的矿物碎属与榘粒或凝块) 确定了力的传递性能和士的变形性质，它的连接方式 ( 点接触、西接触) 确定了的结构强度，它的摊列方式( 大孔隙、架空孔隙、粒 闻藐黢) 确定了主的稳定性。因此在测试的强度参数时，不仅要考虑工程设计要 求、施工条件及运用条件、更要考虑土的物理性震、结构性质等因素，然看才选定 用什么试验方法和仪器溺定的强度参数和变形参数，醣使其试验结果能符合工程 静实际情嚣。一个工程在勘察设计辩，采脂的强度参数不适当掰弓| 越豹误蓑，要比 计算方法不合理所引起的误差大得多。因貌科学地避行土的力学性质试验，正确地 确定土的强度和变形参数，是保证土工构筑物的安全性和经济性的重要条件捧冲。 建立土的本构关系理论，酋先需了解土的应力应变强度关系的规律。以往本构 模型研究中不少学者只熏视本构方程的建立，而不重视模型参数的选用研究，也不 重视模型参数的试验研究工作。只有重视模型参数的测定和逸用，重视本构模型验 证及摊广威用研究，才能更好为工程建设服务“j a 基于三轴试样局部变形测置的土体应力应变特性研究 由于土的力学性质的复杂性，就要求用尽可能“完美”豹、精密的、功能齐全 的仪器来揭示这些规律。另一方面，为了便于实黼应用，又需要尽可能的简单和普 及的仪器来进行试验确定模型参数。三轴试验基本满足了这些要求，是岩土工程中 最常用的室内土工试验之一，也怒确定许多模型参数必须要进行的试验。 l 。1 向题陈述 土力学是- - f q 实践往穰强的学科f ”，它的发展与试验测试技术的发展密切相关， 三轴试验是工试验中项薰要的力学试验，对力学的发展起到了十分黧要的作 用。自1 9 3 4 年荚国人r e n d u l i c 首先丽这种方法测定土的强度参数以来，迄今已有 6 0 余年豹历史。在这期间，有关试验的测试技术有了很大发展，垦前，三轴试验现 已成为溯定土的静力特性、动力特性和研究砂土液化的主要试验方法，是研究土本 孝句关系的主要手段f 6 ；9 “3 1 ，利用三轴试验测定的土的参数已成为重要岩土工程设计的 主要依据 1 4 + 1 9 】。 然两受仪器本身和土的教粒体特健的限制，现行豹三轴试验在试验方法和变形 测试手段上仍然存在一些缺点和不足 1 ；2 们。圭要缺点之一是三轴试样中的应力应变 不够均匀。由于刚性试样帽( 和底座) 限制试样的末端向侧向变形【3 0 3 2 l ，在试样帽 ( 和底座) 与试样之阉存在剪应力，而试样的中间部分却不受约束，当试样接近破 坏对，不是被压成鼓形就是被挤成颈状。不少学者曾提出多种溃除试样末端约束的 方法，健都束能很好地解决这个闽题。其中使用效果较为可_ 以的润滑试样帽法在消 除了末端约束的同时，也出现了一些不利于试验的副作用，因此也朱能得到广泛应 用。 在三轴试验变形测量中，试样的轴弼变形璧通过测量传力杆静相对位移来确 定，这种测爨办法的精度不高：两试样的侧向变形量则根摄实测的轴向变形量和体 积变化跫间接求得，在计算中还假定试样不同高度处的侧向变形量是相同的，箕可 靠性蔓差；试样静体积变形遥过试样内部排出残吸入的水量变化确定，这又要求三 轴试榉完全饱和，事实上试样的饱稍过筏费时费力，而且完全饱和遂常瞧难以做 到。 此外，三轴试验试样变形的传统测量方法还无法估计试样饱和过程中的体积变 化，也无法把它壹接应用于 饱季瑟主试样变形的测爨。把计算机数字图像测最技术 应用子土工三轴试验，可以克服这蛰缺陷和不足，为王三轴试验提供一种新的、 更为食理有效的变形测量手段。 2 ， 大连蘧工大学博士学位论文 应用数字图像测量技术测量兰轴试验试样的变形，有许多传统测量方法不能比 拟的优越饿：较高的变形测量精度，可以测量到小应变条件下的土体变形；非接触 式变形测壁，不扰动试榉，不予抗试样的交形：适用于三轴试样的大变形测爨；可 以任意选择测量断面，实现三轴试样轴向变形和径向变形的直接测量；可以在试样 变形测量的同时用图片的形式记录三轴试验的全过程，便于试验结束以后对试样变 形的重掰分析和研究。 近年来，随麓原位监溯技术的提离，许多工糕获得了较为详实的现场实测资 料。通过这些资料人们逐渐发现在深基坑开挖和大型建筑物的基础设计等许多工程 实际问题中，大部分体所发生豹变形远没有数值分析结果显示的那样大，也就是 说，土体小应变闷题在工程中豹存农是较为广泛盼 3 3 - 3 7 1 。颓虽，邋过原位监测资料 反算出的土体豹参数，尤其是劲度参数也比通过常规警内试验所提出的参数要犬很 多f 3 8 ；3 9 】。这些发现使人们意识到用原来历假设的线弹性应力一应变关系米描述小应 变范围内土体豹变形特憔，与土体在小应交范围内的真实特性有缀大的不同。旁了 高精度的褥鄙交形测量技术，可以对土体在小应变范围内的应力应变特性舞展研 究，数字瀚像测爨技零及其它变形测量技术的疲用及其精度的不峨提高为开展这样 的研究提供了一种酉g 惶 3 5 砌】。 研究体，j 、应交特梭的重要性袁到近年来才弓| 起人们关液，这一方两源于人们 认识翡发展道程，另一方面也因为在此曾土体试验豹测璧精度受到试验仪器的限 制。由于存在各种误差，常规三轴仪样变形豹测量精度通常只麓达到1 。应用数 字图像测爨技术，样变形豹测量精度可以达到o 0 1 2 1 ；2 2 ；4 拍5 1 ，试验数攥豹真实 可靠往及精度已经远远超过了传统变形测量方式褥到的数据。 l1 2 论文的研究遁标和主要工作 本论文的研究目标是论述局部变形图像测量技术在土工三轴试验中的应用，及 基于三轴试样局部变形测量的土体应力应变特性。论文正文共i t i j t , 章组成。 第一章为引言，包括问题陈述、研究目标和主要工作a 第二誉首先介绍了棚关的基础知识和文献综述，分别从三辘试验的基本知识、 土体应力艨变特性研究进展和试样局部变形数字图像测量系统三方面对研究基础、 理论鹜景鄹试验条件进撑了阐述。对三轴试样变形的常规测量方法以及它们的改进 作了比较分孝斥，明确了三轴试榉变形测量存在的妻要问题。基于对三轴试验的重要 性及其传统测量方法存在缺陷的方蘑考虑，一零中新改进的变形测量方法一局部变形 数字图像测鬣方法被提出，并鼠在研究体的应力应变特性研究方面褥到了充分应 用。 3 基予三轴试样局部变形颡4 量的土体应力应变特性研究 第三章襻细论述了三轴试样交澎图像测蹩系统的缝成、渊试骧理，通过具体试 验数据论证了系统的稳定性和测试精度，并分析了产生误差的原因和影响测试精度 的因素，给出了正常使用条件下的系统测试精度和试验注意事项。在本章中回顾了 利用三轴试样变形图像测量系统开展的试样端部约束问题和剪切带闯题研究，研究 7 妙性材料橡皮膜嵌入婀题，透过试验成果分析7 三轴试栉变形强像测量系统在三 轴试验变形测量中的应用前景。 第四章利用三轴试样变形图像测量系统，通过对福建标准砂、石佛市细砂、毛 营粉土和阳浇原状粘士等材料的三轴试骏结果，研究发现不箍铡熏方式得出的 琢m c 8 n c h a n g 模裂、剑桥模型和南水模型参数懿羞别缀大，分援零出数字图像局部 变形非接触式测量与传统整体测量方式的结果不问是导致模型参数存在差异的主要 原因。通过数值算例说明了模型参数差别对位移计算结果的影响程度。 第五章对土体泊松眈参数进行了试验研究和计算敬值探讨。泊松比是反映体 变形特性豹重要参数，善先盟确了渡松比的原始定义及其物理意义、传统的泊松比 研究方法及计算取值依据，利用三轴试样图像测蔗局部变形和传统测量整体数据分 析了泊松比的变化趋势及泊松比取值对计算结果的影响。 第六章中利用可提供循环加绨载酶试验机和局部变形图像测量，盏接测量试样 魄体积变化，i | i 虽测量变形的精度较麓，利用三轴试样变形图像测量系统的这个优 势，设计了砂性材料的三轴循环加卸载试验，研究了砂性散体材料在不同状态下的 轴向、径向和体积变形特性以及泊松眈的变化。 第七章及理论上分析考虑孔隙交形的魏隙介质应力应变关系，首先给出了孔隙 介质的视应力、视应变、骨架实鞴应力和骨架实际应变的定义，并在理想孔隙介质 的物质模型假定下讨论了理想孔隙介质的本构关系，利用近似理想孔隙介质的材料 的三轴试验局部变形测量结果验 芷了理论分析结菜。 第八章总结了基予三轴试样鼹部变形测量熬试验结论和局部变形研究的意义， 提出了寄待进一步解决的问题。 4 大连理工大学博士学馒论文 2 1 三辘试验基本知识 2 ，1 1 三轴试验功缝及试验步骤 三轴试验是用来确定土体强度帮变形特性的室内常用试验方式，不仅可以用来 确定土体的破坏或极限强度，还可以获得材料的应力应变关系，这种本构行为在挡 土墙、大坝和基础设计中起到非常震要的作用。自1 9 3 4 年美国人r e n d u l i c 酋先用这 种方法测定土购强度参数以来，迄今已蠢6 0 余年的历史。在这期闫，有关试验豹测 试技术有了很大发展，目前，三轴试验现已成为测定土的静力特性、动力特性和研 究砂土液化的主要试验方法，是研究土本构关系的主要手段。利用三轴试验测定的 土的强度参数和模聚参数已成为重要岩工程设计的主要依据4 4 朝。 三轴试验系统0 较复杂，是由些不同功能的装置缀会而成，图2 1 是三轴试验 系统示意图，兰轴试验系统主要组成部分为 6 】：三轴压力室、围压控制系统、轴向加 荷系统、反压控制系统、体变测量装置、孔隙压力测量系等。 图2 1 三轴试验系统示意圈 f i g 2 。1 t r i a x i a lt e s te q u i p m e n t ( d i a g u a m m a t i e ) 量 管 常规三轴试验方法f 4 胡的主要步骤如下：将圆柱体试徉用氍胶膜包裹，弱定在压 力壤内的底座上，橡皮膜下端绑扎在底座上，上端绑扎在试样幄上，使试梯内的孔 隙水与压力室内的水完全隔开；向压力室内注满液体( 般为水) ，对试样施加周 围压力吼，并使c r 3 在试验过程中保持不变；孔隙水通过试样下端的透水石与孔隙水 5 - 基于三轴试样局部变形测量的土体应力应变特性研究 压力测量系统连通，或者通过上端透水石与排水管连通；当试样受到各向均等应力 盯，时，这时试件内各向的三个主应力都相等，应力圆为一点，不产生剪应力( 如图 2 2 ( a ) ) ；通过传力杆对试件施加轴向压力，这样，轴向主应力就大于侧向主应 力，随着主应力差( 吼一吒) 的逐渐加大，应力圆随之扩大( 如图2 2 ( d ) 中虚线 圆) ，直至试样受剪破坏( 如图2 2 ( b ) ) ：作出( q 一吒) 乞的关系线( 如图2 2 ( c ) ) ，选其峰值为破坏点( 无峰值时选轴向应变s 。= 1 5 时为破坏点) ，得到试 样破坏时主应力差p i 一仃3 ) ，及大主应力qr = p 。一0 3 ) r + 仃3 ，；用q ，盯3 ，可绘制 出一个摩尔圆；用同一种土制成3 4 个试样，按上述方法进行试验，对每个试样施 加不同的周围压力q ，可分别求得剪切破坏时对应的最大主应力吼，将这些结果 绘成一组摩尔圆。根据土的极限平衡条件可知，通过这些摩尔圆的切点的直线就是 土的抗剪强度包线，由此可得抗剪强度指标c 、p 值( 图2 2 ( d ) ) 。这就是三轴 压缩试验土体强度测试的主要步骤和基本原理。 ( a ) 周围压力作用 乞 ( c ) 偏差应力轴向应变关系曲线 o i - ( b ) 破坏时的应力状态 ( d ) 强度包线 图2 2 三轴试验基本原理 f i g 2 2p r i l l c i p l eo f t r i a x i a lt e s t 土工三轴试验仪除了可以进行上述c r 3 不变的三轴压缩试验外，还可以进行各向 等压圊结试验，即p ：盯。= 盯：= q 的排水固结试验；减小q 值，加大仃- 值，但 6 大连理工大学博士学饿论文 p = 吼+ c r 2 + q = 0 i + 2 巳值维持不变的试验；此外，还可以利用土工三轴仪进行伸 长试验，即盯l = 盯2 o - 3 试验，以及d 不变几逐步变小的试验；和各种不排水试验 等拉4 4 “。三轴试验仪可以进行土体的强度试验，研究主体的本构关系，还可以进彳亍 渗透试验、孔陈水压力消散试验等其它试验，以i 比研究土的其它力学特性。 2 a 2 兰轴试验在土力学中的作用和地位 体材料不同于钢材和塑料等其它材料，它的力学性质试验成果会因试验方法 和技巧的不同而有较大的出入，其蓑剐可能眈力学计算方法不丽所引起的差剐还要 大。相对于计算分撰预言，有经验的岩工程辉们受力重视选择毒代表瞧的试梯、 选用符合实际情况的试验方法和提高试验技巧及精度等。土力学一直遵循理论、试 验和正程实践相结合的发展规律，不进行任何土工试验，不熟悉土的特殊的力学性 质，仪仅壤头子理论，企图通过数学力学手段刨造一个遗甭于一切土，反映的一 切特性的本枣句模型，是不现实豹 4 8 1 。土力学的发展离不开工试验，土正试验在 力学理论的形成和发展过程中起到了极其重要的作用，如d a r c y 定律是建立在渗