（岩土工程专业论文）上海粘性土应变局部化性状试验研究.pdf

摘要 摘要 在实际工程中，基坑失稳、土体坍塌等重大工程事故多数属于平面应变条 件下，变形局部化的渐进破坏过程，即剪切带现象。但是长期以来，对剪切带 现象只停留在感性认识阶段。为了深入研究剪切带形成及破坏的机理，本文以 上海原状灰色粉质粘土为对象，在平面应变仪上，进行不同围压下的固结不排 水平面应变试验；全面细致地记录整个剪切过程中土体的各种反应：应力一应 变关系，孔隙水压力的变化以及侧向局部化变形的发展。在试验结果的基础上 定量地分析研究上海地区典型原状土在平面应变受力状态下剪切带的形成：总 结了剪切带开始形成方法标准，并提出以孔隙水压力转折点为依据的标准；获 得各个应变特征点( 剪切带开始形成点，峰值点，剪切带完全形成点) 的综合 信息；测量了剪切带的倾角；提出了一些对强度标准的探讨。由于试验条件等 因素所限，本文所做工作只是剪切带研究的一小步，今后还有大量的工作有待 开展。 关键词：平面应变，剪切带，局部变形，应变软化 a b s t r a c t i np r a c t i c a le n g i n e e r i n g , s o m eg r e a te n g i n e e r i n ga c c i d e n t s ，s u c h 弱i n s t a b i l i t yo f p i t , f a i l u r eo ft h es o i la n de t c ，a l m o s ta ret h ep r o g r e s s i v e f a i l u r ep r o c e d u r eo f l o c a l i z a t i o nu n d e rp l a n es t r a i nc o n d i t i o n , t h a ti ss h e a rb a n dp h e n o m e n o n d u r i n ga l o n gt i m e ，t h e r ei sa l i t t l eu n d e r s t a n d i n go ft h es h e a rb a n dp h e n o m e n o n i no r d e rt o m a k eaf u r t h e rr e s e a r c ho nt h es h e a rb a n dp h e n o m e n o n , ap l a n es t r a i na p p a r a t u sw a s d e v e l o p e d ，a n das e r i e so fc o n s o l i d a t e du n d r a i n e dp l a n es t r a i nc o m p r e s s i o nt e s t so f s h a n g h a ii n t a c ts i l t yc l a y , l a y e r - 5g r a ys l i t yc l a y , w a sc a r r i e do n m o s to ft h es a m p l e s r e s p o n s ed u r i n gt h es h e a r i n gp r o c e d u r e , s u c h 勰t h es t r e s s s t r a i nr e s p o n s e , t h e d e v e l o p m e n t o f p o r e w a t e r p r e s s u r e , a n d t h ee v o l u t i o no fl o c a ll a t e r a l n o n - h o m o g e n e o u sd e f o r m a t i o n , w e r er e c o r d e d o nt h eb a s i so ft h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t s ，t h es h e a rb a n df o r m a t i o ni ns h a n g h a ii n t a c ts i l t yc l a yu n d e rt h ec o n d i t i o no f p l a n es t r a i nw a sa n a l y z e da n di n v e s t i g a t e dq u a n t i t a t i v e l y ：s u m m e r i z et h es t a n d a r d so f j u d g e m e n tt h es h e a rb a n db e g i n n i n g , a n dm a k eo u tan e wj u d g e m e n tt h a ti sb yw a t e r p r e s s u r e ss u d d e nc h a n g e ；g e tt h ef u l li n f o r m a t i o no ft h ef o l l o w i n gs p e c i a lp o i n t s ： s h e a rb a n db e g i n n i n gp o i n t , t h ep e a k , a n dt h es h e a rb a n df u l l yf o r m a t i o np o i n t m e a s u r et h es h e a rb a n da n g l e b e c a u s et h ee x p r i m e n ta p p a r a t u sa r el i m i t e d ，m yw o r k i sj u s tal i t t l es t e pf u r t h e ri nt h ec l a y ss h e a rb a n dr e s e a r c h ，t h e r ea r es t i l lm a n yw o r k s f o r u st oc a r r y o u t k e yw o r d s ：p l a n es t r a i n ，s h e a rb a n d ，l o c a l i z a t i o n , s t r a i ns o f t e n i n g 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：镢准 毛， 妒曙年月信日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 爹和 邵年) 月i p 日 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 在实际工程中，如路堤下地基的滑动破坏，山体运动的皱褶断层等，以及 在室内试验土样的剪切破坏中，经常发现局部化剪切带形成的现象。这种局部 化变形一旦发生，变形将会相对集中在局部化变形的区域，而区域外的变形相 当于卸载后的刚体运动。因为土体剪切带的形成同土的抗剪强度密切相关，直 接影响着土的极限承载力及其变形特性。所以在对土的承载能力和变形要求日 益严格的今天，土体应变局部化及其剪切带的研究越来越受到工程界和学术界 的重视。土体应变局部化以及剪切带的形成机理和影响因素的研究，是当今国 际力学界和岩土工程界十分关注的热点课题之一。 在弹塑性材料的变形过程中，常出现变形集中的局部化带，常称为剪切带， 剪切带特征是，原先连续分布的变形模式被一种急剧不连续的位移梯度所取代。 李国琛等l t - j j 认为，“就承受塑性大变形的材料而言，原先平滑分布的变形模式 被一种急剧不连续的位移梯度所取代，其特点是大量的剪切变形集中在相对狭 窄的带状区域内，边界相对而言近乎平行，一般将这种集中剪切的变形区域称 为剪切带。 而对于粘性土中应变局部化的剪切带形成，笔者认为，是由于粘性 土材料的初始不均匀性导致的应力场的不均匀性，最后由应变的不均匀性发展 成为宏观的剪切带。 土体应变局部化的剪切带形成，作为一种常见的剪切破坏形式，它的研究 对于评价土工结构物的安全性和稳定性等问题具有重要的意义。在土的抗剪强 度试验中，可能发生两种迥然不同的破坏形式：一种是试样沿一定( 一个或数 个) 平面上形成范围较窄的剪切带；另一种破坏状态为试样整体地产生较为均 匀的剪切变形。前者称为线破坏，后者称为区破坏p j 。在哪种边界条件下，在 多大的应变下，出现什么形式的破坏，是个十分复杂的问题。 在室内试验过程中，为了得到应变局部化的剪切带，并能观察其发生和发 展全过程，本文采用同济大学自制的平面应变仪，对上海原状粘土进行平面应 变试验研究，以期在研究剪切带形成与发展过程的同时，找出剪切带发生时的 第l 章绪论 应变门槛值，及其与应力应变曲线间的关系，从而为上海原状粘性土剪切带 的形成机理，应变局部化对上海粘性土的力学特性、变形特性的影响，应变局 部化的理论分析，以及应变局部化在实际工程中的应用等方面，提供一定的理 论基础。 1 2 国内外研究现状 对于应变局部化的试验与理论研究最早开始于上世纪6 0 年代，国内外的土 体应变局部化的研究内容包括四个方面：1 ) 室内试验研究，2 ) 理论研究，3 ) 数值模拟，4 ) 现场试验研究。前三者可以研究剪切带形成机理，而现场试验研 究可以提供实测数据以对理论加以应证。不幸的是，尽管应变局部化问题如此 重要，现有的完好的现场实测数据仍然很少，所以绝大部分应变局部化的研究， 都集中于前三个方面。 1 2 1 室内试验研究 对于砂土应变局部化的试验研究，在国外，许多研究者采用多种仪器，如 直剪仪、三轴压缩和拉伸仪、真三轴仪、平面应变仪等，从不同角度对砂土的 剪切带进行了大量而有效的研究。而对于粘性土剪切带的形成研究，相对砂土 来说，其研究和理论分析较少，目前的试验数据很难得到明显的规律性的东西， 这主要是因为粘性土区别于砂土有更复杂的结构特性，导致试验土样制备，试 验观察，理论研究更加困难。 1 2 1 1 砂土剪切带试验 i v a r d o u l a k i s 等( 1 9 7 8 ，1 9 8 0 ) l 刈早在二十年前就研究了在砂土( 包括松 砂和密砂) 的平面应变试验中剪切带的产生问题。i v a r d o u l a k i s 和b g r a f ( 1 9 8 5 ) l ，1 通过平面应变试验结果分析了率相关的本构方程对剪切带倾角和临界 应变等的预估能力，强调了本构方程的重要性。 et a t s u o k a 等( 1 9 8 6 ) l 6 j 进行了一系列人工制备细砂的排水平面应变压缩试 验，研究了沉积层面与大主应力方向夹角6 不同时的剪切带方向，表明强度各向 异性并不直接与剪切带关于沉积层面的方向有关。et a t s u o k a 等( 1 9 9 0 ) p 1 对 2 第1 章绪论 t o y o u r a 砂的重塑试样及其未扰动试样( 取自现场土层，并在水下二次固结) 进 行平面应变压缩试验，同时也进行了重塑试样的扭剪试验和条基承载力试验， 以研究砂的强度各向异性和破坏时的剪切带方向以及二者的关系。发现剪切带 并不在某个唯一的角度下发生，而是发生在零延伸方向( 无线性应变增量的方 向) 和最大应力斜面方向之间的某个方向上。 c h a n 和i gv a r d o u l a k i s ( 1 9 9 1 ) 【lu j 通过平面应变试验分析了饱和细砂的 破坏前和破坏后性状，重点分析了极限状态、变形不稳定性和破坏现象，并用x 射线照相技术分析了破坏模式。说明无论在排水条件和不排水条件下，中密砂、 密砂中都观察到剪切带的形成，而在松砂中没有发现变形局部化现象。在排水 条件下，局部化变形发生时的剪应变比不排水情况下小。 c h a n 和a d r e s c h e r ( 1 9 9 3 ) l i u 通过一系列的平面应变试验分析了干粗砂 中剪切带形成的状态、剪切带倾角和剪切带的演化。得出剪切带内的剪应交和 剪切带的倾角都与侧向压力有关：一般而言，剪应变随着侧向压力的增加而增 加，而倾角随着侧向压力的增加而减少。采用形变理论、弹塑性理论以及考虑 各向异性的本构模型，将试验结果同平衡分叉理论的预测结果进行对比分析， 建议在屈服函数中引入角点，单纯的运动模型不能充分描述剪切带厚度的演化。 通过可视化观察、照相技术和凹形印痕技术揭示变形的局部化和复杂变形模式， 并同理论预估进行了对比。 r j f i n n o 、ww h a r r i s 、m a m o o n e y 和gv i g s a n i ( 1 9 9 6 ) 纠通过平面应 变试验研究颗粒级配良好的饱和松砂在不排水条件下的剪切带现象。观察中运 用立体成像技术捕捉内部局部变形的演化。得出：1 在所有的平面应变试验中， 先有一均匀变形阶段，随后出现局部化变形，再是达到最大有效应力比值，最 后是持续的剪切带形成。2 剪切带内存在剪胀现象，由于体积不变，剪切带外 土体剪缩，但体积应变相对剪切带内的体积应变来说很小，而剪切带内的剪切 变形高达5 0 6 0 。3 应力一应变曲线在剪切带开始之前，反映的是均匀土样的本 构关系，在剪切带开始之后，反映的则是土体中剪切带逐步形成所表现的土体 的宏观力学行为。4 在剪切带内，土体的孔隙比和有效应力接近临界状态。 r j f i r m o 、w w h a r r i s 、m a m o o n e y 和gv i g 酉a n i ( 1 9 9 7 ) l i 刘通过立体 摄影技术观察了在平面应变压缩试验中饱和松砂试样中的剪切带现象。得出： 无论在排水和不排水情况下均可观察到剪切带现象，宏观上均匀变形期间的临 时性应变局部化模式最终让位于一条清晰的持续性剪切带模式；不论排水条件 3 第1 章绪论 如何，应变局部化开始时的有效应力、发挥的摩擦角和孔隙比接近最大值；在 持续性剪切带内的剪胀几乎为零，但是局部发生体应变，平均而言，剪切带内 体积变形为常数；持续性剪切带在宽度和定向上同时发生演化，剪切带的厚度 约为1 0 2 5 倍颗粒直径，量测的剪切带倾角约为5 5 。6 5 。，介于c o u l o m b 和 a r t h u r 公式的计算值之间。 m i c h a e la m o o n e y 、g i o a c c h i n o g 西a l l i 和r i c h a r dj f i n n o ( 19 9 7 ) l l 叫用立 体成像技术来研究剪切带中的变形，介绍一种分析剪切带行为的新的方法，评 价剪切带内部的行为特征。这种分析方法是：通过最小二乘法线性回归拟合剪 切带上离散的颗粒位移，决定位移函数，然后变形梯度由有限应变公式给出。 这种方法精度是直接通过基于回归分析的统计方法来评价，发现剪切带变形的 机理是一个简单的剪切，沿剪切带的长度方向不可伸展。在松砂的不排水平面 应变压缩试验中，剪切带在常体积下变形，达到的剪切应变范围为5 0 7 0 。 m i c h a e la m o o n e y 、r i c h a r dj f i n n o 和m g i o a c c h i n ov i g g i a n i ( 1 9 9 8 ) 【1 5 】， 进行砂土排水平面应变剪切试验，研究剪切带应力应变的行为特性；研究在给 定级配的砂土下，荷载软化和唯一的临界状态之间的关系。在有效应力比值峰 值处发生的突然软化和在剪切带中的剪胀逐渐衰减表明，剪切带形成是试样达 到它的最大强度的结果，例如，达到峰值摩擦角，应力软化部分地由于持续的 剪切带内的剪胀逐渐衰减造成。每个试验最终达到临界状态；同时，在剪切带 区域中，剪切应力、平均有效应力和体积保持不变。这个结果表明，剪切应力 和平均有效应力之间的关系在临界状态下是一一对应的；但是，在临界状态下， 给定的平均有效应力并不对应唯一的孔隙率。 m o d a 和h k a z a m a ( 1 9 9 8 ) l l 叫借助于x 射线技术和光学显微镜分析了 t o y o u r a 和t i c i n o 砂的平面应变排水试验中剪切带内的微结构变化，提出，为建 立粒状土的理想微结构变形模型，必须考虑以下五点：1 剪切带的边界不是直 线，它与大主应力方向的夹角在不同的断面上是不同的；2 剪切带内产生大孔 隙比，该孔隙比可能比一般方法确定的最大孔隙比还大；3 在剪切带的边界上 颗粒的定向发生明显的变化，以致于在剪切带的形成过程中，在相对狭窄的带 状区域内形成较大的颗粒旋转梯度；4 颗粒的旋转，平均而言，平行于宏观旋 转方向；5 剪切带的厚度约为7 - - 8 倍平均颗粒直径。 k h a l i da a l s h i b l i 和s t e i ns t u r e ( 2 0 0 0 ) l i u 在低围压( 1 5 k p a ) 和高围压 ( 1 0 0 k p a ) 条件下，进行三种砂一系列排水条件下的平面应变试验，以研究试 4 第1 章绪论 样密度、围压和砂的颗粒大小形状对砂土材料的本构关系和稳定性的影响。用 于试验的三种砂是细砂、中细砂和粗糙的硅石砂，形状分别是圆滑的、次棱角 的、棱角的。结论是：1 在相同的围压下，密实的各向同性砂土试样的平面应 变试验，在破坏时，比常规三轴试验有更高的强度，但相应的应变比常规三轴 的小得多。平面应变条件下，土体更易于出现缺陷，导致材料不稳定性或者分 叉。破坏会来得更快。2 试样密度、围压和颗粒级配对剪切带的形成有影响。 对于细砂，围压是影响试样稳定性的主要因素，低的围压下，失稳很快发生， 与试样的密度关系不大。对于中细砂，试样密度对失稳破坏影响很大。对于粗 砂，只有一个峰值而不管试样的密度和围压如何。对于所有的试样都出现剪胀， 低围压下，体积变形不发生剪缩，高围压下，只发生小量体积剪缩。剪胀角随 颗粒的粗糙程度增加而增大。3 对于细砂，剪切带倾角随围压的增大而增加； 相反，对于粗砂，剪切带倾角随围压的增大而减小；对于处于细砂和粗砂中间 的中细砂，当围压增大时，密实砂的剪切带倾角减小，而松砂剪切带倾角增加； 对于所有的砂，密实砂的剪切带倾角要比松砂的大。 q i o n gw a n g 和p o u lvl a d e ( 2 0 0 1 ) 训应用改进的真三轴仪，将s a n t a m o n i c ab e a c h 砂放置于真三轴仪中进行剪切带的试验研究。在这套仪器中，从 最d , n 最大主应力范围内，中主应力可以不断调整。在试验分析中，发现中主 应力比b 取值对材料的强化阶段峰值强度，与剪切带的影响息息相关。当b 从o 到o 1 8 范围内增长时，强度也同时随着增长；在b 在0 1 8 到0 4 0 的阶段，强 度几乎保持恒值甚至有所微微下降；当b 0 4 0 时，强度慢慢增长直到b 达到 0 9 0 ，然后又微微下降到b = 1 0 。b 值取得比较小的时候，破坏时的应变量随着 b 的增加快速地减少；当b 0 3 0 时，破坏时的应变量几乎保持恒值直到b 值达 到一定值，此时的膨胀速率几乎是b = 0 时的2 倍多。通过e l - c a 曲线的转折点以 及强度突降点表征的剪切带，当b 值大致在0 1 8 到0 8 5 范围内，一般起始于 强化阶段。在这些试验中，破坏视作剪切带产生之后带来的必然结果，而不是 看作整体的结果。因此，在b 值取在中间范围内，峰值破坏可以看作是由剪切 带引起的，持续的3 d 破坏表面因此也一般无法在土体中获得。 k h a l i da a 1 s h i b l i 、s u s a nn b a t i s t e 和s t e i ns t u r e ( 2 0 0 3 ) 1 9 】在n a s a 太空 飞船上进行微重力低围压( 0 0 5 1 3 0 k p a ) 的常规三轴排水试验，并用相似的 试样f - 7 5o t t a w a 砂在正常重力下进行常规三轴试验作比较，最后，三轴试验 结果与平面应变试验结果作比较，研究中，运用了c t 技术观察剪切带的发展和 5 第1 章绪论 演化。所得结论是：1 在低围压下，试样表现出很高的峰值摩擦角，随后出现 严重的软化现象；当围压增加，软化的程度减小。而且，在微重力环境下，常 规三轴试验比地面试验表现出更高的摩擦角和剪胀角，摩擦角和剪胀角随围压 增加而减小。所有的常规三轴试验的残余强度差不多一样，与围压大小无关。 所有的试样趋于连续的剪胀，而不达到临界状态。2 平面应变试验宏观上的应 力一应变关系极大地依赖于试样的密度和围压，应力软化程度依赖于围压大小。 所有的平面试验在不同的轴向应变阶段下，观察到交叉的剪切带。围压是影响 试样稳定性的主要因素，在低围压下，局部化变形更早的发生。还有，相对于 松砂，密砂在更小的轴向应变下开始发生剪切带。3 在平面应变条件下，试样 的破坏表现为出现明显的剪切带，并伴随着依赖于试样密度和围压的软化现象。 相反，常规三轴试验中，试样在峰值应力区域一致地呈鼓状，并在很高的应变 水平下出现复杂的对称的轴向剪切带。明显地，常规三轴试验试样在变形过程 中，保持相对好的一致性。 m o d a 、t t a k e m u r a 和m t a k a h a s h i ( 2 0 0 4 ) 弘叫用微焦x 射线c t 技术研究砂土平面应变条件下剪切带中的微观结构。1 研究颗粒土的力学行为 有两种不同方法：基于连续介质力学的宏观方法；通过离散颗粒考虑微结构的 微观方法。在后一种方法中，需要用c t 等有效技术可视化土的微观结构。2 在剪切带中出现非常大的孔隙率。从c t 图像中看出，每一处有大的孔隙率的地 方由颗粒相连围绕而成。拱效应在形成这样一个连接结构中起重要的作用。这 种结构，被称为柱状结构，在剪切带中可经常观察到。更重要的是它与垂直轴 成逆时针3 5 。应力主要是通过柱状结构传递；柱状结构在应变硬化阶段形成。 当试样的应力超过峰值，柱状结构开始在剪切带中屈曲，因此形成倾斜的柱状 结构。更重要的，大孔隙率发生在这些屈曲的柱状结构中，这样一来就能通过 接触面传递弯矩。因此，这些颗粒是面与面接触，而不是点与点接触，通过柱 状结构，旋转刚度能够在一定范围内传递对偶力。 1 2 1 2 粘土剪切带试验 蒋明镜和沈珠江( 1 9 9 8 ) 2 1 】在结构性粘土三轴试验结果的基础上，讨论了 剪切带形成的宏观力学条件及其倾角，借助于扫描电镜，采用微观定量测试技 术，对剪切带及其周围土体的微观结构进行了分析。得出：1 土体具有足够的 6 第1 章绪论 结构强度是剪切带形成的条件之一，剪切带的倾角与r o s c o e 理论不相符；2 剪切带的厚度在宏观上和微观上有差异；3 剪切带内外的土体，在孔径分布、 孔隙比、定向度、各向异性率等方面差异很大；4 剪切面上剪胀和剪缩并存， 总体为剪缩；5 剪切带内土体也强烈剪缩，土样宏观上呈轻微剪胀特性。 a i i z u k a 、i k o b a y a s h i 和h o h t a ( 1 9 9 8 ) 哗1 对k u t a n i 粘土先进行围压预固结， 再在无橡皮薄膜的情况下按照给定的应变速率，进行i ( o 固结不排水单轴压缩剪 切。通过试验及数值模拟分析得出：1 将剪切后的试样放入干燥炉脱水，然后 以5 m m 厚的竖向切片，喷水后，试样剪切带区域吸收水分，并使其形状可见， 表明剪切带发展过程伴随剪胀。2 几何边界对剪切带的发展有重要影响。3 剪 切带的出现是间发性的。4 荷载与位移的关系( 等同于土样应力应变关系) 中 应变软化性质似乎是由于孔隙水迁移入剪切带而引起。 董建国、李蓓等( 2 0 0 0 ，2 0 0 1 ) m ，1 进行了上海地区典型粘性土的原状土 样的固结不排水平面应变试验，得出一些有益的结论：1 剪切带的开始出现在 应力峰值前，而形成于峰值后，随后发生软化现象，最后，达到残余强度。2 随着侧向压力的增加，土的抗剪强度不断增加。3 应力一应变曲线都体现出应变 软化特征，具有明显的残余强度段，然而从机理上分析，该段强度不再是试样 整体土性的反映，而是由局部剪切带变形的强度控制。4 孔隙水压力的发展趋 势与剪切带的位置有关，靠近剪切带的土体孔隙水压力增长趋势减缓，比远离 剪切带的土体快，并先达到稳定5 剪切带开始时的偏应力与峰值应力之比随着 周围压力的提高呈减少趋势，而剪切带完全形成时的偏应力与峰值应力之比随 周围压力的提高基本上不变，略有增加。这说明在高应力水平下，土体局部化 变形出现较早，这种现象在深度较大的基坑和高土坝中均要引起注意。6 天然 粘性土样的不均匀性引起剪切带较早发生，而粘性土的内聚力使得剪切带的发 展速率变缓，从而推迟了剪切带的完全形成。7 土样在固结不排水平面应变压 缩试验条件下，体积应变等于零；上下两部位的侧向变形明显差异；一大一小， 则意味着侧向变形大的部位发生局部剪胀。剪胀变形的产生又说明剪切带与附 近土体具有一定的水力交换，试样内部的剪胀特性可能是剪切带产生的原因。 1 2 2 土体应变局部化的理论研究与数值模拟 应变局部化的理论研究包括：剪切带形成的力学特性描述，临界力学条件， 7 第1 章绪论 以及剪切带内部变形的发展规律等。人们在对剪切带进行理论和试验研究的同 时，也尝试用数值方法模拟剪切带的形成，特别是在电子计算机发展与普及的 今天，为数值分析剪切带的局部化研究提供了有效的工具，其中比较多采用的 数值方法为有限单元法( f e m ) 、离散单元法( d e m ) 、自适应有限元法等。 r h i l l 和j w h u t c h i n s o n ( 1 9 7 5 ) 弘，j 最早将剪切带现象归因于变形模式的分 叉，基于b i o t 的前期研究工作，假定材料是不可压缩，而且材料为初始各向同 性或正交各向同性的，采用平行于轴向以及与轴成4 5 。方向两个剪切模量来描 述本构方程。 邱金营( 1 9 9 5 ) m 叫分析剪切带对土体单元试验的影响：1 假设试样内部各 部分的应力应变状态均匀，这样才能将试样表面上量测的数值平均到整个长度 ( 或面积、体积) 上，作为相应的应力、应变量值求取依据。但当产生变形的 不均匀或变形集中时，表面测得的值不能再代表整个试样内部的相应变化，单 元试验就失去了其含义。2 剪切带的厚度与平均粒径的比值不能用一个常数表 示，平均粒径越小，这个比值越大。剪切带厚度也具有尺寸效应，是材料特性 和试样结构的共同反映，因此剪切带厚度与平均粒径为一常值的理论推测是不 合适的。3 单元试验中剪切带的形成影响试样摩擦角和剪胀角的确定。4 变形 集中，试样按常规方法整理试验数据是不正确的，用于本构参数确定的应是剪 切带内土体的实际应力应变状态。 l p i e a r e l l i 、s l e r o u e i l 、m c d e l i s l e 和g u r c i u o n 等( 1 9 9 8 ) 弘刈总结粘土在 室内试验和现场出现剪切区的特征。1 局部化变形是由材料的不均匀性或者应 力不均匀引起。2 对于正常固结土，剪切变形局部化与压缩有关：对于高的超 固结土，剪切变形局部化与剪胀有关。3 局部化变形产生的尺寸效应。4 在峰 值之前，试样底部的孔隙压力与剪切区域的孔隙压力出现明显的差别，这可能 是局部化变形的结果，由此推断，局部化变形在峰值之前发生。5 局部化变形 引起粘土构造的局部改变。在剪切区域内，含水量和密度发生变化。正常固结 试样，剪切区域内，密度增加；超固结试样，剪切区域内，密度减小。6 当指 定剪切面时，在剪切面上会发生主应力的旋转。7 剪切区和剪切面是工程中的 薄弱区域。剪切区中土体的力学行为取决于由于损伤、软化和剪切变形所引起 的土体微观结构的改变。在剪切区中，土体很快的到达临界状态；除此之外， 土体达到残余强度。 孙红( 1 9 9 9 ) l j u j 采用考虑各向异性损伤的本构模型，对平面应变不排水条 8 第1 章绪论 件下的剪切带形成的倾角问题进行研究。 张启辉、赵锡宏( 2 0 0 0 ) 1 利用关口太田模型分析主应力轴旋转对剪切 带形成的影响，得出最可能发生局部剪切变形平面的方向同主轴的旋转角度有 关。 徐连民( 2 0 0 4 ) p z j 研究正常固结土在排水条件下剪切带形成过程中的边界 约束和加载速度效应：土体的剪切带在带内单元的应变软化、体积膨胀过程中 形成。土体内单元的体积膨胀，必然要沿约束最弱的方向产生与这部分单元的体 积膨胀相适应的侧向变形。体积的膨胀，同时也伴随着围压的降低和可能发挥的 潜在强度的降低，产生体积膨胀，需要从周围单元得到孔隙水的补充。 钱建固、黄茂松( 2 0 0 5 ) p 刮认为速度场通过剪切带保持连续，速度梯度通 过剪切带产生跳跃，但速度和速度梯度在平行于剪切带方向仍保持均匀。从连 续介质有限变形理论出发，推导触发应变局部化产生的分叉判别准则，给出应 变局部化理论的三维解析解。该理论证明：在轴对称条件下，弹塑性硬化区没 有应变局部化的产生，而在平面应变条件下，应变局部化发生在弹塑性的硬化 阶段。在平面应变条件下，理论预测的剪切带方向角和a r t h u r 的预测值较为一 致。 1 3 本文的主要工作 纵观国内外有关土体应变局部化研究的各类文献资料，绝大多数都集中于 砂土的剪切带研究，并积累了大量的研究成果。对于粘性土，特别是原状粘性 土的研究，则还很少，本文针对上海原状粘性土进行平变应变试验，并在试验 的基础上对上海粘性土应变局部化性状进行研究。 本文的工作主要分以下三部分： 第一部分：平面应变仪的介绍 试验采用的平面应变仪是在同济大学真三轴仪基础上改装而成的，增加局 部侧向应变测量系统，加装竖向固定的有机玻璃刚性侧板，并更新和完善了计 算机数据自动采集系统。这一部分还介绍了平面应变试验的试验步骤以及数据 处理方法等。 第二部分：上海粘性土的平面应变试验 选择上海地区典型的原状粘性土，主要为埋深2 2 米左右第：层灰色粉质粘 土，进行固结不排水平面应变试验，记录试验过程中竖向偏差应力、局部侧向 9 第l 章绪论 应变和孔隙水压力随竖向应变的变化，观察剪切带的形成过程，初步将应变局 部化的发展过程同土的应力应变曲线的不同阶段联系起来，了解上海地区原 状粘性土在平面应变条件下的变形规律，局部变形的演变情况，以及土样的破 坏模式。 第三部分：粘性土剪切带形成特性的研究 在第二部分平面应变试验的基础上，定量地研究上海地区粘性土在平面应 变条件下剪切带的形成特性，主要从宏观上确定剪切带开始、发展和形成的有 关参数，包括各应力、应变特征值及剪切带的倾角。分析各种因素对剪切带形 成的影响，并研究剪切带形成的机理。 1 0 第2 章平面应变仪以及试验方法 2 1 引言 第2 章平面应变仪及其试验方法 室内试验作为研究土力学的主要手段之一，对土的抗剪强度测试一直扮演 重要角色。影响土体抗剪强度的因素很多，内部因素包括土的组成、土的状态、 土的结构等，外部因素包括温度、应力状态、应力历史、主应力方向、加载速 率以及排水条件等，因此土的强度不是一成不变的，而是随时间和空间在不断 变化的。室内试验的目的，就是希望在有限的条件下，尽可能地使试验土样的 状态接近现场情况，并通过不同的仪器试验，得到对实际工程有益的认识。 目前，在土力学各种测试手段中，各种试验仪器的受力状态各有不同。最 初，测定土抗剪强度的仪器为直剪仪，测试手段简单，但在试验过程中，土体 的主应力作用面以及剪切面积不断发生变化。上世纪5 0 年代初，随着轴对称常 规三轴仪在各国的普及，扩大了土的抗剪强度研究领域，而且它的受力状态比 直剪试验更加明确，可以完整地反映试样受力变形直到破坏的全过程。但是在 实际工程实践中，真正符合这样的轴对称应力状态的工程问题并不多，因此， 为了模拟现场所遇到的更普遍的应力条件，能独立控制三个主应力的真三轴仪 应运而生，同济大学赵锡宏课题组于1 9 8 7 年自行研制成功了国内第一台真三轴 仪，而后又经过不断改进，发展成目前能兼做平面应变试验的多功能真三轴仪。 相对于常规三轴的轴对称应力状态和真三轴的三维应力状态而言，平面应 变状态是最适宜形成剪切带的应力状态，这一点已经得到理论上的证明和试验 上的验证，因此，平面应变仪是研究剪切带的最适宜的试验装置。 本章主要介绍自制的同济大学平面应变仪的精度、特点，以及平面应变试 验的方法、步骤和数据处理等。同济大学平面应变仪是在同济大学真三轴仪的 基础上，对压力室进行改装，增加了限制土样平面外变形的侧板及局部侧向应 变量测系统，在本次试验中，又对试验仪器作了进一步的改进，更新和完善了 计算机数据自动采集系统。 第2 章平面应变仪以及试验方法 2 2 平面应变仪洲 2 2 1 平面应变仪的主机设备 由同济大学自行研制的平面应变仪的主机设备由5 个组成部分：压力室，加 载系统，排水系统，测量系统以及数据自动采集系统组成，见图2 1 和图2 2 。 图2 1 平面应变仪示意图 1 2 第2 章平面应变仪以及试验方法 图2 2 平面应变仪实物图 1 3 第2 章平面应变仪以及试验方法 2 2 1 1 压力室 压力室如图2 3 和图2 4 所示，主要由外筒，顶盖，底板，连杆等组成。 图2 3 压力室示意图 错 接型胡蹴 图2 4 压力室实物图 1 4 第2 章平面应变仪以及试验方法 为了保持与课题组前期试验的一致性l 3 3 - * j ，以及尽量使用原有试验器材， 本次试验的土样尺寸仍然选择7 0 m i n x2 5 r a m 7 0 m m ，相应的压力室底座和土样 帽与土样的接触面的尺寸为7 0 m m 2 5 r a m 。 为了提供产生平面应变变形的边界条件，在压力室内放置两块刚性的透明 有机玻璃竖向侧板。两板相距7 0 m m ，由4 根刚性拉杆相连，通过侧板，可以在 试验过程中拍摄土样的变形。 压力室内还设有4 个测量局部变形的侧向应变位移传感器以及相应的传感 器支座，利用侧向应变传感器可以测得土样侧面上任一点的局部变形，见图2 5 。 传感器 2 2 - 1 2 加载系统 图2 5 侧向位移传感器及支座示意图 加载系统主要由竖向应力加载系统和围压稳压系统构成。 平面应变的竖向加载系统为位移控制式。轴向压力加载传动系统由一个步 进电机拖动一组变速齿轮装置，再通过加载平台向三轴压力室施加竖向荷载； 其试验的应变速率可满足各种试验方法的加载应变条件，并达到有关的国家三 轴试验规程标准。 侧限压力由空气压缩机提供的气压，其压力值直接由精密压力表读取。围 压稳压系统采用调压阀门控制，当调压阀门控制到精密压力表确定的某一固定 压力后，压力室的压力将进行自动补偿，以达到围压稳定。为了达到高精度控 制效果，调压阀采用美国产气动原件( f a z r c h i l d ) 。 1 5 第2 章平面应变仪以及试验方法 2 2 1 3 排水系统 在与土样接触的底座和土样帽上各有一个直径2 0 m m 的圆槽，槽内放置同 样大小直径透水石，透水石下设有排水孔以及排水管道，能将士样孔隙水经过 排水阀门，直接引出压力室外。进行固结或排水试验时，打开阀门，通过量管 可测得试样的排水量；进行不排水试验时，关闭阀门，通过与排水阀门直接相 连的孔压传感器，测量孔隙水压力在试验中的变化过程。 2 2 1 3 测量系统 测量系统包括各个传感器和数据处理系统。 整个平面应变仪中，共有8 个不同类型传感器，如图2 1 所示，分别是( p ) c l b t 型拉压传感器一个，其量程为7 0 0 k g ，( u 1 ，u 2 ) c y g l 0 1 t 型压阻式压力 传感器2 个，量程为1 m p a ，( y ，l 1 - - 一i a ) 位移传感器5 个。量程为4 0 m m 的 位移传感器y ，安装在压力室顶盖上方，用于测量土样的竖向位移，从而计算大 主应变。；另外4 个位移传感器l ，量程均为5 m m ( 压缩) ，安装在压力室内， 用来测量土样的局部侧向应变。 本次试验全部更新和改进了平面应变仪的数据采集和处理系统，其系统的 工作原理为，8 个传感器在试验中得到的模拟电压信号，通过2 个u s b 接口型 的a d 转换器( 通用数据采集器) 转换为数字型号，由自行编制的v i s u a lb a s i c 语言程序控制数据显示、记录以及处理。 相对于以前的二次仪表采集器，具有以下特点： 1 ) 采集频率提高。通过该a d 转换器，可以将传感器的数据采集频率从 3 0 秒读数一次，提高到1 秒读数一次，并可以任意调节控制读数频率，以适应 具体试验要求。本次试验中，为了精确测量剪切过程中，土样的孔隙水压力变 化，采用3 秒读数一次的频率进行测量。 2 ) 模拟信号放大倍数可调。由于传感器在工作阶段中，低量程段和高量程 段的模拟电信号的线性程度不高，所以通过a d 转换器的信号放大倍数控制， 可以有效避免因传感器的线性特性而导致的误差。本次试验中，侧向位移传感 器的增益倍数取为3 2 倍，孔隙水压力传感器和竖向位移增益倍数取1 2 8 倍，而 竖向应力传感器取4 倍。 3 ) 自动数据清零。由于传感器的敏感程度很高，各次不同试验之间，初始 1 6 第2 章平面应变仪以及试验方法 传感器状态并不完全相同，存在初始偏差，我们可以通过a d 转换器的控制程 序，对初始偏差进行清零，大大简化了试验数据后处理过程。 4 ) 良好的扩展性和高精确性。现行的a d 转换器是8 通道接口的，应对试 验需要，理论上可以无限的并联增加通道接口。此外，由于模拟信号通过加 转换器之后，转化为数字信号，使得各个信号通道之间的信号干扰度几乎为零， 极大的避免了高灵敏度传感器数据漂移现象以及提高了数据的精确度。 为了将试验过程中的应力一应变关系曲线、孔压一应变关系曲线、侧向应 变一主应变关系曲线都可以实时地绘制在计算机显示器中，从而支持试验过程 的实时监控，本人自行编制了一个基于v b 语言的应用程序。 该程序兼容于a d 转换器自带的采集程序，可以通过人机交流界面输入各 种大小的平面应变试样尺寸，以得出试验中的性状曲线，此外，也可以设置数 据保存的路径，详见图2 6 、2 7 所示。 f r a x ，e l 1 【： 。 。 。 v 譬一 净一爹蝴螂黔晒丽丽嚣r w ：r 孵 + 燃r _ 陋 ，r , l 彖- d b l 卜。璧稳眨l _ - _ - - _ _ _ i _ _ - 4 _ - _ - - i i - - - f 要隧黔卜 。 一 i 读潮麟f 骣蹲| _ ： - - _ - - _ - - - - - _ - 0 ij - _ 二- - 讲 l q - - f t n ，t 自l 瞎；矛游一 毋瓣：r 毋拳囊9 晦_ ：j 0 4 4 囊：f _ | | | 黼乒河一 ：、 。聘砖j i 一产1 s 譬一目- u + l 誊- jj 1 6 9 8 2 确舔确_ ，f r 一 。e a j , d l 、j j 9 6 2 4 图2 6 实时采集程序主窗口 1 7 第2 章平面应变仪以及试验方法 。镬瓣e 影? ? 譬之7 ，；毫力。j ：o ”鼍，。g 瓮y ：。毋嗖、警只r - ，留“簪冯：譬 图2 7 实时曲线图示例 2 2 2 平面应变仪的附属设备 平面应变仪除以上的压力室、加压系统、排水系统和量测系统等主要组成 部分外，还包括以下附属设备：切土器、推土器、电子天平、乳胶薄膜、承模 筒、吸球、橡皮筋、透水石、滤纸、钢丝锯、毛玻璃和空气压缩机等。 其中，切土器是特制的，如图2 8 所示，可减少切土时对土样的扰动。切土 时，先将略大于试样尺寸的原状土的毛坯置于切土器内，用钢丝锯在土样四周 切削，切土器的四块固定挡板可保证切削后的土样横截面为? o m m 2 5 m m ，然 后把土样从切土器中取出，再利用平面应变试样环刀，切除土样两端多余的土， 从而将土样的高度确定为7 0 i l ：l i i l 。 图2 8 切土器 1 8 第2 章平面应变仪以及试验方法 2 2 3 平面应变仪的精度 平面应变仪的精度，主要取决于测量系统的精度，排水系统的密封性以及 加压系统的均匀性等。其中，测量系统中的各个传感器，以及数据自动采集系 统，经过标定，认为都是有足够精确的。竖向加压系统的精确性取决于传压活 塞的摩擦阻力，以及侧板与土样之间的摩擦。试样过程中，我们在活塞上，以 及侧板与土样接触处都涂抹硅脂润滑剂，故而摩擦也可忽略不计。围压加压系 统的精确性取决于空气压缩机稳压控制器的精度，调压阀的灵敏度和稳定性， 监视压力的精密压力表的精度和误差，以及稳压系统是否有漏气现象等，这些 经测试和检查均认为符合精度要求。 2 3 平面应变试验方法及数据处理 2 3 1 试验前检查 进行试验前，应对仪器性能进行检查，以保证试验的精度达到要求，具体 包括以下几个方面： 1 稳压系统是否有漏气现象； 2 排水管路的各个接口，转接口，阀门处是否存在漏气、漏水或阻塞现象； 3 土样两端放置的透水石是否通畅且透水饱和； 4 乳胶薄膜是否有漏气小孔； 5 轴向传压活塞是否存在摩擦阻力等。 2 3 2 试验步骤 1 切土制样 首先将原状土样小心地从铁皮筒中取出，切取部分土