（岩土工程专业论文）岩土材料各向异性和破损特性颗粒流数值模拟研究.pdf

摘要 摘要 岩土体的结构性研究是土力学研究中的前沿课题之一。土体结构上的各向异性是导 致土体强度和变形各向异性的根本原因，因此，开展土体各向异性的机理研究是一个重 要内容。但是由于其复杂性及研究手段的限制，研究成果比较少，需要进一步研究。结 构性岩土材料可以抽象成由胶结块和软弱带组成的双重介质材料，胶结块的破损是岩土 破损力学的研究焦点。常规试验无法得到整个加荷过程中胶结块和软弱带的局部应力和 局部应变的变化情况，也就无法准确研究胶结块的破损演化的全过程。而颗粒流 p f c ( p 砌i c l ef l o wc o d e ) 数值模拟试验除宏观结果外，还能给出试样颗粒间的应力应变， 正在成为研究岩土力学的一个有力工具。本文采用颗粒流对颗粒材料的各向异性以及岩 土破损力学进行了深入研究。 首先采用颗粒流方法，对具有不同排列组构的试样，进行竖向、横向的试验。采用 块颗粒研究散粒体原生结构的各向异性，对不同颗粒排向的试样进行数值模拟试验，研 究了试样强度和加荷方向以及试样长轴定向分布的关系，分析了试样加荷过程中颗粒接 触法向的空间分布的变化情况。从细观上揭示了具有不同原生结构的散粒体试样，具有 不同的各向异性特征。 采用颗粒流模拟大主应力加荷、中主应力加荷和小主应力加荷试验，得到了和真三 轴试验相类似的应力各向异性的规律。进行了更复杂的大主应力、中主应力和小主应力 组合加卸荷的试验，进一步反映了应力各向异性的规律。计算结果分析认为塑性体积应 变和塑性剪切应变存在线性关系，即可以认为存在塑性应变方向唯一性，同时也发现塑 性主应变和塑性体积应变也存在线性关系。 通过构造町破碎颗粒，建立结构性岩土材料试样构造试样，进行了刚性边界施加较 低围压、柔性边界施加围压和柔性边界施加围压下提高颗粒的脆性三种情况下的数值模 拟，研究了棒状结构体破损过程中，胶结块和软弱带的局部应力和局部应变以及平均应 力和平均应变的变化过程。分析了软弱带和胶结块的剪切应变和体积应变发展的差异， 研究破损带生成及发展的演化规律。 通过构造棱柱状可破碎颗粒，研究了棱柱状结构体在受荷过程中的变形和破损机 理。研究了棱柱状结构体破损过程中，胶结块和软弱带的局部应力和局部应变以及平均 应力和平均应变的变化过程。分析棱柱状结构体与棒状结构体破损过程应变发展的不同 点。通过预制设黄材料缺陷进行试验发现，研究了缺陷会对轴向应力、破损带的空间位 置分布产生重要的影响。 利用颗粒流方法可以模拟裂隙试样变形过程中裂纹的形成。裂纹可以通过胶结破损 空间位置直观反映出来。对含两条雁行及雁行共面三条预制裂隙试样模拟试验，分析研 摘要 究了分支裂纹的扩展及贯通过程。研究了非贯通雁行裂隙试样在剪切荷载作用下的破坏 机制，与现场真实的破坏机制进行了比较，分析了岩桥局部应变随着裂隙扩展的变化过 程。 关键词：颗粒流；结构性岩土材料；细观力学；各向异性；岩土破损力学；裂隙 l i a b s t ra c t a b s t r a c t n l ea n i s o t r o p ya n db r e a l ( a g eo fg e o l o g i c a lm a t e r i a l sa r ev e r yi m p o i r t a l l ti nt e n i l so f t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dp r a c t i c a le n g i n e e r i n g ，b u ti ta r en o ts o l v e dw e l ls of nb r e a k a g e m e c h a f l i c sc o n c e p t u a l i z e st h eg e o l o g i c a lm a t e r i a l sa sb i n a r ys t m c t u r a lb o d i e sc o n s i s t i n go f b o n d e db l o c k sa n dw e a k e n e db a n d s d u r i n gt h e i rd e f ；d r r n a t i o nt h eb l o c k sb r e a kd o 、v n 伊a d u a l l ya 1 1 dt u mt ob ew e a k e n e db a n d s i nt h i sm e s i sa 1 1 i s o t r o p ya i l db r e a k a g eo fg e o l o g i c a l m a t e r i a l sa r es t u d i e ds y s t e m a t i c a l l ya n di n t e n s i v e l yb yp a i t i c l ef l o wc o d e ( p f c ) ，w h i c h a d o p t st h ed i s t i n c te l e m e n tm e t h o d ( d e m ) as e r i e so fb i a x i a lt e s t so ns a n d sw i t hi n h e r e ma n i s o t r o p i cw e r ep e r f o n n e d t l l e e v a l u a t i o no fm i c r of a b r i cp a r a m e t e r ss u c ha sc o n t a c to 订e n t a t i o na n dc o n t a c tf o r c e sw e r e s t u d i e dd u r i n gt h ep r o c e s sl o a d i n g t h em e c h a n i s mo fi n h e r e n ta n i s o t r o p i cw a l sd i s c u s s e d 缸o mt h ev i e 、p o i n to fm i c r o m e c h a n i s m b a s e do ns e r i e st m e 一证a x i a lt e s t su 1 1 d e r c o m p l e xs t r e s ss t a t e ， b a s i c a n i s o t r o p i c d e f o m a t i o nm e c h a n i s ma n dm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fs o i li sd i s c o v e r e d w h i c hw i l l s u p p l ye n o u g hd a t af o rt h ee s t a b l i s h l l l e n to fa n i s o t r o p yc o n s t i t u t i v em o d e l b a s e do nm et e s t r e s u l t s ，t h em a i nc h a r a c t e ro ft h es t r a i n s t r e s sm 撕xo fs o i lu n d e rc o m p l e xs t r e s ss t a t ei s s u m m 撕z e d b yu n l o a d i n ga t t h ee n do fe a c hf o r c ep r o b i n gd i r e c t i o n ，t h ea m o u n to fe l a s t i c d e f o n n a t i o nw a sm e a s u r e d h e n c e ，a n yp l a s t i cs t r a i ni n c r e m e n td e v e l o p e dd u r i n gp r o b i n g c o u l db ed e d u c e d i t i sf o u n dt h a ta l lf i o r c ep r o b e sg i v ea p l a s t i c s t r a i ne n v e l o p et h a t c o l l a p s e si n t oal i n e ，r e s u l t i n gi n t oa u n i q u e p l a s t i cs t r a i ni n c r e m e n td i r e c t i o n ，n om a t t e rt 1 1 e f o r c ep r o b i n gl e v e la n dd i r e c t i o n t h eb i a x i a lc o m p r e s s i o ne x p e r i m e n t so ft h es a m p l e sa s s e m b l i n go fb 孙l i k es t m c t u r a l b o d i e sa r ec o n d u c t e dt os t u d yt h ef a i l u r ea j l db r e a k a g em e c h a n i s m so fg e o l o g i c a lm a t e “a l s t h ec r u s h a b l eb a r - l i k es t r u c t u r a lb o d i e sw e r em a d eb yb o n d i n ge l e m e n t a r yd i s c s d a m a g ea n d i t se v o l u t i o na r er e p r e s e n t e de x p l i c i t l ya sb r o k e nb o n d su 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 s ， t h eb r e a k i n gp r o c e s s e so fb a r 1 i k es t m c t u r a lb o d i e sa r eo b s e r v e d t h el o c a ls t r e s sa j l ds t r a i no f t h es t m c t u r a lb o d i e s 、v e r em e a s u r e d ，a n dt h ee v o l u t i o nl a wo fb r e a k a g ep a r a m e t e rd i s c u s s e d d u r i n gt h eb r e a k i n gp r o c e s so fs t m c t u r a lb o d i e s ， i ti sf o u n db ye x p e r i m e n tt h a tt h es t m c t u r a l b o d i e sn o to n l ys l i d ea 1 1 dr o t a t e ，b u ta l s ob r e a k w h e nt h ec o n f i n i n gs t r e s si ss m a l l ，s t r a i n s o r e n i n g ，r a p i ds t r e s sd r o p ，v o l u m ei n n a t i o na n d1 a t e r a le x t m s i o nc a nb eo b s e e d ；w h i l et h e c o n f i n i n gs t r e s si sl a r g e ， s t r a i nh a r d e n i n g ，v o l 啪ec o n t r a c t i o na j l dl a t e r a l i n t r u s i o nb e c o m e i i l a b s t r a c t p r e v a l e n t i no r d e rt oe x p l a i nt h ef a i l u r ea 1 1 db r e a k a g em e c h a n i s m so fs t m c t u r a lg e o l o g i c a l m a t e r i a l s ， t h eb i a x i a lc o m p r e s s i o nt e s t so ft h es a i l l p l e so fp r i s m a t i c s t m c t l j r a lb o d i e s a s s e m b l e da r ec o n d u c t e du n d e rd i 日e r e n tc o n f i n i n gs t r e s s e s 【 u r i n gt h eb r e a k i n gp r o c e s so f s t r u c t u m lb o d i e s ，i ti sf o u n de x p e r i m e n t a l l yt h a tt h em a i nf a i l u r em o d e so fs t m c t u r a lb o d i e s a r es p l i t t i n g ，s h e a rf a i l u r ea n dc m s h i n g ，b u tf i n a l l yt h eb r e a l ( a g eb a n d sf o 姗；1 1 1 el o c a ls t r e s s 锄ds t r a i no ft h es t m c t u r a lb o d i e sw e r em e a s u r e da n da n a l y s i s e d m a t e r i a l i m p e r f e c t i o nw a s i n t r o d u c e di n t op l a j l es t r a i ns p e c i m e ni nu i l i a x i a lc o m l ) r e s s i o n t ot r i g g e rt h en o n u n i f o m ld e f o 瑚a t i o nw i t h i nt h es p e c i m e ns ot h a tt h es i n g l es h e a rf a i l u r eo f t h es p e c i m e nw a sm o d e l e d t h ec h a r a c t e r i s t i c so fd e f o n n a t i o na n df a i l u r eo ft h es p e c i m e na t d i 虢r e n tl o a d i n gs t a g e sw e r ei n v e s t i g a t e d t h ei n c l i n a t i o na n g l eo fs h e a rb a n dw a sm e a s u r e d a n dc o m p a r e d 、v i t ht h ep r e v i o u s l yt h e o r e t i c a lp r e d i c t i o n s t h e e a e c to fp o s i t i o no f i m p e 疵c t i o no nt h ei n i t i a t i o na n dd e v e l 叩m e n to fs h e a r b a i l da sw e l la st h es t r e s s _ s t r a i nc u r v e w a si n v e s t i g a t e d 7 i 1 1 eb i a x i a lc o m p r e s s i o ne x p e r i m e n t so fm es a i i l p l e s 谢mt 、o o rt i l r e ep r e 。e x i s t i n g c r a c k sa 玎a n g e di nd i f i f e r e n te c h e l o na 1 1 dc o - p l a n a rg e o m e t r i e sa r ec o n d u c t e dt os t u d yt h e m o d e so ff r a c t u r ep r o p a g a t i o n k e yw o r d s ：p a n i c l en o wc o d e ；g e o l o g i c a lm a t e r i a l ；m e s o m e c h a n i c s ；a n i s o t r o p y ；b r e a k a g e m e c h a n i c s ：i n t e n n i t t e n tc r a c k i v 前言 厶- j o 刖吾 土体不仅是一种地质历史产物，而且又受到人类活动的强烈改造，因而具有非常 复杂的非线性特征。这种特征在微观上主要表现为土质结构的非连续性和不确定性， 而且土的宏观工程性状在很大程度上受到微观结构特性的控制，任何一种基于适度均 匀化处理的连续介质模式都很难准确地表述其结构的复杂性。传统土的力学性质研究 方法大都是对土样进行各种力学试验，确定其变形和强度等特性参数，这种方法一般 都不涉及土的结构及颗粒问的受力状态，这就是所谓的宏观研究的内容。所以，土体 的结构性研究是土力学研究中的前沿课题之一。 对于土体的各向异性和破损特性，各国学者已经进行了大量的真三轴试验和平面 应变试验研究以及理论研究。常规试验研究无法得到整个加荷过程中颗粒排列、孔隙 分布、颗粒破碎及颗粒接触连结状态、胶结块和软弱带的局部应力和局部应变的变化 情况，也无法准确研究胶结块的破损演化的全过程。 颗粒流p f c ( p a n i c l ef l o wc o d e ) 数值模拟试验除宏观结果外，还能给出试样颗粒 问的应力应变，正在成为研究岩土力学的一个有力工具。本文采用二维颗粒流程序， 通过构建具有方向性的非圆颗粒建立试样研究土的原生各向异性，采用三维颗粒流程 序的球体单元建立三维数值模拟试样进行土的应力各向异性数值模拟研究，并且进一 步研究复杂应力状态下的应力各向异性；采用颗粒流中颗粒簇单元方法构造可破碎颗 粒研究实际岩土的结构破损特性，对含两条雁行及雁行共面三条预制裂隙试样进行模 拟试验，分析研究分支裂纹的扩展及贯通过程。 本文的创新点主要包括： 1 、采用颗粒流中的块单元形成椭圆形颗粒，构造组构不同的数值模拟试样，进 行纵、横向加荷研究土的原生各向异性，反映了试样强度与颗粒长轴定向、加荷方向 的关系及加荷过程中颗粒接触法向的空间分布变化。采用三维颗粒流模拟大、中、小 主应力加荷试验，得到和真三轴试验相似的应力各向异性规律，验证颗粒流进行数值 模拟研究应力各向异性的适用性，同时进行复杂应力组合加卸荷的数值模拟试验，验 证了塑性体积应变和塑性剪切应变存在线性关系的理论推断； 2 、采用颗粒流程序形成胶结簇，构造可破碎颗粒，制成具有结构性岩土材料的 数值模拟试样，得到与模型试验相似的试验结论；通过研究破损过程中胶结块和软弱 带的局部应变，分析破损率和局部应变系数的演化； 3 、利用颗粒流构造非贯通雁行裂隙试样，对试样进行轴向加荷和剪切，反映岩 体内部裂隙的演化，发展直至断裂全过程。实现了损伤力学与断裂力学相结合的数值 模拟，数值模拟与模型试验以及实例相似，揭示了裂隙发展及断裂的内部演化机制。 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实， 本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 学位论文使用授权说明 2 0 0 8 年5 月1 3 日 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。 论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 i 论文作者( 签名) ：熟2 0 0 8 年5 月13 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 土体不仅是一种地质历史产物，而且又受到人类活动的强烈改造，因而具有非常复 杂的非线性特征。这种特征在微观上主要表现为土质结构的非连续性和不确定性，而且 土的宏观工程性状在很大程度上受到微观结构特性的控制，任何一种基于适度均匀化处 理的连续介质模式都很难准确地表述其结构的复杂性。所以，土体的结构性研究是土力 学研究中的前沿课题之一。对此，沈珠江院士曾强调指出：土的结构性本构模型的建立 将成为2 l 世纪土力学的核心问题。传统土的力学性质研究方法大都是对土样进行各种力 学试验，确定其变形和强度等特性参数这种方法一般都不涉及土的结构及颗粒问的受力 状态，这就是所谓的宏观研究的内容。 自土体结构概念被提出之后，至今关于结构性的研究己经历了从概念、术语阶段到 定性描述及结构分类阶段再到现今的图像分析和定量研究阶段。人们逐渐认识到土的结 构对其性质起着决定性作用。由于电子显微镜、x 射线衍射仪、电子探针以及差热分析 等测试技术的发展，促使土力学在土的细观结构研究方法开拓了新的领域。这里的细观 结构是指土的颗粒排列、孔隙分布、颗粒破碎及颗粒接触连结状态i lj 。这意味着过去基 于土体为理想弹性一刚塑性体或非线性弹性一弹塑性体而建立的各种数学模型需要从 新的角度进行认识与发展，必须以土的结构性为出发点去探讨土体的变形与强度分析的 各种数学模型，并应用于工程实践中去。 1 2 问题的提出与研究意义 岩土材料具有不同于其他材料的性质：结构性和各向异性。 土的结构( s t l l j c t u r e ) 更倾向于用来表示土的组成成分、空间排列和粒间作用力的 综合特性。所谓土的结构性就是指这种结构而造成的力学特性。结构性的强弱表示土的 结构对于其力学性质( 强度和变形性质等) 影响的强烈程度。 所谓各向异性是指作为工程材料的土，在不同方向上的力学参数、结构特性及应力 应变关系的不同。根据引起这种不同的原因和表现的不同可分为原生各向异性和次 生各向异性，或固有各向异性和应力诱导各向异性。土体原生各向异性和应力各向异性 的共同点在于宏观表现都是在不同方向上的力学性状变形规律的不同，从各向异性产生 的深层机理考虑，两种各向异性都可以统一于土体的结构特性中。正是由于土体材料的 颗粒结构性，土颗粒在受力过程中由于其具有粒状，片状，条状的结构特性，在沉积固 结过程和应力作用下，才会沿某一方向定向排列，从而形成土体宏观表现上的各向异性。 因此，从微观角度开展土体各向异性的机理研究是一个重要内容。但是由于其复杂性及 研究手段的限制，迄今为止尚未取得突破性的成果。 第一章绪论 土的结构可视为一个由单粒、集粒或凝块等骨架单元共同形成的结构体系，粒体的 性质、形状、大小影响着材料的应力和变形的非线性关系。松散介质( 如砂体) 中的颗粒 位移是相互独立的，它们之间通过接触点相互作用。这种介质的离散特点决定了它们在 加、卸载过程中表现出来的复杂特性，至今尚未建立起满意的本构模型。然而，由于松 散介质内部的应力很难直接测量，只能根据边界条件估算，给试验结果的揭示带来很多 困难，并且即使通过物理试验能够精确地确定各圆盘或球颗粒之间的接触力和位移，但 是该方法费用高，所需时间长。新的试验手段( 如x 射线照像技术) 虽然已能测量应变，但 尚不能测量诸如土体中的应力等。 天然岩土材料是在漫长的地质过程中形成的，有的先凝聚成团粒再堆积起来，有的 先胶结成整体后又风化成节理裂隙。因此，天然岩土材料都具有结构性。结构性实质上 是胶结强弱有序变化造成的。岩土抗剪强度中凝聚力成份和摩擦力成份不是同时发挥作 用的。因为由胶结力提供的凝聚力成份具有脆性，变形不大时就达到峰值，而摩擦力成 份则只有发生相当大的变形后才能充分发挥出来【6 】。因此，结构性岩土材料可以抽象成 由结构块和结构带组成的双重介质材料，岩土破损力学的研究对象正是这种双重介质材 料。结构块的破损是岩土破损力学的研究焦点。破损导致材料性能降低。但岩土材料是 大体积的，且多在抗压和抗剪条件下工作，局部破损不会导致整体破坏，因为结构带也 能承担一定的荷载。这就是双重介质模型的工作机理。破损力学已经把岩土材料看成不 均质的结构体。常规试验无法得到整个加荷过程中试样内部接触力的变化及结构破损演 化的全过程，这限制了对岩土结构破损细观力学机理的进一步研究。 数值模拟在应用方面更为灵活和通用，表现在加载方式、颗粒的尺寸和分布以及颗 粒的物理力学性质等方面，能够得到试验各阶段的数据，这是物理模拟所无法比拟的。 c u n d a l l 和s t r a c k 【3 8 ，3 9 】开始利用离散元模拟土力学的试验，开辟了一个新的数值试验手段， 离散元除宏观结果外还能给出一些细观的结果，可以分析变形过程中组构性的变化，因 此近来受到越来越多的研究者重视。颗粒流p f c ( p a n i c l ef l o wc o d e ) 数值试验从颗粒介质 的细观力学特征出发，除给出宏观结果外，还能给出一些细观结果，如胶结块破损的数 目位置和位置等细观数据，可以计算胶结块和软弱带的局部应力和局部应变。随着计算 机功能的逐步增强，因此颗粒流p f c ( p a n i c l ef l o wc o d e ) 逐渐成为用来模拟散粒体介质力 学问题的一种有效手段。 因此利用颗粒流p f c 研究颗粒材料的各向异性以及岩土破损问题是一个很有意义的 课题。 1 3 土的结构特性研究现状及发展 土体在形成和密实过程中，土颗粒与组构单元往往形成一定的排列方向和微细观结 构。按照空间结构力学的概念，土体的强度、变形和稳定性取决于土骨架的刚度和强度， 即取决于单位体积内结构连接点的数目、方向、连接方式和结构连接的强度。土体的微 2 第一章绪论 细观结构及其变化对土的宏观性质有重要影响。因此只有从宏观着眼、微细观着手，宏 观微细观密切结合才能全面地认识土的基本性质和工程性状的形成原因、规律和物理机 制，才有可能进一步建立符合土体实际情况的计算模式。 1 3 1 土的各向异性研究现状 有关土体结构的研究表明，天然土层在沉积和固结过程中，土颗粒及结构单元一般 具有一定的排列方向，这种结构上的方向性导致了变形和强度在不同方向是不一样的。 天然土层中的初始应力一般处于不等压状态，这种应力状态的各向异性导致土体在破坏 时的剪应力增量不同，强度和变形也是不同的，这称为“原生各向异性”。复杂加荷状态 下，应力状态的改变导致在不同方向力学性状和参数改变。另外，即使是初始各向同性 土体，在土体的应力状态发生改变时，也会使结构发生改变，不同应力方向上的强度和 变形也会不同，这称为“次生各向异性”或“应力诱导各向异性”。 各向异性作为土体的一个重要特性，一直为人们所注意。所谓各向异性是指土体在 不同方向的力学参数、结构特性及应力应变关系的不同。两种各向异性都和土的结构性 密切相关。 鉴于结构性微观研究的复杂性及研究手段的限制，多数学者开展了针对各向异性的 室内常规试验的研究。土体的各向异性集中表现在强度和变形在不同方向上的不同，因 此，将土体按照与沉积面不同角度切取试样后进行直剪和常规三轴试验，以此测定土体 强度和变形的各向异性规律，是研究土体“原生各向异性”的常用手段。对各向异性现 象的大范围研究是从6 0 年代开始，最初的关于原生各向异性的研究都只停留在剪力盒的 实验手段。1 9 6 5 年l o 对土体以不同方向切取试验并进行直剪研究，并对不排水强度与不 同切土方向之问的关系进行试验研究。 对于常用应力应变分析所采用的六面体单元而言，各向异性的研究需要能够在不同 方向施加荷载，这样的要求催生了真三轴试验仪的研究和发展。k e l l m a n 于1 9 3 6 最早开 展了真三轴方面的研究工作；此后开展了大量针对棱状土样的真三轴试验，s c o t t 和 k 0 1 9 6 9 年曾这一阶段相关工作作了较好总结【3 j ；其中部分试验已经考虑到从改变中主应 力的角度出发来研究不同应力状态对于土体应力应变关系的影响，如：d a n i e l ，1 9 5 7 ； e s c 撕o ，1 9 6 1 ；l e n o e ，1 9 6 6 ；l o m i z ea n dk 叮z h a i l o v s k y ，1 9 6 7 ；g r e e n ，1 9 6 9 ；s u m e r l a i l d a i l dm e s d a r y ，1 9 6 9 ；h 锄b l y ，1 9 6 9 等。 j o h a n s s o n ( 1 9 6 5 ) 通过搜集整理大量有关现场原生各向异性的实测资料发现，土体颗 粒形状和沉积原因对于天然沉积土体颗粒的排列有很大影响；p h i l l i p s 和m a y ( 1 9 6 7 ) 采用 一种特制的剪力盒，发现不同方向的强度有较大差别；p a r k i n 等在1 9 6 8 年对用砂雨法制 样的中砂进行的三轴试验发现，水平方向的应变总是大于竖直方向；a n h u ra 1 1 dd u n s t a n 【4 】 对在水中沉积的玻璃球和铝质圆盘所模拟的立方体试样研究，同时对照于取自h 锄河的 砾石试样，发现砾石总是沿垂直沉积方向定向排列。 第一章绪论 2 0 世纪7 0 8 0 年代期间，各种类型的真三轴仪被研制出来，并广泛应用于三向应力 状态下土体变形特性的研究，但主要集中在砂土材料，如g r e e n ( 1 9 7 1 ) ，g o l d s c h e i d e ra 1 1 d g u d e h u s ( 1 9 7 3 ) ，和m i y a m o r i ( 1 9 7 6 ) 等所作的工作；l a d e 和d u n c a n ( 1 9 7 3 ，1 9 7 5 ) 0 6 j 也作了 大量针对m o n t e r e y 砂的系列试验，试图建立一个可以用以分析复杂应力状态下砂土的弹 塑性模型。而e 1 s o h b ya n da n d d r a w e s 在1 9 7 3 年对砂样的各向异性研究中发现采用湿法制 样所得到的松砂试样在均匀围压下，将表现出显著各向异性特性：在竖直方向( 沉积方 向) 的压缩变形小于水平方向。 o d a 在1 9 7 2 年所做的常规三轴试验也表明松砂在施加和沉积方向成不同角度的荷载 会表现出不同的应力变形和强度特性【5 】；a n h u r 和m e n z i e s 针对立方体试样所作的不同角 度加载的三轴试验也有类似的发现【2 】。以上工作所揭示的砂样的变形各向异性都表明在 竖直向的压缩小于水平方向。d u n s t a n ( 1 9 7 1 ) 采用同样的装置对h a l l l 河砂作了更大范围 的试样，得到了剪切强度随方向变化的规律。 19 7 3 年，p a u lv 1 a d e ，和j a m e sm d u n c a n ，设计出一种新型立方体试样真三轴仪器。 并对m o n t e 巧n o 0 砂，分紧砂和松砂两个系列，进行了等压固结条件下，按比例增加水 平和垂直方向的偏应力的系列真三轴试验；得出结论：强度随中主应力的增加而增加， 直至b 达到o 7 5 到0 9 0 左右，然后开始减少直至b = 1 o ；在常围压下，对于密砂和松砂， 应力应变的初始坡度都是随中主应力的增加而增加；这一现象说明在应力水平较低的情 况下，中主应力对应力应变关系的影响满足虎克定律；当应力水平增加到一定程度，塑 性膨胀开始出现并逐渐占主导地位，直至在高应力水平下，全是膨胀变形；中主应变在 b 小于平面应变状态所对应b 值时为膨胀，而在b 大于平面应变状态所对应b 值为压缩；小 主应变方向在所有状态下都是膨胀变形，并且随着b 值的增加而降低；对密砂而言，破 坏应变随b 增加而减少；对松砂，破坏主应变先减少，当b = o 6 0 时，保持不变。当b 值增 加时，应力应变曲线的斜率增加，破坏应变减少，膨胀率增加；试验结果显示，松砂和 密砂应变增量方向和屈服面成锐角，说明正交流动法则不适用；但在八面体空间里，塑 性应变增量的方向和屈服面垂直，适用正交流动法则。 土体结构上的各向异性是导致土体强度和变形各向异性的根本原因。因此，从微观 角度开展土体各向异性的机理研究是一个重要内容。但是由于其复杂性及研究手段的限 制，迄今为止尚未取得突破性的成果。1 9 7 7 年，s e r g e y e v 和o s i p o b 曾研究粘土中土颗粒 的排列和强度之间的关系，并分别用定向度c ，和各向异性系数s ，s 。表示，试验表明， 当c 。由o 5 增加到1 o 时，s ，s 。由1 0 变到2 5 ，表明，随着颗粒排列的加强，垂直方向的 抗剪强度增强，而水平方向的抗剪强度降低；o s i p o v ( 1 9 8 2 ) 对此认为这时由于剪切带中 土颗粒沿剪切方向定向排列时，与剪切方向垂直的颗粒要旋转9 0 0 ，而这样需要消耗更 多的能量，从而导致抗剪强度的提高；k r i z e k ( 1 9 7 7 ) 对高岭土的研究表明，在等向固结 压力作用下，形成的土体结构呈无序状态，具有各向同性的特性，而在不等向固结压力 4 第一章绪论 作用下，结构呈现定向排列，具有各向异性； 1 9 7 7 年，a n h u r ，c h u a 和d w l s t a l l 【4 j 等对以往试验装置作出改进，进行了一系列的控 制主应力方向对紧砂平面应变实验，以及主应力方向角度从o o 到9 0 0 旋转实验。并提出消 除原生各向异性影响的制样方法。研究结果表明次生各向异性对应变增量有很大影响； 并且会引起应力增量和应变增量主轴偏离，即土体应力应变增量的不共轴性。 b e l l r e 和b j e r m m ( 1 9 7 8 ) 提出天然土层中的实际应力状态是不等压状态，土体的强度和 变形特性与土体的各向异性有关，要在室内测得土体的实际抗剪强度，需要将试样重新 固结到原有心固结状态；m i k a s a ( 1 9 8 4 ，1 9 8 7 ) 等从室内试验和现场试验中也得到相类似 的结果。 m a s a n o b uo d a 和i s a ok o i s h i k a w a 等开展了对于人工制备的土样砂土的结构性各向 异性的研列5 1 。通过对砂样的平面应变试验观察到由于土体颗粒排列而引起的应力各向 异性，平面应变试验所得到的剪切强度要比常规三轴试验大1 0 到2 0 ；当试样被沿着 和基底成一小角度压缩时，平面应变条件下的强度可能小于三轴条件下；认为在分析平 面应变条件下的稳定性问题和土压力问题时，这种各向异性需要予以考虑。 1 9 7 9 年，y a s u oy 锄a d a 和k 蜥i s h i h a r a 【7 j 针对在水中沉积的松砂，进行系列三向应力 路径试验【_ 7 】；结果表明，当剪应力较小时，按此法制成的试样的变形因为原生各向异性 而呈现明显的各向异性，当剪应力接近破坏应力，原生各向异性的影响消失。同时，也 作了系列针对沉积后方向旋转9 0 度的试验以进一步说明问题。y a m a d a 和i s h i h a r a 对饱和 松砂进行了平均主应力p 为常数的真三轴试验，结果表明，松砂的初始各向异性没有紧 砂大，而且在大应变时会逐渐消失。 k o n i s h i ( 1 9 8 2 ) 利用光弹试验方法，对用代用材料注塑形成的模拟砂土结构进行各 向异性试验，结果表明，当颗粒长轴与层面一致时，在垂直方向剪切得到的强度最大， 随着长轴方向和层面方向角度的变化，强度也随之改变。l a d e ( 1 9 8 2 ) 对c a m b r i a 密砂进行 了真三轴对比试验，将饱和砂土冻结后，在立方体试验仪器中按不同方向定位，试验结 果表明结构各向异性对抗剪强度的影响很大；l e w i n ( 1 9 8 2 ) 等根据各向异性砂土真三轴试 验结果在兀平面上应变等值线的形状，提出一个考虑应力偏转角的经验系数，可以得到 与各向同性类似的各向异性应变表达式。 p 删和n a d a r a i a h ( 1 9 8 4 ) 提出，对于结构各向异性，在承受较大等向固结压力作用下， 可以在某种程度上得以消除，其原因在于，由于非等向固结压力产生的颗粒定向排列， 可以在较大等向压力下遭到破坏，恢复其无序状态。 1 9 8 4 年，s e h c h im i u r a 和s h o s u k et o k i l l 3 j 针对用冷冻升华法获取的轴线方向分别和天 然土沉积方向一致和垂直的原状土样现场砂土样原状土样，进行了系列三轴压缩和伸长 试验以及循环荷载试验，以评估在静荷载和循环荷载下，原状土的强度特性。试验结果表 明，各向异性特性不仅存在于人工制备土样，在自然沉积土体中同样存在。天然沉积土 第一章绪论 的各向异性特征是因为在沉积过程中土体颗粒层状排列而引起的层状各向异性：轴线和 沉积方向一致的试样在竖直方向较水平方向具有低压缩性。土体的结构性是原状土力学 各向异性的主要原因；而且，室内人工制备的试样和两种现场天然沉积原状样具有类似 的各向异性力学特性。并且提出，天然沉积原状土的力学特性可以通过合适的试样制备 方法在室内试验中模拟出来。冷冻升华取样法是一种获取保持原状土结构各向异性和密 实度土样的可行方法。 h a y k a s h i ( 1 9 8 6 ) 等对w h i t e 粘土进行了系列不同应力组合的真三轴试验，研究了各向 异性对凝聚力和内摩擦角的影响，认为各向异性对w h i t e 粘土的内摩擦角影响较大，对 凝聚力影响较小。 1 9 9 1 年，n o r i y u k iy a s u f 诚u ，h i d e k a z um u r a t a 【8 0 】通过系列不同应力路径，不同大小 应力水平下针对砂土的试验，研究了各向异性条件下屈服轨迹的特征。认为，不同应力 水平下的屈服轨迹大体上一致；在上述理论基础上，提出一个各向异性固结的砂土屈服 函数。 19 9 4 在殷宗泽指导下，朱俊高，卢海华进行了系列的真三轴试验【1 7 】，发现土体在一 个方向受压，在侧向可能是压缩变形，也可能是膨胀变形；相应的，柔度矩阵中的对应 元素可能是正，也可能为负；卢海华在此基础上，详细论述了土体柔度矩阵的基本性质， 提出一种改善柔度矩阵形态的方法，用于殷宗泽双屈服面模型的修正，并用修正后模型 对瀑布沟土石坝进行平面有限元分析。 1 9 9 8 年，e q r 锄u lh o q u ea n df u m i ot a t s u o k a 【7 4 j ，用试验研究了颗粒材料的固有和应 力诱导各向异性弹性变形参数；测量了大立方体试样和小实心圆柱试样的轴向和侧向主 应变；在多种各向异性和各向同性应力状态下的往复荷载施加于竖直和水平方向；弹性 变形特性表现出明显原生各向异性：各向异性应力状态下，竖直方向的弹模大于水平方 向弹模；弹模表现出应力状态相关性，当应力状态的各向异性增加时，弹模的各向异性 特征也愈加明显；这种弹性实际是一种超弹性；即使是在施加了固定应力路径的往复荷 载作用下，变形也不是完全弹性的。 殷宗泽在对土石坝面板，混凝土防渗墙在不同弹模，泊松比影响下的应力变形分析 比较的基础上，对工程常用的邓肯e v ，e b 模型以及修证剑桥模型对于应力各向异性的 适应性进行详细的数值分析，指出其各自局限性；提出，蓄水期间由于水荷载从小主应 力方向施加所引起的坝体材料应力各向异性，对坝体应力变形规律将产生显著影响，进 而影响到面板和防渗墙的变形规律【1 9 ，2 0 1 。 2 0 0 1 年，d u d u m uk s y o 【8 2 j 等为研究砂在大变形情况下的应力应变特性，进行了一系 列针对t o y o u r a 砂的三轴不排水剪切试验；着重研究砂土在不等向固结情况下的不排水 应力应变关系；考虑了相当广泛的初始状态并且考虑了砂在剪缩和剪胀的两种情况； 2 0 0 2 年，s u s h ik c h a u d h a r y 和j i r ok u w a i l o 【引j 用空心圆柱扭剪仪试样研究了在往复 6 第一章绪论 荷载作用下t o y 0 1 1 r as a i l d 的初始结构性和剪切方向对于应力应变关系，剪切模量和空心 率的影响；比较三种不同的装样方法：砂雨干法装样法，砂雨湿法装样和振捣干法装样， 来考虑不同的初始各向异性；试样在等p 条件下，分别在沉积方向o ( 9 0 ) ，2 2 5 ( 6 7 5 ) ， 4 5 ( 4 5 ) 度角平面上剪切；观察到各方向的各向异性特征和剪切模量变化；结果表明 装样方法和剪切方向都会对结果产生影响。 殷宗泽在大量的关于土石坝蓄水过程中防渗墙和面板变形应力特性的数值分析中 发现，由于蓄水引起的坝体材料的应力各向异性对于防渗墙和面板的应力变形有很大影 响，从而开始着手这方面的研究，在其指导下，徐志伟等作了大量关于复杂应力状态下 的真三轴试验研究，根据真三轴试验所揭示的复杂应力状态下土体应力变形规律，殷宗 泽提出考虑各向异性土体柔度矩阵应该具有的一些基本特性，在此基础上，结合工