（岩土工程专业论文）上海软土剪切带形成的局部化变形及中主应力试验研究.pdf

摘要 摘要 在深基坑开挖施工过程中，经常会产生深基坑失稳破坏等工程事故。这些 工程事故说明：现有土力学计算模型均未考虑土体在剪切带形成过程中的应变 局部化问题，故不能很好的发现和解释这些工程事故的发生。目前基坑工程设 计的依据主要是根据国家规范和地方规范，而规范中规定的报警值主要是根据 实际工程所得到的经验值，缺乏一定的理论依据。因此，在基坑工程设计时把 土体应变局部化的因素考虑进去，运用黏性土变形局部化的计算参数，将会进 一步达到设计安全的目的。为进一步深入研究剪切带形成及其破坏机理，本文 采用上海不同地区的第五层灰色原状黏土为研究对象，采用平面应变仪，进行 不同围压下的固结不排水平面应变试验，在平面应变条件下全面细致地记录了 整个剪切过程中土体的应力应变关系，孔隙水压力的变化以及侧向局部化变 形的发展情况，并对上海原状黏土进行了在平面应变条件下的中主应力量测。 在试验结果的基础上分析、论证上海地区原状黏土在平面应变受力状态下的剪 切带形成机理，提出剪切带开始形成的新标准，并进一步论证以孑l 隙水压力转 折点为依据的标准，获得各个应变特征点综合信息；对剪切带倾角进行了测量 并提出了其计算方法，并对土体的中主应力在土体变形过程中的变化发展情况 进行了分析研究。本文最后还将变形局部化理论运用于工程实际当中，使用土 体局部化变形开始点强度指标作为设计值，对上海市外滩通道工程( 编号：2 0 0 5 市1 2 4 ) 的关键节点进行计算与分析比较，结果表明，考虑局部化变形的方法能 较准确地计算深基坑的变形情况，从而达到设计安全的目的，并希望以此能对 工程设计提供一定的指导作用。 关键词：平面应变试验；剪切带；平面应变仪；原状黏性土；局部化变形 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h ep r o c e s so fe x c a v a t i n gc o n s t r u c t i o no fd e e pf o u n d a t i o np i t s ，s o m e e n g i n e e r i n ga c c i d e n t so w i n gt os t a b i l i t y l o s i n gd e s t r u c t i o na n ds oo no fd e e p f o u n d a t i o np i t so f t e no c c i rf r e q u e n t l y a l lt h o s ee n g i n e e r i n ga c c i d e n t sd e m o n s t r a t e t h a tc a l c u l a t i o nm o d e lo fs o i lm e c h a n i c sn o w e x i s t i n ga l lh a v en o tt a k e nt h ei s s u eo f s t r a i nl o c a l i z a t i o no fs o i l i nt h ep r o c e s so ft h ef o r m a t i o no fs h e a rb a n d si n t o c o n s i d e r a t i o n ，s ot h eo c c u r r e n c eo ft h e s ee n g i n e e r i n ga c c i d e n t sc a nn o tb ed i s c o v e r e d a n de x p l a i n e dv e r yw e l l n o w a d a y st h ed e s i g nr e g u l a t i o n sf o rf o u n d a t i o np i t e n g i n e e r i n ga r em a i n l yb a s e do nn a t i o n a ls t a n d a r da n dl o c a ls t a n d a r dw h i c hl a c k so f s o m et h e o r e t i c a lb a s i s t h e r e f o r e ，t a k i n gt h ef a c t o r so fs t r a i n e dl o c a l i z a t i o no fs o i l i n t oc o n s i d e r a t i o na n da p p l y i n gt h ec a l c u l a t i o np a r a m e t e r so fd e f o r m e dl o c a l i z a t i o n o fc l a yw i l lf u r t h e r l yr e a c ht h ed e s t i n a t i o no fs e c u r i t y i no r d e rt om a k ead e e p r e s e a r c ho nt h em e c h a n i s mo ff o r m a t i o na n dd e s t r u c t i o no fs h e a rb a n d sf u r t h e r l y , t h i s t h e s i sa d o p t su n d i s t u r b e dg r a ys i l t yc l a ya n dg r a yc l a yi nt h ef i f t hl a y e ro fd i f f e r e n t a r e a si ns h a n g h a ia st h ee x p e r i m e n t a lo b jc o t sa n da p p l y st h ep l a n es t r a i na p p a r a t u st o m a k eas 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 sw i t hd i f f e r e n t a m b i e n tp r e s s u r e m o s to ft h es a m p l e sr e s p o n s ew a sr e c o r d e dd u r i n gt h es h e a r i n g p r o c e d u r e ，s u c ha st h es t r e s s - s t r a i nr e s p o n s e ，t h ed e v e l o p m e n to fp o r ew a t e rp r e s s u r e ， a n dt h ee v o l u t i o no fl o c a ll a t e r a ln o n - h o m o g e n e o u sd e f o r m a t i o n a l s o ，i n t e r m e d i a t e p r i n c i p a l s t r e s so fu n d i s t u r b e dc l a yo fs h a n g h a ia r em e a s u r e d b a s e do nt h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo fs h e a rb a n d si sf u r t h e r l ya n a l y s i s e d a n dp r o v e d ：an e wc r i t e r i so fi n i t i a lf o r m a t i o no fs h e a rb a n d si sp u tf o r w a r da n dt h e c r i t e r i so ft a k i n gt h ep o i n tw h i c ht h ew a t e rp r e s s u r ei ss u d d e n l yi n c r e a s e dr a p i d l ya s t h ep o i n to fi n i t i a lf o r m a t i o no fs h e a rb a n d si s p r o v e d n l ec o m p r e h e n s i v e i n f o r m a t i o no ft h ep o i n t so fs t r a i n e df e a t u r e si sa c q u i r e d t h es h e a rb a n d sa n g l e si s m e a s u r e da n dt h ec a l c u l a t e dm e t h o r d so ft h es h e a rb a n d sa n g l e sa r ep r o v i d e d t h e d e v e l o p m e n ts i t u a t i o no fi n t e r m e d i a t ep r i n c i p a ls t r e s sh a sb e e na n a l y s i s e da n d r e s e a r c h e d t h i st h e s i st a k et h et h e o r yo fd e f o r m e dl o c a l i z a t i o ni n t ot h ep r a c t i c a l i i a b s t r a c t a p p l i c a t i o nw i t ht h ei m p o r t a n t e n g i n e e r i n gp r o j e c t s i n s h a n g h a i ：t h er e s e a r c h d e m o n s t r a t e st h a tt h em e t h o do fa d o p t i n gt h e s t r e n g t h e ni n d e xo fs h e a rb a n d s b e g i n n i n ga sd e s i g np a r a m e t e rc o u l dc a l c u l a t et h ed e f o r m a t i o no fd e e pf o u n d a t i o np i t a c c u r a t e l ye n o u g ha n dm a k et h ed e s i g nb e c o m em o r es a f e r w eh o p et h a tt h er e s e a r c h o u t c o m ec o u l dp r o v i d es o m ei n s t r u c t i o n sf o rt h ee n g i n e e r i n gd e s i g n k e yw o r d s ：p l a n es t r a i nt e s t ，s h e a rb a n d ，p l a n es t r a i na p p a r a t u s ，u n d i s t u r b e dc l a y e d s o i l ，l o c a l i z e dd e f o r m a t i o n i i i 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：张恒 2 。口j 7 r 年多月2 口日 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： 亏长f 亘 年乡月zo 日 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 土体的剪切带形成与土体的逐渐破损理论是当今国际力学界和岩土工程界 十分关注的焦点。因为在实际工程中，基坑失稳、土体坍塌等重大工程事故多属 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；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，亦经常 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。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。 目前尚没有关于剪切带的统一定义。一般认为，“剪切带是局部化变形模式 之一，表现为一个很狭窄的带状区域，在这个区域内变形率场不同于带外区域， 在这个区域内变形率场是不均匀的，而带外区域变形场保持均匀，【。在砂性土 样试验中，剪切带具体表现为发生强烈剪切集中的薄材料层。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 2 - 4 1 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”。而对于黏性土中 应变局部化的剪切带形成，笔者认为，是由于黏性土材料的初始不均匀性导致应 变场的不均匀性，最后由应变的不均匀性发展成为宏观的剪切带。 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，后者则称为区破坏【5 】。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。研究 土体剪切带的形成及演化，找出出现剪切带形式破坏( 线破坏) 的条件，就可以 揭示出土体从开始发生损伤、到产生局部化应变、进而形成剪切带的破坏发展演 变过程，对于评价土的工程特性、土体结构的稳定性等具有重要作用。 土体变形特性的研究是与室内土工试验密不可分的。时至今日，研究土体强 度、变形的试验已有了很大的发展，包括直剪试验、常规三轴试验、真三轴实验 以及大型离心机等，它们各有利弊。但由于剪切带的形成具有明显的平面应变特 第1 章绪论 征，而且，实际工程中土体的平面应变受力状态也较为常见，因此，就模拟工程 实际问题的应力状态下剪切带的形成而言，采用平面应变仪比较合适，且易观察 到局部变形，若能解决局部变形的量测问题，就可以定量地研究土体剪切带的形 成过程。 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，对上海原状黏土进行平面应变试 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，从而为上海原状黏性土剪切带的形成机 理，应变局部化对上海黏性土的力学特性和变形特性的影响，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。在试 验过程中，通过在平面应变方向上的两块刚性板上各安置一个特制的应力传感 器，还对平面应变状态下的中主应力进行了量测，通过对土体两侧平面应变方向 上中主应力的变化发展及其差异性的研究，进一步分析土体变形局部化的特性， 并得出一些上海黏性土在平面应变方向上中主应力的变化发展规律。 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主要包括四个方面：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 研究则可以提供实测数据以对理论加以应证。尽管应变局部化问题如此重要，但 现有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。而对于黏性土剪切带形成的研究，相对砂土来说， 其试验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，这主要是 因为黏性土区别于砂土，有着更复杂的结构特性，从而导致试验土样制备，试验 观察，理论研究更加困难。 1 2 1 1 砂性土剪切带试验 i v a r d o u l a k i s 等( 1 9 7 8 ，1 9 8 0 ) 6 - 7 】早在二十年前就研究了在砂土( 包括 松砂和密砂) 在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 2 第1 章绪论 ( 1 9 8 5 ) 瞵j 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。 kt a t s u o k a 等( 1 9 8 6 ) 1 9 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。f t a t s u o k a 等( 1 9 9 0 ) 1 1 0 】对 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 ) i i l 】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 ) 1 1 2 j 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变和剪 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qv i g g i a n i ( 1 9 9 6 ) 1 3 】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 n n o 、ww h a r r i s 、m a m o o n e y 和qv i g g i a n i ( 1 9 9 7 ) 【1 4 j 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 第1 章绪论 论在排水和不排水情况下均可观察到剪切带现象，宏观上均匀变形期问的临时性 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 ov i g g i a n i 和r i c h a r dj f i r m o ( 1 9 9 7 ) 1 1 5 1 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 1 6 】， 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 7 】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 ) i 】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 4 第1 章绪论 验的三种砂分别是细砂、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 ) p 9 】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 小到最大主应力范围内，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0 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 = o 时的2 倍多。通过l 2 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 l 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 ) 【2 0 】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 第l 章绪论 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 ) 1 2 1 】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。 李广信( 2 0 0 6 ) 2 2 - 2 4 】利用等应力比平面应变仪对承德中密砂进行了平面应变 试验，试验结果表明：平面应变状态下零应变方向的主应力在不同条件下可能是 大主应力、中主应力或者小主应力。利用由等应力比三轴压缩试验确定的切线泊 松比可以合理的预测等应力比平面应变试验中零应变方向主应力的转换过程，在 土体接近破坏时，土体平面应变的方向上的主应力是中主应力；在保持两个主动 主应力比值较小加载时，土体平面应变方向上的主应力一般是小主应力；当两个 主动主应力减载到应力值或应力水平很低时，平面应变方向上的主应力可能变成 大主应力，并且发生减载屈服。 1 2 1 2 黏性土剪切带试验 蒋明镜和沈珠江( 1 9 9 8 ) 2 s 1 在结构性黏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 6 第1 章绪论 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 ) 2 6 1 对k u t a n i 黏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，进行杨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 r n 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、叶朝汉等( 2 0 0 0 ，2 0 0 1 ，2 0 0 7 ) 2 7 - 3 1 】进行了上海地区典型黏 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 天然黏性 土样的不均匀性引起剪切带较早发生，而黏性土的黏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 土体的剪切破坏从理论上来考虑可以分为弹性破坏和弹塑性破坏两种，目前 的剪切带理论也主要表现在这两个方面。应变局部化是塑性变形产生的，弹性理 论不能很好地描述剪切带现象。 描述剪切破坏的理论首先就是摩尔一库仑( m o h r - c o u l o m b ) 准则，而提到弹 塑性理论就会想到r o s c o e 0 2 1 提出的剑桥模型和l a d e ，p v e 3 3 】提出的拉特邓肯模 型，m c 准则是在实践中久经考验至今在岩土工程中仍被广泛采用的个屈服准 则。摩尔和库仑认为，破坏是因为剪应力达到最大值造成的，破坏准则表示如下： 7 第l 章绪论 f ：m a n o 十c 摩尔一库仑准则在应力空间是一个不等边六棱锥体，在兀平面上存在角点， 为数值计算带来困难。为了消除这些角点，德鲁克和普拉格1 3 4 j ( d r u c k e r p r a g e r ) 提出如下准则： f = a i i + 压+ k 其中。 和k 为材料常数。 但是德鲁克一普拉格准则的这种假设与真实的破坏情况不符，因此许多学者 在摩尔库仑破坏准则的基础上进行大量的研究。谢肖礼等【3 5 。q 在摩尔库仑破坏准 则的基础上，根据非关联的流动法则，取塑性势函数q 与破坏准则f 不相同的 形式。得出一个适用于岩土材料的屈服准则罢半+ 万= c c o s ，与之相应的 一， 塑性势函数为m i s e s 条件，其所得的塑性体应变增量与m c 准则相应的塑性势 函数所得的塑性体应变增量相等。 栾茂田【3 7 】将非关联流动的安定性理论引入到摩尔库仑准则，破坏准则采用： f = 什6 n t a n ( p + c 塑性势函数采用： q 时o 。t a n 、l ，+ c o 式中，f 是材料破坏面上的剪应力的绝对值；吒为破坏面上的正应力；矽和c 分 别为内摩擦角和黏聚力；缈为膨胀角，杪 o 4 时定义为剪切带开始形成 点嘲1 。采用这个指标的原因是由于侧向位移传感器的测量精度为0 1 m m ，因此 侧向应变精度为0 1 m m 2 5 m m = o 4 ，当kh 一钾l o 4 时，说明此点是土样局 部化变形开始的测量结果，故可以作为剪切带开始形成点，如图3 4 中所示的d 点。当其中某一对传感器测量的应变线性增加，而另一对传感器测量的应变开始 基本保持稳定不变，此时为剪切带完全形成点，如图3 5 ( a ) 、( b ) 中b 点所示。 当上下两对传感器均穿过剪切带时，如图3 4 中图( f ) 中右图所示& 晶曲线没 有明显的曰点。此时，剪切带的开始形成点仍由k 一钾l o 4 定义，而剪切带 第3 章量测局部侧向变形的上海原状黏土平面应变试验 完全形成点口可在单侧局部侧向应变竖向应变曲线气，上表示出来。以试 验t 5 2 5 2 0 芒1 5 ”l o 5 1 5 1 2 芒9 ” 6 a e i ( a ) t c 5 - 1 0 0 e 。 0 ) t e 5 2 0 0 影暑 丝 s 鹰考4 5 膨 e i ( a ) t c 5 5 0 ( b ) t c 5 1 0 0 第3 章量测局部侧向变形的上海原状黏土平面应交试验 5 0 4 0 盂3 口 l j2 d l d d 0246bl01 2 1 4l6 ei i ( c ) t c 5 1 5 0 6 0 4 5 山 专3 0 1 5 o i 奠 ( d ) t c 5 2 0 0 u 上 u 下 口了59l z1 51 日 e 。k p a ( e ) t c 5 - 2 5 0( f ) u 上和u 下意义及土样剪切带方位 图3 6 孔隙水压力轴向应变曲线 图3 6 所示为上海第五层灰色黏土固结不排水平面应变压缩试验的孔隙水 压力竖向应变曲线。从图3 6 ( a ) 可见，该土样剪切带在试样上端形成，土 样上端的孔隙水压力先增加，然后逐渐达到稳定，孔隙水压力稳定时的竖向应变 蜀值接近剪切带完全形成时的竖向应变毛。值。而土样下端的孔隙水压力一直处 于增加趋势。因此剪切带完全形成时，土样下端孔隙水压力未达到稳定。说明孔 隙水压力的增长趋势与剪切带的产生位置有一定关系。在固结不排水平面应变剪 切过程中，上孔隙水压力逐渐增加发展到保持稳定的现象，为研究土体渐进性破 坏模式及工程应用提供有用的试验信息依据。同时从图中可以看出：随着围压的 改变，上孔隙水压力可能大于下孔隙水压力，也可能小于下孔隙水压力。与应力 应变曲线相比较，孔隙水压力与主应变的关系曲线可以分为以下阶段：随着主应 变的增加，快速增加；接着趋于缓慢增加：由试验结果得知只有5 0 k p a 围压时上 孔隙水压力值趋于稳定，其它围压条件下孔隙水压力一直呈上升趋势，而没有达 到稳定的情况发生。即使是应力应变进入软化阶段，孔隙水压力也没有减小的趋 势。孔隙水压力轴向应变曲线的前两个阶段与偏应力轴向应变关系曲线是相 似的，因而偏应力与孔隙水压力之间应存在某种联系。 如图3 7 所示，在由均匀应力应变关系向出现剪切带局部化变形现象的质变 过程中，孔隙水压力也会明显的从一种状态突然地进入另一种状态，从图中可见， 加载开始阶段孔隙水压力的增长比较缓慢，但是当轴向应变达到一定的值时，孔 第3 章量测局部侧向变形的上海原状黏土平面应变试验 隙水压力有突然增加的现象，并且上下孔隙水压力与偏应力的关系曲线都存在明 显的斜率突变点，即孔隙水压力转折点，并且在相同围压下，上、下孔隙水压力 2 0 15 日 毫1 0 j5 a 即 4 5 日 生加 、 q j1 5 0 衢 日 罢1 5 叫1 | 。 ， 5 o _ 叩 点4 d 芦2 d d 02 0406 0_ dl o o ( or - 01 ) k p a ( a ) t c 5 - 5 0 d2 04 06 0 阳1 0 01 2 01 4 f l ( 口r 口, ) k p a ( c ) t c 5 1 0 0 1 5 1 2 吲 山g j 、i - b ，3 0 6 0 日4 5 盆3 d 名1 5 0 2 5 盏2 0 意1 5 刍1 0 5 o d2 d4 db db dl d d ( dl - d ，) k p a ( b ) t c 5 - 5 0 d邪1 0 1 0 01 加1 4 d ( al di ) k p a ( d ) t c 5 - 1 0 0 0 4 08 01 2 0 璩0 0 ( 0l - 0 3 ) k p a ( e ) t c 5 1 5 0 0g q1 2 0l s o 1 8 0 ( 01 口。) ，- ( f ) t c 5 2 0 0 4 0 一 山 之扣 卜 = 1 0 o 幻即l 幻1 团 ( a 广o ，) 婷a ( f ) t c 5 - 1 5 0 0a 0 6 0 g o1 2 01 5 01 8 0 ( 0l 一0i ) k p 置 ( g ) t c 5 2 0 0 第3 章量测局部侧向变形的上海原状黏土平面应变试验 4 0 3 0 d 生2 0 、 jld d 5 0 4 0 日 山3 0 捌 与2 0 1 0 0 d5 01 0 01 5 02 0 02 5 d30 1 0 02 0 0了叩 ( d 广d3 ) k p a ( 口r - 口1 ) 好a ( h ) t 0 5 2 5 0( i ) t c 5 - 2 5 0 图3 7 上、下孔隙水压力偏应力关系曲线 的突然增长点，即上、下孔隙水压力偏应力关系曲线的转折点0 l 和0 2 ( 如图 3 7 所示) ，是比较接近的，可以由分别对应的偏应力取两者的平均值，求得平 均偏应力，在应力应变关系曲线上求得对应的主应变，并可与剪切带开始形成时 所对应的应力应变状态进行对比。有关观点认为 6 0 1 ，孔隙水压力转折点就是土 体刚开始屈服点：在这个转折点之前，土体的反应是弹性反应；在这个转折点之 后，土体进入弹塑性受力阶段。即土体开始屈服点与剪切带开始形成点就有了某 种联系。本文将在下一章进一步深入探讨剪切带开始形成点与土体开始屈服点的 内在联系。 3 2 3 5 剪切带形成的局部化变形应力应变曲线上各特征点关系 通过对不同周围压力条件下所进行的平面应变试验，将各不同围压条件下偏 应力、孔隙水压力和侧向应变与主应变的关系图示于图3 8 中： o24 6b 1 0