上海重塑粘性土的直剪特性研究

上海地区浅层广泛分布的淤泥质粉质粘土、淤泥质粘土和粘土具孔隙比大、含水量高、压缩性大、强度低等特点,容易对工程造成严重不良影响。对这三种土重塑样的直剪特性进行了系统研究,试验方法包括固结快剪和固结慢剪,剪切过程中量测剪切位移和竖向压缩量,剪切结束后量测了破坏面上的土样含水率。结果显示,固结慢剪试验中土样均硬化,剪切位移达6mm时仍未破坏;而固结快剪试验中,除粉质粘土外另两类土在0.2mm的位移下就达到剪切强度。通过试验得到了剪切应力与剪切位移关系、剪缩变形量和抗剪强度参数等。结合试验结果,对粉质粘土与粘土的不同结构导致直剪特性的差异进行了分析讨论。可为上海重塑土的结构及力学特性研究提供依据和借鉴。     

基于数字图像相关方法的单轴压缩黏土试样剪切带剪胀实验研究

剪切带的体积变形研究对于正确认识剪切带的变形破坏机理具有重要意义。为了研究单轴压缩黏土试样剪切带的体积变形特征,在土样微裂纹出现时根据局部体积应变较高的位置（位于剪切带上）布置测线,在利用数字图像相关方法获得的应变场进行插值的基础上,统计获得局部体积应变的均值和标准差的演变规律,提出了局部扩容角的概念。研究发现:（1）总体上,在压缩过程中,剪切带的体积变形由压缩向膨胀转变,但期间会出现由膨胀到压缩的反复过程。（2）尽管在加载过程中土样整体一直表现为压缩,但局部（剪切带上一些位置）体积膨胀发生于纵向应变=0.04~0.09时,若以测线上局部体积应变的均值出现大于0作为评价标准,则局部体积膨胀发生于纵向应变=0.06~0.14时。（3）局部体积应变的峰迁移的速度可达（3.77~8.48）×10-5m·s-1。（4）若根据局部体积应变的高值区位置布置测线,当测线上局部体积应变的均值从小于0变为大于0之后,土样整体体积表现为压缩,剪切带上局部扩容角的最大值在13.47°~56.26°之间快速增加。若根据狭长剪切带位置布置测线,剪切带上局部扩容角的平均值在16.60°~45.79°之间快速增加。在土样整体表现为压缩的前提下,通过定义常规意义上的扩容角,不能解释客观发生的局部体积膨胀现象。     

基于三维数字图像相关技术的砂岩渗流-应力耦合变形局部化特性试验研究

为研究渗流-应力耦合作用下砂岩变形局部化破坏特征,将三维数字图像相关（three-dimensionaldigitalimage correlation,简称3D-DIC）技术运用于可视化三轴伺服控制试验系统中,对砂岩开展了不同渗透水压条件下的三轴压缩试验研究。研究结果表明：（1）在渗流-应力耦合作用下,砂岩表面变形场云图经历了从均匀到非均匀的演化过程。在峰前的变形较为均匀,在峰值处出现应变集中,在峰后较短时间内迅速形成变形局部化带;（2）随着渗透水压的增大,岩石的峰值强度、弹性模量呈现指数型非线性衰减,峰值强度弱化系数和弹性模量弱化系数均增大,且渗透率逐渐增大,最大渗透率出现的时间点越早;（3）随着渗透水压的增大,砂岩变形局部化带从剪切状过渡到张拉-剪切状,轴向和径向变形局部化带带内外应变在峰后短时间内出现较大差异,且带内应变远大于带外应变;（4）随着渗透水压的增大,砂岩变形局部化启动应力水平越高,启动的时刻点越早。渗透水压与砂岩变形局部化启动应力水平呈线性相关性,轴向变形局部化启动水平受渗透水压的影响比径向更为显著。     

超固结粘土的剪切带数值模拟

基于中井的子负荷面本构关系模型,采用高精度的隐式应力积分算法,研究了平面应变试验中超固结粘土试样的变形局部化问题。模拟了不同的加载速度和边界约束条件,得到了超固结比为8的藤森粘土土体内部明显可见的X型剪切带和单一型剪切带。结果表明：土体的剪胀特性、孔隙水在土体内的移动规律以及边界约束条件对剪切带的形成和发展起着控制作用。     

早前寒武纪多期变质变形区主期韧性剪切带

早前寒武纪多期变质变形区的韧性剪切带，根据其与变形变质的关系可分为（１）早期主变形变质作用形成的韧性剪切带，简称主期韧性剪切带；（２）晚期叠加变形变质作用形成的韧性剪切带，简称叠加韧性剪切带。主期韧性剪切带糜棱岩，退变质和新生面理等标志，其高应变特征主要通过岩石中片理和线理发育程度，矿物定向程度，矿的粒度及应变大小表现出来。由于主期声望生剪切带内的片理和线理及矿物组合与围岩中的相同，因此相同岩石的     

常州地区含水层系统土层压缩变形特征研究

根据近十几年来分层标和含水层水位观测资料分析了常州地区土层压缩变形特征,表明承压含水砂层中的压缩变形不容忽视,且含水砂层的压缩变形与弱透水层的粘土、粉质粘土相似,均表现出明显的变形滞后现象.为此从水位与时间关系、土层变形与时间关系和水位与变形关系出发,结合室内试验方法,通过选取常州地区含水层系统中第一、二、三承压含水层以及二、三承压含水层间弱透水层和第三承压含水层下覆弱透水层的原状土样,采用单轴侧限压缩试验,分析了常州地区砂土和粉质粘土的次固结（蠕变）特性.试验结果表明常州地区不论是粉质粘土还是砂土,均存在一定的次固结变形,从而启示我们该地区地面沉降模拟中应同时考虑含水砂层的蠕变特性.     

土体与时间相关的一维应力－应变性状、弹粘塑性模型和固结分析

论文根据室内实验结果首先提出一维变形状态下应变与时间相关的应力－应变性状。回顾了已有的与时间相关的土体应力－应变性状和固结分析中的一维本构模型和团结理论，并对这些模型和理论的局限性以及一些错误进行了讨论．然后引入了等效时间的概念和其它一些概念，并且详细介绍了怎样使用这些概念推导弹－粘－塑性（ＥＶＰ）本构模型（殷和格雷厄姆（Ｇｒａｈａｍ），１９８９ａ，１９９２ｂ；殷，１９９０）。采用加拿大ＮｏｖａＳｃｏｔｉａ的Ｈａｌｉｆａｘ港有机质粉质粘土的多级蠕变试验资料检验该模型中的基本概念、假设和确定该模型的参数。该模型已被用于荷载等级变化条件下粘土层的一维固结分析，其分析结果与大沙基固结理论和假说Ａ进行了比较。分析结果表明应用ＥＶＰ模型的固结模式可模拟不变荷载下粘土的粘滞性引起的孔隙水压力上升现象。     

基于梯度塑性本构理论的岩样侧向变形分析(Ⅰ):基本理论及本构参数对侧向变形的影响

研究了岩样在单轴压缩条件下轴向应力．侧向或环向变形的全程曲线特征。基于考虑峰值剪切强度后微小结构之间相互影响和作用的梯度塑性理论，得到了由于剪切局部化而引起的侧向塑性变形。利用虎克定律描述了试件的弹性变形，得到了轴向应力．侧向变形全程曲线的解析解。在软化阶段，试件中部侧向变形及对靠近试件上端或下端部位的侧向变形并不相同。与轴向应力．应变曲线可能出现的回跳现象类似。试件中部轴向应力．侧向应变曲线也可能出现回跳现象。在应变软化阶段，与应力．侧向应变曲线相比，应力．环向应变曲线不容易发生回跳现象。若在试件内部出现多条剪切带，则应该以等效剪切带宽度替代本文中的剪切带宽度。随着剪切带倾角、内部长度参数的降低、剪切模量的增加及弹性模量的降低，轴向应力．侧向应变曲线越陡；甚至能出现弹性回跳。     

秋格时塔什—黄山韧性剪切带构造变形序列

运用构造解析方法和应变测量与显微构造分析方法，研究了秋格明塔什－黄山声望生剪切带的构造样式，建立了其变形序列。该带依次经历了：（１）中深部构造层次的紧闭同斜褶皱作用；（２）中深部构造层次的顺层（片）韧性剪切变形；（３）中部构造层次的右行走滑脆－韧性剪切变形；（４）中浅构造层次的膝折作用。     

位移控制加载、内压及侧压作用下平面应变含孔洞土样应变场观测

利用研制的平面应变模型加载及观测系统,研究了位移控制加载条件下含孔洞土样的破坏过程。孔洞内压及侧压由气囊施加。利用数字图像相关方法,获得应变场。通过布置测线的方式,研究了剪切带内外最大剪切应变及主应变轴偏转角的分布及演变规律。得到了下列结果。随着纵向应变的增加,含孔洞土样的最大剪切应变的分布经历由均匀变形向局部化变形的转化过程。对于剪切带外的测点,随着远离孔洞表面,最大剪切应变有增加的趋势,这与剪切带内损伤导致带外弹性应变降低（卸荷）有关。在孔洞表面附近,最大剪切应变变化复杂,这与应变弹性成分的下降与塑性成分的增加的博弈有关。对于剪切带尖端的测点,其和前后测点相比,水平线应变发生突增（剧烈膨胀）,垂直线应变的值发生突降（挤压程度剧烈降低）,剪切应变的值发生突增（剪切变形剧烈增加）,由此导致主应变轴偏转角的值发生突增,达到30°。当纵向应变相同时,侧压或内压的增加对含孔洞土样的纵向应力有增强作用。     

粉质黏土的真三轴试验及强度特性研究

为研究复杂应力路径下粉质黏土强度特性,利用TSW-40型土壤真三轴仪,开展了不同试验条件下粉质黏土的真三轴试验。研究了真三维应力状态下粉质黏土应力-应变曲线变化规律,探讨了含水率、固结围压和中主应力比等试验条件对粉质黏土强度的影响规律,对比分析了真三维应力状态下 平面上粉质黏土试验值与Mohr-Coulomb（简称M-C）强度准则和双剪强度准则的差异。研究结果表明：真三维应力状态下粉质黏土的广义剪应力-剪应变曲线主要表现为应变硬化型。粉质黏土强度随中主应力比和固结围压的增大而增大,随着含水率的增大而减小。 平面上粉质黏土的强度包络线随静水压力 的增大向外逐渐扩展,随含水率 的增大向内逐渐收缩。 平面上M-C强度极限线和双剪强度屈服极限线与试验值对比分析表明,M-C强度准则描述土体强度时结果偏小,采用双剪强度准则时结果偏大。     

黄河三角洲粉质土的动模量和阻尼比试验研究

结合室内共振柱和动三轴实验,对黄河三角洲饱和原状粉质土体(粉土、粉砂、粉质粘土)动模量和阻尼比的影响因素和发展规律进行了详细的研究。研究表明,在粉粒和粘粒含量对动模量的共同影响中,粉粒含量起着举足起重的作用;侧限压力对归一化剪模比和阻尼比的影响均较显著,相比粘粒含量的影响不大。通过与Seed建议的砂土及饱和粘土的G/Gmax~曲线和~曲线进行对比,结果显示研究区的粉质土相比一般的砂土和饱和粘土而言,其动力变形特性更接近于砂土,但是与砂土也存在着非常明显的差异;其发展规律与其他地区沉积粉质土也较为不同,具有明显的区域性。采用修正了的Hard in-D rnevich模型和对数模型分别对G/Gmax~曲线和~曲线进行拟合,给出了三类粉质土的归一化动力变形G/Gmax~/r关系曲线,对模型中有关参数的影响因素做了初步的探讨。     

单粒组密砂剪切带的直剪试验离散元数值分析

为分析砂土的剪切力学特性,采用离散元商业软件PFC2D对单粒组密砂在直剪试验中出现的剪切带进行了数值分析。改进传统的分条带观察方式,采用矩形格分割法观察试样内部不同区域的变形特性。对离散元商业软件进行了二次开发,实现了大小主应力及其应力主方向角的可视化,分析了试样内部的应力偏转情况。同时,以纯转动率和颗粒速度等微观变量为中心,观察了试样内部颗粒的运动状态,解析了直剪试验中砂土剪切带形成的微观机制。研究表明,直剪试验中应变局部化区域集中在剪切面附近的一个条带内。通过转动场和速度场的分析可知,剪切带宽度约为10～15倍的砂土平均粒径,带内颗粒转动明显,带边缘出现大的速度和转动变化梯度。对组构和接触力分布的分析可知,剪切过程中粒间接触点和接触力的主轴方向发生了相一致的偏转,偏转后的主轴方向为60°左右。     

Effect of consolidation on strain localization of soft clays

A finite element formulation developed by Belytschko and his coworkers [1] is used to examine localized deformation as it exists for laboratory specimens of compressible Chicago clays. The element is based on an assumed strain formulation wherein localized and non-localized zones are embedded into an element when material based bifurcation is detected. A plane strain compression test of a natural clay specimen in which deformations localized into a single shear band during undrained shear is simulated using this element. Localization is initiated by imposing a non-uniform applied displacement consistent with that measured experimentally. Results indicate that to insure localization to a single band, considerations must be made for non-uniformities developed during the consolidation phase.     

Influence of relative density,particle shape,and stress path on the plane strain compression behavior of granular materials

Two types of stress path-controlled plane strain compression tests were performed on both loose and dense specimens of angular and sub-angular sands and two rounded glass beads with different particle sizes. Digital image correlation method was used to analyze local deformation developments, especially shear band patterns. The material behavior in response to shearing has been found to be dependent on the relative density, particle shape, and stress path. The results of analysis on local deformation developments showed that the onset of shear bands occurred prior to their peak strengths in both dense and loose specimens. The growth rates of local maximum shear strain along a shear band were approximately consistent with an increasing global axial strain after the onset of shear band. The shear band width was influenced by both the mean particle size and the particle shape. The measured shear band inclination angles were in between those estimated by Coulomb’s and Roscoe’s formulas.     

Strain analysis using quartz deformation bands

Quartz deformation bands are kink bands in quartz crystals. A deformation band develops as a region of localized crystal-plastic deformation with boundaries perpendicular to the slip plane and slip direction, which usually is along an -axis in the basal plane. Under cross-polarized light, the difference in crystallographic orientation between a deformation band and its host is indicated by a difference in extinction positions. The displacement between the c axis in a deformation band and the c axis in the host represents the angular shear of the deformation band in the direction of the c axis in the host grain. Assuming the deformation is homogeneous at the grain scale, the angular shear of the grain (the gauge) is calculated by multiplying the angular shear of the deformation band by the ratio of the sheared part to the whole grain. Using the strain-gauge method for three-dimensional infinitesimal strain analysis, a minimum number of five grains measured on universal stage is needed to solve for the deviatoric strain components of the aggregate if the strain is homogeneous in the aggregate. Data from more than five grains are used to find the best-fit strain components by a least-squares method. The principal strains and their orientations are found from these strain components by calculating the eigenvalues and eigenvectors. A 3-D strain ellipsoid also is obtained from strain ellipses in three perpendicular planes determined from the two-dimensional flat-stage measurements by the Wellman method. Both the strain-gauge method and the Wellman method are tested by using synthetic data sets and applied to a naturally deformed sample. Both methods give similar results; the established Wellman method thus confirms the strain-gauge calculation.     

粘性土局部化剪切带变形的机理研究

根据上海典型粘性土的平面应变不排水压缩试验,观察了剪切带的形成和发展过程,并结合有限元数值模拟再现剪切带的形成过程,对剪切带形成机理作了探讨。     

不同应力路径下超固结黏土试样变形局部化分析

基于改进伏斯列夫面超固结黏土三维本构模型,利用有限元软件ABAQUS材料子程序接口,采用回映应力更新算法,实现了该模型在有限元分析中的应用。通过该模型与比奥固结理论的耦合,对超固结比为8的超固结黏土在三轴压缩、三轴伸长及平面应变应力条件下的变形局部化问题,进行了水-土耦合弹塑性有限元分析。分析结果表明：剪切带带内、带外点经历不同应力路径;剪切带带外单元经历了体缩、剪胀及被吸水体缩过程,而剪切带带内单元一直保持剪胀趋势;剪切带的形成伴随着剪胀,剪切带内、外出现了负的孔压,且孔压的分布也具有局部化特性。关于剪切带带内、外的孔隙水压及体变变化趋势与剪切速率有关,而平面应变介于三轴压缩与三轴伸长之间,但平面应变较早出现剪切带。孔隙水的迁移速度影响剪切带带内单元的剪胀,进而影响剪切带的形成及发展;而围压和弱单元位置也对剪切带的形成也有影响。     

黏性土剪切带的形成与其屈服的内在联系的探索

为了深入了解黏性土的应力应变特性,对黏性土进行了量测侧向变形的不排水平面应变压缩试验。分析试验结果发现,黏性土局部化变形的起始点与黏性土样中的孔隙水压力的突然增长的转折点非常接近,而孔隙水压力开始急剧增长变化的转折点为其屈服点,说明黏性土剪切带开始形成的偏应力为其屈服点,超过此点后黏性土局部化变形加剧,这个发现将有助于土体在强度理论、变形和稳定分析等方面的深入研究。