土工三轴试验土样全表面变形测量系统的应用研究

Based on the digital image measuring technique of local deformation, a new and relatively effective measuring method, overcoming the deficiency of the traditional one and increasing measuring accuracy, has been given. Based on the whole surface digital image measuring system, founded in the previous work, of triaxial test specimens, the local deformation feature of soil will be studied by considering distribution of strain field and the change of the strain field in this research. At the same time, a new method to get strength and deformation parameters by the use of local deformation test data will be given. We will discuss the occurrence, development and the influences of size, thickness and shear angle of shear zone by analyzing the strain field, strain gradient field and stress field. Some structure factor will be introduced into the thermodynamics framework. Considering changes of the factor, we will describe the failure mechanisms of soil. The model parameters will be inversed by the application of mixed genetic algorithm. Finally, this model will be embedded to the commercial FEM software and be examined in the real engineering. The advantages of digital image measuring technique will be utilized in this research and the innovation of constitutive theory will be driven by the creation of measuring method.

局部变形数字图像测量技术在三轴试样变形测量中的应用，克服了传统变形测量方法的不足，提高了变形测量精度，为土工三轴试验提供了全新的、更合理有效的变形测量手段。本项研究将在已有的三轴试验土样全表面变形数字图像测量系统研发的基础上，通过对变形场和应变场分布特点及其变化规律分析，研究土样的局部应变特征，探索局部变形数据在整理土样强度和变形参数方面应用的新思路；通过对全表面应变场、应变梯度场及应力水平场等的分析，研究了剪切破坏的发生和发展过程，并探讨剪切带带宽、厚度及剪破角等的影响因素。在热力学的框架内引入结构因子，通过结构因子的发展变化来描述土体剪切破坏的发展过程和发展机理，采用混合遗传算法来反演未知参数。最后，将该模型嵌入商业有限元软件，对实际工程项目进行分析以验证该模型的有效性。研究意义在于充分发挥土样变形测量的优势，并用测试手段的创新，带动土的本构理论研究的创新。

局部变形数字图像测量技术在三轴试样变形测量中的应用，克服了传统变形测量方法的不足，提高了变形测量精度，为土工三轴试验提供了全新的、更合理有效的变形测量手段。本研究项目在已有的三轴试验土样全表面变形数字图像测量系统研发的基础上，通过对变形场、应变场及应力水平场分布特点及其变化规律分析，提出了判断土样剪切破坏的应力水平判别方法和应力应变联合判别方法，得到剪切带发生发展过程的定量结果。通过分析土样的局部变形特性及不同阶段的变形机理，把土样的受力变形过程和应力应变曲线分成破坏前阶段、破坏阶段和破坏后阶段。在破坏前阶段，土样各部分变形大体均匀、性质相同，基本满足同一应力应变曲线，土样可以被看作是一个单元体。在破坏阶段，土样从某一点(REV)开始出现破坏并逐渐发展，最后形成贯穿的剪切带，观测到的土样整体的变形是剪切带内和剪切带外土体变形的综合结果。在破坏后阶段，土样的变形源于土体沿着剪切带的滑动，不能再据此计算土样的“应变”。通过一系列三轴循环荷载试验来研究砂土在破坏前的应力应变行为，特别是卸载过程中的弹性行为。研究了变形稳定状态时卸载过程中的弹性参数特征，结果表明，卸载切线模量由应力状态及孔隙比决定，而不受循环荷载幅值的影响，在确定的围压下施加偏应力增量时弹性模量只与轴向应力有关；卸载平均泊松比也受应力状态及孔隙比的影响。定义了描述土样损伤发育程度的损伤变量，建立了土样的剪切损伤演化方程。将孔隙组构张量理论引入热力学框架，建立了考虑组构张量及其演变模式影响的土体本构方程，从修正剑桥模型的各向同性模型自动演化到能考虑剪切破坏特性影响的各向异性模型的增量耗散函数。提出了一种全新的土体剪切带扩展准则，并且把扩展准则表述为一个数学上的优化问题。将该模型嵌入商业有限元软件abaqus，实现了对土体剪切带的扩展过程模拟。研究意义在于充分发挥了土样变形测量的优势，并用测试手段的创新，带动了土的本构理论研究的创新。