三轴压缩试验分析结果

图2.1　局部孔隙比分布图解

研究颗粒土细观结构的方法可以大致地归为两种：破坏法和非破坏法。破坏法主要有固化切片图像分析（Kuo and Frost，1996；Frost and Jang，2000），非破坏法包括磁共振成像法（MRI）（Ng and Wang，2001）和X射线断层图像法（Vardoulakis et al.，1985；Desrues，1996；Wang et al.，2004；Batiste et al.，2004）。很多学者采用数字图像法对土颗粒细观结构进行分析（Kuo，1994；Park，1999；Jang，1997；Chen，2000；Yang，2002），研究三轴压缩试验中试样的制备方法、试样大小和密度、颗粒形状和粒径以及边界条件等对试验结果的影响。

Hilliard（1968）提出了一种体积—面积等效转化的方法。以这种方法为基础，Kuo和Frost（1996）采用树脂凝固和数字图像分析方法进行了一系列的三轴试验，对无黏性土细观、宏观和整体力学行为一致性进行了研究。此外，他们还提出了一种衡量体积面积相互转化的精确性的方法。

Oda（1976）提出采用局部孔隙比分布（Local Void Ratio Distribution，LVRD）来描述和研究颗粒材料的细观结构。局部孔隙比分布一般用局部孔隙比和其占总的固体面积的百分比的柱状图来表示（Kuo，1994），这一参数的表示如图2.1所示，剪切对土体的细观结构影响的局部孔隙比分布分析如图2.2所示。

Frost和Jang（2000）采用均匀细石英砂在排水条件下进行了三轴压缩试验，并用图像分析法定量分析孔隙比分布，对剪胀试样的细观结构进行研究。试验取得图像的方法如图2.3所示。他们通过分析试样制备方法对局部孔隙比分布影响发现，试样中局部孔隙比相差非常大，整体孔隙比不能反映试样的真实特性。采用图像分析法，分析了孔隙比分布随着轴应变增加的变化。结果表明，试样在受剪过程中，试样中部的平均孔隙比首先发生变化，且这一变化随着加载的进行慢慢向试样两端发展。研究不仅定量给出试样在颗粒尺度的行为变化，还为试验类型选择的合理性提供理论基础，比如在修正弹塑性本构模型时可以采用三轴试验。

Wang等（2004）采用X射线断层图像法，用颗粒重构颗粒系统三维数字模型。通过记录颗粒质心坐标和颗粒形态来表示整个颗粒系统，颗粒的运动包括颗粒位移、旋转，可以通过计算求得。他们还采用图像识别技术分析断面图像，识别相邻颗粒，并开发了程序来自动实现这一过程。使用这种方法可以使数值模型建立、加载模拟及颗粒尺度行为观测真正三维化。除此以外，还可以通过这种方法计算接触方向的分布、接触力的分布以及孔隙比的分布等。

图2.2　局部孔隙比直方图(www.xing528.com)

图2.3　试样切片和图像的获取位置

（Frost和Jang，2000）

Desrues等（1996）采用计算机断层图像法，研究三轴试验试样的应变局部化现象以及剪切带中的孔隙比的发展变化，分别对低围压下的密实试样和松散试样进行了研究。研究发现，密实试样的应变局部化形成与发展都很明显，但是松散试样未发现密度发生较大变化的区域，所以无法分析松散试样的应变局部化现象。他们认为，局部化区域与荷载条件有关。很多试验中通过分析局部孔隙比都观察到了一个中心锥和一系列平面。他们认为由于试样整体反应的连续性和局部化发生模式的复杂性，试样的对称性对应变局部化具有抑制作用。研究发现，剪切带中局部孔隙比具有极限值，且该值与应力水平相关，但是并不等于最终状态下整体孔隙比。

Batiste等（2004）在地面微重力实验室中对Ottawa砂进行了一系列低有效应力的三轴压缩试验，并用计算机断层成像法进行分析。他们认为可以通过分析孔隙比分布确定剪切带的形成与开展，并提出了确定剪切带厚度和倾角的方法，提出了计算剪切带内和剪切带外孔隙比变化的方法。为了研究试样体积变化，根据应变局部化将试样划分为四个区域：端部锥区、低应力水平区、高应力水平区、分散剪切区。试验表明，试样达到峰值强度后开始出现剪切带，且观察到了两种剪切带：轴向锥面剪切带和径向平面剪切带（如图2.4所示）。他们还提出一个非常重要的概念——动态影响（Kinematic Influences）。因为对称加载，所以试样内同时出现很多剪切带。随着剪切带的形成，试样变形形成滑动面，而滑动面使得一些剪切带不再继续开展，这导致试样内部的应力重分布，并且形成一些新的剪切带。有部分学者（Wong，2001）的研究结果与他们结论不一致，这些学者认为剪切带交叉形成稳定的楔形导致试样强度增加。Batiste等通过定量分析发现，试样内很多区域在刚加载时就开始变形，但因为动态的复杂性和干扰没有形成剪切带。所以认为试样的峰值强度与剪切带的交叉及面积扩大有关。剪切带的交叉及面积扩大承担了较大的荷载，同时阻碍了剪切带的开展，使得当试样达到峰值强度后，剪切带才完全形成。所以他们认为剪切带和剪切带外试样分叉共同影响试样性质，而不是只有剪切带影响试样性质。

图2.4　三轴试验计算机断层图像

（Batiste等，2004）