研究结果：砂性土平面应变试验详分析

平面应变试验与三轴压缩试验不同，三轴试样的变形一般比较均匀，而平面应变试验试样的应变局部化（尤其是剪切带）比较明显，且应变局部化对试样性质起决定性作用。因此，很多对平面应变试样细观结构的研究主要针对剪切带开展。研究方法有很多，如立体摄影测量法（Harris et al.，1995）、X射线断层图像法（Oda and Kazama，1998）、数字图像法（固化切片显微成像）（Alshibli and Sture，1999；Evans，2005）等。

Han和Drescher（1993）对干粗砂进行了一系列的平面应变试验，研究了剪切带的形成与开展。研究发现，剪切带的方向与围压有很大关系。

Harris等（1995）采用松散饱和细砂，分别在排水和不排水条件下进行了一系列的压缩试验，并采用立体摄影测量法进行分析。试验装置的一侧透明，可以从该侧对试样变形进行拍照分析。研究发现试样变形可以分为三个区域：均匀变形区、应变局部化扩散区、高度不均匀应变区。研究发现，试样中最后形成剪切带的区域的剪缩比其他区域剪缩大。但是，在剪切带完全形成之前，这部分区域体积保持不变或发生剪胀。结果显示，试样剪切带的倾角大小值介于Roscoe预测值（θR=45°+ψp/2，其中ψp是峰值剪胀角）和Coulomb预测值（θC=45°+φp/2，其中φp是峰值摩擦角）之间，且剪切带厚度为颗粒平均直径的12到17倍。但是这种研究方法具有一个明显的缺点，即只能观察到试样边界细观变化，不能观察到试样内部的细观变化。

Finno等（1997）采用饱和细砂分别在排水和不排水条件下进行了平面应变试验，研究松砂的应变局部化现象。他们采用立体摄影测量和试样边界力及边界位移测量相结合的方法，研究应变局部化的开展。在排水和不排水两种试验下都观察到了剪切带。结果发现，剪切带形成时的摩擦角与最大摩擦角非常接近，剪切带的体积应变约为零，剪切带厚度约为平均颗粒直径的10到25倍，剪切带的倾角介于Coulomb（1773）预测值和Authur（1977）预测值［θA=45°+（φp+ψp）］之间。

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图2.5　坐标系及剖面选取

（Oda和Kazama，1998）

Oda和Kazama（1998）对Toyoura砂和Ticino砂进行了试验，采用X射线断层图像法和光学测量法分析试样剪切带的开展。光学测量测定了两个薄剖面，一个是垂直于第二主应力方向的垂直面，另一个是剪切带中的一个薄剖面（见图2.5）。通过X射线断层图像发现，由于加载刚板的摩擦约束作用，试样剪切带的边界不是直线，剪切带的厚度约为平均颗粒直径的7到8倍，而且剪切带内的孔隙比非常大。他们推断，试样在受荷条件下形成了柱状结构，使得剪切带内形成极大的孔隙。平行于大主应力方向的柱状结构的生成和发展是非常重要的细观结构变化，他们认为柱状结构的形成是试样硬化的主要原因，而柱状结构的屈曲是试样破坏的主要原因。他们还对颗粒的方向进行了研究，发现剪切带边界处颗粒方向变化较大，且颗粒旋转与连续介质的宏观旋转相平行。他们认为颗粒土强度主要是由颗粒接触处的转动阻力提供。

Alshibli和Sture（1999）采用数字图像技术研究了平面应变条件下试样的应变局部化现象。他们采用两种研究方法对比分析。一种是在乳胶膜上划分网格再用数字光学图像法进行分析，另一种是对试样采用环氧树脂浸渍固化然后切片分析。两种研究方法得到的剪切带厚度一致。除此以外，他们还研究了颗粒大小、试样密度、围压对剪切带厚度的影响。研究发现，颗粒越大、密度越小，剪切带厚度越小，而剪切带厚度与膨胀角成正比。

Evans（2005）采用Ottawa砂进行了一系列的平面压缩试验，并对试样进行固化切片抛光，同时进行数字图像分析。为了避免Oda和Kazama（1998）提出的试样浸渍不完全问题，Evans采用了树脂胶二次固化的方法对试样进行固化。为了对试样的大面积断面进行细观结构分析，他们提出了一套进行切面表面处理、图像采集和图像拼接的方法。通过分析局部孔隙比和平均自由程来确定应变局部化区域，并提出了用倾斜条带空间平均分析来描述剪切带的方法。他们发现，剪切带内局部孔隙比比剪切带外大，剪切带内土体达到最终密实度，而且剪切荷载和体积不再变化。在试样均匀区和剪切带完全形成区中间有一个过渡带，而不是发生突变。低剪胀性和高剪胀性试样的剪切带厚度约分别为颗粒平均直径的8倍和11倍。