砂性土宏细观特征数值分析研究中的变形破坏形式

不同荷载条件下试样的破坏变形不同，而不同破坏变形主要取决于不同的破坏机理和破坏时材料的细观结构。

在实验室试验中，应变局部化和剪切带的开展一直备受学者们关注。之前有很多关于剪切带的研究，研究的主要内容是不同物理性质（密实或松散、低围压或高围压）的试样在某一荷载条件下（平面应变或三轴压缩）剪切带的开展情况（Lee，1970；Alshibli et al.，2003）。但是已有研究中，不同的学者（Finno，1996）采用不同的方法（Alshibli et al.，2003）的研究结论并不一致，有些甚至互相矛盾。下面对破坏变形相关研究作一简要总结，主要是介绍应变局部化现象。

图5.1　平面应变试样的变形破坏形式

图5.1所示为不同密实度试样（密实、中密、松散）在不同围压下（75kPa、450kPa）受平面应变荷载时的最终变形。图中直线表示的是试样受荷后形成的剪切带。需要注意的是，这些剪切带只是示意，图中剪切带的厚度和倾角并不准确。从这些图可以看出，低围压下，密实试样有两个明显的剪切带；中密试样也具有两个剪切带，但是不如密实试样那么明显；松散试样变形比较均匀，试样主要发生变粗变短，但没有出现明显的剪切带。在高围压下，密实试样和中密试样都有一个明显的剪切带，但松散试样与在低围压下变化没有区别，都没有明显剪切带。可以看出，密实试样应变局部化比较明显，中等密度的试样也具有剪切带，但是没有密实试样那么明显，松散试样在高围压和低围压下变形都比较均匀。所以，可以认为应变局部化与试样密度和围压相关，且试样密实度比围压的影响更大。这一结论与用来预测局部变化的传统理论一致，包括应变软化和负二阶功（Rudnicki and Rice，1975；Santamarina and Cho，2003），以及分叉理论（Vardoulakis，1980）等。

三轴压缩试样的最终变形见图5.2。从图中可以发现，试样都有鼓胀的现象。在同样的围压下，试样越密实鼓胀量越大，中等密度的试样也发生鼓胀，但是不如密实试样明显。与密实试样和中密试样相比，无论在低围压还是高围压下，松散试样的变形都比较均匀，试样明显变粗变短，鼓胀现象不明显。

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图5.2　三轴压缩试样的变形破坏形式

直剪试验的剪切面由试验仪器决定，破坏面为上下两个剪切盒的交界面。从图5.3可以看出，所有试验的破坏变形基本一致。

图5.3　直剪试样的变形破坏形式

对比三轴压缩试样和平面应变试样的破坏变形可以发现，不论哪种荷载条件，密实试样的变形最不均匀，中密度试样居中，而松散试样的变形最均匀。三轴压缩和平面应变试样破坏变形的主要区别是，三轴压缩试样没有形成明显的剪切带。这一现象是对Peric等（1992）理论的一个验证，Peric等认为三轴压缩试样不会形成剪切带。但是，三轴压缩试样没有明显的剪切带并不意味着这些试样没有发生应变局部化现象。Desrues等（1996）指出，三轴压缩试样的鼓胀仅仅是表面现象，试样内部破坏方式复杂。

需要说明的是，试样变形仅仅是应变局部化和剪切带形成的定性分析。图中的直线只是用来简单地描述可能的剪切带。要对应变局部化和剪切带的开展更具体深入的研究必须基于更多的参数分析，如孔隙比、颗粒旋转、颗粒位移等。更多关于剪切带和应变局部化的讨论见第7章。