平面应变条件下含孔洞土样受内压作用的变形破坏过程

在不同加载速率下,利用自主研制的平面应变模型加载及观测系统对平面应变条件下含孔洞土样进行双轴压缩实验。垂压由试验机施加,土样受到的内压和侧压作用由气囊施加。在对土样施加内压和侧压后、进行位移控制加载前,操控数码相机对喷涂了散斑的土样表面图像进行拍摄,以记录土样在位移控制加载过程中的全部变形过程。利用数字图像相关方法获得土样的位移场,利用能较好滤掉位移场噪声的局部位移最小二乘拟合方法获得最大剪切应变的分布及演变规律。为了定量获得最大剪切应变且分析方便,根据清晰剪切带位置,布置曲折测线并在其两侧布置平直测线。研究发现：当加载速率较低且纵向应变达到一定值时,拉破坏导致土样的孔洞顶部和底部发展出高角度应变局部化带,而当加载速率较高时,未出现上述现象;当纵向应变较高时,在孔洞表面附近,随着向孔洞表面的逐渐靠近,大多数剪切带内测线上的最大剪切应变逐渐增加,而大多数带外测线上的最大剪切应变则逐渐下降;当纵向应变较高时,在离孔洞表面较远处,随着向孔洞表面的逐渐靠近,大多数剪切带内测线上的最大剪切应变逐渐增加,而大多数带外测线上的最大剪切应变则变化复杂。     

基于最小二乘拟合的剪切带间距测量方法

提出了一种基于两次最小二乘拟合的应变局部化带间距的数字图像相关测量方法,该方法的本质是对应变局部化带内应变高值点的位置进行两次线性最小二乘拟合。第一次拟合用于确定两条相邻的应变局部化带各自拟合直线的斜率。第二次拟合是在已知拟合直线平均斜率的基础上确定各自拟合直线的截距。采用平行线距离公式计算应变局部化带间距。测量了单轴压缩黏土试样剪切应变局部化带(剪切带)间距随纵向应变的演变规律,并对剪切带间距的测量结果进行了统计分析。研究发现,剪切带间距随纵向应变的演变规律可以划分为两类:平稳变化和非平稳变化,前者的比例较大;剪切带间距发生突变是由于剪切带的倾角发生了突变;剪切带间距主要分布在3~7 mm,均值为4.787 5 mm。     

单轴压缩湿土样最大剪切应变场数字图像相关方法结果的统计分析

研究了单轴压缩湿土样沿剪切带方向的最大剪切应变的均值和标准差以及剪切局部化区域尺寸的演变规律。为了深入揭示土样剪切带萌生的过程,根据纵向应变较高时清晰剪切带所处位置在土样上布置测线,对由数字图像相关方法获得的结果进行双三次样条插值,从而获得测线上光滑性较好的最大剪切应变分布。研究发现,随着纵向应变的增加,沿剪切带方向的最大剪切应变由低值多峰向高值少峰转变。测线上最大剪切应变发生突增的点、局部高值点及低值点均有可能发展成为主峰。测线上最大剪切应变的均值和标准差随纵向应变的演变规律在总体上均呈上凹形,但当纵向应变较低时,二者均呈线性。以上述两种统计量线性规律丧失所对应的平均最大剪切应变作为剪切带萌生的条件。随着纵向应变的增加,土样中发生剪切局部化的区域越来越大。欲达到相同的剪切局部化区域尺寸,含水率高的土样所要求的纵向应变较高。当纵向应变较高时,含水率高的土样的剪切局部化区域尺寸比含水率低的土样要大,这与其塑性变形阶段较长有关。     

基于DIC粗-细搜索方法的单轴压缩砂样的应变分布及应变梯度的实验研究

基于粒子群优化算法及Newton-Raphson迭代方法的数字图像相关粗-细搜索方法,观测了两个砂样在应力控制加载条件下的3种应变场的分布及演变规律,确定了应变在小范围内猛增之前,大范围内的应变非均匀分布区域的纵向(砂样的加载方向)应变梯度的范围.研究发现,当载荷增加到一定程度后,水平线应变的正峰值(正值代表受拉)和垂直线应变的负峰值(负值代表受压)都会出现在未来的局部化带内部,而剪切应变的峰值有时会发生偏离,这一点可由两种线应变场和剪应变场的差别进行解释.前两者呈倾斜的条状,而后者呈团状.3种应变的纵向梯度的范围大致相同,在0.001～0.002 mm^-1之间,如果3种应变的纵向梯度比上述范围小,砂样就不会出现局部的应变猛增现象和随后的宏观裂纹.在局部化带之外,存在一定的塑性应变及应变梯度,这一点不能用非经典的弹塑性模型进行解释.     

基于DIC方法的土样剪切带倾角的演变规律研究

采用数字图像相关(DIC)方法测量了单轴压缩长方体土样变形破坏过程中表面的应变场,并根据最大剪应变场研究了土样剪切带倾角的演变规律。剪切带倾角是通过对包含剪切带的四边形区域内最大剪应变逐行或逐列搜索获得的最大值对应的坐标进行线性拟合得到的。首先,分析了搜索方式及插值点的数量对剪切带倾角的影响,发现采用逐行搜索方法且当插值点的数量与原始测点的数量之比大于16时,获得的剪切带倾角比较准确;然后,对12个土样中24条剪切带的倾角的演变规律进行了测量,发现在剪切带发展过程中,剪切带的形状逐渐由不规则向规则转变,剪切带倾角的最大及最小变化量分别为9°和0.6°,剪切带倾角的范围为46.5°~72.3°,随着纵向应变的增加,剪切带倾角的演变规律主要包含5种模式。     

土石坝的变形和拉伸、剪切破坏的验算

本文提出验算土石坝拉伸、开裂、剪切破坏安全性的一种实用的简便的方法。这方法适用于初步设计的初期阶段以及坝的施工期和运行期。因为在这些阶段不需要用有限单元法计算整个坝的应变和应力,只要分析坝的一些可疑部位的抗裂、抗剪切破坏的安全性。在初步设计的初期阶段,某些部位的位移竖直分量（沉陷）计算出来以后,另外两个分量可由经验参数“位移比”乘竖直分量得到。在坝的施工期和运行期,某些部位的三个位移分量由观测资料得到。这样,就可以用几何方程由位移计算主应变,再用非线性弹性增量方程式求主应力。由于坝表面处于单向应力状态,故用单轴拉伸试验成果检验其抗裂安全性。而坝体内部应力应变是二维或三维问题,故用三轴抗裂试验成果检验脆性开裂的安全性,用三轴剪切试验成果检验剪切破坏的安全性。最后举了一个例题说明计算和检验的步骤。     

单轴压缩湿砂样局部及整体体积应变的数字图像相关方法观测

确定体积应变局部化区域对于涉及孔隙流体的地质灾害研究具有重要意义。体积应变局部化区域可能比最大剪切应变局部化区域更接近于孕灾地点。在单轴压缩位移控制加载条件下,测试了3个湿砂样（含水率为12.7%~17.1%）的应力-纵向应变曲线,在微裂纹出现之前及稍后,利用自主开发的基于粒子群优化的数字图像相关（DIC）方法计算了砂样的局部体积应变的变化规律。研究发现,在加载过程中,局部体积应变由均匀分布（近似线性阶段）向不均匀分布（硬化阶段）转变,直至出现局部体积应变局部化现象。在剪切带切向上,和最大剪切应变的相对均匀分布相比,局部体积应变的分布具有多峰性,这应与周期性的微裂纹出现有关。在微裂纹出现稍前,剪切带的变形是以膨胀为主,剪切带已较为显著,带内的最大剪切应变和局部体积应变分别比带外多2倍和4倍,但在此前,剪切带的膨胀和收缩现象共存。计算了所有测点所围区域的整体体积应变随纵向应变的演变规律。基于DIC方法的整体体积应变计算方法的优越性在于：具有亚像素精度,考虑了应变二阶量的影响。     

岩石断裂过程区孕育规律与声发射特征实验研究

为研究岩石断裂过程区孕育规律及声发射特征,采用直裂缝圆盘砂岩试样在GCTS岩石测试系统上进行劈裂加载试验,借助数字图像相关方法(digital image correlation method,DICM)和声发射(acoustic emission,AE)仪进行实时监测,根据裂尖附近测线水平位移随载荷变化趋势和声发射定...