粉质土直接剪切变形过程中的组构特征.pdf

第 2 3卷第 4期 2 0 0 0年 8月 合 肥 工 业 大 学 学 报 自 然 科学 版 J OURNAL 0F HEFE I UNI VERS I TY OF TE CHN0L0GY Vo 1 ． 2 3 N 9 4 Au g ． 2 0 0 0 o o 一 粉质土直接剪切变形过程中的组构特征 张-g ， 高大 陈 张 ， 高大钊 ， 陈剑杰。 。⋯ 1 ． 同济大学 工程建设监理公司． 上海 0 0 0 9 2 F 2 ． 同济大学 地下建筑与工程系． 上海2 0 0 0 9 2 构樟赶。 发晨和完善了土的徽观结构的实驻方基， 编树了实用的土| 田 粒雷采趾理软件和组构量概率统计程序 ， 建立了各定向 篓 徽 结 构 组 竺 譬 直 剪 试 芝 一 直 括 剪 切 葛 影 关 t 调 。粉 质 土 I徽 结 构 F组 构 F电 子 探 针 F直 剪 试 验 山 d 掣 J 1 中 圈 分 类 号 。T O 4 3 2 文献标诅码 A 文章垃号 1 0 0 8 5 0 6 0 面0 0 0 4 ． 0 0 O ． 0 5 组询抒 f卫． Fa b r i c c h a r a c t e r i s t i c s o f s i l t y s o i l d u r i ng d i r e c t s he a r i ng d e f o r m a t i o n Z HANG J u n ， GAP D a z h a o 。 C HEN J i a n j i e 。 1 ． C o n s t r u c t l o n P r o j e c t Ma n a me m a n d C o n s u l t i n g C o mp a n y ，To n g j i Un i v e r s i t y ，S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 ．C h i n a 2 ． De D t ． o f Ge o t e c h n i c a l E ng l v e e r i n g， To ngj l Un i v e r s i t y ， S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 t C h i n s Ab s t r a c t I n o r d e r t o e s t a b l i s h mi c r o s c o p i c me c h a n i c a l mo d e l o f s o i l ， s a mp l e s f r o m s h e a r i n g b a n d i n d i r e c t s h e a r t e s t o f t h e s i l t y s o i l i n S h a n g h a i a r e c o l l e c t e d， a n d t h e f a b r i c c h a r a c t e r i t i c s a r e s t u d i e d d u r i n g d i r e c t s h e a Hn g d e f o r ma t i o n b y s c a n n i n g d i r e c t i o n a l mi c r o s c o p i c s u r f a c e s wi t h a n e l e c t r i c p r o b e ． Th e e x p e r i me n t a l me t h o d o l o g y o n t r d c r o s t r u c t u r e o f s o i l i s i mp r o v e d， a n d a p r a c t i c a l s o f t wa r e f o r p r o c e s s i n g i ma g e s o f s o i l p a r t i c l e s a n d a p r o b a h i l i s t i c s t a t i s t i c a l p r o g r a m f o r c a l c u l a t i n g f a b ric q u a n t i t s a r e d e v e l o p e d ． Th e p r o b a b i l i t y mo d e l s f o r d i r e c t i o n a l f a b r i c q u a n t i t i e s a r e e s t a b l i s h e d． a n d t h e d i s t r i b u t i o n c h a n g e s o f f a b ric q u a n t i t i e s a r e a n a l y z e d a s t h e s h e a r i n g d e f o r ma t i o n a d v a n c e s ． I t i s s u g g e s t e d t h a t n o r ma l o r b e t a d i s t r i b u t i o n i S n o t p r o p e r t o d e s c r i b e t h e p r o b a b i l i s t i c s t a t i s t i c a l mo d e l o f s o i l ’ S d i r e c t i o n a l f a b r i c q u a n t i t i e s wh i l e t e n s o r di s t r i b u t i o n o f t h e s e c o n d r a n k o r f o u r t h r a n k i S r a t i o n a l i n s t e a d ． W h e n s h e a r i n g d i s p l a c e me n t i n c r e a s e s t h e o r i e n t a t i o n o f p a r t i c a l l o n g a x i s c h a n g e s a n d c o me s t o c l o s e t o t h e ma c r o s c o p i c s h e a r d i r e c t i o n． Ke y wo r d s s i l t y s o i l }mi c o s t r u c t u r e；f a b r i c s }e l e c t r i c p r o b e ；d i r e c t s h e a r e x p e r i me n t 收薯日期 1 9 9 9 I z ． 船 基立项目 国家自 然科学基囊贷助顷目 1 8 8 0 3 4 8 作者简介 张军 1 9 6 9 一 ． 男， 湖北荆州， 硬士， 同济大学工程师 F 高大钊 1 g 3 5 一 ． 男， 浙江平胡， 同济大学教授， 博士生导师 维普资讯 第 4期 张军， 等 粉质土直接剪切变形过程中的组构特征 5 0 1 0 弓 I 言 土是一种多相介质 的颗粒材料 ， 其微观结构如材料颗粒 的大小、 形状及其 在空间上的排列组合方 式 、 颗粒的矿物成分、 颗粒的表面性质等因素决定着土的力学性质 。传统的基于宏观连续介质力学的理 论方法不能理想地解释离散的土颗粒体所表现的力学响应 。 从土的微观结构 出发来研究土 的力学性质 ， 建立土的力学性质的微观模型将有助于从本质上了解土的力学性质。 在微结构量化的基础上， 分析土体 宏观物理力学性质的微结构效应， 将微结构研究成果纳入实际的工程性质分析与评价， 对于解决土体工 程性状的非线性问题 、 提高工程勘察和设计质量均具有十分重要的意义。 微观结构的定量研究， 包括量测土的某些结构参数 、 观察在应 力作用下土的微观结构的反应0 、 土的微观结构的数值模拟“ 、 考虑微结构的土的应力应变关系 J 、 土体工程性质的微结构效应 及组 构特征对土体动力性质的影响 等。 组构是从土的微观结构中获取的能真实地反映土的结构情况 确定 土微结构的“ 自由度” 的参数。 具有相同组构参数的土微结构具有相同的宏观力学响应。 组构用颗粒半 径及其分布密度函数、 枝向量的分布密度函数、 颗粒间接触力大小和方向的分布密度函数等组构量以及 组构张量来描述。 观察土体在应力作用下组构变化的进程是目前国内外土的微观结构研究的主要方向。 已有的研究主要是针对模拟离散材料和砂土 ， 而对于在渗透变形和地震液化中起重要作用的真实粉 质土在剪切变形过程中的组构特征的研究成果至今尚未见报道 本文结合国家自然科学基金资助项目 上海软土细观结构的组构分析及试验研究 ， 采用直剪试验利用电子探针扫描的方法开展了这方面的 探索性研究 。 1 技术路线 本着理论与实践相结合、 宏观与微观相结合、 定性与定量相结合的原则， 遵循图l 所示的技术路线 开展粉质土在剪切变形过程中的组构特征研究。 2 组构参数的实验 囝 1 的组构研完技术路缝 2 ． 1 土工实 验 对于以颗粒作为骨架的粉质土， 通常更加关 EL, 剪切带上的组构变化。 但是， 在一般的三轴试验中， 很 难发现其剪切带的位置 ， 而在显微镜下寻找剪切带更是很困难的工作。基于此 ， 在土工实验中选用了固 定剪切带的直剪试验方式 ， 并作 了改进 。改装了常规的直剪实验仪， 以干分表测量剪切位移 。 由于材料的离散性质和电子探针试样的要求限制， 无法直接在显微镜下对土样加载和进行全过程 维普资讯 5 0 2 合肥 I业大学学报 自然科学版 2 0 0 O年 第2 3卷第 4期 观察 采用的方法是对多个平行土样施加不同级别的载荷 ， 忽略土样的弹性变形 ， 从直剪仪中取 出加载 后变形了的土样， 然后进行显微实验 。土样一次成型， 然后分割成若干试样， 分别进行直剪试验 ， 结果剪 力一 位移曲线吻合得很好 ， 表明平行土样具有相同的宏观剪力一 位移反应特征。由于它们的颗粒和级配是 一 样的 ， 可以认为具有相同的初始微观结构。 于是 ， 对不同级别荷载作用后的试样， 就可观测微观结构的 变化情况 。 2 ． 2 试样切割与制备 直剪试样变形后的剪切带较清晰， 假设试样 中部小区域的应力状态如图 2 a所示 ， 割取如图 2 b所示 小块试样， 大小约为 2 c m2 c m1 c m， 并按图 2 c所示的坐标定义切割面 、 Y、 ， 分别观察这 3个面 在剪切力作用下的微结构反应 。 在微结构研究时， 必须采用专门的样品制备方法 ， 以保持土的天然结构 。本文研究和探讨了制备粉质土 微观样品的有效方法 。 对于粉质土 ， 由于含有一定的粘 粒形成其结构联结 ， 干燥 方法对土样所产生的撮大扰 动在于粘土矿物的收缩变形。 经实验研究 ， 在多种干燥 方法中， 经液氮快速冻结后用真空升华， 使其干燥的方 法效果撮佳。 本实验中主要研究枝 向量、 颗粒接触法向、 颗粒定 向等组构参数 ， 对显微照片的景深要求较高， 样品制备 中直接采用刀片切断的方法。先将干燥的土样表面磨 E三习 剪切带 b 囤 2 剪切带示意图 击 0 ． 5 mm左右， 再将表面的松动颗粒除掉， 然后样品表面喷金 ， 注意标好试验的应力和变形方向。 2 ． 3 扫描电镜拍照 采用 电子探针扫描拍照， 电子探针设备 由同济大学测试中心提供 。 由测试中心人员编制扫描 自动控 制程序， 选择放大倍数为 5 0 0倍 ， 扫描面积为 1 0 5 mm1 ． 0 8 mm。 作了 4个士样的 、 Y 、 z共 1 2个面的 扫描照片。典型的照片组如图 3所示 。 2 ． 4 计算机图象处理 在同济大学测试中心的协助下 ， 编制了一套颗粒材料图象处理计算机程序。 该程序能测量以下各组 构量 枝长和枝定向、 接触法 向、 长轴及定向、 短轴及定向、 颗粒周长和面积 、 颗粒圆度、 孔隙比。 由于得到的组构扫描照片具有较大的景深， 很难 由计算机 自动判断颗粒边界。为此 ， 用透明纸描出 颗粒边界 ， 如图 4所示 ， 用于组构量统计分析。专门设计了自动统计分析用的颗粒长短轴、 边长、 周长的 算法和枝 向量的算法。 围 3 2 面墨截扫描照片 一 1 7 1 1 ra m 囤 4 面显微扫描照片描绘 1 ． 7 1 1 ram 维普资讯 J l 第 4 期 张军， 等 粉质土直接剪切变形过程中的组构特征 5 0 3 3 直剪变形中的组构特征 3 ． 1 组构量的分布型式 对土颗粒长轴定向角、 短轴定 向角 枝定向角、 颗粒接触法向定向角给出了真实统计分布 ， 并采用 自 行编制的统计程序， 用正态分布和 B e t a分布的理论分布曲线对它们进行了拟合 计算结果表明 用正态 分布及 B e t a分布来拟台角度组构量是不合适的。为此， 采用了二阶张量和四阶张量来表达枝定向 J 、 法 向 和颗粒长短轴定 向的分布 ， 并定义了各组构量的分布函数 根据实测数据， 分别拟合 了土样变形各个阶段各组构量的分布密度函数 。 典型分布密度函数分别如 图 5 ～图 7所示 ， 表现了当剪切位移 d分别为 0mm、 0 ． 4 2 0mm、 1 ． 0 9 6m m 和 l _ 7 1 1 mm 自上向下 时 Y 面上的各组构量分布， 其中左边为实测分布函数， 中间的曲线为二阶张量拟合， 右边的曲线为四阶张量 拟合 。 扣 L 毒 岳 {{ -L 堑 r n f L U 一 I L 已 一 ‘ _ ． l 田 6 ，面法向定向分布密度函数 - 匣 馊 鲁 出 翻 蕾 1 ． 0 Z ． 0 ．I 剪 切 位 移 m m 瞳 7 Y 面枝向量定向分布密度函教 田8 面獭粒长轴定向儡转 维普资讯 5 0 4 合肥I业大学学报 自然科 学版 2 0 0 0年第 2 3卷第 4期 3 ． 2 剪切变形与组构的关系 尽管直剪试验中土样应力状态较复杂 ， 很难建立直观的剪切变形量与组构变化的定量关系 ， 但实验 成果仍反映出明显的规律性特征 。 土颗粒长轴的定向是撮为敏感的组构量 ， 在剪切变形的初期就发生了较大的偏转并且随即主值固 定在剪切方向上， 以后在剪切方向上定向的颗粒 的百分数随剪切过程而逐渐增大 。 图 8为 Y面颗粒定向 的旋转情况 ， 可见其最终定向与剪切方 向一致 ， 在剪切过程中沿剪切方向的颗粒 的百分数逐渐变太 。 颗粒接触法向和枝向量也表现出相似的规律。 在整个变形过程中， 颗粒接触法 向主值基本与土应力 方向一致 。 在剪切过程中， 与正应力方向一致的接触法向百分数逐渐增大 枝 向量分布主值在变形过程 中发生偏转 ， 主值方向基本上与接触法向的主值一致 4 结论与展望 本文采用直剪试验剪切带试样电子探针扫描 的方法研究了粉质土在剪切变形过程中的组构特征。 奉研究在宏观力学实验方法、 宏观和微观土样制备、 微观扫描图象处理等方面发展和完善了土的微观结 构的实验方法 。 建立 了各定向组构量的概率模型 ， 提 出角度组构量不宜用正态分布及 B e t a分布来拟合 ， 而应该用二阶张量或四阶张量描述 分析得到各组构量在变形过程中分布的变化情况 ， 能够说明变形过 程中组构量分布发展的一般趋势 ， 为进一步建立粉质土微观一 宏观相结合的力学模型提供了基础。 在 已知 3个正交平面的组构量分布后， 将来准备用计算机模拟颗粒体的三维结构 ． 已经对此问题的 算法进行 了推导。为了对宏观变形有一个更精确的对比， 需要改进宏观力学实验方法 ， 选用单剪试验更 合理些 ， 因其土样的各点均处于同一个应力状态， 同时还可以测量其体积变化和 应变。更深入的研 究还 需要考虑颗粒的形状和颗粒连接力的影响， 而这正是 目前的土微结构理论所忽视的 。另外 ， 正在进行组 构变化的分形几何研究， 将是土体微结构研究成果应用于工程实践的一条重要途径。 [ 参考文献] [ 1 ] 高国瑞． 黄土显赣结构分类与湿陷性[ J ] ． 中国科学， l 9 8 o ， 3 0 1 2 l 2 0 3 1 9 0 8 [ 2 ] 谭罗荣， 张梅英． 一种特殊土的微观结构特性的研究D] ． 岩土工程学报， l 9 8 2 ， 5 2 t 2 6 一s 5 ． r 3 1 Od aM． T h eme c h a n i s m o f f a b r l c c h a n g e s d u r i n g c o mp r e s s h a l d e f o n 丑 t i o no f s a r Id [ J ] ． 1 3 a n d F o u n d a 亡 1 0 l l s l 9 7 2 、 l 2 2 l l 8 [ 4 ] 吴为义． 颗粒材料组构与率构关系的研究[ D ] ． 武祝 武汉水利电力学院水利系 1 9 8 8 ． [ I ] 钟晓雄， 袁建新． 不同微观组构的颗粒体应力应变关系口 ] ． 岩土力学， 1 9 9 2 ， l 2 9 ／ 8 l 4 2 3 ， [ 6 ] 胡瑞林． 官园林． 李向全． 等． 黄土湿陷性的微观结构效应D] ． 工程地质学报， 1 9 9 9 ， 7 2 ； l 6 l l 6 7 ． r 7 ] 李小军 张登良． C T技术在土体结构特性分析中的应用韧探[ J ] ． 岩土力学， l 9 9 9 ． z 0 2 6 2 6 6 ． [ 8 ] 王明洋， 钱七虎． 爆炸应力被通过颗粒升质的试验与埋论的对比研究『 J ] ． 防护工程， 1 9 9 4 1 4 4 4 l 一4 7 『 g ] 钟晓雄． 颗粒材料力学摸型的理论研究厦试验验证微观组梅与本梅关系[ D ] ． 武祝 中国辩学院武祝岩土力学研究所 1 9 9 1 责任编辑张淑艳 维普资讯