基于三轴土样局部变形测量的土体应力应变特性研究

利用三轴试验土样变形数字图像测量系统，开展基于局部变形测量结果的土体应力应变特性研究，与整体变形的测量结果对比分析，确定土样端部约束的影响范围、约束效应对土体应力应变特性的影响程度。选用经典非线性弹性模型和弹塑性模型，针对代表性土类开展应力应变特性研究，根据试验结果和模型的特点，对模型本身和模型参数整理方法进行改进使之更接近和如实反映土体应力应变特性。利用三轴土样图像测量局部变形和传统测量整体数据，分析泊松比的变化规律及取值对计算结果的影响，研究土体泊松比参数的试验方法和数值分析取值依据。从弹塑性模型出发，研究砂土材料在加卸载过程中的变形特性，分析颗粒破碎等物态变化对砂土应力应变影响，定量研究加载体胀和卸载体缩规律。 2100433B

局部变形数字图像测量技术在三轴试样变形测量中的应用，克服了传统变形测量方法的不足，提高了变形测量精度，为土工三轴试验提供了全新的、更合理有效的变形测量手段。本项研究将在已有的三轴试验土样全表面变形数字图像测量系统研发的基础上，通过对变形场和应变场分布特点及其变化规律分析，研究土样的局部应变特征，探索局部变形数据在整理土样强度和变形参数方面应用的新思路；通过对全表面应变场、应变梯度场及应力水平场等的分析，研究了剪切破坏的发生和发展过程，并探讨剪切带带宽、厚度及剪破角等的影响因素。在热力学的框架内引入结构因子，通过结构因子的发展变化来描述土体剪切破坏的发展过程和发展机理，采用混合遗传算法来反演未知参数。最后，将该模型嵌入商业有限元软件，对实际工程项目进行分析以验证该模型的有效性。研究意义在于充分发挥土样变形测量的优势，并用测试手段的创新，带动土的本构理论研究的创新。

局部变形数字图像测量技术在三轴试样变形测量中的应用，克服了传统变形测量方法的不足，提高了变形测量精度，为土工三轴试验提供了全新的、更合理有效的变形测量手段。本研究项目在已有的三轴试验土样全表面变形数字图像测量系统研发的基础上，通过对变形场、应变场及应力水平场分布特点及其变化规律分析，提出了判断土样剪切破坏的应力水平判别方法和应力应变联合判别方法，得到剪切带发生发展过程的定量结果。通过分析土样的局部变形特性及不同阶段的变形机理，把土样的受力变形过程和应力应变曲线分成破坏前阶段、破坏阶段和破坏后阶段。在破坏前阶段，土样各部分变形大体均匀、性质相同，基本满足同一应力应变曲线，土样可以被看作是一个单元体。在破坏阶段，土样从某一点(REV)开始出现破坏并逐渐发展，最后形成贯穿的剪切带，观测到的土样整体的变形是剪切带内和剪切带外土体变形的综合结果。在破坏后阶段，土样的变形源于土体沿着剪切带的滑动，不能再据此计算土样的“应变”。通过一系列三轴循环荷载试验来研究砂土在破坏前的应力应变行为，特别是卸载过程中的弹性行为。研究了变形稳定状态时卸载过程中的弹性参数特征，结果表明，卸载切线模量由应力状态及孔隙比决定，而不受循环荷载幅值的影响，在确定的围压下施加偏应力增量时弹性模量只与轴向应力有关；卸载平均泊松比也受应力状态及孔隙比的影响。定义了描述土样损伤发育程度的损伤变量，建立了土样的剪切损伤演化方程。将孔隙组构张量理论引入热力学框架，建立了考虑组构张量及其演变模式影响的土体本构方程，从修正剑桥模型的各向同性模型自动演化到能考虑剪切破坏特性影响的各向异性模型的增量耗散函数。提出了一种全新的土体剪切带扩展准则，并且把扩展准则表述为一个数学上的优化问题。将该模型嵌入商业有限元软件abaqus，实现了对土体剪切带的扩展过程模拟。研究意义在于充分发挥了土样变形测量的优势，并用测试手段的创新，带动了土的本构理论研究的创新。 2100433B

目前我国新建的一些重大结构，如核反应堆高压容器、高混凝土坝，都属于典型的复杂应力状态。因此，开展三向应力状态下混凝土力学性能的研究尤为重要。当前，国内外关于混凝土三轴试验方面的研究主要以破坏时的强度和变形特征为主，而对其在加载过程中的全场变形测量尚未见诸于文献。三维DIC方法作为一种非接触、全场的变形测量手段，得到了越来越广泛的应用。为研制出基于三维DIC方法的混凝土三轴受压情况下的全周变形测量实验装置，本项目对如下内容开展了研究，并取得了一定成果：(1) 研制了基于多相机三维DIC方法的混凝土试样全周变形测试系统，该系统利用6台相同型号的相机，来观察试样的全周变形，通过硬件触发模式实现了多相机采集的严格同步，并设计了实验测试了多相机系统的同步效果，实验结果表明同步效果优于5毫秒；(2) 设计了混凝土常规三轴受压实验装置，利用光学玻璃制成的透明圆柱型密封腔，之前建立好的测量系统可以观测到试样表面的全周变形；(3) 研究了混凝土试样表面的全周变形规律，针对空气中和水中试样的压缩试验，测试了试样表面的全周变形，实验分析表明混凝土压缩时砂浆处变形较大，但裂纹出现在拉应变最大的地方；(4) 提出一种能有效减小水流对DIC应变计算结果影响的方法，由于水流会对系统变形测量结果产生可观的影响，因此实验研究了水流对应变结果的影响，并提出了利用多幅连续图像应变均值来有效减小应变测量误差的方法；(5) 提出了用于混凝土应变测量的高精度光学引伸计，由于混凝土实验中具于大刚体位移、小应变的特点，普通DIC的应变测量精度往往难以满足测试需求，利用双45 º反射镜成像的技术，构成了高精度的光学引伸计，实验结果表明该引伸计可以得到很高的轴向与横向应变测量精度。预期成果能够为复杂应力状态下混凝土细观破坏机理提供可靠依据。