基于光弹测试技术的颗粒材料细观变形试验研究.pdf

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1、ＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＧｅｏｌｏｇｙ工程地质学报１００４－９６６５／２０１４／２２（５）０８５１０４ＤＯＩ：１０．１３５４４／ｊ．ｃｎｋｉ．ｊｅｇ．２０１４．０５．０１２基于光弹测试技术的颗粒材料细观变形试验研究①②郑虎（①河海大学地球科学与工程学院南京２１００９８）（②同济大学地下建筑与工程系上海２０００９２）摘要针对颗粒材料剪切变形的细观尺度研究，介绍了基于密度匹配原理的颗粒实现完全移除底部摩擦力的光弹试验技术。通过对密实度为８２％的光弹颗粒系统进行直剪变形研究，研究结果表明颗粒系统在直剪试验过程中，力链的主方向即主应力方向沿着剪切室短对角线方向发展，并贯穿

2、于整个颗粒系统后在剪切室的边界处达到应力平衡；而颗粒系统中各颗粒的位移场在归一化后表现出很好沿剪切室中轴的对称性。关键词光弹测试技术颗粒材料细观变形密度匹配中图分类号：Ｐ６４２．３文献标识码：ＡＥＸＰＥＲＩＭＥＮＴＡＬＳＴＵＤＹＯＮＤＥＦＯＲＭＡＴＩＯＮＯＦＧＥＯＧＲＡＮＵＬＡＲＭＡＴＥＲＩＡＬＳＢＡＳＥＤＯＮＰＨＯＴＯＥＬＡＳＴＩＣＴＥＣＨＮＩＱＵＥＳ①②ＺＨＥＮＧＨｕ（①ＳｃｈｏｏｌｏｆＥａｒｔｈＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｏｈａｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００９８）（②ＴｏｎｇｊｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＤｅｐｔＧｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅ

3、ｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００９２）ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅｐｈｏｔｏｅｌａｓｔｉｃｉｔｙｔｅｃｈｎｉｑｕｅｃａｎｒｅｍｏｖｅｔｈｅｐａｒｔｉｃｌｅｓｂａｓａｌｆｒｉｃｔｉｏｎｂｙｕｓｉｎｇｄｅｎｓｉｔｙｍａｔｃｈｅｄ．Ｉｔｃａｎｂｅｕｓｅｄｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｍｅｓｏｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｇｒａｎｕｌａｒｓｔｕｆｆ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｓｉｍｐｌｅｓｈｅａｒｐｈｏｔｏｅｌａｓｉｔｃｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｉｓｃｏｎｄｕｃｔｅｄｏｎｔｈｅｇｒａｎｕｌａｒｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈ８２％ｐａｃｋｉｎｇｆｒａｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｒ

4、ｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｔｈｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｆｏｒｃｅｃｈａｉｎ（ｏｒｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓｔｒｅｓｓ）ｉｓｔｈｅｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｓｈｏｒｔｄｉａｇｏｎａｌｌｉｎｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｈｅａｒｂｏｘ，ａｎｄｃｒｏｓｓｏｖｅｒｔｈｅｗｈｏｌｅｇｒａｎｕｌａｒｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅｆｏｒｃｅｃｈａｉｎｉｓｄｉｓａｐｐｅａｒｅｄｏｎｔｈｅｂｏｕｎｄａｒｙｏｆｔｈｅｓｈｅａｒｂｏｘｔｏｇｅｔｔｈｅｂａｌａｎｃｉｎｇｏｆｓｔｒｅｓｓｅｓｓｔａｔｕｓ．Ｔｈｅｎｏｒｍａｌｉｚｅｄｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｖｅｃｔｏｒｏｆｔｈｅｇｒａｎｕｌａｒｍａｔｅｒｉａｌｓｓｈｏｗｓｓｙ

5、ｍｍｅｔｒｉｃａｌｉｎｔｈｅｓｈｅａｒｂｏｘａｘｉａｌ．ＫｅｙｗｏｒｄｓＰｈｏｔｏｅｌａｓｔｉｃｉｔｙｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，Ｇｒａｎｕｌａｒｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｍｅｓｏｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ，Ｄｅｎｓｉｔｙｍａｔｃｈｅｄ统中颗粒间接触力（即力链）的发展与演变规律对［１～４］０引言认识土力学基本问题有着至关重要的意义。但是岩土体属于不透明材料其力学性质极为复杂，传土体作为一种典型的颗粒材料，其力学行为被统的岩土测试方法很难观测到颗粒材料内部的受力公认为由土体之间的接触力决定，因此研究颗粒系特征，比较常用的方法是试验过程中在颗粒材料内收稿日期：２０１４－０６－０４；收到修改稿日期：２０１

6、４－０７－２０．基金项目：江苏省自然科学基金青年基金（ＢＫ２０１４０８４５）资助．作者简介：郑虎，男，博士，讲师，工程地质专业．Ｅｍａｉｌ：ｚｈｅｎｇｈｕ＠ｈｈｕ．ｅｄｕ．ｃｎ８５２ＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＧｅｏｌｏｇｙ工程地质学报２０１４［５］部埋设相应的传感器。而传感器的埋设会带来极大的扰动，也影响了试验结果的可靠性。光弹试验是基于光的双折射现象来观测颗粒材料内部的应力传递以及单个颗粒的受力情况，是一种完全无接触且无扰动的试验方法。可以通过光弹试验的方法真实的量测颗粒材料发生变形时力学特性及变形机理。另一方面，土体对有效应力状态非常敏感，其强度、剪胀性、刚度、变形特

7、征以及剪切形态等，很大程度上取决于颗粒间的有效应力大小，而这与重力环图１光弹颗粒剪切室简图境产生的自重应力是密切相关的。目前研究微重力Ｆｉｇ．１Ｔｈｅｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｐｈｏｔｏｅｌａｓｔｉｃｓｈｅａｒｉｎｇｂｏｘ环境下颗粒材料变形性状的试验方法主要有：直接在空间站进行颗粒材料的变形试验［６］、利用失重的（图２），试验的主要过程是通过对初始状态为正方飞行器提供微重力环境［７］和塔试验［８］。上述３种形颗粒系统施加剪切力，使之变成等体积的平行