两种构形条件下岩土试样剪切带倾角演变规律的观测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种岩土材料的剪切带测量技术，特别是涉及一种剪切带倾角测量技 术。
【背景技术】
[0002] 在各种岩土工程实践中，由地质体材料(岩石、土等）构成的结构突然发生破坏、失 稳的现象广泛存在，经常发生。例如，在水电、铁道、防护、石油工程的建设及运行中会遇到 洞室岩爆、坍塌及滑坡等灾害；在煤矿开采中会遇到冲击地压、煤和瓦斯突出等灾害。这些 灾害的发生严重影响了经济建设和能源工业的健康发展，造成了巨大的财产损失和重大的 人员伤亡。1985年天生桥二级水电站发生滑坡事故，造成了 48人死亡；2005年辽宁阜新孙 家湾煤矿发生冲击地压诱发的瓦斯爆炸事故，造成了 214人死亡；2007年宜万铁路野三关 隧道开挖诱发大体积塌方，造成了 10人死亡；2009年锦屏二级水电站工程引水洞发生岩爆 事故，造成了极大的人员伤亡。据不完全统计，上述这些灾害每年给国民经济造成的损失高 达200亿元人民币，而且，损失还在逐年增加。
[0003] 通常，地质体材料发生的都是局部化破坏。局部化破坏是和均匀破坏相对立的概 念。局部化破坏是指破坏发生的区域非常有限，而不是各处均发生相同程度的破坏。局部 化破坏以应变集中于狭窄区域的现象作为先导，这种现象称之为应变局部化，狭窄的区域 称之为应变局部化区。根据应变集中的类型，可将应变局部化划分为剪切应变局部化、拉伸 应变局部化和压缩应变局部化。剪切应变局部化区域常称之为剪切带。剪切带导引着宏观 剪切裂纹的扩展，因此，是材料破坏的一种前兆。剪切带几乎可以在各种材料的变形、破坏 过程中观测到，例如，黑色金属、有色金属、聚合物、单晶体、多晶体、合金、岩石、土、水泥、混 凝土、陶瓷、骨头等。由于剪切带、应变局部化等问题的研宄能深刻阐明材料的破坏前兆和 机理，而且拥有广泛的工程应用背景，因此，自从上世纪80年代以来，得到了国内外学者和 工程技术人员的密切关注，成为固体力学、岩土力学、材料科学及一些工程领域的热点研宄 问题之一。在实验研宄方面，X射线、Y射线、立体成像技术、计算机辅助层析照相技术、激 光辅助层析照相技术、数字图像相关技术、声发射技术、热红外技术等先进的观测手段都被 用于剪切带内外微结构特征、剪切带的发展演化等问题的测量。最近，本专利申请人采用自 主开发的基于粒子群优化及Newton-Raphson迭代的数字图像相关方法开展了砂土材料剪 切带内、外应变分布的实验观测研宄(王学滨，杜亚志，潘一山.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宄.岩土工程学报，2012，34(11): 2050-2057;王学滨，杜亚志，潘一山.考虑一阶和二阶位移梯度的数字图像相关方法 在剪切带测量中的比较.工程力学，2013，30(7): 282-287)。此外，在剪切带的数值模 拟研宄、理论研宄和现场观测研宄方面也均取得了长足的进展。
[0004] 剪切带的宽度和倾角是两个最重要的几何参数。剪切带的宽度较窄，一般在材 料平均颗粒直径的 20 倍以下（Alshibli K A, Sture S. Sand shear band thickness measurements by digital imaging techniques. J. Comput. Civil Eng., ASCE, 1999， 13(2): 103-109; Wong R C K. Shear deformation of locked sand in triaxial compression. Geotechnical Testing Journal, 2000，23(2): 158-170)，而长度较长，远 大于剪切带宽度。剪切带的倾角代表其方位和走向，是剪切带问题研宄中值得关注的重要 问题，其研宄意义主要体现在下列3点： 首先，剪切带倾角中蕴含着表征材料破坏程度的关键力学参数。目前，关于剪切带倾角 的理论公式主要有Coloumb倾角、Roscoe倾角和Arthur倾角。这些理论公式表明，剪切带 倾角和材料的内摩擦角或/和扩容角有关。内摩擦角作为一个重要的抗剪强度参数，出现 在Mohr-Coloumb等屈服准则中，该准则是岩土力学中应用最广泛的屈服准则；扩容角常出 现在塑性势函数中，塑性势函数决定着塑性流动的大小和方向。
[0005] 其次，剪切带倾角对岩土结构或试样的峰后特性及稳定性有重要的影响。理论研 宄表明，在单轴或双轴压缩条件下，由剪切带及带外弹性体构成的试样的失稳判据和剪切 带的倾角有关(王学滨，潘一山，任伟杰.基于应变梯度理论的岩石试件剪切破坏失稳 判据.岩石力学与工程学报，2003，22(1): 1859-1862;王学滨.基于能量原理的岩样 单轴压缩剪切破坏失稳判据.工程力学，2007，24(1): 153-156，161)，随着剪切带倾 角的增加，岩样的稳定性变差。
[0006] 最后，正确的剪切带倾角计算能为岩土工程加固设计和一些数值计算方法(例如， 扩展有限元法等)提供必要的重要基础数据。在锚固工程中，为了确保巷道围岩等岩土结构 稳定，锚杆的端部需锚固到剪切带之外。如果剪切带倾角提供不准，在巷道表面附近，可能 不会有大的影响，但是，在巷道围岩深处，由于剪切带的长度较长且可能弯曲，则会失之毫 厘，谬以千里。剪切带倾角不同，则剪切带位置的应力状态就不同。如果将稳定的结构误以 为不稳定，则会浪费人力物力去做加固处理；如果将不稳定结构误以为稳定，则会带来潜在 的安全风险。
[0007]目前，在实验室中，关于剪切带倾角的测量结果分散性较大，例如，岩石类材料 的剪切带倾角范围为 55° ~80° (Ord A, Vardoulakis I，Kajewski R. Shear band formation in Gosford sandstone. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. & Geomech. Abstr., 1991, 28(5): 397-409; Vardoulakis I. Shear band inclination and shear modulus of sand in biaxial tests. Int. J. Num. Anal. Method Geomech. , 1980, 4(2): 103-119;过镇海.钢筋混凝土原理.北京：清华大学出版社，1999)，关于土的一些测 试结果也说明了这一点，例如，Arthur等针对密砂的测量结果在59° ~69°之间（Arthur J R F, Dunstan T, AI-Ani Q A J L, et al. Plastic deformation and failure in granular media. Geotech. , 1977, 27 (1) : 53-74)。Vardoulakis 等针对一种中密砂 的测量结果在 60° ~70 ° 之间（Vardoulakis I. Shear band inclination and shear modulus of sand in biaxial tests. Int. J. Num. Anal. Meth. Geomech. , 1980, 4(2): 103-119)，等等。而且，针对一个试样，只给出一个测量结果，不能给出剪切带倾角的 变化过程。
[0008] 剪切带倾角的原始测量手段是采用量角器。在实验结束之后，采用量角器测量剪 切裂纹面与水平方向的夹角。由于剪切带可能不完全平直，尤其是当颗粒尺寸较大时或材 料均质性不好时，会导致测量结果的误差大，测量结果因人而异(李蓓，赵锡宏，董建国. 上海粘性土剪切带倾角的试验研宄.岩土力学，2002，23(4): 423-427)。另一种测量手 段是利用数字图像技术测量剪切带倾角。同样是在实验结束之后，在包含宏观剪切裂纹的 图片上，通过计算裂纹面上两个点的斜率计算剪切带倾角。
[0009] 上述测量方法均将宏观剪切裂纹倾角视为剪切带倾角，并不严格和准确。实际上， 剪切带在启动后及发展过程中，由于变形阶段的不同、应力场的变化、各条带之间的相互影 响和作用及非均质性等因素的影响，