土体直剪试验的剪切面局限于上下箱体之间的平面,而不是沿土样的最薄弱面展开,直剪试验剪切带的形成机制仍不十分明确。本文通过砂土/黏土小型可视化直剪试验、砾石土大型可视化直剪试验对不同土体材料在直剪试验中的剪切带形成机制与扩展过程进行研究,归纳了试样尺寸、材料类别和法向应力对剪切带扩展规律的影响。同时采用有限差分程序FLAC3D和离散元程序PFC3D对室内直剪试验进行数值模拟,对物理试验所得到的剪切带扩展规律进行补充研究。主要研究内容如下:首先,对实验室原有应变控制式直剪仪进行可视化改造,自行设计制造了5种不同长宽比和宽高比的透明直剪盒和新型加压框架,结合相关细观图像摄录装置对砂土进行直剪试验,将各组试验测得的强度指标和剪切带形状进行对比分析和总结,得出剪切盒尺寸对试验结果的影响,确定合理的试样尺寸。依据试样在同一法向应力下不同剪切位移时刻的位移场云图,将剪切带的扩展过程划分为五个阶段,即初始挤密阶段、局部屈服阶段、剪切带发展阶段、峰值应力剪切带阶段、软化阶段。分析了试样在不同法向应力下剪应力达到峰值点时的剪切带发展规律,并对拱形副剪切带进行曲线拟合和强度分析,探究主副剪切带上正应力、剪应力和抗剪强度指标的差异。其次,利用砂土试验的直剪设备对黏土试样进行可视化直剪试验。对黏土试样在同一法向下不同剪切位移时刻的剪切带发展规律和不同法向应力下剪应力达到峰值点时的剪切带变化规律进行对比分析和总结,研究发现黏土试样在直剪过程中近似沿水平直缝剪切带进行剪切破坏,试样尺寸和法向应力对其影响较小。同时采用在黏土试样表面粘贴白色纸条的方法对剪切带扩展规律进行了进一步补充验证。然后,利用实验室现有的大型可视化直剪仪对砾石土进行试验,研究发现试样从开始剪切到形成稳定拱形副剪切带的这个过程很短暂,当剪切位移达到整个剪切位移的10%之后,剪切带区域基本保持稳定,法向应力对其影响较小。最后,利用有限差分程序FLAC3D和离散元程序PFC3D对室内直剪试验进行数值模拟,进一步深化对各种土体剪切带扩展规律的了解,同时对比了两款软件对于不同土体材料直剪试验剪切带形成机制和扩展过程研究的适用性。