2011年6月 高等土力学作业 june 2001
高等土力学试题(2011)
1、 饱和土中的渗流和非饱和土中水分迁移规律有哪些相同，哪些不同？孔隙水的移动速率在哪种土中快，为什么？
答：二者的相同点：土体中水的流动都服从达西定律；
不同点：饱和土中只存在水这一相，而非饱和土中存在水和气两相，他们有各自的渗透流动规律，但气的流动又影响到水的流动，尤其影响到土的固结，也要讨论气的渗透规律。饱和土中水压力是正值，非饱和土中水压力是负值。饱和土的渗透系数是常数，非饱和土的渗透系数不是常数；
孔隙水率在饱和土中的移动速率快，渗透系数受饱和度的影响，饱和度低，孔隙中气体占据一定的体积，阻碍了水的流动，过水断面面积也缩小，渗透系数就小，孔隙水的移动速率慢。
2、 什么叫剪胀性，剪缩性？什么样的土表现为剪胀？什么样的土表现为剪缩？邓肯双曲线模型能否反映剪胀剪缩性？为什么？修正剑桥模型能否反映？
答：剪胀性：试样在排水剪试验中体积先减小后增加 剪缩性：试验在排水剪试验中体积减小。
强超固结土表现为剪胀，正常固结土和弱超固结表现为剪缩。 邓肯双曲线模型不能反映剪胀剪缩性。这是因为模型用于广义胡克定律，而胡克定律不可能反映剪胀剪缩性。对于邓肯张非线性模型，有E??与
E??模型本身是允许剪胀的，E?B两种，计算所得的泊松比可能大于0.5。只是有限元计算中，不允许泊松比大于0.5，故模型中不反映剪胀性；E?B模型本身不反映剪胀性。
修正剑桥模型许多情况下能较好反映土的变形特性，它能反映剪缩，但不能反映剪胀。
3、 土体有哪些主要变形特性？
答：土体的变形是土力学最基本也是最重要的问题，土体变形是复杂
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的，有些土加荷后立即完成，有些土的变形随时间逐步发展。随时间发展的变形中又有两部分：一部分是由孔压的消散，即固结变形：另一部分与孔压无关，即使孔压完全消散了，变形仍然随时间而发展，即流变变形。土的变形是有效应力引起的，有效应力并不是颗粒之间接触点处的实际应力。通过饱和土有效应力原理和非饱和土的有效应力原理来反映土的一些有效参数，来发现土的一些基本特性。而土的压缩性是土的变形的主要方面。通过压缩曲线可以反映土的压缩性能和相应的压缩性指标。通过压缩曲线与回弹曲线我们可以看出土的变形有弹性变形和塑性体积变形。进而反映土体材料的特殊性。
4、 切线弹性模量Et的物理意义是什么？在何种情况下应用？邓肯双曲线模型是依据什么试验来估定Et的，含有哪些参数，如何确定这些参数？
答：切线弹性模量Et的物理意义：???a曲线的切线斜率。 在无侧限压缩试验情况下应用，邓肯双曲线模型是依据三轴仪应力应变试验（常规三轴试验）来估定Et，含有c、 一般的Et表达式为：
K、n、Rf
?(?1??3)Et?d?a?3?c?Rf(?1??3)???1??Ei （1）
(?1??3)f????破坏时的强度（?1??3）f?
强度的极限值（?1??3）u2式中（σ1-σ3）为现实的应力水平， Rf为破坏比，
5、 Rf?显然Rf<1.0,一般土的Rf变化于0.75～0.95之间，所以一般可以根据经验事先假定，式中尚有Ei和（σ1-σ3）f待定。初始切线模量采用Junbu经验公式确定，即： Ei?Kpa(?3pa)n （2）
式中，K为无量纲的模量系数，n为无量幂次，pa为大气压力，引入pa主
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要是为量纲上的需要，将Ei与?3的关系绘在双对数图上，就可以求出k和n值。N为双对数上直线的斜率，k为lg?3=1处对应的模量值（需经换算）。（σ1-σ3）f值可以由coulomb-mohr破坏条件确定： (?1??3)f?将2、3式代入1式，整理得
?R(1?sin?)(?1??3)??3nEt??1?fKp() （4） ?a2ccos??2?3sin??pa?22ccos??2?3sin? （3）
1?sin?邓肯双曲线模型是依据三轴仪应力应变试验（常规三轴试验）来估定Et，含有c、?、K、n、Rf ，c、?为强度指标， K、n、Rf的推导上述已经说明。对于砂，卵石等粒岩石材料，其粘聚力c=0，?值随围压?3增加而减少。
??3?其?3值的经验公式：???1???lg??
?pa??1值为?3=pa时的?角，其中，对于粘性土，??=0，对砂、卵石等，??=5o；对石料；??=10o
5、试从土的工程性质，固结变形机理及施工过程等方面论述太沙基固结理论假设的合理性，并说明比奥固结理论与太沙基理论相比有何进步。
答：太沙基固结理论基本假设：1）土层只有竖向压缩变形，而无侧向膨胀，渗流也只有竖向；2）土体是饱和的，只有土骨架和水二相；3）土体是均匀的，在荷载作用下土体的压缩仅仅是孔隙体积的减小，土粒本身以及水体的压缩量可以忽略不计，且假定压缩系数a为常量；4）孔隙水的渗透流动符合达西定律，渗透系数K为常量；5）外荷载为均布连续荷载，且一次施加于土层。
比奥固结理论从比较严格的固结机理出发推导了准确反映孔隙压力消散与土骨架变形相互关系的三维固结方程，一般称为真三维固结理论，
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而太沙基固结理论只在一维情况下是精确的，对二维、三维问题并不精确。所以太沙基三维方程只能称为拟三维固结理论。
6、什么叫屈服准则，屈服面？有哪两种类型的屈服面，各有何特点？屈服面和硬化规律有何关系？
答：屈服准则：在一定的荷载作用下发生塑性变形，将这个时候所加的荷载作为一个判别标准。
对于屈服函数f??ij??k，给定k值，函数f??ij?在应力空间对应一确定的曲面称为屈服面。
两种类型的屈服面：开口锥面，主要反映塑性剪切变形帽形屈服面，主要反映塑性体积变形。
所谓的硬化规律就是屈服函数f??ij??k中的k随什么因素变化，如何变化，而k值的大小又反映了屈服面的扩大和缩小。即屈服面的变化和k值的变化密切相关。
7、什么是曼德尔效应？在砂井地基中曼德尔效应怎样？为什么？
答：曼德尔效应：按比奥理论解饱和土的固结问题时会出现一种异乎寻常的现象：在不变的荷重施加于土体上后的某时段内，土体内的孔隙水压力不是下降，而是继续上升，而且超过应有的压力值。
砂井的固结可以分解为两种渗流来计算：如果某一时刻由竖直向渗流引起的地基的固结度为Uz又计算得同一时刻由轴对称平面渗流引起的固结度为Ur，则地基的总固结度Ur。
巴隆（Barron）系统第研究过砂井地基的排水固结问题。他考虑了在固结时的两种变形情况：1.自由竖向应变；2。等竖向应变。前者认为地基表面的荷载分布是均匀的，后者则认为地面的变形是单一的。实际上，固结时，靠近砂井的土体固结较快该区域的地面沉降较大，必然要使地面的接触压力发生再分布。如果作用荷载的材料在该下陷部分有产生拱作用的趋势，情况更是如此。如果完全发挥拱作用，很可能更接近于等应变情况。
假设砂井群呈三角形分布，则每个砂井的影响范围为六边形。如果用当量
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直径de的圆代替该正六边形，则显然此圆便是每个砂井的影响区。圆内各点的水必将沿平面的径向向砂井排泄。然后垂直向上及向下流动，对于辐射流，由于水流对称，圆周面可以看成不排水面。取包围在影响圆内的单位厚度的土体研究，先不考虑垂直向渗流。
8、什么是似超固结土和似超固结比？似超固结土与新沉积粘土的强度有什么不同？
答：正常固结土在长时间次固结、化学胶凝和干燥应力等时间固化效应引起的附加强度的作用下，表现出与超固结土有相似的特性，被称为似
pcq超固结土。 ?cz称为似超固结比，它是表示似超固结土超固结程度的量。 由于似超固结土具有超固结的特性，所以与新沉积粘土的强度相比，抗剪强度也明显高于正常固结土。似超固结土比新沉积粘土有较高的(?1??3)max，也有较高的不排水强度。
9、太沙基固结理论与比奥固结理论相比增加一条什么假设条件，其合理性怎样？试举例说明。
答: 太沙基固结理论与比奥固结理论相比增加的假设条件——在固结过程中法向总应力和Θ（Θ=σx+σy+σz）不随时间而变。
比奥方程推导的方式与太沙基方程邵有不同，但若增加此假定，将会得出与太沙基方程完全一致的形式。可以说太沙基方程是比奥方程在法向总应力和Θ不随时间变化的假定下的一种简化。太沙基理论用于一维问题是合理的但用于二维、三维是不合理的。
举例：固结仪中的饱和试样，当施加垂直压力p后应力的变化为：t=0时，有效应力?x'??y'??z'=0,孔隙压力u=p；t=∞时，?x'??y'?K0p，u=0(此处k0为静止侧压力系数)。当然这是一个典型的一维问题，作为一维问题，Θ=σz，在固结过程中是不变的。但也可以将其看为三维问题的特殊情况，Θ=σx+σy+σz，则在t=0时，Θ=3u=3p；而t=∞时，Θ=（1+2k0）p；当t从0变化到∞，Θ是在不断变化的。可见即使是在这样的一个简单的情况下，Θ也不是常量。
10、什么是无粘性土的临界孔隙比,如何用试验的方法确定临界
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孔隙比,临界孔隙比有什么作用？
答：1）在不排水剪实验中，不引起强度改变的初始空隙比，这一空隙比称为临界空隙比2）
ecrecr。
可由CD试验或常体积试验（CU试验）测定。
?当用CD试验测定时，不同密度的试样在相同固结压力3c下进行排水剪
??试验，测出试验剪破时的体积应变vf，然后绘制初始孔隙比与vf关系曲
??e线，vf=0时对应的初始孔隙比即为该固结压力3c下的cr。 在判断砂土
e液化的可能性时，cr将是一个有用的指标。
11、三轴剪切试验的破坏取值标准有哪些？他们之间有什么差别？
答：三轴剪切试验的破坏取值标准有：最大主应力差（σ1-σ3）max标准和最大有效应力比（σ,1/σ,3）max标准。
两者的关系：（σ1-σ3）=（σ,1-σ,3）=（σ3-u）（?1?,3,?1）在保持σ
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为常
数的三轴压缩试验中，两种取值标准求得的强度差异将取决于试验中孔隙水压力的发展过程，因而，也就取决于实验类型和试验的剪切特性。 1）三轴排水剪试验。在试验中，u=0，所以（σ1-σ3）max与（σ,1/σ,3）max同时或同一轴向应变时发生，两种取值标准一致。
2）三轴固结不排水剪和三轴不排水剪试验。在试验过程中，由于孔隙水压力的变化，（σ1-σ3）max与（σ,1/σ,3）max不一定一致。
12、试分析瑞典条分法和毕肖普条分法的相同之处和不同之处。
答： 1）这两种方法的安全系数都是力矩的比值；
2）瑞典条分法假定条间力相互平衡了，实际上是忽略了条间的水平力和竖向力；
3）毕肖普法考虑土条竖向力系的平衡，对滑动面上的切向力作了规定，假设切向力与发挥的抗剪强度相平衡，在求解简化时又忽略了条间的竖向切力。
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