高等土力学考试题复习思考题与参考答案汇总.doc

硕士研究生高等土力学复习思考题一(a)、将下面描述“土力学和岩土工程”的英文译成中文Soil MechanicsThis class presents the application of principles of soil mechanics. It considers the following topics: the origin and nature of soils; soil classification; the effective stress principle; hydraulic conductivity and seepage; stress-strain-strength behavior of cohesionless and cohesive soils and application to lateral earth stresses; bearing capacity and slope stability; consolidation theory and settlement analyses; and laboratory and field methods for evaluation of soil properties in design practice.Soil amongst most variableand difficult of all materials to understandand model1. Complex stress-strain (non-linear, irreversible不可逆的) 2. Properties highly variable function of soil typesand stress history 3. Properties change with time, stress, environment, 4. Every site has different soil conditions - new challenge 5. Soil hidden undergroundand data on small fraction of deposit Geotechnical EngineeringThis course describes the application of soil mechanics in the analysis and design of foundations (shallow and deep) and earth retaining structures. The lectures include an overview of geotechnical site investigation methods and in situ tests used to estimate engineering parameters. The course emphasizes the importance of parameter selection in calculations of ultimate and serviceability limit state calculations for both shallow and deep foundations, and discusses methods of soil improvement. The section on earth retaining structures considers systems ranging from gravity walls to composite construction (reinforced earth), from structural support to field monitoring of excavations (bracing, tieback anchors etc.).(1)What is consolidation? Consolidation is a time-related (时间性) process of increasing the density (增加密度) of a saturated soil by draining some of the water out of the voids.(2)The shear strength of a soil 土的抗剪强度 (tf) at a point on a particular plane was originally expressed by Coulomb as a linear function of the normal stress (sf) on the plane at the same point by where c is cohesion 粘聚力 and f is internal angle of friction 内摩擦角. (3) Ultimate bearing capacity (qu) is defined as the pressure which would cause shear failure of the supporting soil immediately below and adjacent to a foundation. (当基底压力增大到极限承载力时,地基出现剪切破坏)(4) Allowable bearing capacity (qa) is defined as the maximum pressure which may be applied to the soil such that the above two requirements are satisfied. From first requirement, qa is defined as: (地基的容许承载力 qa 定义为当上述两个条件满足时的基底最大压力.当条件一满足时qa 定义如下)(5) A foundation must satisfy two fundamental requirements: (设计基础要满足两个要求 )(a) the factor of safety Fs against shear failure of the supporting soil must be adequate, a value between 2 and 3 normally being specified (地基达到剪切破坏的安全糸数 Fs 要适当,一般在2至3之间 ) (b) the settlement of the foundation should be tolerable and, in particular, differential settlement should not cause any unacceptable damage of the structure (基础的沉降和沉降差必须在该建筑物所允许的范围之内)Example 5.5A saturated clay has the following properties: where l is the slope of the normal compression line and Gs is the density of solid grains of the soil. Prove that a 1% increase in water content can cause a 20% reduction in the undrained shear strength.SolutionFor undrained triaxial (UU or CU) tests of saturated soils, the volume of the specimen is not allowed to change during axial compression or extension. Therefore, the effective mean stress at failure is given byor where e0 is the initial void ratio and eG is the void ratio on the CSL when p =1. The undrained shear strength is thereforeFor a given soil, M, l and eG are critical state parameters and are constants. The only variable is the initial void ratio. This indicates that the undrained shear strength depends only the initial void ratio. For saturated soil, we have e=wGs. Therefore, for two initial void ratio, e1 and e2, the corresponding undrained shear strength cu1 and cu2 are related to each other asFor water content increase of 1%, with , we haveTherefore, the undrained shear strength is decreased by 20%.一(b)、高等土力学研究的主要内容。二、与上部结构工程相比，岩土工程的研究和计算分析有什么特点？三、归纳和分析土的特性。四、简述土的结构性与成因，比较原状土与重塑土结构性强弱，并说明原因？五/0、叙述土工试验的目的和意义。五/1、静三轴试验基本原理（即确定土抗剪强度参数的方法）与优点简介五/2、叙述土体原位测试（既岩土工程现场试验）的主要用途，并介绍3种原位测试方法五/3、粘土和砂土的各向异性是由于什么原因引起的？什么是诱发各向异性？ 五/4、介绍确定土抗剪强度参数的两种不同方法（包括设备名称），并分析其优缺点？五/5、什么叫材料的本构关系？在土的本构关系中，土的强度和应力-应变有什么联系？五/6、什么是加工硬化？什么是加工软化？请绘出他们的典型的应力应变关系曲线。五/7、渗透破坏的主要类型？渗透变形的主要防治方法？五/8、沉降计算中通常区分几种沉降分量？它们的机理是什么？按什么原理对它们进行计算？六、阐述土工参数不确定性的主要来源和产生原因？七、岩土工程模型试验要尽可能遵守的原则？ 八、何谓土的剪胀特性？产生剪胀的原因？九、影响饱和无粘性土液化的主要因素有哪些？举出4种判断液化的方法。十、刚性直剪试验的缺点并提出解决建议？十一、列举一个土工试验在工程应用中的实例，并用土力学理论解释之。十二、叙述土工试验的目的和意义和岩土工程模型试验要尽可能遵守的原则？ 十三、土的本构模型主要可分为哪几类？邓肯-张本构模型的本质？并写出邓肯-张本构模型应力应变表达式，并在应力应变座标轴中表示。十四、广义地讲，什么是土的本构关系？与其他金属材料比，它有什么变形特征？十五、在土的弹塑性本构关系中，屈服准则、硬化定理、流动法则起什么作用？十六、剑桥模型的试验基础及基本假定是什么？说明该模型各参数的意义及确定方法。十七、给出应变硬化条件下，加载条件。为什么该条件在应变软化条件下不能使用十八、土的本构模型主要可分为哪几类？何为非关联流动法则？写出基于非关联流动法则的弹塑性本构关系。十九A、试说明屈服点、屈服准则、屈服面、塑性变形和破坏的概念？示意理想弹塑性材料、弹性塑性应变硬化材料、弹性塑性应变软化材料的应力应变关系？并示意土的典型应力-应变关系曲线（并加以描述）？ 十九B、利用张量，结合Hooke定理，推导在一般应力空间下剑桥模型的比例系数。已知条件：塑性势函数及屈服准则： (1)联合流动法则： (2)协调方程： (3)张量形式的Hooke定理： (4)式中：为平均正应力，为偏应力张量的第二不变量，为正应力的参考值，为临界状态的剪切应力比，参考状态下的孔隙比，为压缩指数，为膨胀指数，为塑性体积应变，为弹性应变张量，为四阶矩阵。十九C、证明Cayley-Hamilton定理对任意对称非奇异张量T，及e是它的一个非零特征值及相应的单位特征矢量，即，则存在以下的式子其中，及为整数。十九D、解释下负荷屈服面的概念与优点二十、影响饱和土渗透性的主要因素？ 二十一、何谓前期固结压力？简述前期固结压力的确定方法。二十二、何谓Mandol-cryer效应？说明其产生机理。二十三、分析影响地基沉降的主要原因、机理和性质。二十四、何为应力路径？采用应力路径法计算沉降时常采用哪两种方法？简述其各自的计算步骤。二十五、推导二维饱和土的控制微分方程和边界条件。二十六、地基压缩层厚4m，通过钻探采取代表性原状土样，测得其初始孔隙比e01.0，有效内摩擦角f25, c=15kPa，土的压缩指数cc0.31。试样在20、40、60kPa等围压下固结，然后作三轴CU试验，分别测得其有效应力路径如图1所示。设K0=1sin f，如果土层中点原上覆土压力为64kPa，由于修建建筑物，附加应力为s128.5kPa，s310.5kPa，用应力路径法计算瞬时加荷后地基的瞬时沉降和固结后总沉降。图1 有效应力路径二十七、根据进行的室内试验成果，确定你所做土样Duncan-zhang本构模型的八大参数，有详细的计算过程（包括图表）。二十八、你所经历或处理的基础工程问题（详述解决方法，力学原理）？二十九、阐述静止、主动、被动土压力产生条件，并比较三者大小。挡土墙为何经常在下暴雨期间破坏？ 三十、.影响地基承载力的因素有哪些？介绍地基极限承载力和容许承载力的意义。三十一、某条形基础， 底宽B=5.0m, 基础埋深Df1.5m，基础的自重及其上的结构物重量为F+G=1000kN/m，基底荷载的合力偏心矩e1.2m，砂层变形模量E4MPa。地基剖面、地基土的压缩曲线及地下水位见图2和图3。请用分层总和法计算基底中轴处(M点)的单向压缩沉降量。又通过地基饱和原状土样的三轴固结不排水剪试验，测得围压200kPa，轴压408 kPa，破坏时试样中的孔隙水压力uf87 kPa，再用斯开普顿法计算地基沉降量，并与前者比较。图2 土层分布与基底荷载分布 图3 粘土层、e p曲线三十二、静力许可应力场及机动许可速度场与真实的应力场和速度场有什么联系与区别?三十三、为什么由静力许可应力场求出总是小于真正的极限荷载, 而由机动许可速度场求出的总是大干真正的极限荷载?三十四、建筑在帖性土地基上的条形基础宽B=8m，q=36kPa,地基土的，c=15kPa。若时，Terzaghi公式的，Prandt1公式的。分别按Terzaghi和Prandtl机理计算地基的=?三十五、阐述土的强度理论与适用性（包括主要强度理论的优缺点）三十六、推导土弹塑性应力应变关系的一般表达式。简述土弹塑性本构关系的三大支柱的主要内容。三十七、K-G模型（Domachuk模型）中，K和G分别如何确定，其中如何得到？三十八、分别详述Lade-Duncan模型、清华（黄文熙）模型、南科所模型、松岗元模型，并评述之。三十九、详述Biot固结理论及其与Terzaghi一维固结理论的异同。四十一、详述沉降计算几种方法：弹塑性理论法、应力路径法、剑桥模型法等。四十二、分别推导Prandtl、Reissner和Terzaghi条件下地基极限承载力公式。四十三、详述强度折减法及其应用。四十四、对深埋基础，Meyerhof、Vesic和Terzaghi分别如何得到极限承载力？地基承载力的深度、宽度修正系数是如何得到的？ 四十五、说明临界状态土力学的要点。三十七、详细阐述地基处理的目的并例举二种地基处理方法与适用性三十八、论述高变幅水库土质岸坡稳定性衰减的岩土力学机制三十九、分析碎石土和粘性土强度特性出现差异的根本原因四十、推导剑桥模型塑性应变增量 的表达式四十一、求解 四十二、综述影响土强度的主要因素四十三、简述极限平衡法、滑移线场法和极限分析法的区别与联系。四十四、简述静力场和机动场的基本条件。四十五、求不排水条件下饱和粘上地基上条形基础极限承载力（条形基础宽度为b）。四十六、用高等土力学知识解释上海某住宅倒塌事故四十七、用高等土力学知识解释降雨尤其是暴雨是滑坡活动最重要的触发因素四十八、对于岩土工程，理论方法或经验计算公式或数值计算方法（如有限元），计算结果（如变形计算）与实测结果相差较大时，主要原因可能有哪些？（要求有比较详细的分析）（15分）四十九、 什么是有效应力原理？图中，地基土湿重度、饱和重度和浮重度分别为、和，水重度，M点的测压管水柱高如图所示。写出M点总应力、孔隙水应力、有效应力、自重应力的计算式。五十、为什么说当地下水位下降时，会使土地基产生下沉呢？ 五十一、岩土工程单选或多选题1岩土工程是土木工程的重要组成部分，包括（）方面。（A）岩土工程勘察、设计； （B）岩土工程施工或治理； （C）岩土工程检测和监测； （D）岩土工程监理； （E）岩土工程概预算 2 某桩基工程场地由于地势低需进行在面积填土，为降低因填土引起的负摩阻力，减小沉降，降低造价，以采用下列哪一种方案为最佳？ （A） 成桩填土建厂房 （B） 成桩建厂房填土 （C） 填土成桩建厂房 （D） 边填土、边成桩建厂房 3基础底面宽底不受刚性角限制的是( ) 。（A）砖基础 （B）混凝土基础 （C）砌石基础 （D）钢筋混凝土基础4下述关于群桩工作特点的描述中，哪些是不正确的？ （A）对桩距大于6倍桩径的端承桩桩群，其总承载力等于各单桩承载力之和 （B）群桩效应主要针对端承桩而言 （C）桩距过小的群桩，应力叠加现象显著，桩土相对位移减小，桩侧阻力不能有效发挥 （D）应力叠加引起桩端平面应力增大，单位厚度的压缩变形减小 （E）桩数超过3根的桩基，均需考虑群桩效应 5在软土基中采用密集的钢筋混凝土预制桩，施工中可能产生下列哪些不利影响？（A）土体位移和地面隆起 （B）可能产生负摩阻力 （C）泥浆污染 （D）对环境影响小 （E）桩接头被拉断 6在下列各种措施中，哪些措施对提高单桩水平承载力是有效的？ （A）无限地增加桩的入土深度 （B）增加桩身刚度 （C）改良加固桩侧表层土（34倍桩径范围内）的土性 （D）桩顶与承台间采用铰接 （E）适当增加桩身配筋 7对单桩竖向承载力而言，下列叙述不正确的是()。（A）取决于土对桩的支承阻力和桩身材料强度 （B）一般由土对桩的支承阻力控制 （C）一般由桩身材料强度控制（D）对于端承桩、超长桩和桩身质量有缺陷的桩，可能由桩身材料强度控制 8桩身露出地面或桩侧为液化土等情况的桩基，设计时要考虑其压曲稳定问题，当桩径、桩长、桩侧土层条件相同时，以下四种情况中()抗压曲失稳能力最强。（A）桩顶自由，桩侧埋于土层中 （B）桩顶铰接，桩端埋于土层中 （C）桩顶固接，桩端嵌岩； （D）桩顶自由，桩端嵌岩 9对于一级建筑物，单桩的竖向承载力标准值，应由现场静载荷试验确定。在同一条件下的试桩数不宜少于()。（A）总桩数的1，并不少于2根 （B）总桩数的1，并不少于3根 （C）总桩数的2，并不少于2根 （D）总桩数的2，并不少于3根 10下列()不是影响钻孔灌注桩群桩基础的承载力因素。（A）成桩顺序 （B）土性 （C）桩间距 （D）桩的排列 五十二、“高等土力学”大作业一1. 推导土弹塑性应力应变关系的一般表达式。简述土弹塑性本构关系的三大支柱的主要内容。2. K-G模型（Domachuk模型）中，K和G分别如何确定，其中如何得到？3. 分别详述Lade-Duncan模型、清华（黄文熙）模型、南科所模型、松岗元模型，并评述之。4. 详述Biot固结理论及其与Terzaghi一维固结理论的异同。5. 详述沉降计算几种方法：弹塑性理论法、应力路径法、剑桥模型法等。6. 分别推导Prandtl、Reissner和Terzaghi条件下地基极限承载力公式。7. 详述强度折减法及其应用。8. 对深埋基础，Meyerhof、Vesic和Terzaghi分别如何得到极限承载力？地基承载力的深度、宽度修正系数是如何得到的？ 9. 说明临界状态土力学的要点。五十三、“高等土力学”大作业二1 什么是加工硬化？什么是加工软化？绘出它们的典型的应力应变关系曲线。2 试绘出下述试验的应力路径：（1）侧限压缩试验；（2）无侧限压缩试验；（3）普通三轴试验的：（a） CU试验（有效应力及总应力）；（b）CD试验（除CU 试验的有效应力路径外，其余都必须给出路径线的倾角或其正切值）；3 定性绘出很疏松和密实状态的同一种砂土的在固结不排水试验中的应力-应变-孔压（1-3）1u关系曲线。4 用同样密度、同样组成的天然粘土试样和重塑粘土试样进行三轴试验，一般哪一个的抗剪强度高一些？在正常固结土地基中进行十字板剪切试验，作用在园柱形剪切体上的侧向抗剪强度和作用在其上下端面上的抗剪强度一般哪一个大？为什么？5 在软粘土地基上修建两个大型油罐，一个建成以后分期逐渐灌水，6个月以后排水加油；另一个建成以后立即将油加满。后一个地基发生破坏，而前一个则安全。绘制二者地基中心处的有效应力路径，并解释为什么。6 试绘出下列情况下，均质土层中附加应力沿深度的分布图，并说明其理由： （1）地表作用着大面积均布堆载q=100kPa； （2）地表作用着局部荷载；（3）地下水位突然下降h米。7 在Duncan-zhang的非线性弹性模型中，参数a、b、Ei、Et、（-）ult、Rf各表示什么意义？它们如何通过试验确定？8 某场地均匀地层，=18kN/m3，=30，c=0，试分别画出地面下5m深度处土单元自重应力、主动和被动极限状态的摩尔圆。9 某土层厚2.0m，顶面埋深2.0m，底面埋深4.0m，该土层平均自重应力51kPa。在建筑物荷载作用下，土层平均附加应力50kPa，在该附加应力作用下，土层已沉降 稳定。由于建筑物增层改造，该土层附加应力又增加了100kPa。若已知土的孔隙 比e与压力p（kPa）的关系为e=1.15-0.0014p，问由于增层改造引起的该土层压 缩量是多少？参考答案一a、将下面描述“土力学和岩土工程”的英文译成中文（10分）参考译文：土力学：本门课程主要介绍土力学的基本原理和应用，主要包括如下一些内容： 土的物理性质，土的分类，有效应力原理，土的渗透性和渗流，无粘土和粘性土的应力、应变和强度特性，土压力，地基承载力和边坡稳定，固结理论和沉降计算，测定土性参数的室内和现场试验方法。在所有材料中，土的变异性最大、了解和模拟它是最困难的，因为：土具有复杂的应力应变关系（非线性，且不可逆）；土的性质与土的类型和应力历史密切相关土的性质随时间、应力和环境等诸多因素而变；土的性质具有地域性，因地而异；土是隐蔽于地下的东西，能反映它性质的资料最多也是零星的。岩土工程课程主要介绍土力学在基础工程和支挡结构中的应用；简要介绍为获得土工参数要进行的工程地质勘察和原位试验；重点介绍，在浅基础和深基础的承载力能力极限状态及正常使用极限状态计算中，如何选择计算参数；探讨地基处理方法；在支挡结构一章中，阐述了重力式挡土墙和加筋土挡土墙等复合结构，以及深基坑支护（内支撑、锚杆等）现场监测内容与方法。 (1)What is consolidation? Consolidation is a time-related process of increasing the density of a saturated soil by draining some of the water out of the voids.什么是固结？固结是饱和土中孔隙水随时间不断排出，而密度增加的过程。（3分）(2)The shear strength of a soil (tf) at a point on a particular plane was originally expressed by Coulomb as a linear function of the normal stress (sf) on the plane at the same point by where c is cohesion and f is internal angle of friction. 库仑将土体在某一面上一点的抗剪强度tf表达为该面上此点法向应力sf的线性函数，即：（2分）式中 c为粘聚力；f为内摩擦角。（1分）(3) Ultimate bearing capacity (qu) is defined as the pressure which would cause shear failure of the supporting soil immediately below and adjacent to a foundation.基础的极限承载力qu定义为基底附近的土（即持力层）出现剪切破坏时的基底压力。（3分）(4) A foundation must satisfy two fundamental requirements: (a)the factor of safety Fs against shear failure of the supporting soil must be adequate, a value between 2 and 3 normally being specified. (b)the settlement of the foundation should be tolerable and, in particular, differential settlement should not cause any unacceptable damage of the structure.基础设计必须满足两个基础条件： (a)避免持力层出现剪切破坏的安全糸数 Fs 要适当,一般在2至3之间。（1.5分）(b)基础沉降要在可接受的范围之内，特别是差异沉降不能导致结构物出现不能接受的损伤。（1.5分） (5) Allowable bearing capacity (qa) is defined as the maximum pressure which may be applied to the soil such that the above two requirements are satisfied. From first requirement, qa is defined as: 容许承载力qa定义为上述两个要求都能满足时的最大基底压力。根据第一个要求，qa可表示为：（3分）一(b)、高等土力学研究的主要内容。 归纳高等土力学教材各章的标题内容二、与上部结构工程相比，岩土工程的研究和计算分析有什么特点？（10分） 答：（1）岩土工程的规模和尺寸比一般结构工程大得多，其实际范围是空间半无限体，工程计算分析中采用的边界是近似的和模糊的；（2）岩土的各种参数是空间的函数，参数的变异性大，变异系数在0.10.35，有的可超过0.4，并且土性之间或不同点的土性具有较强的相关性，包括互相关和自相关；（3）岩土属于高度非线性材料，在不同的应力水平下变形特性不同，岩土工程的极限状态方程也经常是高度非线性的，并且诱发极限状态的原因或作用多种多样；（4）岩土试样性质与原状岩土的性质往往存在较大差别，即使是原位测试，反映的也仅仅是岩土的“点”性质(如现场十字板强度试验)或“线”性质（如静力触探试验），而岩土工程的行为往往由它的整体空间平均性质控制，因此在岩土工程可靠度分析设计中，要注意“点” 、“线”到空间平均性概率统计指标问题；（5）由于上述岩土性质和岩土工程的不确定性加之推理的不确定性（如有目的的简化），岩土工程的计算模型往往具有较大的不确定性或不精确性，并且除了上述（3）中提到的在岩土工程中针对不同原因和作用，会有不同的极限状态方程外，对同一计算参数也存在不同的计算表达式；（6）施工工艺、施工质量及施工水平等会对岩土工程的性质和功能产生很大的影响。三、归纳和分析土的特性土是岩石风化后产生的碎屑堆积物，由土颗粒、水和气体组成；透水性强；土的物理力学性质受水的影响很大，对扰动特别敏感；抗拉强度极低；土的性质很不均匀，且与土的类型和应力历史密切相关；土具有复杂的应力应变关系（非线性，且不可逆），且不唯一，塑性显著；土的性质随时间、应力和环境等诸多因素而变，具有地域性，因地而异；土的变形特别是饱和粘土的变形要经历很长一段时间。四、简述土的结构性与成因，比较原状土与重塑土结构性强弱，并说明原因？答：土的结构是表示图的组成