高等土力学试题

一.回答下列问题：1. 何谓非饱和土的基质吸力? 举出一种非饱和土的强度公式。2. 三轴试验中的膜嵌入或顺变性（Membrane Penetration）对试验结果有什么影响？对什么土和什么类型的试验影响比较大？3. 说明普朗特尔（Prandtl）和太沙基（Terzaghi）的地基极限承载力公式的基本假设条件和滑裂面形状。4. 何谓德鲁克（Drucker)假说？何谓相适应和不相适应的流动规则？对两种情况各举一个土的弹塑性模型。5. 某饱和砂土的固结不排水三轴试验结果如下图所示，在pq 坐标定性绘出有效应力路径。应当如何确定这种土的有效应力强度指标？ s1-s3 q e1 o p s3 u二. 选择一个问题回答：1. 在深覆盖层上修建土石坝时，坝体和覆盖层的防渗结构物主要有那些型式？各有什么优缺点？2. 在地基处理方法中有哪些型式的复合地基桩？说明其适用范围。 三最近在岩土工程界关于基坑支护土压力计算的讨论很热烈, 试谈谈你对土压力的“水土合算”与“水土分算”的看法四. 某油罐地基工程采用堆载预压法进行地基加固，地基土的抗剪强度指标如图所示，已知中心点M处的自重应力为：ssz=40kPa, ssx=32 kPa. 当设计堆载压 力p200 kPa时在M点引起的附加压力sz=120 kPa,sx=30 kPa,分析M点是否会破坏？应如何进行堆载才能防止地基破坏？ p 粉质粘土 孔压系数A=0.4 c=10Kpa H j=30 k=510-6cm/s五在一个高2米的铁皮槽中装有饱和的均匀松砂，其孔隙比e=0.85,砂的比重Gs=2.67,内摩擦角f=32。然后在振动时砂土发生了完全液化。由于槽壁位移，槽内的砂土的水平土压力是主动土压力，试计算砂土液化前后的槽壁上和槽底上的土压力和水压力。（10分） 饱和松砂 20米 六回答下列问题：（一） 说明高层建筑上部结构、基础和地基的相互作用关系。（二） 规范规定：一般粘性土中的预制桩，打入后15天，对软粘土，打入后21天，才能进行静载试验，为什么？（三） 为什么对于小型建筑物地基一般是承载力控制；对于大型建筑物地基一般是沉降控制？（四） 有一个建筑物的地基承载力基本值是120kPa，要求的设计承载力是250kPa，设计者在原地基上增加了70厘米厚的水泥土垫层（15水泥与原地基土混合后夯实），经在垫层上的载荷试验得到的承载力已经达到了设计承载力。你对这个设计有什么看法？（五） 试解释为什麽早期的地基承载力破坏很多是粘土地基上的谷仓、水泥仓和油罐等建筑物？七回答问题：（一） 透水地基上的土石坝的防渗型式有那些？各有什么优缺点？（二） 土坝的裂缝有那些种？如何防治？（三） 说明堤防工程与土坝工程的区别。（设计施工、防渗、质量控制、水位变化、隐患险情等）八计算下面两种情况下的土压力和水压力：（一）均匀土中的板桩支护，基坑内排水。 7M 5M g=10KNM3 （二）挡土墙后是饱和粘性土, 由于地面荷载引起土中的超静孔隙水压力u=u0sin(pz/2H), u0=20kPa, g=10KNM3 , q=30kPa, c=5kPa , j=30, 计算上、中、下三点的土压力、静水压力和超静水压力。 z q H 一、 回答下列问题。1、 答：由于土体毛细管的作用，干土会对水分有吸引力作用，这个吸引力作用就是非饱和土的基质吸力。A.W.Bishop提出了单应力状态变量的非饱和土强度公式：式中：为抗剪强度，为有效黏聚力，为有效内摩擦角，为一个取值为0.01.0的系数。2、答：在使用三轴仪对砂土进行试验时,周压力通过橡皮膜传递到试样上。由于颗粒间有孔隙,试样表面实际凹凸不平,施加周压力后橡皮膜会楔入试样表面颗粒的空隙中去。其楔入深度随有效周压力口:变化而变化,称这种现象为橡皮膜的顺变性。其楔入量称为膜顺变量或膜楔入量。由于粗粒颗粒较大，其试样的侧表面是凹凸不平的，所以，当对试样施加侧压力后，橡皮膜会嵌入到试样侧表面的空隙中去，并挤出这些空隙中的水，从而使试样产生附加的排水，该部分嵌入量的大小和试样侧表面积的大小，材料颗粒大小，级配以及侧压力的大小有关，对待定的一个试件，其大小主要取决于侧压力的大小，对粘性土等细颗粒材料，该部分嵌入量的影响较小，但对于粗颗粒其影响却不可忽视。在饱和试样中，在试样与膜以及在各层膜之间残留一薄层水膜，称膜间自由水，该部分顺变性对实验中的体积变化和空隙水压力具有很大的影响。砂的一个基本特性是剪切时发生体积变化。当用普通三轴仪对饱和砂进行应力一应变特性研究时,排水试验需要精确量测试验过程中体积变化,不排水试验则需要精确量测孔隙水压力(简称孔压)的变化。在饱和土的排水试验中,通常根据试样中排出或吸入的水量来确定试样的体积变化。但是由于存在膜顺变性,使得这种量测方法在饱和土的粗粒排水试验中出现了很大误差。3、答：（1）普朗特尔的地基极限承载力公式的基本假设条件：基础地面绝对光滑（），竖直荷载是主应力无重介质的假设，即基础地面为地表面，作为均布荷载滑裂面形状：（2）太沙基的地基极限承载力公式的基本假设条件：考虑地基土的自重，基底土的重量基底可以是粗糙的（）忽略基底以上部分土本身的阻力，简化上部均布荷载滑裂面形状：4、答：德鲁克假说：利用塑性体应变增量，等效塑性应变增量这两个塑性指标的特性，对金属材料假定塑性体应变增量为零，并且假设材料屈服时等效塑性应变增量与应力状态无关。在塑性理论中，流动规则用以确定塑性应变增量的方向或塑性应变增量张量的各个分量间的比例关系，对于稳定材料，因而必须正交于屈服面才能满足：同时屈服面也必须是外凸的，这就是说塑性势面g与屈服面f必须是重和的，即f=g这就称为相适应的流动规则。如果，即为不相适应的流动规则。5、答：当峰值应力差时，松砂的有效应力路径还远未达到有效应力破坏线，砂土的应力状态未达到其强度，但饱和砂土试样流动了。有效应力路径峰值时对应的固结不排水内摩擦角为，而当它达到稳定状态时，尽管偏差应力仅为30，其有效应力路径达到了有效应力强度的破坏线，有效应力内摩擦角，而对应的残余不排水内摩擦角这时才到该种砂土真正意义上的破坏，所以这种实验中最大应力差与最大应力比确定的有效应力指标是不同的，用最大的应力比更合理。二、 选择一个问题回答1、2、答：地基处理中的复合地基桩按竖向增强体的材料可划分为：散体材料复合地基桩、柔性复合地基桩、刚性复合地基桩。碎石桩和砂桩总称为碎（砂）石桩，和桩周土组成复合地基的地基处理方法。砂石桩法适用于挤密松散砂土、粉土、粘性土、素杂填土等地基。对饱和粘性土上对变形控制要求不严的可采用砂石桩置换处理。该法亦可用于可液化地基。CFG桩是水泥粉煤灰碎石桩的简称，适用于处理黏性土、粉土、砂土和已完成自重固结的素填土等地基。对淤泥质土应按地区经验或通过现场试验确定其适用性。石灰桩法，由生石灰与粉煤灰等掺合料拌和均匀 在孔内分层夯实形成竖向增强体 并与桩间土组成复合地基的地基处理方法。灰土挤密桩法，利用横向挤压成孔设备成孔 使桩间土得以挤密 用灰土填入桩孔内分层夯实形成灰土桩 并与桩间土组成复合地基的地基处理方法。土挤密桩法，利用横向挤压成孔设备成孔 使桩间土得以挤密 用素土填入桩孔内分层夯实形成土桩 并与桩间土组成复合地基的地基处理方法。柱锤冲扩桩法，反复将柱状重锤提到高处使其自由落下冲击成孔 然后分层填料夯实形成扩大桩体 与桩间土组成复合地基的地基处理方法。三、答：在水土合算的计算公式中采用总应力指标和和饱和重度计算，但如果将饱和重度为有效重度与水的重度之和代入公式，水土合算的方法实际上将水压力也乘以土压力系数。对于粘性土，情况比较复杂，从土中水全部是自由水的观点看，水压力打折扣也是不合适的；但如承认粘性土中的水不全部是自由水，则打一定的折扣，也是合适的，这就和粘性土中考虑浮力的方法相似。总之计算土压力时，当地下水面以下，土体如果是粘性土时，计算土压力用水土合算；当地下水面以下土体，如果土体是非粘性土时，计算土压力用水土分算，计算水压力值，此时总压力等于土压力与水压力之和。四、五、六、回答下列问题1、答：高层建筑上部结构的自重及荷载通过梁柱等构件把荷载传给基础，基础把荷载传给地基，三者之间关系密切。地震时土体与上部结构是相互作用的，上部结构受到地基传来的地震波影响产生地震作用，在进行地震反应分析时，一般都假设地基是刚性的，实际上是非刚性的，故上部结构的地震作用通过基础反馈给地基，地基产生局部变形，从而引起上部结构的移动和摆动，这就是上部结构，基础与地基之间的相互作用。2、答：达到设计要求最大加载量且沉降达到稳定，或已达桩身材料的极限强度，以及试桩桩顶出现明显的破损现象。在确定桩身强度达到要求的前提下，粘性土中的预制桩一般只有通过15天左右，才能达到桩身强度设计要求，桩身与土体的结合才基本稳定，而软粘土中水分较多，因而需更长的时间才能达到静载实验要求。3、答：因为小型建筑的荷载较小，按承载力控制，就是建筑物地基只要满足强度条件就可以，一般适用于小型建筑，对地基变形要求较低，而地基按沉降控制就必须在满足地基承载力控制的基础上，也必须满足地基沉降的要求，一般适用于高层建筑，对地基变形要求较高。4、5、因为粘土地基上的谷仓，水泥库和油罐等建筑物具有很大的堆积荷载，粘性土具有高胶体高塑性，粘性土需要很长时间才能完成固结。土体抗剪强度很低，因此早期的地基承载力破坏很多是粘土地基上有谷仓，水泥库和油罐等具有很大堆积荷载的建筑物。七、回答问题1、答：防渗型式有：心墙、斜墙与铺盖的结合，斜墙与截水的结合。根据防渗材料的不同，碾压混凝土坝防渗结构型式可分为三大类：常态混凝土防渗结构、柔性材料防渗结构及碾压混凝土自身防渗结构。防止渗透破坏的工程措施有：采取水平或垂直防渗措施，以便尽可能地延长渗径。达到降低渗透坡降的目的，可采取排水或减压措施，以降低坝体浸润线和下游渗流出口处的渗透压力，对可能发生管涌的部位，需设置反虑层，拦截可能被渗流带走的细颗粒，对下游可能产生流土部位，可以设置铺盖，可以增加土体抵抗渗透变的能力。新型的防渗措施，采用刚柔结合的方式，采取单管高压施喷防渗墙和铺土工膜防渗相结合的新型防渗技术，适用于不同类型的土石坝，适用于土石坝沉陷变形，防渗效果好，而且是个速度快，集刚性和柔性优点于一身。2、答：土坝裂缝可分为：干缩裂缝、冻融裂缝、沉陷裂缝和滑坡裂缝。按走向分纵向裂缝，横向裂缝和龟裂。坝段分缝分块形式可分为：纵缝分块、斜缝分块、错缝分块和通仓浇筑等四种。土坝裂缝的原因，大多数都是由于坝体或地基的不均匀的沉陷引起的，在土坝除险加固设计和土坝的施工图设计中，应考虑如何使坝体的不均匀沉陷尽可能的小，如对坝基中的软土层应手挖除，挖出困难时，可采用砂井处理，对湿陷性黄土坝基应预先浸水，使土层事先沉陷，对坝体应根据土壤特性和碾压条件，选择适宜的含水量和填筑标准，同时应适当加厚粘土防渗体和适当加厚防渗体下游反虑层的厚度。3、答：根据施工方法的不同，土石坝分为干填碾压（碾压式）、水中填土、水力冲填（包括水坠坝）等类型。堤防的施工方法与土石坝基本一致。其中，碾压式土石坝最为普遍。土石坝施工质量控制主要包括料场的质量检查和控制、坝面的质量检查和控制。土石坝防渗处理的基本原则是“上截下排”。即在上游迎水面阻截渗水。上游截渗法 （黏土斜墙法，抛土和放淤法，灌浆法，防渗墙法，截水墙（槽）法）；下游背水面设排水和导渗，使渗水及时排出。下游排水导渗法 （导渗沟法，贴坡排水法，排渗沟法）。土石坝的防渗处理与堤防的防渗处理二者在本质上没有区别，其细微区别是：土石坝