高等土力学课后思考题.doc

1、 试分析室内试验、模型试验和现场原位试验各自的特点及优缺点室内试验：岩土参数可直接测定，比较可靠；应变场均匀，应变速率可控；应力条件明确可控；应力路径和排水条件可控；可模拟实际工程中主应力方向进行试验；土样边界条件可控；试样尺寸有限，代表性差，不能反映宏观结构和非均匀性对土的影响；对无法取样的土层，只得采用制备土样试验，偏离实际；需钻孔取样，取土时应力释放，对土体扰动大；试验周期长，效率低。现场试验：测定土体范围大，代表性好，能反映宏观结构和非均匀性对土的影响；对难取样的土层也可现场测试，接近实际；可不经钻孔取样， 直接在原位测定岩土体的工程性质， 从而可避免取土扰动和取土卸荷回弹等对试验结果的影响；土体边界条件不易控制；试验周期短，效率高，但成本较高；岩土参数有统计经验获得，可重复性差，数据离散不可靠；应变场不均匀，应变速率大于实际；原位应力条件不明确且无法控制；应力路径和排水条件不易控制；测定时的主应力方向与实际不一致；二者都只能对有限的点取样试验或测试，点间土样变化是推测的，分层界限不清。模型试验：尺寸比现场试验小，可根据需要控制主要变量，同时具有现场试验和室内试验的部分优点，可以一定程度上预测将建或已建结构的性能；试验周期长，效率低，成本比室内试验略高；由于模型尺寸较小，无法反应原型结构的重力效应，为克服这一缺陷，近年来采用土工离心模型试验。2、 简述土的三轴试验的6组强度指标及其工程适用条件（1）不固结不排水剪（UU试验）试样在施加周围压力和随后施加偏应力直至剪坏的整个试验过程中都不允许排水。UU试验得到的抗剪强度指标用、表示，这种试验方法所对应的实际工程条件相当于饱和软粘土中快速加荷时的应力状况。(地基为透水性差的饱和粘性土或排水不良，且建筑物施工速度快，常用于施工期的强度和稳定计算)（2）固结不排水剪（CU试验）在施加周围应力时将排水阀门打开，允许试样充分排水，待固结稳定后关闭阀门，然后再施加偏应力，使试样在不排水的条件下剪切破坏。CU试验得到的抗剪强度指标用、表示，其适用的实际工程条件为一般正常固结土层在工程竣工或在使用阶段受到大量、快速的活荷载或新增荷载作用下所对应的受力情况。(建筑物竣工后较长时间，突遇荷载增大，如天然土坡堆载等)（3）固结排水剪（CD试验）在施加周围应力及随后施加偏应力直至剪切破坏的整个过程中都将排水阀门打开，并给予充分的时间让试样中的孔隙水压力能够完全消散。CD试验得到的抗剪强度指标用、表示。(地基的透水性较佳如砂土等低塑性土和排水条件良好如粘土层中加有砂层，而建筑物施工速度较慢)3、 渗透变形是堤坝和基坑失稳的主要原因之一，管涌及流土的异同点，渗流变形对大坝稳定的影响，防止措施(1) 流土和管涌都是有渗透水流引起，都属于渗透变形的基本形式。(2) 二者发生部位不同：管涌可以发生在土体表面溢出处，也可以发生在土体内部，而流土多发生在地基或土坝下游渗流溢出处。(3) 二者破坏特征不同：流土是指在向上渗流作用下，局部土体表面隆起，或者颗粒群同时起动而流失的现象；而管涌是指在渗流作用下土体中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙道中发生移动并被带走的现象(4) 二者决定因素不同：流土的形成主要取决于水力坡降，任何类型的土，只要坡降达到临界坡降，都会发生流土破坏；管涌的形成主要决定于土本身的性质，如颗粒级配等。(5) 管涌破坏一般有个时间发育过程，是一种渐进性质的破坏；(6) 一般来说，粘性土只有流土而无管涌，无粘性土渗透变形的形式主要取决于颗粒级配曲线的形状，其次是土的密度。土的渗透变形是土石坝失稳的主要原因，管涌和流土易导致坝坡塌陷，背水坡脚出现牛皮胀，降低抗滑力或增大滑动力，降低大坝的稳定安全系数；流土使得对迎水坡脚处坝基压密，对坝体稳定有利。防止措施：“上游挡，下游排”采用不透水材料或完全阻断土中的渗流路径，或增加渗透路径，减少水力坡降；可在渗流溢出处布置减压、压重或反滤层防止流土和管涌的发生。堤坝及地基渗透变形防治：垂直防渗、水平铺盖、下游压重、排水减压井、下游排水体；基坑渗透破话防治：悬挂式垂直防治；高压喷射注浆法4、 太沙基固结和比奥固结各自的优缺点及适用条件。二者都是基于土骨架是线弹性体、小变形、渗流都服从达西定律的假设。(1) 比奥固结理论考虑了将水流连续条件与弹性理论结合，可求出土体受力后的应力、应变和孔隙水压力的生成和消散，理论严密；太沙基理论假设土体中一点的三个主应力之和为常量，未考虑应力与应变的耦合，不满足变形协调条件，只能求解孔隙水压力。(2) 二者三维固结系数相等。比奥固结方程为三向固结精确表达式，满足线弹性材料的应力应变关系和平衡条件，又满足变形协调条件与水流连续方程与，太沙基固结方程，为准三向固结理论，不满足变形协调方程，(3) 太沙基理论将孔隙水压力和土骨架变形分开计算，方程中只含孔隙水压力的变化，与位移无关，不出现曼代尔-克雷尔效应；比奥固结理论考虑了孔隙水与土骨架变形的耦合作用，方程中包含孔隙水压力和位移的变化，出现曼代尔-克雷尔效应。(4) 适用条件：太沙基固结理论适用于大面积均布荷载作用下的薄层压缩的地基沉降(一维固结)；比奥固结理论多用于二向或三向固结的数值计算，有时可用非线性弹塑性模型代替线弹性模型与比奥固结理论耦合求解。5、 试分析土的应力应变关系的特性及其影响因素P41-476、 试比较砂性土和粘性土的强度特性和强度计算公式有何不同。强度计算公式：砂土；粘性土7、 土坡稳定的分析计算方法有哪些，试进行各种方法的比较和讨论有瑞典条分法、毕肖普法、Morgenstern-Price法、Janbu法、Sarma法、不平衡推力法；(1) 基本假设相同，都假定土体为理想塑性材料，将土条当作刚体建立极限平衡状态方程。(2) 主要区别是关于相邻土条间的内力的假定，瑞典圆弧法计算中不考虑条间力的作用；简化毕肖普法假定两相邻土条之间切向条间力均为零；Morgenstern-Price法、Sarma法、不平衡推力法均假定条间力合力的作用方向；Janbu法假定条间力合力的作用点位置；不平衡推力法假定条间力的合力与上一土条底面平行。(3) 滑裂面不同，瑞典圆弧法和毕肖普法假定滑裂面为圆柱面，Morgenstern-Price法和不平衡推力法对任意形状滑裂面均适用(4) 安全系数定力不同：瑞典圆弧法定义滑裂面上全部抗滑力矩与滑动力矩之比为土坡稳定安全系数，其后的方法均定义沿整个滑裂面的抗剪强度f与实际产生的剪应力之比为安全系数，物理意义明确。(5) 瑞典圆弧法由于不考虑条间力的作用，对每一土条力和例句的平衡条件都不满足，仅满足整个滑动土体的整体力矩平衡条件，一般会使安全系数偏小；Sarma法与Morgenstern-Price法基本假定相同，但他采用假设的临界水平地震加速度Kc作为衡量土坡稳定程度的标准而使安全系数Fs=1，不用试算，简化了计算量，但Kc和Fs之间定量关系的缺乏限制其应用；(6) 采用极限平衡法分析边坡稳定，没有考虑土体本身的应力应变关系和实际工作状态，土条之间的内力或土条底部的反力均不能代表土坡实际条件下的内力或反力，不能求出变形，求出的安全系数只是假定滑裂面上的平均安全度，无法考虑局部变形对土坡稳定的影响；(利用有限元法，考虑土的非线性本构关系，求出单元的应力及变形，根据不同强度指标确定破坏区的位置和范围，设法将局部破坏与整体破坏联系起来，求得临界滑裂面位置，在根据极限平衡分析求整体稳定安全系数，或者利用有限元法求出各工况下土体内部的应力分布情况，然后给定一个衡量土坡安全度的破坏标准，就完全脱离了极限的平衡方程的限制。)8、 什么是土体的应变硬化、应变软化，绘出其典型的应力应变关系曲线。P41-4210、饱和粘土层厚度为2H，土层上、下两面为透水层，作用与土层顶面的竖直荷载为无限广阔分布，是推导太沙基一维固结微分方程 P270-27111、试对高等土力学课程学习做出总结，并对课程学习中理解比较深刻的一个知识点展开讨论高等土力学主要学习了土工试验、本构关系、土的强度理论、土的渗流、土的压缩与固结和土坡稳定等6个方面的内容。(1)土工试验，在本科的基础上加深了三轴试验的了解，认识了离心机模型试验，室内试验、模型试验和原位观测的优缺点及适用范围；(2) 本构关系，学习了土的应力应变特性及其主要影响因素，运用弹塑性力学分析土的应力应变关系，在详细地学习邓肯-张双曲线模型的基础上，认识了K-G模型和其他几种弹塑性本构；(3)土的强度理论，加深了对土的摩擦强度和粘聚强度的认识，在本科土力学基础上，系统学习了影响土强度的因素、3种经典强度理论及其优缺点和三轴试验中6组强度指标及其工程适用范围，了解了几种近代强度理论；(4)土的渗流，复习总结了达西定律及其适用范围，深化了对渗流方程的推导和流网的应用； (5)土的压缩与固结，深化了本科所学太沙基一维固结理论，详细推导了单向固结方程，将其扩展到三维情况，学习了二向或三向固结中常用的比奥固结理论并利用弹性力学理论推导了其方程，了解了大变形固结和流变理论；(6)土坡稳定，系统学习了基于刚体极限平衡的条分法在土坡稳定分析中的应用。基于刚体极限平衡的条分法是目前土坡稳定分析中的主要方法。条分法最早由瑞典人提出，它假定土坡稳定问题是平面应变问题，滑裂面为圆柱形，定义滑裂面上全部抗滑力矩与滑动力矩之比为土坡稳定安全系数，将滑裂面一昂土体分为若干垂直土条，计算中不考虑土条间的相互作用，求出极限平衡状态下的安全系数；毕肖普考虑了条块间的作用力，并重新定义沿整个滑裂面的抗剪强度f与实际产生的剪应力之比为安全系数，使其具有明确的物理意义，条分法得到推广，随后出现了Morgenstern-Price法、Janbu法、Sarma法、不平衡推力法等，这些方法都是以条分法为基础，主要区别是关于相邻土条间的内力的假定，瑞典圆弧法计算中不考虑条间力的作用；简化毕肖普法假定两相邻土条之间切向条间力均为零；Morgenstern-Price法、Sarma法、不平衡推力法均假定条间力合力的作用方向；Janbu法假定条间力合力的作用点位置；不平衡推力法假定条间力的合力与上一土条底面平行。然而，条分法采用极限平衡法分析边坡稳定，没有考虑土体本身的应力应变关系和实际工作状态，土条之间的内力或土条底部的反力均不能代表土坡实际条件下的内力或反力，不能求出变形，求出的安全系数只是假定滑裂面上的平均安全度，无法考虑局部变形对土坡稳定的影响，这是其不足之处。12、室内常规试验测得某土样的天然重度，土粒相对密度为2.65，天然含水量为，试算该土的干重度、空隙率n、孔隙比e和饱和度Sr。3-17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，为什么会出现这种情况？并绘制二者地基中心处的有效应力路径。答：这主要是由于软粘土排水速度慢造成的：若建成后立即将油加满，相当于快速加载的过程，饱和粘土中超静孔隙水压力未及时消散，固结尚未完成，土的抗剪强度相对较低，地基由于强度不足而破坏。若建成后逐渐灌油，相当于缓慢加载的过程，在每级荷载作用下，随着超静孔隙水压力的消散，地基排水固结，抗剪强度提高，进而可以适应下一级荷载，土的抗剪强度始终大于实际的剪应力，因而是安全的。1、达西定律及其适用条件。 达西定律：土的渗透流速与其水力坡降间成线形关系，比例常数是渗透系数k。达西定律只能适用于线性阻力关系的层流运动：上限用临界雷诺数表示，当Re5粗粒土中水的流态为层流时，才服从达西定律(对于粗粒土土，存在大孔隙通道，在高水力坡降下可能会使渗透变成紊流，不再服从达西定律)；下限用初始水力坡降表示，当坡降大于初始坡降时，发生渗流，形成渗流断面后，才服从达西定律(对粘性土，在较低的水力坡降下，渗流不发生或V与i之间偏离直线)。