土力学试卷地质05(参考答案).doc

2007-2008学年第一学期土力学期末试卷
（地质工程专业05级）

学号_______________专业_______________姓名_______________成绩_______________

一、概念题（共15分）
1、孔隙率（3分）
答：土体中孔隙的体积与土的总体积之比。用公式表示为
或者

2、有效应力（3分）
答：土体中由土颗粒骨架所承担的那部分应力，等于总应力减去孔隙水应力
即

3、渗透系数（3分）
答：当水力坡降为1的时候所对应的流速
即中i=1时的v对应着渗透系数

4、安全系数（3分）
答：整个滑动面上的平均抗剪强度与平均剪应力之比来定义成土坡安全系数
即：

5、地基承载力（3分）
答：是地基所能够提供的承担外部荷载的能力，地基承载力主要由：静荷载实验或者原位试验，规范查表方法和理论公式来确定。

二、回答题（共36分）
1、土中主要粘土矿物有哪几种？它们在晶体结构和物理力学性质上各有什么特点？（6分）
答：主要有高岭石，蒙脱石，伊利石；
高岭石是长石风化的产物，由一层四面体和一层八面体相互叠结而成。蒙脱石则为两层四面体中间夹一层八面体组成一个晶胞，晶胞之间的联结力比较弱，水分子极容易进入，故有遇水膨胀的特性。伊利石如同蒙脱石一样也是三层结构。所不同的是晶胞之间有钾离子存在，故联结能力比较强。

2、什么叫双电层？影响双电层厚度的因素有哪些？是如何影响的？（6分）
答：土粒表面的负电荷与受土粒表面影响的阳离子层（反离子层）合起来称为双电层
有下列因素影响双电层的厚度：
1) 孔隙水中离子浓度。离子浓度越高，双电层越薄。与离子浓度平方根成反比
2) 离子价数的影响，价越高，双电层越薄，成反比关系。
3) 温度与溶液的介质常数影响，温度升高，双电层变厚
4) PH值的影响。水中PH不同，反映出与粘土矿物等电PH值之间的差值也不同，差值越大，粘粒的离解吸附作用越强，因而粘粒的表面电荷密度越大，热力单位也越高，从而影响到双电层的厚度

3、什么叫柔性基础？什么叫刚性基础？这两种基础的基底压力分布有什么不同？（6分）
答：理论上，绝对柔性没有任何刚度的基础叫柔性基础，刚度无穷大的基础叫刚性基础。
工程上对柔性较大（刚度较小）能适应地基变形的基础叫柔性基础。其基础底面压力的分布完全和大小完全和其上的荷载与大小相同。
对于一些刚度很大不能适应地基变形的基础可视为刚性基础。刚性基础下的基底压力分布随上部荷载的大小，基础的埋深和土的性质而变。

4、在进行抗剪强度试验时，为什么要提出不固结不排水剪（或快剪），固结不排水剪（或固结快剪）和固结排水剪（或慢剪）等三种方法？对于同一种饱和粘土，当采用三种方法试验时，其强度指标相同吗？（6分）
答：土体的抗剪强度和土体的固结程度和排水条件有关，对于同一种土样，即使剪切面上具有相同的法向总应力，由于土的固结程度和排水条件不同，它的抗剪强度也不一样。
对于同一种饱和土，当采用三种方法时候，强度指标是不一样的。就三轴实验而言
快剪只能得到指标，固结快剪可以得到总应力指标和有效应力指标
慢剪能得到总应力指标。

5、什么是超固结土、正常固结土和欠固结土？它们的压缩性和剪切性状有什么不同？（6分）
答： OCR>1，为超固结土；OCR=1为正常固结土；如果土在自重应力作用下没有完全固结，则其现有效应力小于现有固结应力，这种土称为欠固结土。实际上欠固结土也属于正常固结土。
压缩性：欠固结土>正常固结土>超固结土。
剪切性状：因为欠固结土也属于正常固结土，所以它们具有相同的剪切形状，即剪切的时候会发生剪缩和产生正的孔隙水应力。超固结土分为强超固结土和弱超固结土，弱超固结土在剪切的时候，和正常固结土一样，体积剪缩，产生正的孔压，但是孔隙水压力要比正常固结土要小；强超固结土在剪切过程中会产生剪胀效应和产生负的孔隙水应力。

6、地基破坏形式有哪几种？各自会发生在何种土类地基？按理论公式确定的承载力只适用于哪种破坏型式？（6分）
答：地基破坏有三种形式，分别是：整体剪切破坏，局部剪切破坏，冲剪破坏。
对于较坚硬的或密实的土，具有较低的压缩性，通常呈现整体剪切破坏，软弱土或者松砂土地基，发生局部剪切破坏或者冲剪破坏。
按照理论确定的承载力适合于整体剪切破坏。

三、应用题（共49分）（注：计算中取为1.0g/cm3，g取为10.0m/s2）
1、某饱和土层厚5ｍ，其饱和渗透系数为2.0×10-6cm/s，土粒比重Gs=2.70。在加荷前测得该层土的密度=1.8g/cm3；在地表大面积加载后，该层竖向附加应力为p=500kPa，压缩稳定后，测得密度=1.89g/cm3。
（1）加荷后该土层会产生多大沉降量？（5分）
（2）该土层压缩模量是多少？（4分）
（3）试计算加荷后该土层达到固结度为80%所需要的时间。注：固结度80%时的时间因数=0.6。(5分）
解：（1）方法1：由得，
由得，
沉降量为
方法2：根据前后的干土质量不变，设加载后的土层厚度为
则：，得
沉降量为
（2）方法1：，

方法2：根据压缩模量的定义，，

（3）
由，单面排水时，得或者

2、为什么要用条分法计算土坡稳定安全系数?试用瑞典条分法计算下图中给出土条的滑动力矩与抗滑力矩（考虑渗透力作用，用替代法）。其中R=100m，=30°，=3m，=2m，=1m，b=5m，浸润线以上土=18kN/m3，以下=20kN/m3，=18°，c=10kPa。（8分）

α

h1

h2

h3

R
b

解：对于的土坡，由库仑-莫尔强度理论知道，需要计算滑动面上各点法向应力，由于滑动面上的不同位置的法向应力是不一样的，随着土坡的高度和水位的高低以及滑动面的形状等因素而改变，所以有必要把整个土坡划分成土条，分别研究单个土条的极限平衡状态。
用替代法计算结果如下：
抗滑动力矩：

滑动力矩：

3、某基坑开挖深度为6m，拟采用板桩+单支撑型式结构进行围护，桩长初步拟定为9米。基坑施工时周围交通、人群及机械等按地面超载20kPa计算。图1为基坑地质剖面图，地下水位正好在砂土层和粘土层界面处，各土层部分基本物理性质指标见表1。
表1 各土层部分基本物理性质指标
土层名称
天然密度
（g/cm3）
土粒比重
塑限
（%）
液限
(%)
砂土层
1.76
2.6

粘土层
1.96
2.7
20.0
32.0

（1）根据表1计算粘土层土的饱和重度、干重度、含水率、塑性指数和液性指数。（5分）
（2）当图中测压管水位超过基坑底面多高时，粘土层会发生流土？（6分）
（3）在粘土层中心取样，做无侧限压缩试验，测得无侧限抗压强度=40kPa；做固结不排水剪试验（CU）=100kPa，测得该土样破坏时=85kPa，=0.8。设该粘土为正常固结土，则该土的、、、，各为多少？（8分）
（4）设砂土层=0kPa，=22°，粘土层强度指标按第3问结果取值，不考虑渗流的影响，请计算基坑开挖后围护结构上所受压力。（8分）

20kPa
0m
原地面

支撑
围护结构
h
透水砂砾层
砂土层
粘土层
地下水位
-12m
基坑底面
-6m
-9m

解：（1）粘土层位于地下水位以下，所以饱和度
饱和重度
由得
干重度

含水率
塑性指数
液性指数
（2）当总应力等于孔隙水压力（包括静孔隙水压力，和超静孔隙水压力）的时候，粘土层会发生流土
即：得
得，
（3）A．无侧限抗压强度=40kPa 所以
B．CU实验中，正常固结土的和均为0
，求得

，
，

（4）计算围护结构的土压力，假设结构不发生变形。
基坑外侧为主动土压力，内侧为被动土压力。
计算参数：粘土的指标分别取
a) 砂土：
b) 粘土：
基坑外侧的主动土压力：

总的土压力：

水压力：

基坑内侧的被动土压力：

总的土压力：

水压力：

作用点的位置：
a) 基坑外侧的主动土压力的位置和水压力位置
用面积距除以面积得：
即位于基坑粘土层底部以上4.96m处，大小为557.9kN/m，方向向左
水压力位置：距粘土层底部1m，大小45kN/m,方向向左
b) 基坑内侧的被动土压力的位置和水压力位置
用面积距除以面积得：
即位于基坑粘土层底部以上1.89m处，大小为912.2kN/m，方向向右
水压力位置：距粘土层底部1m，大小45kN/m,方向向右