高土试题(工程硕士2013).doc

（一）简述题
1、试说明屈服点屈服准则屈服面塑性变形和破坏的概念。（10分）
答： 1)屈服点产生屈服现象时的最小应力值即为屈服点。
2)屈服准则用以判断弹塑性材料被施加一应力增量后是加载还是卸载
或是中性变载。亦即是判断是否发生塑性变形的准则。
3)屈服面屈服准则用几何方法来表示即为屈服面和屈服轨迹由于许多
模型都假设土体是各向同性的则屈服函数可以再三位空间中表示成曲面，称为屈服面。
4)塑性变形当应力完全卸载后尚不能恢复的变形称为塑性变形 。
5)破坏材料或者结构失去了其基本承载能力或者失去了执行某项功能的基本特性就称其为破坏。

2、简述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。（5分）
答：屈服准则是判断土作为弹塑性材料来研究是否发生塑性变形的准则。流动法则是用来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。硬化定理用来描述屈服标准如何发展，说明屈服面为什么会硬化，具体确定硬化函数与硬化参数。

3、什么是土的本构关系？与其他金属材料比，它有什么变化特性？（15分）
答土的本构关系广义上讲是指反应土的力学性状的数学表达式。表示形式一般为应力-应变-强度-时间的关系，与金属材料相比土的变形特性可概括为以下几点：
1） 土应力应变的非线性。由于土由碎散的固体颗粒组成土的宏观变形主要不是由土颗粒本身变形而是由于颗粒间位置的变化。这样在不同的应力水平下由相同应力增量引起的应变增量就不会相同即表现出非线性。
2） 土的剪胀性。由于土石由碎散颗粒组成的在各向等压或等比压缩时孔隙总是减少的从而可发生较大的体积压缩这种体积压缩大部分死不可恢复的剪应力会引起土塑性体积变形这叫剪胀性另一方面球应力又会产生剪应变这种交叉的或者耦合的效应在其他材料中很少见。
3) 土体变形的弹塑性。在加载后再卸载到原来的应力状态时土一般不会完全恢复到原来的应变状态其中有一部分变形是可以恢复的部分应变式不可恢复的塑性应变并且后者往往占很大的比例。
4) 土应力应变的各向异性和土的结构性。不仅存在原生的由于土结的各向构异性带来的变形各向异性而且对于各向受力不同时也会产生心的变形和各向异性。
5) 土的流变性。土的变形有时会表现出随时间变化的特性即流变性。与土的流变特性有关的现象只要是土的蠕变和应力松弛。影响土的应力应变关系的应力条件主要有应力水平应力路径和应力历史。

4、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。(10分)
答：土体中某一点的应力状态，通常可以用摩尔应力园来表示。若用这一应力状态中的最大剪应力来代替莫尔应力园用最大剪应力的变化曲线来代表土体单元从一种应力状态转变到另一种应力状态，这曲线称为应力路径。
计算沉降可分为有效应力路径法和总应力路径法。它们的计算步骤很相似首相是在现场荷载作用下估计地基中有代表性的土体单元的应力路径，然后在实验室内做出这些有代表性土单元的室内实验，复制现场应力路径，并量取实验各阶段的垂直应变，最后就是将各个阶段的垂直应变乘上土层的厚度，即得初始和最后沉降。

5、简述静止、主动、被动土压力产生的条件？并比较三者的大小。挡土墙为何经常在下暴雨期间破坏？（10分）
答：静止土压力产生的条件：挡土墙和土均静止不动，墙后土体处于弹性平衡状态。
主动土压力产生条件：挡土墙在墙后土体的作用下离开土体方向偏移至土体达到极限平衡状态。
被动土压力的产生条件：挡土墙在外力作用下使墙身向土体方向挤压土体至使土体达到极限平衡状态。三者的大小关系：主动土压力最小，静止土压力次之，被动土压力最大。
暴雨期间，随着土体中水位的提高，墙除了受到土压力的作用还受到增加的水压力，并且在水的作用下土的力学性质会变差土压力也会增加，若水在土中流动还会增加渗透力动水压力。因此，挡土墙在下暴雨期间容易破坏。

（二）论述题
1、什么是土的强度准则，哪些强度准则可以描述土的强度破坏规律？并简单描述各强度准则。（25分）
答：土的强度准则就是如果满足其应力状态就会破坏的条件公式，强度准则的数学描述形式为，其中是土的特征参数。根据采用的应力不同，土的强度准则可以有多种不同的表示形式，例如，,等。以下对于Mohr-Coulomb准则、Lade-Duncan准则、Drucker-Prager准则、Matsuoka-Nakai准则。
1）莫尔-库仑（Mohr-Coulomb）准则
在土工领域中，莫尔-库仑（Mohr-Coulomb）准则是应用最为广泛的一个强度准则。该理论是法国学者库仑（C.A.Coulomb）根据砂土的试验结果提出的，认为土的抗剪强度和滑动面上受到的正应力成正比。

对于粘性土的抗剪强度，人们后来在砂土的抗剪强度基础上增加土的粘聚力，即

由莫尔-库仑（Mohr-Coulomb）准则可得土的极限平衡条件，即：

或
当黏聚力时，Mohr-Coulomb强度准则可以表示为

由此可知，由于莫尔-库仑（Mohr-Coulomb）准则没有考虑中主应力的影响，故其滑动面是滑动面。
2） 拉德邓肯（Lade-Duncan）准则
Lade-Duncan（1795）根据砂土真三轴试验成果的曲线拟合得到了由曲边三角形来表示的强度准则，其表达式为：

式中kf是试验参数。
依据无黏性土三轴压缩（）破坏条件：将，，Kp=tan2(450+φ/2)可得：

在主应力空间，Lade-Duncan强度准则是以静水压力轴为中心的锥体，在π平面上，当摩擦角较小时，破坏面接近于圆形，随着摩擦角的增大，破坏面渐渐趋于三角形（）。从强度表达式中可以看出，该准则能够考虑中主应力作用对强度的影响。
3） Drucker-Prager准则
应力空间内 Mohr-Coulomb 准则强度面的内切圆锥准则就是常用Drucker -Prager 屈服准则。它实际上描述了剪切破坏时，岩土材料主应力单元八面体面上的应力条件服从的规律。Drucker-Prager 准则的空间滑动面为主应力单元体的八面体面，其法向方向与大、中、小主应力方向夹角的方向余弦均为。
依据单元体的主应力状态，可以确定得到八面体空间滑动面的法向正应力与剪应力。

依据无黏性土三轴压缩（）破坏条件：将，，Kp=tan2(450+φ/2)可得：

将其带入式

4）松岗元-中井昭夫（Matsuoka-Nakai）准则
松岗元(Matsuoka)和中井昭夫（Nakai）等人在莫尔-库仑（Mohr-Coulomb）准则的基础上提出空间滑动面（Spatially Mobilized Plane）的概念，在该面基础上提出了一种适用于无粘性土的强度准则，即松岗元-中井昭夫（Matsuoka-Nakai）准则。
日本学者松冈元（Matsuoka）和中井照夫（Nakai）根据提出SMP（Spatially Mobilized Plane）空间滑动面概念，认为散粒体材料在SMP面上的应力比达到最大时，材料破坏，这即为松岗元-中井昭夫（Matsuoka-Nakai）准则（SMP准则），表达式如下：

其中和分别表示SMP面上的剪应力和正应力，为材料常数。
SMP空间滑动面上的正应力和剪应力分别为：

根据该空间面上的剪应力和正应力比值为常数可得：
f
依据该强度准则和莫尔-库仑（Mohr-Coulomb）准则在三轴压缩时抗剪强度一致的条件则： ，，Kp=tan2(450+φ/2)，可得：

将其带入式中，可简化为：

松岗元-中井昭夫（Matsuoka-Nakai）强度准则还可以写成：

或
或
松岗元-中井昭夫（Matsuoka-Nakai）准则是将莫尔-库仑（Mohr-Coulomb）准则的两个主动平面下的应力在三维空间三个主应力的均匀化，是二维的莫尔-库仑（Mohr-Coulomb）准则在三维空间中的延伸。
2、湿陷性黄土地基的处理途径有哪些方法？评述它们的优缺点。（25分）
答：常用的地基处理方法的作用在于破坏湿陷性黄土的大孔结构，以便全部或部分消除地基的湿陷性，从根本上避免或削弱湿陷现象的发生。此外，也可将建筑物的荷载通过桩基础（穿过整个湿陷性黄土层）传递给下伏坚实的非湿陷性土层。
（一）土垫层或灰土垫层处理方法
土垫层或灰土实垫层处理方法是先将处理范围内的湿陷性黄土挖去，然后用素土或灰土（石灰和土的体积比一般为3：7 或2：8）在最优含水量状态下分层回填碾压（夯）实。分层夯实后的黄土，其大孔结构破坏，由盐类对土粒的胶合作用所引起的内聚力消失，空隙体积缩小，土的密实度增大，从而消除了垫层厚度的湿陷性，减少了地基的压缩性，以提高地基的承载力和降低土的渗水性。该法是一种传统的地基处理方法，在经济发展的今天，现代化的施工机械已取代了大量的人力劳力，从而使工期大大缩短。又由于该法的直接性，施工质量易于控制，对基坑周边及建筑物或地下管线影响小，并且起灰量少，无振动，无噪音以及综合经济投入较少，因而应用非常广泛。但是，此方法一般常用于处理1—3m 内的湿陷性土，若处理深度过大，则应注意黄土深基坑开边坡的稳定性。值得注意的是，对于湿陷性黄土地基，不论地基的湿陷等级如何，都不得采用像沙土那样的透水性材料做垫层，以免地基被水浸湿。施工时必须保证工程质量，对回填的灰土，素土层，应控制其最佳含水量和最大干容度，否则达不到预期效果。
（二）强夯法加固地基
强夯法是将一定重量（一般为100—200kg）的重锤起吊一定的高度（10—20m），然后自由下落，对湿陷性黄土的强力夯击。在其有效夯实厚度范围内，土的物理力学性质获得显著改变，平均干容度明显增大，透水性减弱，从而提高地基土的强度，降低其压缩性，改进其振动液化条件，从而消除4—6m范围内土层的湿陷性。特别是非湿陷性黄土地基，由于其湿陷起始压力值较大，当用重锤处理部分湿陷性黄土层后，即可减少甚至消除地基的湿陷变形。因此，在非湿陷性黄土地区采用强夯法的效果较为明显。该法虽具有设备简单，施工方便，适用范围广，节省材料，经济易行，效果明显等优点，但由于振动和噪音大，应注意防止建筑物，砌体和混凝土因受振动而产生裂缝，要采取适当的防护措施，在城区的使用受到限制。
（三）石灰土或二灰（石灰与粉煤灰）挤密桩法
石灰土或二灰（石灰与粉煤灰）挤密桩法是利用打入钢套管或振动法沉管等方法，在土中形成桩孔，然后在孔中分层填入素土或灰土并夯实。在成孔和夯实填料的过程中，原来处于桩孔部位的土全部被挤入周围土体，通过这一挤密过程，从而彻底改变土层的湿陷性质并提高其承载力。一般来说，挤密桩可以按等边三角形布置，这样可以达到均匀的挤密效果。每根桩都对其周围一定范围内的土体有一定的挤密作用，即使桩与桩之间有一小部分尚未被挤密的土体，因为其周围有着稳定的，不会发生湿陷的边界，这一部分也不会发生湿陷变形。桩与其周围被挤密后的土体形成了复合地基，一起承受上部荷载。可以说，在挤密桩长度范围内土体的湿陷性已完全被消除，处理后的地基与上部结构浑然一体，即使桩底以下土体发生湿陷变形，只要保证剩余湿陷量不是很大，处理后的土体即使有沉降变形，也是微小和均匀的，不致对上部结构形成威胁。此方法适用于消除5—10m深度内地基上的湿陷性，其效果取决于土的被挤密程度，要求地基土在挤密范围边缘上的干容度应达到以上。但由于有挤土，振动，噪音等环境影响，使得在人口密集的小区内的应用受到限制，当建筑物周边有地下管网时也不宜采用，由于施工工期相对较长，浮尘量较大，经济投入亦随之增加，因此只有当湿陷性黄土的厚度超过8m 时才采用，并可与垫层法联合应用，即对下部采用桩体挤密法，而上部采用垫层法，进行防水处理。
（四）预浸水法
预浸水法适用处理厚度大于10m 的Ⅲ，Ⅳ级的自重湿陷性黄土场地，即预先对湿陷性黄土场地大面积浸水，使土体在饱和自重压力作用下发生湿陷，产生压密，以消除全部黄土层的自重湿陷性和深部土层的外荷载湿陷性。但预浸水后，地面下5m内的土层还不能消除因外荷载引起的湿陷变形，还需按非自重湿陷性黄土地基配合采用土垫层，重锤夯实等措施。由于浸水时场地周围地表下沉开裂，并容易造成“跑水”穿洞，影响附近建筑物的安全，所以在空旷的新建地区较为适用。在已建地区采用时，浸水场地与已有建筑物之间要留有足够的安全距离（一般要求其间距不小于30m）。此外，此法耗水量较大，处理时间长（约3—6个月），故只能在具备充足水源，又有较长施工时间的条件下才能采用。
（五）桩基础
湿陷性黄土地基有时太厚，用其他方法处理难度较大，或是建筑物很重要，对地基变形量的控制要求很高，其他处理措施难以达到，此时采用荷载传递法较好。即利用各种类型的桩穿过湿陷性黄土层，把上部结构的荷载通过桩尖（或扩大头）传给下部坚实的非湿陷性土层上。这种方法的特点是具有和高的可靠性，上部土层即使浸水，也可完全避免因上部土层湿陷而造成的危害。其次，桩基础承载力高，沉降速率慢，沉降量小而均匀。但是，由于黄土层一般较厚，缺乏强度高的稳定持力层，因此作为摩擦桩用于多层建筑往往要求桩长较长，一旦黄土受水湿陷时不仅丧失摩擦力。且桩周土下沉会在桩体上产生较大的负摩擦力，从而会加速建筑物的下沉。因此，在桩基础的设计中，一定要注意负摩擦的问题。