2011高等土力学部分考题及答案

一、高等土力学研究的主要内容答：土力学主要是研究土的物理、化学、和力学特性以及土体在荷载、水、温度等外界因素作用下的工程性状。

高等土力学则是深化上述研究，重点研究先进的土工试验（实验）方法和设备、土体本构关系、塑性特性、强度、渗流、固结、压缩及其机理。

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？答：1）岩土工程的规模和尺寸比一般的结构工程大得多，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0.1-0.35,有的可能超过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的差别，即使是原为测试，反应的也仅仅是岩土的“点”性质（如现场十字板强度试验）或“线”性质（如静力触探实验）。

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者不精确性，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、土的特性答：1土的变异性大，离散性大，指标值合理确定很困难。

2土的应力应变关系是非线性的，而且不是唯一的，与应力历史有关。

3土的变形在卸载后一般不能完全恢复，饱和粘土受力后，其变形不能立刻完成，而且要经过很长一段时间才能逐渐稳定。

4土的强度也不是不变的，它与受力条件排水条件密切相关。

5土对扰动特别敏感，可使土的力学性质发生很大的变化。

四、简述土的结构性与成因，比较原状土与重塑土结构强弱，并说明原因。

答：土的结构是表示土的组成成分、空间排列和粒间作用的综合特性，土的结构性是由于土的这种结构特性造成的力学特性。

原状土比重塑土的结构性强，这是由于原状土在搬运、沉积、固结及千万年历史中的各种变故都会使土形成不同的或特有的特性。

由于原状土是长期地质作用的产物，因而比室内重塑土具有更强的结构性。

五、简述土工试验的目的和意义答：1）揭示土的一般或特有的物理力学性质2）针对具体土样的试验。

揭示区域性土、特殊土、人工复合土的物理力学性质3）确定理论计算和工程设计的参数4）验证理论计算的正确性及实用性5）原位测试、原型监测直接为土木工程服务，也是分析和实现信息化施工的手段六、简述土工参数不确定性的主要来源和原因答：土工参数不确定性的来源主要有两条途径1）土的固有变异性2）系统不确定性原因：土的固有变异性是由于土的分类不可能也没有必要分的那么细，所以即使均匀的同类土层，由于在土层的形成过程中，矿物成分、土层深度、应力历史、含水量和密度等因素的变化，各点处土的性质可能有较大的差别，这种差异是土本身所固有的，所以称之为固有变异性；系统不确定性包括实验不确定性，模型不确定性和统计不确定性实验不确定性是由试验偏差和随即测量误差组成，是由于测试活着取样，试样运输和保管对土的扰动以及试验方法和试验技术的差异等原因使试验结果与现场土的工程性质不完全一致引起的。

模型不确定性是因为计算模型不完备，如计算模型有目的的简化、理想化、或因机理尚未了解透彻造成的不确定性。

统计不确定性是因试样（试验数量）不充分引起的不确定性。

一般来说，统计不确定性当的大小会随着统计方法的改进和试样数量的增多而减少。

实验不确定性的可能因技术水平的提高和实验设备的改进而减小。

土的固有变异性的大小因为是土固有的，故不会随着试样的增多和试验技术的提高及仪器的改善而降低。

七、岩土工程模型试验要尽可能遵守的原则答：为了使模型尽可能德反应出实物（原型）发生地现象，应严格按照相似理论来确定模型试验的几何尺寸和物理特性，但一般情况下，特别是岩土工程试验，很难使原型与模型各方那面都相似，有时只能只对主要研究的问题，使某些方面相似，而忽略其他方面。

由相似理论可知，两个系统相似的充分必要条件是一个系统的数学模型由一一变换与另一系统的数学模型相联系，也就是说通过调试模型各参数的比例尺，使模型和实物满足共同的方程。

八、何为土的剪胀性，产生剪胀的原因。

答：土体由于剪应力引起的体积变化称为剪胀性，广义的剪胀性指剪切引起的体积变化，既包括体胀，也包括体缩，但后者常被称为“剪缩”。

土的剪胀性实质上是由于剪应力引起土颗粒间相互位置的变化，使其排列发生变化，加大（或减小）颗粒间的孔隙，从而发生体积的变化。

九、影响饱和无粘性土液化的主要因素有哪些？列举4种判断液化的方法。

答：影响因素：土的相对密度，土的粒径，固结应力，初始剪应力，土层的地质年代和组成，颗粒级配，土层的埋深和地下水位的深度，土的透水性能，地震的烈度和地震持续的时间。

判断方法：临界孔隙比法，标准贯入实验，静力触探法，剪切波速法。

十、刚性直剪试验的缺点，并提出解决办法。

答：缺点：1）剪切破坏面限定在上、下盒之间的水平面上，该面不一定是土样抗剪强度最弱的面。

2）剪切面上剪应力分布不均匀，土样的剪切破坏先从边缘开始，在边缘也产生应力集中；3）在剪切过程中，土样抗剪面积逐渐缩小，而计算土样抗剪强度时，却是按土样原截面积计算的；4）不能严格控制排水条件，不能测量孔隙水压力。

解决办法：用一系列圆环代替刚性盒，这样可以使边界上的应力应变不均匀性降低，试样内所加的应力被认为是纯剪。

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。

答：十字板剪切试验，这种试验是将十字型钢板插入土中，施加扭矩达到最大值Tmax 时，十字板在土中被扭动，通过这个扭矩计算出土的抗剪强度，对于野外试验，板高与外直径之比一般为H/D=2，通过理论计算可得，对于各向同性的土，抗剪强度max 367f T t Dπ=, 实际上，现场土常常是各向异性的，对于正常固结土，水平面上的抗剪强度一般大于垂直面的抗剪强度，用上式计算所得的抗剪强度一般偏大，常需要修正后才能使用，这种实验可用于软塑粘土到硬塑状态的粘土，对于饱和软粘土，它测得的抗剪强度相当于不排水抗剪强度。

十三、土的本构模型主要分哪几类？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，并在应力应变坐标轴中表示。

答：土的本构模型大体上可以分为弹性模型，弹塑性模型，粘弹塑性模型，内时塑性模型等几类。

邓肯-张双曲线模型本质在于假定土的应力应变之间的关系具有双曲线性质 双曲线拟合出一般土的三轴试验13aa ab εσσε-=-其中，a b 为试验常数，对于常规三轴压缩试验，轴应变1a εε=，邓肯等人根据这一双曲线应力应变关系提出了一种目前被广泛应用的增量弹性模型，一般被称为邓肯-张模型十四、广义讲，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？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，表示形似一般为应力-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。

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？答：1）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。

1） 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。

2） 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。

十六、剑桥模型的试验基础及基本假定是什么？说明该模型各个参数的意义及确定方法。

答：基于正常固结土和超固结土试样的排水和不排水三轴试验得到的。

剑桥模型基于传统塑性位势理论，采用但屈服面和关联流动法则。

屈服面形式是依据能量理论得到的。

假设：1) 弹性剪切变形为0；2）材料服从关联流动法则模型参数为M ，λ，k 。

其中M 为'p q -平面上破坏线的斜率。

''6sin 3sin M ϕϕ=-，λ为临界状态现在'p e -平面上的投影以'ln e p -坐标表示的直线坡率。

K 为膨胀指数，即'ln e p -回弹曲线的斜率。

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？答：在应变硬化的调价下，用屈服函数表示的加载条件如下f=0时表示应力状态在屈服面上，0ij ij f d σσ∂>∂为加载，p d ε和e d ε同时发生；0ij ij f d σσ∂=∂为中性变载，只发生弹性变形e d ε；0ij ij f d σσ∂<∂为卸载，只发生弹性变形ed ε。

f<0 则表示应力状态在现有屈服面之内，微笑的应力变化只产生弹性应变。

对于各向同性的材料，屈服函数的一般形式可以表示为123123(,,,)0(,,,)0(,,,)0f H f I I I H f p q H σσσθ===应变软化过程实际上是一种不稳定过程，常伴随着应变的局部化——剪切带的出现，其实应力应变曲线对一些影响因素比较敏感，而且其应力应变间不成单值函数关系，所以反应土的软化的数学模型一般形式比较复杂，也难以准确反映这种应力应变特点，所以应变硬化条件下的夹在条件不能在应变软化条件下使用。

十八、土的本构模型主要分为哪几类？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。