高等土力学(李广信)2-5章部分习题答案

2-1.什么叫材料的本构关系？在上述的本构关系中，土的强度和应力-应变有什么联系？答：材料的本构关系是反映材料的力学性质的数学表达式，表现形式一般为应力-应变-强度-时间的关系，也成为本构定律，本构方程。土的强度是土受力变形发展的一个阶段，即在微小的应力增量作用下，土单元会发生无限大或不可控制的应变增量，它实际上是土的本构关系的一个组成部分。2-7什么是加工硬化？什么是加工软化？请绘出他们的典型的应力应变关系曲线。答：加工硬化也称应变硬化，是指材料的应力随应变增加而增加，弹增加速率越来越慢，最后趋于稳定。加工软化也称应变软化，指材料的应力在开始时随着应变增加而增加，达到一个峰值后，应力随应变增加而下降，最后也趋于稳定。加工硬化与加工软化的应力应变关系曲线如右图。2-8什么的是土的压硬性？什么是土的剪胀性？答：土的变形模量随着围压提高而提高的现象，称为土的压硬性。土的剪胀性指土体在剪切时产生体积膨胀或收缩的特性。2-9简述土的应力应变关系的特性及其影响因素。答：土是岩石风化形成的碎散矿物颗粒的集合体，通常是固、液、气三相体。其应力应变关系十分复杂，主要特性有非线性，弹塑性，剪胀性及各向异性。主要的影响因素是应力水平，应力路径和应力历史。2-10定性画出在高围压（MPa303）和低围压（KPa1003）下密砂三轴试验的v--)(131应力应变关系曲线。答：如右图。横坐标为1，竖坐标正半轴为)(31，竖坐标负半轴为v。2-13粘土和砂土的各向异性是由于什么原因？什么是诱发各向异性？答：粘土和砂土的各向异性是由于其在沉积过程中，长宽比大于1的针、片、棒状颗粒在重力作用下倾向于长边沿水平方向排列而处于稳定的状态。同时在随后的固结过程中，上覆土体重力产生的竖向应力与水平土压力大小不等，这种不等向固结也造成了土的各向异性。诱发各向异性是指土颗粒受到一定的应力发生应变后，其空间位置将发生变化，从而造成土的空间结构的改变，这种结构的改变将影响土进一步加载的应力应变关系，并且使之不同于初始加载时的应力应变关系。2-17在邓肯-张的非线性双曲线模型中，参数a、b、iE、tE、ult)(31以及fR各代表什么意义？答：参数iE代表三轴试验中的起始变形模量，a代表iE的倒数；ult)(31代表双曲线的渐近线对应的极限偏差应力，b代表ult)(31的倒数；tE为切线变形模量；fR为破坏比。2-18饱和粘土的常规三轴固结不排水试验的应力应变关系可以用双曲线模拟，是否可以用这种试验确定邓肯-张模型的参数？这时泊松比为多少？这种模型用于什么情况的土工数值分析？答：可以，这时=0.49，,用以确定总应力分析时候的邓肯-张模型的参数。2-25说明塑性理论中的屈服准则、流动规则、加工硬化理论、相适应和不相适应的流动准则。答：在多向应力作用下，变形体进入塑性状态并使塑性变形继续进行，各应力分量与材料性能之间必须符合一定关系时，这种关系称为屈服准则。屈服准则可以用来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。流动规则指塑性应变增量的方向是由应力空间的塑性势面g决定，即在应力空间中，各应力状态点的塑性应变增量方向必须与通过改点的塑性势能面相垂直，亦即ijpijgdd（1）。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。同时对于稳定材料0pijijdd，这就是说塑性势能面g与屈服面f必须是重合的，亦即f=g这被称为相适应的流动规则。如果令fg，即为不相适应的流动规则。加工硬化定律是计算一个给定的应力增量硬气的塑性应变大小的准则，亦即式（1）中的d可以通过硬化定律确定。2-31说明剑桥弹塑性模型的试验基础和基本假设。该模型的三个参数：M、、分别表示什么意义？答：剑桥模型的试验基础是正常固结粘土和弱超固结粘土的排水和不排水三轴试验。基本假设：土体是加工硬化材料，服从相适应流动规则。M是破坏常数；是各向等压固结参数，为NCL或CSL线在'lnp平面中的斜率；是回弹参数，为卸载曲线在'lnp平面上的斜率。3-5改变以下条件，对于中砂的抗剪强度指标有什么影响？（1)其他条件不变，孔隙比e减少；（2）两种中砂的级配和孔隙比不变，其中一种的颗粒变得圆润；(3)在同样的制样和同样30d条件下，砂土的级配改善（uC增大）；(4)其他的条件不变，矿物成分改变使砂土颗粒的粗糙度增加。答：(1)孔隙比减少，将增大；(2)颗粒变得圆润，将减小；(3)级配改善(uC),将增大；(4)粗糙度增加，将增大。3-10对于砂土的三轴试验，大主应力的方向与沉积平面（一般为水平面）垂直和平行时，哪一种情况的抗剪强度高一些？为什么？答：大主应力的方向与沉积平面垂直时的抗剪强度高一些。因为在长期的沉积、固结过程中，砂土颗粒的长轴在重力作用下倾向于水平面方向排列。于是当大主应力平行于水平面时，砂土颗粒由于长轴基本平行于水平面，颗粒在剪切力作用下容易滑动破坏，抗剪强度因而较低；而当大主应力垂直水平面时，土颗粒间交叉咬合，颗粒间接触应力的竖向分量大，剪切必将引起颗粒的错动和重排列，故而难以产生滑动破坏，所以抗剪强度较高。3-6三轴试验得到的松砂的内摩擦角为'=33°，正常固结粘土的内摩擦角为'=30°，粘土不排水试验得到的摩擦角为u=0°。它们是否就是砂土矿物颗粒之间及粘土矿物之间的滑动摩擦角？土颗粒间的滑动摩擦角比它们大还是小？为什么？答：三轴试验得到的松砂的内摩擦角不是砂土矿物颗粒之间的滑动摩擦角，土颗粒间的滑动摩擦角比它小。因为测得的砂土间的摩擦角包括两个部分：滑动摩擦和咬合摩擦。而这两种摩擦的摩擦角都是正值。三轴试验得到的正常固结粘土的内摩擦角不是粘土矿物之间的滑动摩擦角，土颗粒之间的滑动摩擦角比他小，因为正常固结粘土实际具有一定的粘聚力，只不过这部分粘聚力是固结应力的函数，宏观上被归于摩擦强度部分中，既正常固结粘土的内摩擦角包括滑动摩擦角和一部分粘聚力导致的摩擦角。三轴不排水试验得到的粘土摩擦角不是粘土矿物之间的滑动摩擦角，土颗粒之间的滑动摩擦角比它大。因为粘土颗粒之间必然存在摩擦强度，只是由于存在的超静水压力使所有破坏时的有效应力莫尔圆是唯一的，无法反应摩擦强度。3-9粗粒土颗粒之间的咬合对土的抗剪强度指标有什么影响？为什么土颗粒的破碎会最终降低这种土的抗剪强度？答：粗粒土颗粒之间的咬合可以增加土的剪胀，从而提高土的抗剪强度指标。而土颗粒的破碎会减少剪胀，从而降低土的抗剪强度。3-11对于天然粘土试样上的直剪试验，沿着沉积平面的平行方向和垂直方向时，哪一种情况的抗剪强度高一些？答：天然粘土进行直剪试验时，剪切面沿着沉积平面垂直方向是否抗剪强度高一些，这主要是因为在沉积平面上固结应力大，由此引起的咬合摩擦和凝聚力较大。3-13在正常固结土地基中进行十字板剪切试验，作用在圆柱形竖向侧面上抗剪强度v和作用在其上下水平端面上的抗剪强度h哪一个大？为什么？答：作用在上下水平端面上的抗剪强度大，因为现场土是各向异性的，水平面上的抗剪强度一般大于垂直面的抗剪强度。3-14在实际工程中，基坑上的主动土压力一般总是比用同样土填方挡土墙主动土压力小，试从土的强度角度分析其原因。答：基坑上的土通常都是原状土，原状土具备的结构性增加了土的强度，使得主动土压力小雨填方挡土墙。其次基坑的原状土由于固结过程中的重力作用具有各向异性，在竖直方向的强度较填方挡土墙大，减少了主动土压力。3-16正常固结粘土的排水试验和固结不排水试验的强度包线总是过坐标原点的，即只有摩擦力；粘土试样的不排水试验的包线是水平的，亦即只有粘聚力。它们是否就是土的真正意义上的摩擦强度和粘聚强度？答：都不是。正常固结粘土的强度包线总是过坐标原点，似乎不存在粘聚力，但是实际上在一定条件下固结的粘土必定具有粘聚力，只不过这部分粘聚力是固结应力的函数，宏观上被归于摩擦强度部分。粘土的不排水试验虽然测得的摩擦角为0，但是实际上粘土颗粒之间必定存在摩擦强度，只是由于存在的超静空隙水压使得所有破坏时的有效应力莫尔圆是唯一的，无法单独反映摩擦强度。3-12用同样密度、同样组成的天然粘土试样和重塑粘土试样进行三轴试验，一般哪一个的抗剪强度高一些？答：天然粘土具备的结构性，尤其是天然粘土的絮凝结构使得其抗剪强度高于重塑粘土的抗剪强度。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：在软土地基上修建大型油罐，如果直接施加较大荷载，地基将由于固结和剪切变形会产生很大的沉降和水平位移，甚至由于强度不足而产生地基土破坏。如果分级逐渐加载，每级的总荷载小于地基的破坏荷载时，则在每级荷载作用下，饱和软粘土随着孔隙水压力的消散，地基便会产生排水固结，同时孔隙比也会减小，而抗剪强度会得到相应提高，也就是利用前期荷载使地基固结，从而提高土的抗剪强度，以适应下一期荷载的施加，从而使得工程变得安全。3-22莫尔-库伦的强度包线是否一定是直线？在什么情况下它是弯曲的？如何表示弯曲的强度包线？答：莫尔-库伦的强度包线不一定是直线，在以下情况下它是弯曲的(1)超固结粘土,在开始段弯曲;(2)粗粒料在法向压力较大的时候;(3)非饱和土的不排水强度包线。3-28具有某一孔隙比的砂土试样的临界围压是cr3=1000kPa，如果将它在3=1500kPa、1000kPa和750kPa下固结后，分别进行不排水三轴试验，会发生什么现象？定性画出三个固结不排水试验的总应力和有效应力莫尔圆。答：当试样在1000kPa围压下固结不排水试验，试样体积基本没有变化趋势；当试样在1500kPa围压下固结不排水试验，试样体积增大，发生剪胀；当试样在750kPa围压下固结不排水试验，试验体积减小，发生剪缩。3-29一种砂土试样固结后的孔隙比e=0.8，相应的临界围压是cr3=500kPa，在2=500kPa时进行三轴排水试验破坏时的应力差31=1320kPa，其内摩擦角'是多少?在这个围压下的排水试验，试样破坏时的体应变约为多少？不排水试验时的孔压约为多少？答：莫尔-库伦准则为：)sincos(sin12-331c，得'=32.1°。此围压下的排水试验，试样破坏时的体应变为0，不排水试验时的孔压约为0。3-30在上面的试样上进行围压为3=300kPa和750kPa两个固结不排水三轴试验（CU),用两个总应力圆的包线确定的强度指标是否为有效应力指标？答：3-31用一种非常密实的砂土试样进行常规三轴排水压缩试验，围压为100kPa和3900kPa，用这两个试验的莫尔圆的包线确定强度参数有什么不同？答：当围压由100kPa增加到3900kPa时，内摩擦角会大幅度降低。3-34对A、B两个粘土试样进行三轴试验或者直剪试验。除了一下叙述条件以外，其余条件都相同，问哪一个的抗剪强度大一些？（1）两个不排水三轴试验，B试验比A试验快；（2）两个试样是正常固结土，A试验为排水试验，B为不排水试验；（3）B试样比A试样先期固结压力大，两个试验在同样的固结压力下进行，固结压力在两个先期固结压力之间；（4）两个试样都是具有很高超固结比的超固结土，A试验为不排水试验，B试验为排水试验；（5）B试样基本是原状土试样，A试样则经过了明显扰动。答：（1）B试样抗剪强度大；（2）A试样抗剪强度大；（3）B抗剪强度大；（4）；（5）B抗剪强度大。4-4土中水的势能主要有哪几项？有重力势能，压力势能，基质势能和溶质势能。4-5简述饱和粘性土中渗透性影响因素。土颗粒的组成，土的状态，土的结构，粘滞系数n和液体水容重rw。4-6渗透变形类型渗透变形有两种主要的形式，一是流土，二是管涌，还有接触流土和接触冲刷。流土可发生在无粘性土和粘性土中。管涌一般发生在无粘性的土中，尤其是缺少中