西南交通大学2006年研究生土工原理期末考试

1西南交通大学2006年研究生期终考试试题名称：土工原理考试时间：2006年12月姓名：学号：院系：电话：考生请注意：1.本试题共5题共2页，考生请认真检查；2.答题时，如有答案完全雷同的试卷，请这些试卷的主人作出您和别人雷同的理由。1.建筑物沉降按发生的次序可分为三个主要部分：初始沉降、固结沉降和次固结沉降；结合砂性土和粘性土的物理、力学特性，论述产生上述各沉降的原因。(15分)答:在建筑工程中,建筑物沉降按发生的次序可分为三个主要部分:初始沉降、固结沉降和次固结沉降。当地基为透水性较强的大砂性土时，施工期内的沉降量随荷载的增加而增加，当工程完毕时，沉降也就稳定了，对建筑物的后期使用不产生影响。因此砂性土地基主要发生初始沉降。当地基为粘性土时，由于其塑性指数较高，透水性能较差，因此在施工过程中，当荷载加上后，地基沉降发展得很慢，过程很长，此时为初始沉降，工程完毕后，沉降还在继续发展，此时为固结沉降。有时沉降还要延续到几十年甚至上百年，此时主要为次固结沉降。综合而言，对于粘性土，对建筑物沉降的主要影响固结沉降和次固结沉降。2.影响饱和砂土液化特性的主要因素及其原因是什么？(20分)答:影响砂土液化特性的主要因素是：（一）砂土粒度的成分及密实度。疏松的砂土易发生液化，密实的砂土不易发生液化。据资料统计，相对密度（rD）小于50%的疏松砂土在地震作用下，很容易发生液化，当rD80%时，不易液化。砂土的粒度组成是判定在地震作用下砂土能否产生液化的重要判别标志之一。多数研究表明，均匀级配的砂土易产生液化。（二）地震强度及持续时间。一般在V-VI度地震烈度很少见到砂土液化现象，VII度能见到疏松的粉、细砂层液化，IX度以上地区才能使颗粒较粗的或含有一定的粘粒较为密实的砂层发生液化。地震持续时间愈长，振动次数越多，砂土层受到循环剪应力作用次数也愈多，孔隙水压力升高到能促使砂土液化程度的可能性也愈大，相反，砂土液化的可能性减小。（三）饱水砂土层的埋藏条件。出露地表的砂土最易液化。有些砂土层上覆粘性土层较厚，受到较大的覆盖层自重压力及侧向压力，孔隙水压力很难上升2到克服上覆压力的程度，因而不易产生液化。3.土塑性理论的三个组成部分是什么？比较分析弹性、线性、非线性、塑性、弹塑性等本构概念。(15分)答:一、土塑性理论的三个组成部分是指三个方面的假定：(一)破坏准则和屈服准则；破坏准则：指土体达到破坏后，变形会不断发展，与破坏前完全不同。建立土的应力－应变关系，给出一个判别土体达到破坏与否的标准。屈服准则：材料的受力变形，在应力较小时往往是线弹性的，一旦应力超过了某个限度，则应力－应变关系呈非线性，这时称材料屈服了。判断材料达到屈服与否的标准即为屈服标准。屈服函数kf)(，k是与应力历史有关的常数。对于理想弹塑性材料在未屈服时，只有弹性变形，一旦屈服，就产生塑性变形，塑性变形不断发展制止破坏，破坏准则也就是屈服准则。(二)硬化规律：当材料达到屈服后，屈服的标准要改变，即上式中的k要变化。K随什么因素而变，如何变化，即硬化规律。(三)流动法则：用于确定塑性应变增量方向的假定。弹性本构关系分为弹性线性本构关系和弹性非线性本构关系。二、弹性、线性、非线性、塑性、弹塑性的本构概念：弹性：指材料在受荷条件下产生变形，当荷载撤销以后，其变形会完全恢复。弹性本构关系的基本特征有4点：①应力和变形的弹性性质或可逆性；②应力与应变的单值对应关系或应力路径和应力历史的无关性；③应力与应变复合叠加原理；④正应力与剪应变、剪应力与正应变之间没有耦合关系。线性：指材料受轴向拉压作用时，其应力－应变关系为直线关系，即处于弹性变形状态。弹性线性本构有3个的特征：①应变的弹性或可逆性；②应变与应力的唯一对应关系；③与应力（或应变）路径的无关性，即应力与应变之间存在线性相关的关系。弹性非线性：根据广义虎克定律建立刚度矩阵，由于考虑到非线性，包含在刚度矩阵中的叹息归你模量和泊松比不再视为常量，而是看作随应力状态而改变的变量，即假定全部变形都是弹性的，用改变弹性常数的方法来反映非线性。塑性：塑态时土产生变形而不破坏，当外力出去后能保持其变形形状不变。塑性本构关系的基本特征有5点：①应力值必须达到或者超过某一临界值（屈服极限）才能发生塑性变形；②塑性变形是不可逆的；③应变与应力无唯一对应关系；④应力与应变的非线性和由此引起的应力和应变的不可叠加性；⑤在塑性变形阶段，加载和卸载时应力和应变之间服从不同的本构关系。弹塑性：材料受荷后会产生变形，当除去荷载后，变形有一部分会恢复，而有一部分则为永久变形，不可恢复。4．高速铁路无碴轨道路堤本体的沉降量组成比较复杂，包括施工过程中产生沉降（已填部分受其上新增荷载发生的沉降）、竣工运营后的固结沉降（路堤在自重、轨道重等恒载作用下的沉降）以及运营后列车动荷载引起的累积沉降等。假设其地基状况良好，可仅考虑路堤本身的沉降变形问题，其横断面尺寸及填料组成如图1所示；无碴轨道与基床部分的材料参数按经验值取用，红层泥岩的材料参数参考相关试验数据并考虑现场与室内试验条件的差异取值，各种材料参数如表1所示。3论述施工过程中产生沉降（已填部分受其上新增荷载发生的沉降）、竣工运营后的固结沉降（路堤在自重、轨道重等恒载作用下的沉降）以及运营后列车动荷载引起的累积沉降的原因，并做出相应的有理论计算依据的评价。(25分)表1路堤模型各部分的材料参数本构模型E(Mpa)υρ(Kg/m3)c（kPa）φ（o）基床表层线弹性2000.2523006，45基床底层线弹性1500.322006，40红层泥岩线弹性1000.3210020，30答:在施工过程中,当载荷刚加上,在压力作用下,土粒本身不压缩,只产生相互移位,此时土的沉降几乎等于孔隙的变化量，这段时间很短，叫瞬时沉降1S。其次是在主固结沉降2S，它是饱和黏土在地基荷载作用下，孔隙水被挤出而产生渗透固结的结果，再其次是次固结沉降3S，它是上述地基水基本停止挤出后，颗粒和结合水之间剩余应力尚在调整而引起的沉降。（一）无碴轨道路堤沉降概述无碴轨道路基的沉降主要由地基的沉降、路堤的沉降和列车荷载引起的沉降几部分组成，如下图所示：高速铁路线的土工建筑物、桥梁和隧道的总体沉降量Ssum按以下方式计算：Ssum=SU+SE+ST,其中，SU为地下沉降，SE为路堤沉降，ST为列车运行导致的沉降。地下沉降SU和路堤沉降SE均由静载引起。由列车运行（交通）导致的沉降原因源于动态－循环列车荷载。其沉降与时间的关系图为：4（二）路堤沉降路堤沉降SE与地下沉降SU相似。路堤的变形由选用材料和压实技术决定。因为路堤通常采用粗质土，所以多数情况下不会出现沉降问题。黏土特性可以通过石灰或水泥加固而得到改善。路堤沉降可以按照下面的简化公式计算：（雷达公司资料）其中h为路堤高度。根据表1提供的数据可以计算得：SE＝1.4mmE(Mpa)r(KNm3)h(m)SEi（m）基床表层200230000.72.82E-05基床底层150220002.33.88E-4红层泥岩1002100039.45E-41.36E-4（三）列车荷载沉降由列车荷载引起的沉降SV取决于动态应力比和荷载循环的次数。由交通量产生的应力而引发的沉降深度要比其自身重量产生的应力引发的沉降深度小。到目前为止，还没有可行的方法可以计算由列车荷载引发的沉降，本文选用了DBAG（德铁）土工建筑物技术报告草案（1997；U4）提出了一种估算建议。公式如下：ST=S1·(1+CN·InN),其中，S1——按照动态模量Edyn计算的一次荷载循环导致的沉降，CN——循环系数（无碴轨道，CN=0.0225·P;P…轴重,单位为kN）,N——荷载循环次数。5.桩网结构由以下四个部分组成：（1）上部路堤填土；（2）柔性拱（网）区；（3）桩土复合加固区；（4）下卧层，如图2所示。桩网结构地基处理技术方便在较深的土层下施工，适用于深层地基加固处理，尤其是在软土地基（20m以下）修建对工后沉降要求严格的高等级道路的路堤，竣工后不需要放置较长时间的情况。5桩网结构的关键是柔性拱区，它起调整桩土竖向荷载分担比与桩土应力比作用，从而使桩-网-土形成有机整体共同承担荷载及减小沉降。桩网结构的构造研究主要有如下几个方面：（1）桩网结构荷载及荷载组合（恒载、活载、冲击荷载等）；（2）桩网结构的合理桩间距问题；（3）柔性拱区的网垫层厚度；（4）柔性拱区所用加筋材料的性能要求；（4）下卧层固结沉降及次固结沉降的计算。路堤网（柔性拱区）桩图2桩网结构组成示意图论述深厚软土地基上(高速铁路或高速公路)低路堤(H3m)设计的设计方法与内容，并做出相应的有理论计算依据的评价(软土地层的具体厚度及路基和地层的参数自行确定)。(30分)答:桩网结构是一种以控制工后沉降为首要目标，允许复合地基发生较大总沉降，但要求绝大部分沉降在施工期间完成，严格控制工后沉降的一种土工结构。这种结构考虑桩、网、土三者协同作用，桩、土共同承载。在网的作用下，充分发桩间土的承载潜力，不足部分由桩补偿；由于只控制占总沉降量很小部分的工后沉降量，因而相对普通复合地基和桩而言，用桩数量大为减少，可布成疏桩。依靠桩、土共同承担荷载，进而达到减少桩数、降低工程建设成本、加快工程建设进度、提高技术经济效益的目的。一般可分如下步骤。本文只对前6项作说明并进行相关计算，7、8两项略。1）计算荷载：计算作用在桩网结构上得荷载；2）确定采用桩得类型，所用材料和尺寸；3）砂桩间距计算；4）验算实际工后沉降量；5）验算承载力；6）验算稳定性；7）结合工程试验段“二次设计”，进一步完善初步方案；8）确定正式方案。（一）主要计算参数确定路堤高度为3m，路堤比重为22000kN/m3，粘聚力c=6kPa,内摩擦角φ=40°，桩长25m，桩基类型为砂砂桩。则主动土压力系数24502tgKa，代入数据得Ka=0.22地基刚度系数K30=3000kN/m3复合网垫层厚度ΔH=0.3m，其它复合弹性模量Ecs=105kN/m2，复合泊松比20.0cs，复合垫层抗弯刚度D按下式计算：623112cscsHED，代入数据得D=233.59kN.m。取土工格栅（网材）的抗拉模量Eg=121kN/m。计算有关应力和沉降时，荷载高度取桩顶平面至路基面：2.7m。地下水位约在路堤下底面以下0.5m。设计要求的工后沉降控制值[S∞]=10cm；网材工作应变ε按以下方式计算：跨挠比nlsslnlsl为桩间距，代入数据得nls=12ls为网材在荷载作用下被拉伸后的长度，可按下式计算得8ln816112ln8161222lnlnnllnnSllslslslslss代入数据得ls=122cmllls代入数据得ε=1.8%复合地基置换率m按下式计算224ldm（正方形布桩）代入数据得m=0.196取应力比调整系数αn=1.25取沉降综合经验修正系数αs=1.60（二）求桩间距（或桩距径比、用桩数量）—工后沉降量关系桩土应力比nksgksnfdlSlSEfHln,222,21684λ——桩间土的承载力发挥系数，此处按经验取0.5fs,k——桩间土的承载力标准值，此处根所前面工程原始条件取40kPaEg——土工格栅抗拉强度，此处为80kN/m代入数据得n=19.7工后沉降量S1∞464max1411116lDKnmDHlSsssKs——地基刚度系数，此处为3000kN/m3代入数据S1∞=0.1cm。同理算得不同桩间距的沉降值如下表7l(m)2d3d4d5d6d1.21.82.433.6m(%)19.68.74.93.12.2n19.74580.2125.4180.6S∞(cm)0.10.30.50.70.8根据初始条件，桩穿透软土层。在这种情况下，桩直达持力层，不存在下卧软土层，也就不存在计算其它工后沉降S2∞的问题，只需按上式计算桩