高等土力学试题-考博专用

参考书目《高等土力学》李广信第1章土工试验及测试一、简述土工试验的目的和意义。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。第2章土的本构关系★二、广义讲，什么是土的本构关系？与其他金属材料比，它有什么变形特性（应力应变特性）？（2.3节）P51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，土的变形特性包含：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。★三、何为土的剪胀性，产生剪胀的原因？P52(2.3.2)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。四、论述土的本构关系分类，并举例说明。1、弹性本构关系弹性本构关系可分为线弹性本构关系和非线性弹性本构关系。线弹性本构关系即一般的弹性力学，其应力-应变关系服从广义胡克定律。非线性本构关系的应力-应变曲线是非线性的，但是加卸载仍然沿着一条曲线。该本构关系未考虑土的塑性变形，因而仅当受力体各点都是加荷条件时，才近似符合实际，而且也没有考虑应力路径和中主应力的影响。2、弹塑性本构关系弹塑性模型则把总的变形分成弹性形变和塑性形变两个部分，用胡克定律计算弹性变形部分，用塑性理论来解塑性变形部分。对于塑性变形，要做三方面假定：破坏准则和屈服准则；硬化规律；流动法则。该本构关系可分为刚性理想塑性本构关系、理想弹性塑性本构关系和弹塑性应变硬化（或软化）型本构关系。代表性模型剑桥模型英国剑桥大学提出的用于正常固结或弱超固结粘土的模型，由三轴压缩试验结果整理处q-p和e-p关系曲线。土中e为孔隙比，应力p、q指的是有效应力；图中实线表示排水剪试验，虚线为固结不排水试验。3、流变型本构关系该本构关系考虑应力、应变随时间变化的本构关系，是弹性、塑性和粘滞性三者相结合而成的。★五、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。（2.4.2）P62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13aaab，其中，ab为试验常数，对于常规三轴压缩试验，轴应变1a，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-张模型六、试说明屈服点，屈服准则，屈服面和屈服轨迹的概念。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）屈服面和屈服轨迹：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。这一屈服面与任一个二维应力坐标平面的交线就是屈服轨迹。七、在土的弹塑性本构关系中，屈服准则，流动法则，硬化定理起什么作用？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。②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。③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。八、在土的弹塑性模型中,屈服面和破坏面有何不同和有何联系？屈服面是土体的应力在应力空间上的表现形式，可以看成是三维应力空间里应力的一个坐标函数，因此对土体来说，不同的应力在应力空间上有不同的屈服面，但是破坏面是屈服面的外限，破坏面的应力在屈服面上的最大值即为破坏面，超过此限值土体即破坏。★九、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。①剑桥模型基于传统塑性位势理论，采用了帽子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：弹性剪切变形为零；材料服从关联流动法则。②模型参数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。模型参数为M，，k。其中M为'pq平面上破坏线的斜率。''6sin3sinM，为临界状态现在'pe平面上的投影以'lnep坐标表示的直线坡率。K为膨胀指数，即'lnep回弹曲线的斜率。★十、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。土的组构指颗粒、粒组和孔隙空间的几何排列方式；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。原状土比重塑土表现出量多强的结构性，这是由于原状土在漫长的沉积过程及随后的各种地质作用过程中，土粒间排列和颗粒间的各种作用力具有特有的形式。而重塑土原有结构性被扰动，破坏了原有的结构性，因而比室内重塑土具有更强的结构性。补一、莱特-邓肯模型和清华模型的优缺点？莱特-邓肯原有模型具有简单，能反映砂土剪胀，破坏准则能较好地符合试验结果，但屈服面和塑性势面是开口的锥形，只会产生塑性剪胀；各向等压应力下不会发生屈服；破坏面、屈服面和塑性势面的子午线都是直线不能反映围压对破坏面和屈服面的影响。修正后增加一套帽子屈服面，将破坏面、屈服面、塑性势面的子午线改进为微弯形式，可以反映土的应变软化，但趋于复杂。清华模型不首先假设屈服面函数和塑性势函数，而是根据试验确定塑性应变增量的方向，然后按照关联流动法则确定其屈服面；再从试验结果确定其硬化参数，是一个假设最少的弹塑性模型，也可反映土的剪胀性，可用于三维的应力状态，适用于砂土和粘土。第3章土的强度补二、莫尔公式是在土的破坏面上的抗剪强度是作用在该面上的正应力的单值函数。补三、土的强度特征有哪些？①由于土骨架是碎散颗粒的集合，土颗粒之间的相互联系是相对薄弱的，所以土的强度主要是由颗粒间的相互作用力决定，而不是由颗粒矿物的强度本身直接决定的。土的破坏主要是剪切破坏，其强度主要表现为颗粒间的粘聚力和摩擦力。②土由三相组成，在研究时要考虑孔隙水压力、吸力等土力学所特有的影响土强度的因素。③土的地质历史造成土强度突出的多变性、结构性和各向异性。★十一、试论述土的抗剪强度机理及其影响因素（1）土的抗剪强度有两部分组成，一部分是摩擦强度，一部分是粘聚强度，强度机理及影响因素十分复杂，不可能将二者截然分开。摩擦强度包括固体颗粒间的滑动摩擦及咬合摩擦，粘聚力包括静电引力、范德华力、颗粒间的胶结、颗粒间接触点的化合价键及表观粘聚力。（2）影响土强度的因素主要分为两大类，一类是土本身的因素，主要是其物理性质；另一类是外界条件，主要是应力应变条件，前者可称为内因，后者可称为外因。①内部因素:影响土强度的内部因素又分为土的组成、状态和结构。土的组成是影响土强度的最基本因素，它又包括土颗粒的矿物成分，颗粒大小与级配，颗粒形状，含水量（饱和度）以及粘性土的离子和胶结物种类等因素。土的状态是影响土强度的重要因素，比如砂土的相对密度大小是其咬合及因此产生的剪胀、颗粒破碎及重排列的主要影响因素；同样粘土的孔隙比和土颗粒的比表面积决定了粘土颗粒间的距离，这又影响了土中水的形态及颗粒间作用力，从而决定粘性土粘聚力的大小。土的结构本身也受土的组成影响。原状土的结构性，特别是粘性土的絮凝结构使原状土强度远大于重塑土的强度，是不可忽视的影响因素。②外部因素主要有应力、应变、时间、温度等，其中应力因素是最基本的，它又包括围压或最小主应力、中主应力、应力历史、应力方向和加载速率等。十二、砂土的临界孔隙比的定义是什么？如何用试验来测定？论述临界孔隙比与围压的关系。砂土的临界孔隙比：由不同初试孔隙比的砂土式样在同一压力下进行剪切试验，得到初试孔隙比与体积应变之间的关系，相应于体积变化为零的初始孔隙比即为临界孔隙比。给定砂土在不排水剪中必有不引起强度改变的初始孔隙比，称为临界孔隙比。可由三轴固结排水剪和固结不排水剪试验来测定。CD试验测定临界孔隙比：不同初始孔隙比（密度不同）在相同的固结压力下进行CD试验，测出式样剪切破坏时的体积应变，绘制初始孔隙比和体积应变的关系曲线，其中体积应变为零对应的初始孔隙比就是该固结压力下的临界孔隙比，临界孔隙比随着的固结压力增加而减小。CU试验：相同的固结压力下，不同的初始孔隙比式样的固结不排水剪测得剪破时的孔隙水压力后，绘制绘制破坏孔压和初始孔隙比的关系曲线，在纵轴上找到固结压力对应的点做水平线交曲线于一点，该点的横坐标对应临界空隙比临界孔隙比与围压的关系：如果对变化的围压σ3进行试验，则发现临界孔隙比是不同的。围压增加临界孔隙比减小，围压减小临界孔隙比增加。十三、真强度参数的确定方法？在三轴试验中如何确定参数的？真强度参数又称伏斯列夫参数，是一种表示在相同孔隙比条件下剪切破坏的抗剪强度的参数。分别作剪切破坏时孔隙比-有效应力的关系曲线和抗剪强度-有效应力的关系曲线。在孔隙比-有效应力的关系曲线取孔隙比相同的三点4/5/6，分别是正常固结、回弹和再压缩曲线上的三点，对应于剪强度-有效应力的关系曲线4/5/6相同的有效应力点，这三点对应相同的孔隙比破坏时时抗剪强度随法向有效应力的增长，连接三点近似为一条直线，称为伏斯列夫破坏线，其中为真强度参数。十四、正常固结黏土的排水试验和固结不排水试验的强度包线总是通过坐标原点，即只有摩擦力；黏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？为什么？都不是。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。★十五、阐述土的强度理论与适用性（包括主要强度理论的优缺点）。①特雷斯卡Tresca准则与广义特雷斯卡准则特雷斯卡准则实际上是古典强度理论中的最大剪应力理论，可用132tk表示，其中tk为材料常数，是实验中试样破坏时的纯剪应力；1和3分别为最大和最小主应力。在土力学中，这一准则只适用于饱和粘土的不排水强度指标的计算。广义特雷斯卡准则可用1312ttkI表示，其中1tI反应平均主应力的影响。②米泽斯Mises和广义米泽斯准则这两个准则实际上是古典强度理论中形变能理论，可用2222122331()()()6mk表示。与Tresca准则一样，只适用于饱和粘土的不排水强度近似计算中。广义米泽斯准则加入了平均主应力对土抗剪强度的影响，