(完整word)高等土力学历年真题

高等土力学历年真题

一、 黄土湿陷性机理与处治方法。(2010年)

1、黄土湿陷泛指非饱和的、结构不稳定的黄色土，在一定压力作用下，受水浸湿后，土的结构迅速破坏，发生显著的附加下沉现象。黄土湿陷现象是一个复杂的地质、物理、化学过程，对于湿陷的机理目前国内外有多种假说，归纳起来可分为内因和外因两个方面。

黄土形成初期，季节性的少量雨水把松散的粉粒粘聚起来，而长期的干旱使水分不断蒸发，于是少量的水分以及溶于水中的盐类都集中到较粗颗粒的表面和接触点处，可溶盐逐渐浓缩沉淀而成为胶结物。同时随着含水量的减少，土颗粒彼此靠近，颗粒间的分子引力以及结合水和毛细水的联结力逐渐加大，这些因素都增强了土粒之间抵抗滑移的能力，阻止了土体在自重压密，从而形成以粗粉粒为主体骨架的蜂窝状大孔隙结构。

当黄土受水浸湿或在一定外部压力作用下受水浸湿时，结合水膜增厚并楔入颗粒之间，于是结合水联系减弱，盐类溶于水中，各种胶结物软化，结构强度降低或失效，黄土的骨架强度降低，土体在上覆土层的自重压力或在自重压力与附加压力共同作用下，其结构迅速破坏，大孔隙塌陷，导致黄土地基附加的湿陷变形。

2、黄土地基处理方法

地基处理应考虑场地的选择和勘探，黄土湿陷类型的派别和地基处理方法的选择，以达到建筑设计经济与安全的要求。

灰土垫层 传统方法，用于高层建筑更能发挥其作用，它具有一定的胶凝强度和水稳定性，在基础压力作用下以一定的刚性角向外扩散应力，因而常用作刚性基础的底脚。

砂石垫层 用于地下水位较高的软弱土层，厚度约1-3m ，其下为工程性能良好的下卧层。

强夯法 是处理湿陷性黄土地基最经济的一种方法，其处理土层厚度一般用梅纳提出的估算公式QH z α=

灰土挤密桩 是处理大厚度湿陷性黄土地基方法之一，其作用是挤密桩周围的土体，降低或者消除桩深度内地基土的湿陷性，提高承载力。

振冲碎石桩 主要用于饱和黄土的地基处理，它以振冲置换作用为主。

打入混凝土预制桩 锤击沉入的钢筋混凝土预制桩，质量稳定，工艺简便，是目前高层建筑基础应用较广的一种。

灌注桩 主要用于饱和黄土填土地基，他是利用挖空或沉桩基将钢制桩管沉入土中成孔

再向桩孔中放置钢筋网，然后在向桩管内灌入流动性的混凝土或粉煤灰混凝土，并逐渐慢速提升桩管，在土中形成刚劲混凝土桩体。

深层水泥搅拌桩加固软土地基在沿海地区及南方地区已大量使用，工艺也相当成熟。

也用于处理饱和黄土地基取得了显著成效，它具有无振动，无污染，功效高，成本较低的优点。

大直径扩底灌注桩多用于高层和高耸构筑物，技术经济效果好，解决了大荷载下的基

础工程。

二、论述土的本构关系分类，并举例说明。(2010年、2013年)

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。

三、太沙基理论与比奥理论的比较分析。(2010年、2013年)

土体在荷载作用下内部含水缓慢渗出，体积逐渐减小，这一现象称为土的“固结”。

（1）建立方程所依据的假定

两种理论的假定是基本一致的，即骨架线性弹性、变形微小、渗流符合达西定律。但是，有一个原则区别，那就是太沙基理论增加了一个假定——固结过程中法向总应力和不随时间

而变。太沙基方程是比奥方程在法向总应力之和不随时间变化的假定下的一种简化。

（2）孔隙压力与位移的联系

由于两种理论在假定上有差别，导致了建立的方程形式不同。太沙基方程中只含孔隙压力1个未知变量与位移无关，因此，不需要引入几何方程，不需要将孔隙压力与位移联系起来，孔隙压力的消散仅仅决定于孔隙压力初始条件和边界条件与固结过程中的位移无关；而比奥方程则包含孔隙压力和位移的联立方程组，需要完整的引入物理方程，进而引入几何方程，最后把孔隙压力和位移联系起来。

（3）孔隙压力随时间的变化

太沙基理论曲线与泊松比v无关，而比奥曲线受到v的影响很明显，若v小则固结慢，反之，v大固结快。此外，固结初期阶段对于比奥曲线，孔隙压力会有所上升，超过初始孔隙压力，在v较小时尤为显著，而太沙基曲线则无次现象。

（4）总应力与变形协调条件

太沙基固结理论在处理多维固结问题中，它忽略了变形协调条件对固结过程中总应力的影响，所获得的结果只是近似的。比奥提出的固结理论，考虑的这种影响，借助计算机和有限单元发等数值求解，可广泛来解决各种实际工程的固结问题。

四、论述软土路基分级加荷作用原理。(2010年、2013年)

应力路劲：指在外力作用下，土中某一点的应力变化在应力坐标图中的轨迹。

设地基土是正常固结的，路堤填土施工是分级填的，从图中可以得到启发。a点表示地基中某点的初始应力状态（例如在自重应力作用下的状态）。对于第一级荷载，有效应力路径将有如图中弧a1曲线形态，若加荷后允许地基土充分排水固结，则应力路径为水平线1-1`。如果以后的各级荷载均按第一级加荷的方法，则将得到应力路径为a-1-1`-2-2`-….-4等。通过应力路径图可以明显的看得到这种施工加荷方法的有点，它使地基土体得以有效的排水固结，从而提高了抗剪强度。地基由于固结获得的强度较一次连续加荷而不让土体固结所可能有的强度破坏值增长了Δt=t f(c)- t f(b)。应力路径图形象而清晰的把土中强度变化过程表现了出来。而且也说明了由于应力路径不同，强度不是一个单一的确定值。

五、砂土液化机理及其防治措施。(2010年、2013年)

1、砂土液化机理

由于饱和土空隙中充满水，地震时土粒与水的运动并不一致，土粒在振动中变密，而受到水的阻碍将能量传递给水，水受到土粒的压迫后孔压升上。如果空隙水不能迅速排出、空隙水压力就越来高，而土粒所受的有效应力则相应减少。最终有效应力减至零，土粒间无力的传递，土粒失重，悬浮水中，而空隙压力上升到等于土的最初的有效应力。此时土骨架崩溃，土粒可随水流动，这是液化过程。饱和土的液化是孔压力上升的结果。

2、防止砂土液化的工程措施

对于地基液化范围不大，可以根据具体情况或避开或挖除。但如果地基中液化范围较广较深时，一般只能采取加固的措施。我国目前常用的加固方法有人工加密、围封、桩基以及盖重等。

（1）加密，增加砂土层密度，如用振浮发、砂桩挤密法以及强夯法。

（2）围封，用板桩把有可能液化的范围包围起来。

（3）桩基，是将建筑物支撑在桩基础上，而桩必须穿过可能液化的砂层，支承在下部不液化的密实土层上。

（4）盖重，是加大可液化的砂层上覆盖压力，同时采取排水措施，对防止液化有一定效果。

六、软土地基的处理方法。(2010年)

软土是指滨海、湖沼、谷地、河滩沉积的天然含水量高、孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低的细粒土。软弱土地基处理的方法可分为置换法、排水固结、灌入固化物、振密或挤密、加筋、冷热处理、托换、纠倾八大类。

（1）置换法，用物理力学性质较好的岩土材料置换天然地基中的部分或者全部软弱土，形成双层地基或复合地基，以达到地基处理的目的。主要包括换土垫层法、挤淤置换法、强夯置换法、砂石桩置换法、石灰桩法等。

（2）排水固结，通过土体在一定荷载作用下固结，土体强度提高，孔隙比减小来达到地基处理的目的。当天然地基土渗透系数较小时，需设置竖向排水通道，以加速土体固结。常用的竖向排水通道有普通砂井、袋装砂井和塑料排水带等。按加载形式分类它主要包括加载预压法、超载预压法、真空预压发、真空预压与堆载预压联合作用法，以及降低地下水位法

等。

（3）灌入固化物法，向土体中灌入或拌入水泥、或石灰、或其他化学固化浆材在地基中形成增强体，以达到地基处理的目的。它主要包括深层搅拌法、高压喷射注浆法、渗入性灌浆法、劈裂灌浆法、压密灌浆发和电动化学灌浆法等、

（4）振密、挤密法，采用振动或挤密的方法使未饱和土密实以达到地基处理的目的。主要包括表层原位压实法、强夯法、振冲密实法、挤密砂石桩法、爆破挤密法、土桩、灰土桩法、柱锤冲孔成桩法、夯实水泥土桩法等。

（5）加筋法，在地基中设置强度高、模量大的筋材以达到地基处理的目的。这里也包括在地基中设置混凝土桩形成复合地基。主要包括、加筋土法、锚固法、树根桩法、低强度混凝土桩复合地基法、钢筋混凝土桩复合地基法等。

（6）冷热处理法，通过冻结土体或加热地基土体改变土体物理力学性质以达到地基处理的目的。包括冻结土体和烧结法。

（7）托换法，对原有建筑物地基和基础进行处理、加固或改建。基础加宽托换法、墩式托换法、桩式托换法、地基加固法、以及综合托换法。

（8）纠倾法，对沉降不均匀造成倾斜的建筑物进行矫正的手段。加载迫降法、掏土迫降法、黄土浸水迫降法、顶升纠倾法、综合纠倾法等。

七、解释桩基础负摩阻力并说明其成因及对工程的影响。（2011年）

一般情况下，桩受轴向荷载后，桩相对于桩侧土体发生向下位移，土对桩产生向上作用的摩阻力，称为正摩阻力。但当桩周土体因某种原因发生下沉，其沉降变形大于桩身的沉降变形时，在桩侧表面将出现向下作用的摩阻力，称其为负摩阻力。桩基础负摩阻力发生的主要有一下几个原因：

（1）在桩附近大量堆载，引起地面沉降；

（2）土层中抽取地下水或者其他原因，地下水位下降，使土层产生自重固结沉降；

（3）桩穿过欠压密土层进入硬持力层，土层产生自重固结沉降；

（4）密集群桩打桩时，使桩周土体中产生很大的超空隙水压力，打桩停止后桩周土的再固结作用引起下沉；

（5）在黄土冻土中的桩因黄土湿陷冻土融化产生地面下沉。

桩的负摩阻力的发生将使桩侧土的部分重力传递给桩，因此负摩阻力不但不能成为桩承载力的一部分，反而会成为施加在桩上的外荷载，对入土深度相同的桩来说，若有负摩阻力发生，则桩的外荷载增大，桩的承载力相对降低，桩基沉降加大。

八、列举三种土坡稳定分析的极限平衡法的基本原理，加以对比并讨论其优缺点。

极限平衡法依据的是边坡上的滑体或滑体分块的力学平衡原理来分析边坡在各种破坏模式下的受力状态，以及边坡滑体上的抗滑力和下滑力之间的关系来对边坡的稳定性进行评价的计算方法。以下列举了三种极限平衡法其原理及优缺点。

1、瑞典圆弧法，均质粘性土坡滑动时，其滑动面常近似为圆弧形状，假定滑动面以上的土体为刚性体，即计算时不考虑滑动土体内部的相互作用力，假定土坡稳定属于平面应变问题。取圆弧滑动面以上滑动体为脱离体，阻止滑动的抗滑力矩与土体绕圆心O下滑的滑动力矩之比，即为边坡稳定安全系数，阻止土体滑动的抗滑力等于土的抗剪强度与滑弧长度的乘积。

该法是极限平衡法中最简单的一种方法。但该方法由于引入过多的简化条件和考虑因素的限制，它只适用于φ=0的情况，并且的稳定系数偏低。

2、瑞典条分法，是将假定滑动面以上的土体分成n个垂直土条，边坡破坏时，对作用于各土条上的力进行力和力矩平衡分析，阻止滑动的抗滑力矩与促使滑动的滑动力矩之比，即为边坡稳定安全系数。

由于忽略了土体间的条间力，该方法是条分方法中最简单的方法。但是，正式由于忽略了条间力，计算的安全系数偏小。假设滑裂面是圆弧型的，与实际滑裂面有差别。

3、毕肖普法，提出的土坡稳定系数的含义是整个滑动面上土的抗剪强度与实际产生剪应力的比，并考虑了各土条侧面间存在着作用力。假定滑动面是以圆心为O，半径为R的滑弧，从中任取一土条为分离体，其分离体的周边作用力为：土条重引起的切向力和法向反力，并分别作用于底面中心处；土条侧面作用法向力和切向力。根据静力平衡条件和极限平衡状态时各土条力对滑动圆心的力矩之和为零等，可得土坡稳定系数。

该方法只忽略了条间切向力，比瑞典条分法更为合理，计算也不复杂，与更精确的方法相比，可能低估安全系数(2～7)％。

九、桩式基础的类型及其设计计算假定及其发展群趋势。（2013年）

1、分类

（1）桩基础按承台位置分类，分为高桩承台和低桩承台基础。

（2）桩按施工方法分类，细分超过30多种，基本形式分为沉桩（预制桩）和灌注桩，沉桩包含打入桩、振动下沉桩、静力压桩，灌注桩包含钻挖孔灌注桩、沉管灌注桩。

（3）根据成桩方法和成桩过程的挤土效应，将桩分为挤土桩，部分挤土桩和非挤土桩。

（4）根据桩土相互作用特点，基桩可分为竖向受荷桩，横向受荷载桩和桩墩。

（5）按桩身材料分类：钢桩、钢砼桩。

2、计算假定

桩在横轴向荷载作用下桩身的内力和位移计算，国内外学者提出了许多方法。目前较为普遍的是桩侧土采用文克尔假定（梁身任一点的土抗力和该点的位移成正比），通过求解挠曲微分方程，再结合力的平衡条件，求出桩各部位的内力和位移，该方法称为弹性地基梁法。

根据求解方法的不同，通常有半解分析法（幂级数解、积分方程解、微分算子解）、有限差分法和有限元解等。

公路、铁路常用“m”法、“K”法、“常数”法、“C”法，均属于此种方法。

（1）“m”法

假定地基系数C随深度主线性增大，C=mZ，m地基系数随深度变化的比例系数。

（2）“K”法

假定C随深度呈折线变化，折线凹抛物线，以下C=K常数。

（3）“C”法

C随深度量抛物线增加。

（4）C=k0常数。

3、发展趋势

（1）桩的尺寸向长、大方向发展。高层、超高层、大型基础。南京长江二桥主塔基础直径3m，深150m。

（2）桩的尺寸向短小的方向发展。老城区的改造，基础加深等。

（3）向攻克桩成孔难点方向发展。

（4）向低公害工法桩方向发展。（如静压力，减少噪音、振动、油渍）。

十、沉降计算中通常有几种沉降分量，试论述其形成机理及计算原理。

（1）沉降分量区分

按产生时间的先后顺序有瞬时沉降，主固结沉降和次固结沉降。按变形方式有单向的变形沉降和二向以及三向的变形。

（2）形成机理

瞬时沉降是加载瞬间产生的沉降，对于饱和土体而言，地基土在不排水条件下收荷载作用产生的地面沉降；主固结沉降是土体在外荷载作用下产生的超静水压力迫使土中水外流，土孔隙减小，形成的地面下沉；次固结沉降是土体骨架蠕变产生的沉降，地基土中超静水压力全部消散，主固结完成后继续产生的那部分沉降。

（3）计算原理

瞬时沉降可采用弹性理论进行计算。地面在集中荷载作用下载半无限弹性地基在地面距荷载作用点r处的地面沉降S i可以求得；积分后可得举行或圆形基础在均布荷载作用下，不同部位的的地面瞬时沉降S i；进而，在有限厚度和基础埋深的条件下基础的平均瞬时沉降；最后确定弹性模量E并对瞬时沉降进行修正。

主固结沉降在工程中应用最多的是单向压缩沉降法和三向效应法。此类方法是按弹性理论计算土体中的应力，通过实验提供各变形参数，利用分层叠加原理，可以方便地考虑到土层的非均质、应力应变关系的非线性等实际存在的复杂因素。

次固结沉降在以孔隙水压力消散为依据的经典太沙基固结理论中未予以考虑，近年来许多学者研究过此问题，试图为其建立数学模型，但考虑到计算成果的简洁性、计算参数的可确定性故通常采用布依斯曼建议的半经验发估算次压缩沉降量。

十一、试论述土的压实机理

在工程建设中，经常遇到填土压实的问题，例如修筑道路、水库、堤坝、挡土墙、建筑物地基回填等，为了提高填土的强度，增加土的密实度，降低其透水性和压缩性，通常用分层压实的办法来处理地基，采用夯打、振动或碾压等方法使土得到压实，从而保证地基和土工建筑物的稳定。土的压实是指土体在压实能量作用下，土颗粒克服粒间阻力，产生位移，土颗粒重新排列，使土中的孔隙减小，密实度增加。土料压实的实质是将水包裹的土料挤压填充到土粒的空隙里，排走空气占有的空间，使土料的空隙率减少，密实度提高。显然土料压实过程是在外力作用下土料的三相重新组合的过程。显然，同一种土，干密度愈大，孔隙比越小，土越密实。研究土的压实性是通过在实验室或现场进行击实试验，以获得土的最大

干密度与对应的最优含水量的关系。

实践经验表明，细粒土和粗粒土具有不同的压密性质。压实细粒土宜用夯击或碾压机具，同时必需控制土的含水量。压实粗粒土宜用振动机具，同时应充分洒水。

十二、试论述土的抗剪强度机理及其影响因素

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有静电引力、范德华力、颗粒间的胶结、颗粒间家触电的化合价键及表观粘聚力。

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可以分为土的组成（C）、状态（e）和结构（S）。其中土的组成是影响土强度的最基本因素，其中包括：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:除了温度以外，外部因素主要是指应力应变因素。包括：应力状态（围压、中主应力）、应力历史、主应力方向、加载速率及排水条件。它们又主要是通过改变土的物理性质而影响土的强度。