西南交通大学2012年土工原理期末试卷

西南交通大学研究生期终考试

试题名称：土工原理

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考试参考题型，并非考试题，如有雷同，纯属巧合！

西南交通大学研究生期终考试

试题名称：土工原理

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1.本试题共6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. 三轴试验测得的土的轴向应力σ1-σ2与轴向应变εa的关系曲线有两种典型形态：硬化和软化；论述为什么土会产生上述两种形态？(10分)

2. 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。(10分)

3.影响饱和砂土液化特性的主要因素及其原因是什么？(10分)

4. 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。(10分)

5．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。

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。(30分)

表1 路堤模型各部分的材料参数

6. 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。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(H<3m)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)

1. 三轴试验测得的土的轴向应力σ1-σ2与轴向应变εa 的关系曲线有两种典型形态：硬化和软化；论述为什么土会产生上述两种形态？(10分)

三轴试验测得的土的轴向应力σ1-σ2与轴向应变εa 的关系曲线有两种典型形态。所示（a ）曲线有一直上升的趋势直至破坏，这种形状的应力应变关系叫硬化型。软土和松砂表现为这种形态，所示（b ）曲线前面部分是上升的，应力达到某一峰值后转为下降曲线，即应力在降低，而应变却在增加，这种形态叫做软化型。紧密砂和超压密粘土表现为这种形态。

（） 软化

（） 硬化

σ1

-σ

2

εa

σ1

-σ

2

εa

密砂受剪时，由于颗粒排列紧密，一部分颗粒要滚过另一部分颗粒而产生相对错动，须克服较大的“咬合”作用力，故表现为较高的抗剪强度。而一旦一部分颗粒绕过了另一部分颗粒，结构便变松，抗剪能力减小了，因而表现为软土。超固结粘土剪切破坏后结构凝聚力丧失，也降低强度，表现为软化。对于松砂和软土，剪切过程中结构变得紧密，一般表现为剪缩，因而强度也在提高，呈现硬化特性。

硬化和软化与剪缩和剪胀，常有一定联系，但也不是必然联系，软化类型的土往往是剪胀的，剪胀土未必都是软化的。

2. 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。(10分)

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。 由于建筑物基础面积是有限的，基础荷载加上后，地基中会发生剪切变形，特别在靠近基础边缘处，地基中有应力集中，剪切变形范围更大，因此建筑物建成后就会立即发生沉降，一般叫初始沉降，这是土骨架在三个轴向上产生弹性和塑性变形的结果。固结沉降是饱和粘土地基在荷载作用下，地基中土粒骨架之间的孔隙水逐渐排出而产生渗透固结的结果。最后，次固结沉降是在上述地基孔隙水基本停止挤出后，地基中土粒骨架在持续荷载下发生蠕变所引起的。

①对于砂性土地基，不论是饱和的或非饱和的，其沉降主要是初始沉降，对于饱和砂土，由于不含结合水，土孔隙也很大，而且一般砂土渗水性强，自由水排出甚快，故固结完成快，初始沉降与固结沉降已分不开来。

②对于非饱和粘性土，由于土中含有气体，受力后气体体积压缩，部分气体溶解于水，故地基沉降也以初始沉降为主，至于含有机质较少的一般饱和粘性土，当荷载刚加上时，由于土骨架的弹塑性变形的结果，地基将产生较小的初始沉降，随后将是大量的随时间而发展的沉降，这里包括固结沉降和次固结沉降，而以固结沉降为主，如该粘性土中有机质含量较多，则次固结沉降就起主要作用了。

3.影响饱和砂土液化特性的主要因素及其原因是什么？(10分) 饱和砂土液化的机理

地震作用时，下卧岩层的剪切波向上传播，引起交变剪应力，从而产生超静孔隙水压力，这是饱和砂土液化的主要原因，在交变应力作用下，土粒的接触点处会产生新的应力，当这种应力达到一定的数值时，就会破坏土粒之间原来的联结强度和结构状态，使砂粒之间彼此脱离接触，此时，原先由砂粒通过其接触点所传递的压力，就要传给孔隙水中的水来承担，从而引起孔隙水压力的增加，随着应力循环次数的增加，孔隙水压力积累而逐渐上升，一方面，孔隙水在一定超静水压力的作用下力图向上排出，另一方面，土颗粒在自身重力作用下又力图向下沉落，致使在结构破坏的瞬间或一定时间内，土粒向下沉落受到孔隙水向上排出的阻碍，使土粒处于局部或全部悬浮状态，抗剪强度局部地或全部地丧失，土即出现不同程度的变形或完全液化。由以上分析不难看出，地震力作用下，饱和砂土之所以发生液化必须同时具备两个基本条件，①振动足以使土体结构破坏，这主要取决于地震力的大小和持续时间、土体结构的强度、上覆土层压力等；②土体结构破坏后，超静孔隙水压力随应力循环次数的增加而逐渐上升，最终饱和砂土出现局部或全部液化，超静孔隙水压力上升与否受诸多因素的影响，如：土体在振动过程中发生剪缩还是剪胀；土体的排水条件好坏等等。

影响饱和砂土液化的因素

①颗粒特征：反映土的颗粒特征的物理指标，我们主要采用平均粒径d50、不均匀系数C u，以及粘粒含量M c，实验室的研究和现场观察证明：平均粒径越大，不均匀系数越高，粘粒含量增加，土的抗液化能力越高，②土的密度特征：一般用相对密度来衡量，对同一种砂土而言，相对密度越低，越易液化；反之，越不易液化，松砂在振动中，体积易于压缩（剪缩），孔隙水压力上升快，故较密砂易液化，③土的起始应力条件：土的起始应力条件显著地影响着土的抗液化能力。在侧限实验条件下，应力状态常用覆盖有效压力σ表示，σ越大，土的抗液化能力越强，④地震情况：主要指地震的振幅、频率、持续时间等，实验表明，振幅越大、频率越高、持续时间越长，砂土越易液化。⑤地下水位的高低：地下水位越高，土层越易液化；反之，越难液化，⑥土层的排水条件：排水条件包括土的透水程度、排渗路径及排渗边界条件，土层的排水条件约好，超静孔隙水压力越易消散，所以液化的可能性相对越小；反之，越大。

4. 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。(10分)

土的塑性理论主要研究土体处于弹塑性变形阶段的应力和变形。用塑性理论研究土工问题就是要建立土体的应力~应变关系模型（弹塑性模型），即土的本构方程。模型参数的合理选用和选择合适的计算方法至关重要。不同的弹塑性模型，对于塑性变形主要要研究以下三个方面：（1）破坏准则和屈服准则；（2）硬化规律；（3）流动法则。

弹性是指土体在受力时产生变形，卸荷后变形能够完全恢复，其应力与应变是一一对应的。它包括线性弹性（应力—应变呈正比例关系，弹性模量E和泊松比ν是常量）和非线性弹性（应力—应变呈曲线关系，弹性模量E和泊松比ν不再是常量，而是随应力状态而改变）。

塑性是指土体在外力作用时产生变形，如果撤除作用在土体上的外力，土体不能完全恢复原有的形状和尺寸，而残留一部分变形即为塑性。

弹塑性是指土体在受力时产生变形，卸荷后变形有一部分能够恢复（弹性变形），另一部分不能恢复（塑性变形）的性质。其应力—应变关系为非线性。

线性是指土的应力—应变关系呈正比例关系，即直线。

非线性是指土的应力—应变关系为非正比例关系，即曲线。

5．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