高等土力學(xué)模擬考題5及答案

模擬考試5及答案下圖為擬選用的200米堆石壩料的級(jí)配表；擬采用厚粘土心墻防滲，粘土塑性指數(shù)Ip=17；地基覆蓋層為50米，地基土以砂礫石為主。如果要求對(duì)該壩進(jìn)行竣工時(shí)的穩(wěn)定分析以及施工期的有效應(yīng)力變形數(shù)值計(jì)算(采用土的本構(gòu)關(guān)系模型與比奧固結(jié)理論耦合計(jì)算)，變形數(shù)值計(jì)算采用Duncan-Chang雙曲線模型，現(xiàn)有三軸儀的試樣尺寸為。300X600mm，需要對(duì)試驗(yàn)、模型參數(shù)確定和計(jì)算步驟進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)堆石料和粘土料應(yīng)進(jìn)行什么樣的三軸試驗(yàn)？(包括堆石料的模擬、試驗(yàn)的排水條件及試驗(yàn)量測(cè)數(shù)值等)簡(jiǎn)述在上述試驗(yàn)資料基礎(chǔ)上，確定理論和模型的參數(shù)方法與步驟；對(duì)于非線性堆石壩變形分析，如何采用增量法分步進(jìn)行計(jì)算？如何進(jìn)行竣工時(shí)的穩(wěn)定分析？花崗巖堆石料顆粒級(jí)配表粒徑級(jí)配800-400mm400-200mm200-100mm100-60mm60-40mm40-20mm20-10mm10-5mm5-2mm2-1mm<1mm自然級(jí)配％2918.514.596943331解答：對(duì)于堆石料應(yīng)進(jìn)行三軸排水的常規(guī)壓縮試驗(yàn)。但是最大粒徑為300/5=60mm，建議采用替代法模擬；因?yàn)榧?xì)顆粒較少，也可采用相似模擬或者其他模擬方法。對(duì)于粘土對(duì)于有效應(yīng)力計(jì)算，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行排水三軸試驗(yàn)；但是為了測(cè)定孔壓系數(shù)也要進(jìn)行不排水試驗(yàn)(A,B)，也可用于總應(yīng)力法的穩(wěn)定分析；試驗(yàn)比奧固結(jié)理論需要測(cè)定孔壓系數(shù)A,B；Duncan-Chang雙曲線模型中的堆石料和粘土料試驗(yàn)E,B或者E、v模型，用三軸排水試驗(yàn)進(jìn)行參數(shù)確定。對(duì)于增量法可以逐層填筑，分布計(jì)算，一般可以模擬實(shí)際的填筑過程和工序；在每一加載過程中，還應(yīng)當(dāng)用時(shí)間的差分進(jìn)行孔壓消散的比奧理論計(jì)算；最后得到竣工時(shí)的應(yīng)力、孔壓和變形(位移。也可以用于穩(wěn)定分析(總應(yīng)力法或者有效應(yīng)力法)總應(yīng)力法：采用不排水強(qiáng)度指標(biāo)，用圓弧法分析(比肖甫法和摩根斯坦一普賴斯法)。如果采用有效應(yīng)力分析，則可以通過計(jì)算確定心墻中的超靜孔壓等值線，采用有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)。在一種松砂的常規(guī)三軸排水壓縮試驗(yàn)中，試樣破壞時(shí)應(yīng)力為：％=10°kPa，氣一%=235kPa。計(jì)算下面幾個(gè)強(qiáng)度準(zhǔn)則的強(qiáng)度參數(shù)：莫爾一庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則：(氣一%)/(^1+CT3)=sinp;廣義屈雷斯卡(Tresca)準(zhǔn)則：ct1CT3=a^松岡元一中井照夫強(qiáng)度準(zhǔn)測(cè)：I1I2/I3=kf.平面應(yīng)變狀態(tài)的試樣的y方向?yàn)榱銘?yīng)變方向，已知v=0.35。初始應(yīng)力狀態(tài)為&=氣=200kPa且按△&/△氣=-2比例加載，利用以上3個(gè)強(qiáng)度準(zhǔn)則分別計(jì)算試樣破壞時(shí)的&=?氣=?氣=?b=?解答：Z Z(1)參數(shù)計(jì)算：b3=100kPa，氣一氣=235kPa，03=02=100kPa，o1=335kPa①莫爾一庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則

235=0.54,。=32.7。I3235=0.54,。=32.7。TrescaI=335+2xI00=535kPaa=2^=匹=0.44tI535i松岡元I=535I=bb+bb+bb=2xI00x335+I00xI00=77000I=bbb=335xI00xI00=3350000K=535X7700/3350000=12.3破壞時(shí)的應(yīng)力計(jì)算：設(shè)破壞時(shí)的大主應(yīng)力增量小氣二乂。則q=200+x;b3=200-2x;b2=0.35(400-x)=I40-0.35x莫爾一庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則b-b200+x054b+b200一2xx=61,b=200+61=261;b=200-2x=78;b=140-0.35x=119TrescaI=540-1.35xb-b=3x3x=0.44(540-1.35x)x=66b=266;b=68;b=117松岡元I=540-1.35xI = (200+ x)(200 -2x)+(140-0.35x)(400-x)=96000-480x-1.6 5x2I = 12(200 +x)(200-x)(140-0.35x)=5600000-42000x-210x2+ 0.7x3I=540-1.35xI = (200+ x)(200 -2x)+(140-0.35x)(400-x)=96000-480x-1.6 5x2I = (200+ x)(200 -x)(140-0.35x)=5600000-42000x-210x2+0.7x3I1XI2=(540—1.35x)(96000-480x-1.65x2)=51840000-388800x-243x2+2.23x3IiXI2=I2-3I3.51840000-388800x-243x2+2.23x3=68880000-516600x-2583x2+8.61x317040000-127800x-2340x2+6.38x3=0x3-367x2-20031x+2670846=0通過試算，x=66.9kPa(差一12358)，如果x=66.8kPa(—6789)如果x=66.7kPa(—1228)所以下=66.7kPa,x=66.7b=266.7;b=66.6;a=116.6對(duì)于一粘性土的土坡，試用圓弧滑裂面分析判斷下面哪幾些情況會(huì)減少其穩(wěn)定安全系數(shù)？并簡(jiǎn)要解釋為什么。(10分)在坡的上部堆載；由于降雨使土坡的上部含水量增加(未達(dá)到飽和及滲流)，下部含水量基本未變；坡腳施加反壓；在坡腳處挖土；由于積水，坡下部被靜水所浸泡；產(chǎn)生了與土坡方向一致的滲流；附近爆破引起震動(dòng)；由于降雨而使土坡整體的含水量接近于飽和；坡腳被流水沖刷；坡上有車輛通過。解答：從上圖可以發(fā)現(xiàn)：在坡的上部堆載，增加滑動(dòng)李，不利！由于降雨使土坡的上部含水量增加，下部含水量基本未變；由于上部容重增加，使滑動(dòng)力增加，不利！坡腳施加反壓，有利于抗滑力增加，有利！在坡腳處挖土，使抗滑力減少，不利！由于積水，坡下部被靜水所浸泡，使下部容重由天然容重變?yōu)楦∪葜?，減少抗滑力，不利！產(chǎn)生了與土坡方向一致的滲流會(huì)對(duì)于土骨架增加一個(gè)滑動(dòng)的滲透力；附近爆破引起震動(dòng)，①產(chǎn)生不利的瞬時(shí)荷載組合；②可能產(chǎn)生超靜孔隙水壓力，甚至液化由于降雨而使土坡整體的含水量接近于飽和，使非飽和土的基質(zhì)吸力減少，土體的強(qiáng)度降低，不利！坡腳被流水沖刷與在坡腳處挖土性質(zhì)相同，減少抗滑力，不利！坡上有車輛通過。既等于在坡頂加載，也施加譯的動(dòng)荷載，不利！在一密實(shí)的砂土中進(jìn)行地下連續(xù)墻開槽施工，地下水位與地面齊平，采用泥漿護(hù)壁。已知砂土內(nèi)摩擦角c，=0,中，=40。，飽和容重ysat=20kN/m3.問泥漿的比重(或者密度)大于多少時(shí)，才能保持槽壁的側(cè)向穩(wěn)定。已知：開槽的側(cè)壁表層泥皮滲透系數(shù)為砂土滲透系數(shù)的1/100000;解答：此題可以認(rèn)為是一個(gè)擋土墻問題，由于泥皮的滲透系數(shù)極小，可以認(rèn)為泥漿施加一個(gè)面力，與砂土的主動(dòng)土壓力平衡：K=tg2(45。―。/2)=tg225。=0.2174p=K湛z=2.174zp=yz=10z泥漿的水平壓力：p=12.174z泥漿的容重：yn=12.174kN/m3 泥漿的密度：pn=1.2174g/m3 比重Gn=1.2174在下圖中表示了兩個(gè)水池，上池水位為10m；下池的水位為5m，二者保持穩(wěn)定的水頭。池壁為透水的擋土墻體。兩墻之間砂土的飽和容重ysai=20kN/m3，內(nèi)摩擦角中，=30。，繪制砂土中的流網(wǎng)；墻①和墻②上的主動(dòng)土壓力哪一個(gè)大些？假設(shè)直線滑裂面與水平面夾角為60。，計(jì)算墻①上的土壓力為多少？(假設(shè)土壓力為水平方向。)主動(dòng)土壓力對(duì)應(yīng)的滑裂面夾角比60。大還是?。繅Β偕系闹鲃?dòng)土壓力比以上計(jì)算的大還是少？解答：流 網(wǎng)由于墻①的滲透方向是向著墻體，滲透力由墻承擔(dān)；墻②處滲流離開墻體，滲透力減少了土壓力，所以墻①上的主動(dòng)土壓力大。在圖中的三角形體積上作用有6個(gè)力：自重：W；上部水壓力Pv；水平水壓力Ph水平土壓力Pa滑動(dòng)面上水壓力Pw；滑動(dòng)面上土的支撐力R；計(jì)算下面?zhèn)€力及其水平垂直分量： 可1w=—52tg30°x20=144.5kN21P=-52x10=125kNh21P=-2.89x14.4=21kNv21P=-(14.4+50)x5.77=186kNw2P=186sin30°=93kNP.=186cos30°=161kNR=Rcos30°;R=Rsin30°首先考慮垂直方向的各力的平衡：W+P=P+R144.5+21=93+R;R=72.5kN;R=72.5/cos30°=83.7kNPa+Ph=七+R再考慮水平方向的平衡：P+125=161+83.7xsin30°P=78kN由于總滲透力與土體的體積有關(guān)，所以實(shí)際主動(dòng)土壓力的滑動(dòng)面角度小于60度，主動(dòng)土壓力大于上值。例如選9=55°1W=一52tg35°x20=175kN21P=一52x10=125kNh21P=一3.5x17.5=30.6kNv21P=一(17.5+50)x6.1=206kNw2P=186sin35°=118kNP=186cos35°=169kNwhR=Rcos25°;R=Rsin25°首先考慮垂直方向的各力的平衡：W+P=P+R175+30.6=118+R;R=87.6kN;R=87.6/cos25°=96.7kNPa+Ph=Pwh+Rh再考慮水平方向的平衡：P+125=169+96.7xsin25° 可見這時(shí)的土壓力大不少。6.平面應(yīng)變狀態(tài)的試樣，y方向?yàn)榱銘?yīng)變方向，初始應(yīng)力狀態(tài)為。z=100kPa,氣=50kPa,氣=55kPa；加載過程中的鄧肯一張模型中的泊松比參數(shù)見下表。卸載時(shí)泊松比為常數(shù)，v=0.20。如果按^g=比例加載到&=400kPa,然后又按相同比例減載，問弓分別在什么范圍時(shí)，氣為小主應(yīng)力、中主應(yīng)力和大主應(yīng)力？GFD0.300.050b=100kPa;b=50kPa;b=55kPa;Z x yu=G—Flog(b/p)=0.3—0.05log(b/p)3a 3abzkPa100150200250300350400bxkPa5075100125150175200v0.3150.3060.30.2950.2910.2880.285△(b+b)v02322.522.121.821.621.4z X'bkPa5578100.5122.6144.4166187.4)(1)從上表可以發(fā)現(xiàn)：大約bz=(200-250)kPa時(shí)，by由中主應(yīng)力變成小主應(yīng)力。⑵在卸載時(shí)，by由小主應(yīng)力變成中主應(yīng)力的條件：假設(shè)需要減少△亍b=400—xb=200—0.5xb=187.4—0.2x1.5xyb為中主應(yīng)力的條件：b=b； 200—0.5