長安大學(xué)高等土力學(xué)

1、長安大學(xué)高等土力學(xué)作者:日期:1什么是材料的本構(gòu)關(guān)系？土的強度和應(yīng)力-應(yīng)變有什么聯(lián)系?材料的本構(gòu)關(guān)系是反映材料的力學(xué)性質(zhì)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，表現(xiàn)形式一般為應(yīng)力 -應(yīng)變-強度-時間的關(guān)系，也成為本構(gòu)定律，本構(gòu)方程。土的強度是土受力變形發(fā)展的一個階段，即在微小的應(yīng)力增量作用下，土單元 會發(fā)生無限大或不可控制的應(yīng)變增量，它實際上是土的本構(gòu)關(guān)系的一個組成部 分。2 土與金屬材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系有什么主要區(qū)別 ？金屬材料符合彈性力學(xué)中的五個假定：連續(xù)性、線彈性、均勻性、各向同性 和小變形。而土體應(yīng)力應(yīng)變與金屬材料完全不同，具體表現(xiàn)在 ：(1 )土體應(yīng)力應(yīng)變的非線性金屬材料的應(yīng)力應(yīng)變在各個階段呈線性；而由于土體是

2、由碎散的固體顆粒組 成，其變形主要是由于顆粒間的錯位引起，顆粒本身的變形不是主要因素，因此在 不同應(yīng)力水平下由相同的應(yīng)力增量引起的變形增量不同，表現(xiàn)出應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的 非線性。(2) 土體應(yīng)力應(yīng)變的彈塑性金屬材料的應(yīng)力應(yīng)變在屈服強度以內(nèi)呈線彈性特征； 而土體在加載后再卸載 到原有的應(yīng)力狀態(tài)時，其變形一般不會恢復(fù)到原來的應(yīng)變狀態(tài)， 其中有部分應(yīng)變 是可恢復(fù)的，部分應(yīng)變是不可恢復(fù)的塑性應(yīng)變， 并且后者往往占很大比例，因此 體現(xiàn)出土體變形的彈塑性。(3) 土體應(yīng)力應(yīng)變的各向異性一般認(rèn)為金屬材料是由連續(xù)的介質(zhì)組成，沒有空隙，其應(yīng)力和應(yīng)變都是連續(xù) 的表現(xiàn)出各向同性的特點；而土的各個不同層問會表現(xiàn)出明顯的各

3、向異性，止匕 外，土在固結(jié)過程中，上覆土體重力產(chǎn)生的豎向應(yīng)力與水平土壓力大小是不等的 ， 這種不等向固結(jié)也會產(chǎn)生土的各向異性。(4) 土的剪脹性與金屬相比，土是碎散的顆粒集合，在各向等壓或等比壓縮時，空隙總是減 小的，從而可發(fā)生較大的體積壓縮，這種體積壓縮大部分是不可恢復(fù)的。土的剪脹 性實質(zhì)上是由于剪應(yīng)力引起土顆粒間相互位置的變化，使其排列發(fā)生變化，加大 (或減小)顆粒間的孔隙，從而發(fā)生了體積的變化。3什么是加工硬化？什么是加工軟化？繪出它們的典型的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線。加工硬化也稱應(yīng)變硬化，是指材料的應(yīng)力隨應(yīng)變增加而增加，彈增加速率 越來越慢，最后趨于穩(wěn)定。T加工軟化也稱應(yīng)變軟化，指材料的應(yīng)力在

4、開始時隨著應(yīng)變增加而增加，達(dá)到一個峰值后，應(yīng)力隨應(yīng)變,增加而下降，最后也趨于穩(wěn)定。/加工硬化與加工軟化的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線如圖憶3 1 o圖3 -1 加工硬化與加工軟化的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線4什么是剪脹性？解釋其微觀機理。土體由于剪應(yīng)力引起的體積變化稱為剪脹性廣義的剪脹性指剪切引起的體 積變化既包括體脹，也包括體縮，但后者常被稱為“剪縮” 。土的剪脹性實質(zhì)上是 由于剪應(yīng)力引起土顆粒間相互位置的變化，使其排列發(fā)生變化，加大（或減?。╊w粒 間的孔隙 從而發(fā)生體積的變化。5在鄧肯一張的非線性彈性雙曲線模型中，參數(shù)a、b、日、Et、（ 1 3皤及Rf 各代表什么意義？參數(shù)Ei代表三軸試驗中的起始變形模量，a

5、代表Ei的倒數(shù)；（1 3）uit代表雙曲線的漸近線對應(yīng)的極限偏差應(yīng)力，b代表（1 3）uit的倒數(shù)；已為切線變形模 量;Rf為破壞比。6說明塑性理論中的屈服準(zhǔn)則、流動準(zhǔn)則、加工硬化理論、相適應(yīng)和不相適應(yīng)流 動準(zhǔn)側(cè)。（1）屈服準(zhǔn)則在多向應(yīng)力作用下，變形體進(jìn)入塑性狀態(tài)并使塑性變形繼續(xù)進(jìn)行，各應(yīng)力分 量與材料性能之間必須符合一定關(guān)系時， 這種關(guān)系稱為屈服準(zhǔn)則。屈服準(zhǔn)則可以 用來判斷彈塑性材料被施加一應(yīng)力增量后是加載還是卸載，或是中性變載，亦即 是判斷是否發(fā)生塑性變形的準(zhǔn)則。（2）流動準(zhǔn)則流動規(guī)則指塑性應(yīng)變增量的方向是由應(yīng)力空間的塑性勢面 g決定，即在應(yīng)力 空間中，各應(yīng)力狀態(tài)點的塑性應(yīng)變增量方向必須與

6、通過改點的塑性勢能面相垂 直，亦即d jp d g-。流動規(guī)則用以確定塑性應(yīng)變增量的方向或塑性應(yīng)變增量 張量的各個分量間的比例關(guān)系。(3)加工硬化理論加工硬化定律是計算一個給定的應(yīng)力增量硬氣的塑性應(yīng)變大小的準(zhǔn)則亦即式d up d g-中的d可以通過硬化定律確定。(4 )相適應(yīng)和不相適應(yīng)流動準(zhǔn)則對于穩(wěn)定材料，d jd ； 0,這就是說塑性勢能面g與屈服面f必須是重合的, 亦即f=g,這被稱為相適應(yīng)的流動規(guī)則。如果令f g，即為不相適應(yīng)的流動規(guī)則。7什么是物態(tài)邊界面？什么是臨界狀態(tài)線？在p、q、v 1 e三維坐標(biāo)系繪出正 常固結(jié)黏土的物態(tài)邊界面和臨界狀態(tài)線。正常固結(jié)土的應(yīng)力狀態(tài)(p,q)與孔隙率e

7、或比體積v之間具有一一對應(yīng)的關(guān) 系，即(p, q, v)代表土的狀態(tài)，(p , q, v)在三維空間形成的曲面稱 為物態(tài)邊界面。臨界狀態(tài)線是土體達(dá)到破壞時的的狀態(tài)線。o不排水應(yīng)力路帶 3推水應(yīng)力路徑圖7-1正常固結(jié)黏土的物態(tài)邊界面和臨界狀態(tài)線8正常固結(jié)黏土的排水試驗和固結(jié)不排水試驗的強度包線總是通過坐標(biāo)原點 ， 即只有摩擦力；黏土試樣的不排水試驗的包線是水平的，亦即只有粘聚力。它們是 否就是土的真正意義上的摩擦強度和粘聚強度？為什么？都不是。正常固結(jié)粘土的強度包線總是過坐標(biāo)原點 ，似乎不存在粘聚力，但是 實際上在一定條件下固結(jié)的粘土必定具有粘聚力只不過這部分粘聚力是固結(jié)應(yīng) 力的函數(shù) 宏觀上被歸

8、于摩擦強度部分。粘土的不排水試驗雖然測得的摩擦角為 0,但是實際上粘土顆粒之間必定存 在摩擦強度，只是由于存在的超靜空隙水壓使得所有破壞時的有效應(yīng)力莫爾圓是 唯一的無法單獨反映摩擦強度。9沉降計算中通常區(qū)分幾種沉降分量？它們形成的機理是什么？按什么原理對他 們進(jìn)行計算？(1 )沉降分量區(qū)分按產(chǎn)生時間的先后順序有瞬時沉降， 主固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降。按變形方式 有單向的變形沉降和二向以及三向的變形。(2)形成機理瞬時沉降是加載瞬間產(chǎn)生的沉降，對于飽和土體而言，地基土在不排水條件 下收荷載作用產(chǎn)生的地面沉降；主固結(jié)沉降是土體在外荷載作用下產(chǎn)生的超靜水 壓力迫使土中水外流，土孔隙減小，形成的地面下沉；

9、次固結(jié)沉降是土體骨架蠕變 產(chǎn)生的沉降地基土中超靜水壓力全部消散，主固結(jié)完成后繼續(xù)產(chǎn)生的那部分沉 降。(3)計算原理瞬時沉降可采用彈性理論進(jìn)行計算。地面在集中荷載作用下載半無限彈性地 基在地面距荷載作用點r處的地面沉降 Si可以求得；積分后可得舉行或圓形基 礎(chǔ)在均布荷載作用下，不同部位的的地面瞬時沉降 S;進(jìn)而，在有限厚度和基礎(chǔ)埋 深的條件下基礎(chǔ)的平均瞬時沉降；最后確定彈性模量E并對瞬時沉降進(jìn)行修正。主固結(jié)沉降在工程中應(yīng)用最多的是單向壓縮沉降法和三向效應(yīng)法。此類方法是按彈性理論計算土體中的應(yīng)力通過實驗提供各變形參數(shù)，利用分層疊加原理， 可以方便地考慮到土層的非均質(zhì)、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的非線性等實際存在

10、的復(fù)雜因 素。次固結(jié)沉降在以孔隙水壓力消散為依據(jù)的經(jīng)典太沙基固結(jié)理論中未予以考 慮，近年來許多學(xué)者研究過此問題，試圖為其建立數(shù)學(xué)模型，但考慮到計算成果的 簡潔性、計算參數(shù)的可確定性故通常采用布依斯曼建議的半經(jīng)驗發(fā)估算次壓縮沉 降量。1 0 要較可靠的計算沉降量，應(yīng)該注意哪些主要的影響因素？(1)計算斷面：根據(jù)可靠地地基勘探數(shù)據(jù)和建筑布置， 確定地基剖面壓縮層 范圍，排水層位置等。(2)應(yīng)力分析：包括基底q的分布沿深度變化和附加應(yīng)力計算(3)計算參數(shù)：采用帶表性式樣做試驗測定(4)計算模型:對材料形狀的不同假設(shè)，變形維數(shù)室內(nèi)/現(xiàn)場變形指標(biāo)等情況， 按計算需要和實際條件合理選用。1 1 什么是曼代

11、爾效應(yīng)？在不變的荷重施加于土體上以后的某時段內(nèi)，土體內(nèi)的孔隙水壓力不是下降 而是繼續(xù)上升，而且超過應(yīng)有的壓力值，這種現(xiàn)象稱為曼代爾現(xiàn)象，或稱為應(yīng)力 傳遞效應(yīng)。12太沙基三向固結(jié)理論與比奧理論的主要區(qū)別是什么？(1)基本假設(shè):太沙基假定，固結(jié)過程不隨時間變化；比奧沒有這個假定(2)孔隙壓力和位移的關(guān)系：太沙基是須依次求出孔隙水壓u固結(jié)度U沉降量S比奧理論:可同時求出固結(jié)度U、空隙水壓 u以及沉降量S(3) U隨著時間t的變化:太沙基與泊松比u無關(guān)；比奧中泊松比對固結(jié)影響 大，具曼彳惠爾效應(yīng)。13根據(jù)自己所參與科研項目或自己所思考的問題， 結(jié)合高等土力學(xué)所學(xué)談?wù)勛?己的看法。高等土力學(xué)是對土力學(xué)的

12、近一步深化與拓展，其中不僅更詳細(xì)深入的探討了 以前土力學(xué)中所學(xué)到的知識，而且還針對一些問題介紹了更多的理論模型。土的 本構(gòu)關(guān)系中就列述了諸如鄧肯-張模型、K- G模型等十余種模型，這些模型都各自 具有優(yōu)勢和缺點，但是對工程中認(rèn)識和解決土力學(xué)問題有著極大的幫助。目前我主要思考的問題更多的集中在樁基礎(chǔ)方面。在樁基礎(chǔ)中，有很多問題都在高等土力學(xué)所學(xué)范圍以內(nèi)。樁基礎(chǔ)在上部荷載作用下有向下的位移，這樣會帶動其周圍土體發(fā)生剪切作用，這時不僅要考慮樁周土在當(dāng)時的條件下的抗剪強 度，還可以考慮土體剪脹作用對樁基承載力的影響。在土的抗剪強度中，高等土力學(xué)詳細(xì)介紹了土的抗剪強度機理、影響土強度的內(nèi)部因素和外部因素

13、及土在各 種排水條件下的強度理論。在樁基石底部，土體會產(chǎn)生壓縮變形和固結(jié)。土在壓縮過程中，會發(fā)生三種固 結(jié)沉降一一瞬時沉降、固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降。而在沉降計算方面，高等土力學(xué) 介紹了很多的地基沉降計算方法。在沉降計算中，最主要的是要考慮土體在固結(jié) 壓縮過程中的土中水滲流。土體壓縮固結(jié)尤其是飽和土體的壓縮固結(jié)主要是土中 水和氣體的排除產(chǎn)生的土體變形，因此合理確定和選擇土的滲流條件對計算沉降 是十分重要的。在樁基礎(chǔ)承載力計算中，首先要考慮的就是土體本身的性質(zhì)，用什么樣的土 體本構(gòu)模型來解答。土體是顆粒狀的物質(zhì)，它不像金屬等連續(xù)性介質(zhì)那樣有著較 確定的規(guī)律。高等土力學(xué)提供了土的彈性模型 ，彈塑性模型以及其他一些典型的 本構(gòu)模型。土體變形有著彈塑性的特點，因此在選擇土的本構(gòu)模型中，尤其在利 用有限元軟件在模擬計算有關(guān)土的問題時需要正確合理的選擇相應(yīng)的本構(gòu)模型。 在考慮土的彈塑性特點后，地基承載力的普朗特爾解、太沙基解