土力学答案

第1页共30页1第一章1-1.砂类土和粘性土各有那些典型的形成作用？【答】土在其形成过程中有各种风化作用共同参与，它们同时进行。砂类土主要是由于温度变化、波浪冲击、地震引起的物理力使岩体崩解、破碎形成。粘性土主要是岩体与空气、水和各种水溶液相互作用形成。1-2.请分析下列几组概念的异同点：①黏土矿物、黏粒、黏性土；②粒径、粒度和粒组。【答】黏土颗粒（黏粒）的矿物成分主要有黏土矿物和其他化学胶结构物或有机质，其中黏土矿物的结晶结构特征对黏性土的工程性质影响较大。黏土矿物实际上是一种铝-硅酸盐晶体，是由两种晶片交互层叠构成的。黏土矿物颗粒一般为扁平状（或纤维状），与水作用后扁平状颗粒的表面带负电荷，但颗粒的（断裂）边缘，局部却带有正电荷。黏性土由黏粒与水之间的相互作用产生，黏性土及其土粒本身大多是由硅酸盐矿物组成。自然界中土一般都是由大小不等的土粒混合而组成的，也就是不同大小的土颗粒按不同的比例搭配关系构成某一类土，比例搭配（级配）不一样，则土的性质各异。土颗粒大小，通常以其直径大小表示，简称粒径，单位为mm。所谓土的颗粒大小组合情况在工程上就是按土颗粒（粒径）大小分组，称为粒组。每个粒组都以土粒直径的两个数值作为其上下限，并给以适当的名称，简言之，粒组就是一定的粒径区段，以毫米表示。土颗粒的大小是以其直径来表示，称为粒径(或粒度)，其单位一般采用毫米。1-3.简述土中粒度成分与矿物成分的关系。【答】粗颗粒土往往是岩石经物理分化形成的原岩碎屑，是物理化学性质比较稳定的原生矿物颗粒；细小土粒主要是化学风化作用形成的次生矿物颗粒和生成过程中有机物质的介入，次生矿物的成分、性质及其与水的作用均很复杂，是细粒土具有塑性特征的主要因素之一，对土的工程性质影响很大。1-4.粒组划分时,界限粒径的物理意义是什么?【答】界限粒组的物理意义是划分粒组的分界尺寸1-5.粘土颗粒为什么会带电？【答】研究表明，片状粘土颗粒的表面，由于下列原因常带有布平衡的负电荷。①离解作用：指粘土矿物颗粒与水作用后离解成更微小的颗粒，离解后的阳离子扩散于水中，阴离子留在颗粒表面；②吸附作用：指溶于水中的微小粘土矿物颗粒把水介质中一些与本身结晶格架中相同或相似的离子选择性地吸附到自己表面；③同晶置换：指矿物晶格中高价的阳离子被低价的离子置换，常为硅片中的Si4+被Al3+置换，铝片中的Al3+被Mg2+置换，因而产生过剩的未饱和的负电荷。④边缘断裂：理想晶体内部是平衡的，但在颗粒边缘处，产生断裂后，晶体连续性受到破坏，造成电荷不平衡。1-6.毛细现象对工程有何影响？毛细带内为什么孔隙水压力为负值？【答】自由水是存在于土粒表面电场影响范围以外的水。按其移动所受作用力的不同，可分为重力水合毛细水。重力水是存在于地下的透水土层中的地下水，它是在重力或水头压力作用下运动的自由水，对土粒有浮力作用。重力水的渗流特征，是地下工程排水合防水工程的主要控制因素之一，对土的应力状态和开挖基槽、基坑以及修筑地下构筑物有重要影响。毛细水是存在于地下水位以上，受到水与空气交界处表面张力作用的自由水。在工程中，毛细水的上升高度和速度对于建筑物地下部分的防潮措施和地基土的浸湿、冻胀等有重要影响。在水、气界面上，由于弯液面表面张力的存在，以及水与土粒表面的浸润作用，孔隙水的压力亦将小于孔隙内的大气压力。于是，沿着毛细弯液面的切线方向将产生迫使相邻粒挤紧的压力，这种压力称为毛细压力，毛细压力的存在使水内的压力小于大气压力，即孔隙水压力为负值。1-7.粘土的活动性为什么有很大差异？【答】粘土颗粒（粘粒）的矿物成分主要有粘土矿物和其他化学胶结物或有机质，而粘土矿物第2页共30页2是很细小的扁平颗粒，颗粒表面具有很强的与水相互作用的能力，表面积（比表面）愈大，这种能力就愈强，由于土粒大小而造成比表面数值上的巨大变化，必然导致土的活动性的极大差异，如蒙脱石颗粒比高岭石颗粒的比表面大几十倍，因而具有极强的活动性。1-8.研究土的结构性有何工程意义，如何研究土的微观结构【答】土的微观结构，简称土的结构，是指土粒的原位集合体特征，是由土粒单元的大小、矿物成分、形状、相互排列及其联结关系，土中水性质及孔隙特征等因素形成的综合特征。首先通过对显微照片信息的提取，采用割补法画出的几何图形来近似代表复杂的结构单元体形态，从简化的图形中找出能够代表土微观结构的每个结构单元体的长轴方向和短轴方向的两个长度量数，运用四个角点的坐标求出长、短轴，用长轴和短轴之积来近似地代替结构单元体的几何面积，然后进行土颗粒的定向研究。第二章2-2、有一饱和的原状土样切满于容积为21.7cm3的环刀内，称得总质量为72.49g，经105℃烘干至恒重为61.28g，已知环刀质量为32.54g，土粒比重为2.74，试求该土样的湿密度、含水量、干密度及孔隙比（要求汇出土的三相比例示意图，按三相比例指标的定义求解）。解：3/84.17.2154.3249.72cmgVm%3954.3228.6128.6149.72SWmm3/32.17.2154.3228.61cmgVmSd069.149.1021.11SVVVe2-3、某原状土样的密度为1.85g/cm3，含水量为34%，土粒相对密度为2.71，试求该土样的饱和密度、有效密度和有效重度（先推导公式然后求解）。解：（1）VVmWVssatWSmmmSWmm设1Sm1VWSSSVmdWSWSSSddmV1第3页共30页33WSSWSSWWsatcm/87g.1171.20.341171.285.1d11d11d111d11111WSd有（2）3'/87.0187.1cmgVVVVVVVmVVmWsatWVSsatWVWVWSSWSS（3）3''/7.81087.0cmkNg或3'3/7.8107.18/7.181087.1cmkNcmkNgWsatsatsat2-4、某砂土土样的密度为1.77g/cm3，含水量9.8%，土粒相对密度为2.67，烘干后测定最小孔隙比为0.461，最大孔隙比为0.943，试求孔隙比e和相对密实度Dr，并评定该砂土的密实度。解：（1）设1SVedemmemmVmWSSSWS1111整理上式得656.0177.1167.2098.0111WSde（2）595.0461.0943.0656.0943.0minmaxmaxeeeeDr（中密）2-5、某一完全饱和黏性土试样的含水量为30%，土粒相对密度为2.73，液限为33%，塑限为17%，试求孔隙比、干密度和饱和密度，并按塑性指数和液性指数分别定出该黏性土的分类名称和软硬状态。解：819.073.230.0SWSWSSWSWVdVVdVVe3/50.1819.01173.21cmgedVmWSSd3/95.1819.01173.23.01111cmgededdVVmWSWSWSWVssat161733PLpI查表，定名为粉质粘土第4页共30页481.0161730ppLII查表，确定为软塑状态第三章3-1.试解释起始水力梯度产生的原因。【答】起始水力梯度产生的原因是，为了克服薄膜水的抗剪度τ0(或者说为了克服吸着水的粘滞阻力)，使之发生流动所必须具有的临界水力梯度度。也就是说，只要有水力坡度，薄膜水就会发生运动，只是当实际的水力坡度小于起始水力梯度时，薄膜水的渗透度V非常小。只有凭借精密仪器才能观测到。因此严格的讲，起始水力梯度I0是指薄膜水发生明显渗流时用以克服其抗剪强度τ0的水力梯度。3-2.为什么室内渗透试验与现场测试得出的渗透系数有较大差别【答】室内试验和现场试验渗透系数有较大差别，主要在于试验装置和试验条件等有关，即就是和渗透系数的影响因素有关，（1）土的粒度成分及矿物成分。土的颗粒大小、形状及级配，影响土中孔隙大小及其形状，因而影响土的渗透性。土颗粒越粗，越浑圆、越均匀时，渗透性就大。砂土中含有较多粉土及粘土颗粒时，其渗透系数就大大降低。（2）结合水膜厚度。粘性土中若土粒的结合水膜厚度较厚时，会阻塞土的孔隙，降低土的渗透性。（3）土的结构构造。天然土层通常不是各向同性的，在渗透性方面往往也是如此。如黄土具有竖直方向的大孔隙，所以竖直方向的渗透系数要比水平方向大得多。层状粘土常夹有薄的粉砂层，它在水平方向的渗透系数要比竖直方向大得多。（4）水的粘滞度。水在土中的渗流速度与水的容重及粘滞度有关，从而也影响到土的渗透性。3-3.拉普拉斯方程适应于什么条件的渗流场？【答】当渗流场中水头及流速等渗流要素不随时间改变时，这种渗流称为稳定渗流，而拉普拉斯方程是指适用于平面稳定渗流的基本方程。3-5.为什么流线与等势线总是正交的？【答】在稳定渗流场中，取一微单元体，并假定水体不可压缩，则根据水流连续原理，单位时间内流入和流出微元体的水量应相等，（式3-22）即dqe=dqo。从而得到：即为二维渗流连续方程，从中由数学知识，可知流线和等势线正交。3-6.流砂与管涌现象有什么区别和联系？【答】在向上的渗流力作用下，粒间有效应力为零时，颗粒群发生悬浮、移动的现象称为流砂(土)现象。这种现象多发生在颗粒级配均匀的饱和细、粉砂和粉土层中，一般具有突发性、对工程危害大。在水流渗透作用下，土中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动，以至流失；随着土的孔隙不断扩大，渗流速度不断增加，较粗的颗粒也相继被水逐渐带走，最终导致土体内形成贯通的渗流管道，造成土体塌陷，这种现象称为管涌。它多发生在砂性土中，且颗粒大小差别大，往往缺少某种粒径，其破坏有个时间发展过程，是一种渐进性质破坏。具体地再说，管涌和流砂的区别是：（1）流砂发生在水力梯度大于临界水力梯度，而管涌发生在水力梯度小于临界水力梯度情况下；（2）流砂发生的部位在渗流逸出处，而管涌发生的部位可在渗流逸出处，也可在土体内部；（3）流砂发生在水流方向向上，而管涌没有限制。3-7.渗透力都会引起哪些破坏？【答】渗流引起的渗透破坏问题主要有两大类：一是由于渗流力的作用，使土体颗粒流失或局部土体产生移动，导致土体变形甚至失稳；二是由于渗流作用，使水压力或浮力发生变化，导致土体和结构物失稳。前者主要表现为流砂和管涌，后者主要则表现为岸坡滑动或挡土墙等构造物整体失稳。第5页共30页53-8、某渗透试验装置如图3-23所示。砂Ⅰ的渗透系数scmk/10211；砂Ⅱ的渗透系数scmk/10112，砂样断面积A=200cm2，试问：（1）若在砂Ⅰ与砂Ⅱ分界面出安装一测压管，则测压管中水面将升至右端水面以上多高？（2）砂Ⅰ与砂Ⅱ界面处的单位渗水量q多大？解：（1）ALhkALhk22212160整理得2221)60(hkhkcmkkkh4010110210260601112112所以，测压管中水面将升至右端水面以上：60-40=20cm（2）scmALhkAikq/202004040101312222223-9、定水头渗透试验中，已知渗透仪直径D=75mm，在L=200mm渗流途径上的水头损失h=83mm，在60s时间内的渗水量Q=71.6cm3，求土的渗透系数。解：scmthAQLk/105.6603.85.74206.71223-10、设做变水头渗透试验的黏土试样的截面积为30cm2，厚度为4cm，渗透仪细玻璃管的内径为0.4cm，试验开始时的水位差145cm，经时段7分25秒观察水位