李广信版高等土力学课后习题集答案解析第二、三、四章

第二章习题与思考题17、在邓肯-张的非线性双曲线模型中，参数a、b、iE、tE、13-ult（）以及fR各代表什么意思？答：参数iE代表三轴试验中的起始变形模量，a代表iE的倒数；ult)(31代表双曲线的渐近线对应的极限偏差应力，b代表ult)(31的倒数；tE为切线变形模量；fR为破坏比。18、饱和粘土的常规三轴固结不排水实验的应力应变关系可以用双曲线模拟，是否可以用这种实验确定邓肯-张模型的参数？这时泊松比为多少？这种模型用于什么情况的土工数值分析？答：可以，这时=0.49，,用以确定总应力分析时候的邓肯-张模型的参数。19、是否可以用饱和粘土的常规三轴固结不排水试验来直接确定用有效应力表示的邓肯-张模型的参数？对于有效应力，上述的131()/dd是否就是土的切线模量tE？用有效应力的广义胡克定律来推导131()/dd的表达式。答：不能用饱和粘土的常规三轴固结不排水试验来直接确定用有效应力表示的邓肯-张模型的参数；在有效应力分析时，邓肯-张模型中的131()/dd不再是土的切线模量，而需做以下修正：131()/=1-(1-2)ttEddA具体推导如下：'''11231231231231=[-(d+d)]1=[(-du)-(d+d-2du)]1=[(-du)-(d+d)-2du)]1=[-(d+d)-(1-2)du)]ddEdEdEdE又由于23=d=0d；且B=1.0时，13=(-)uA，则：13=(-)duAd，代入上式，可得：1313131=[d(-)-(1-2)Ad(-)]1=[1-(1-2)A]d(-)dEE可知131(-)=1-(1-2)ttdEdA20、土的3为常数的平面应变试验及平均主应力为常数的三轴压缩试验（1增加的同时，3相应的减少，保持平均主应力p不变）、减压的三轴伸长试验（围压1保持不变，轴向应力3不断减少）的应力应变关系曲线都接近双曲线，是否可以用这些曲线的切线斜率131(-)/dd直接确定切线模量tE？用广义胡克定律推导这些试验的131(-)/dd表达式。解：三类问题都不能按131(-)/dd直接确定切线模量tE：（1）对于平面应变问题，有：2112222112123121-=-E1-1-=-E1-1=G=+（）（）（）若3为常数，则2113211-=-E1-1-=Edddd（）可得1321(-)=1-ttdEd（2）对于平均主应力为常数的三轴压缩试验，有1231311=(++)=(+2)=const33p从而13+2=3p3131=-22p广义胡克定律：1123131111=[-(+)]1=[-2]131=[-2(-)]221=[(1+)-3]EEpEpE从而11131=(1+)d1=(1+)d(-)dEE得到：131d(-)=1+ttEd（3）对于减压的三周伸长试验，有123=，313=-d(-)0d广义胡克定律：11231=[-(+)]E1123313131=[d-(d+d)]1=-d1=-[-d(-)]1=d(-)dEEEE得131d(-)=ttEd21、通常认为在平面应力试验中，应力为零方向上的主应力是中主应力。设两个主动施加的主应力成比例，即/=1.0zxk，平面应变方向上的主应力为y。设=0.33，用弹性理论计算k等于多少时，y成为小主应力？答：由题知：=zxk，zx若要使y成为小主应力，只需1xy；又由于平面应变上的主应力为y，有1=[-(+)]=0yyxzE1[-(+k)]=0yxxE=(1+k)yx1=1(1+k)xy将=0.33代入上式，又1.0k，可知1.02.0k22、在平面应变情况下，=yo及=0yd，有人假设===d=0epepyyyyd，是否正确？答：这种假设是错误的。在平面应变情况下，平面应变方向的应变为零，但是平面应变方向的应力不为零，即=(+)0yxz，因此0ey，又=+=0epyyy，可知0py；由于=(+)yxz，x、z方向加载时，0yd，因此0eyd，而在整个平面应变过程中yo，0pyd。23、当两个主动主应力z和x减少到接近于零时，按一般弹塑性模型即认为是卸载，试说明平面应变方向的主应力y不应当也是零。24、土的塑性力学与金属材料的塑性力学有什么区别？答：土的塑性力学与金属材料的塑性力学有以下几点不同：（1）研究对象不同。金属材料的塑性力学是以金属材料试验为基础的，主要研究的是金属材料；土塑性力学的基础是土工试验，主要研究对象时工程用土；（2）土和金属材料的组成结构不同。金属构件一般是由人工制成，其晶体结构均匀，而土是天然形成，是一种三相体，而且是多矿物组合体；（3）两者变形特性不同。金属材料无塑性体积变形，弹性体积变形很小，对塑性变形无影响；而土体不仅具有塑性剪切变形，而且还有塑性体积变形，还有剪胀性和压密性、应变软化、拉压不等、各向异性、弹塑性耦合等性质；（4）屈服准则建立的基础不同。金属材料的屈服准则建立在剪切屈服的基础之上；土体的屈服准则不仅要考虑剪切屈服，还要考虑静水压力对土体屈服的影响；（5）两者采用不同的塑性力学理论。金属材料采用传统的塑性力学理论，采用一个屈服势函数或一个塑性势面，并服从Drucker公设，采用相适应的流动准则，塑性应变增量正交与屈服面；土体材料采用广义的塑性力学理论，它要求采用三个塑性势函数或三个塑性势面。它不服从Drucker公设，并采用不相适应的流动准则，它可以反映塑性变形增量方向与应力增量的相关性和主应力轴旋转产生的塑性变形。25说明塑性理论中的屈服准则、流动准则、加工硬化理论、相适应和不相适应的流动准则？答：在多向应力作用下，各应力分量与材料性能之间必须符合一定关系时，变形体进入塑性状态并使塑性变形继续进行，这种关系称为屈服准则。屈服准则可以用来判断弹塑性材料被施加一应力增量后是加载还是卸载，或是中性变载，亦即是判断是否发生塑性变形的准则。流动规则指塑性应变增量的方向是由应力空间的塑性势面g决定，即在应力空间中，各应力状态点的塑性应变增量方向必须与通过改点的塑性势能面相垂直，亦即ijpijgdd。流动规则用以确定塑性应变增量的方向或塑性应变增量张量的各个分量间的比例关系。同时对于稳定材料0pijijdd，这就是说塑性势能面g与屈服面f必须是重合的，亦即f=g这被称为相适应的流动规则。如果令fg，即为不相适应的流动规则。加工硬化定律是计算一个给定的应力增量硬气的塑性应变大小的准则，d可以通过硬化定律确定。26、什么是物态边界面？什么是临界状态线？在平p、q、=1+e三维坐标系绘出正常固结粘土的物态边界面和临界状态线。答：在剑桥模型中，饱和重塑正常固结粘土，其应力状态与土的体积状态之间存在着唯一性关系，在由有效应力路径、试样的比体积、有效平均应力'p组成的空间坐标构架中形成唯一的曲面，称之为物态边界面或罗斯柯面；临界状态线是土体在固结剪切至破坏或临界状态时，其有效应力路径、试样的比体积、有效平均应力'p三者之间的相互关系在三维坐标系''--qp中形成的一条空间曲线，该曲线在不同平面上的投影也称之为临界状态线。正常固结土的物态边界面和临界状态线如下：'qSp'N0SNCL线NCSL线SN图1正常固结土的物态边界面27、正常固结粘土在''-pq平面上的屈服轨迹是否为土的固结不排水有效应力路径的投影？为什么？答：不是。屈服轨迹是临界状态线CSL在''-qp平面上的投影，它与土体的排水条件无关。28、一种正常固结粘土具有的唯一的物态边界面，说明在同样围压下固结到同样孔隙比的正常固结粘土，其固结不排水条件压缩试验在''-pq平面上的有效应力路径是惟一的，这种说法是否正确？答：这种说法是错误的。正常固结粘土具有唯一的物态边界面，它是以等压固结成NCL和临界状态线CSL为边界的，正常固结土的排水和不排水路径都必须在物态边界面上。对于固结到同样孔隙比的正常固结粘土进行固结不排水试验时，由于体积不变，因此他们的有效应力路径是相同的，都是-iiCU，但不是惟一的。29、两个完全一样（含水量，孔隙比相同）的正常固结饱和粘土试样，在相同的各向等压条件下固结，然后进行不排水剪切试验（CU），A试样进行的是常规三轴压缩试验（CTC）；B试样进行的是减压的三轴压缩试验（RTC），试验中轴向应力保持不变，围压逐渐减少，直至破坏。问：（1）两个固结不排水试验的有效应力路径是否相同？（2）两个固结不排水试验的应力应变关系曲线（即131-（）关系曲线）是否相同？答：（1）两个固结不排水试验的有效应力路径不同，这是由于不同的加载方式造成的；（2）两个固结不排水试验的应力应变关系曲线不同。这是由于应力水平（围压）影响土体的应力应变关系：压缩试验要求13-0，且在进行剪切试验时初始的13=，在A、B试验的13-相同的情况下，3A3B，由于土的压硬性的影响，在高围压情形下其变形模量相对较大，因此应力应变曲线不同。30、说明什么是伏斯列夫（Hvorslev）面，它适用于什么状态的粘性土？答：伏斯列夫面是物态边界面的一部分，介于零拉应力边界面和罗斯柯面之间，是在各种比体积ν下对超固结土样进行固结剪切试验，试件达到破坏或屈服后所对应的一系列土体的有效应力路径组成的曲面，它控制了重超固结土的破坏与屈服。31、说明剑桥弹塑性模型的试验基础和基本假设。该模型的三个参数：M、、分别表示什么意义？答：剑桥模型的试验基础是正常固结粘土和弱超固结粘土的排水和不排水三轴试验。基本假设：土体是加工硬化材料，服从相适应流动规则。M是破坏常数；是各向等压固结参数，为NCL或CSL线在'lnp平面中的斜率；是回弹参数，为卸载曲线在'lnp平面上的斜率。32、剑桥模型和修正的剑桥模型在''-pq平面上的屈服轨迹可以分别表示为''''=-ln=0pqfMpp和'2'22=-=0+pMfpM，绘制出它们在''-pq平面上的形状，说明造成两种屈服轨迹区别的原因。解:剑桥模型和修正的剑桥模型在''-pq平面上的屈服轨迹如下：q'q'''=qMp''=qMpO'0/pe'0pp''0/2p'0p图2剑桥模型的屈服轨迹图3修正的剑桥模型的屈服轨迹两种屈服轨迹之所以不同，是由于两者采用不同的能量方程形式，修正的剑桥模型计入了球应力p对土体屈服的影响，更接近于试验结果。第三章习题与思考题3-5改变以下条件，对于中砂的抗剪强度指标有什么影响？（1)其他条件不变，孔隙比e减少；（2）两种中砂的级配和孔隙比不变，其中一种的颗粒变得圆润；(3)在同样的制样和同样30d条件下，砂土的级配改善（uC增大）；(4)其他的条件不变，矿物成分改变使砂土颗粒的粗糙度增加。答：(1)孔隙比减少，将增大；(2)颗粒变得圆润，将减小；(3)参见P126表3-2.uC大的砂,级配较好.当30d相同,控制相同的rD时,，级配较好的砂,颗粒间咬合更多，颗粒间接触点多,接触应力较小，颗粒不易破碎，摩擦角较大.控制d相同时,rD并不相同.均匀的砂rD可能更大，实际上更紧密(因为级配均匀的砂要达到较大的密度,更难,需要更大的击实能),则摩擦角较大.颗粒的粗糙度增加,则增加.级配改善。(4)粗糙度增加，将增大。3-6三轴试验得到的松砂的内摩擦角为'=33°，正常固结粘土的内摩擦角为'=30°，粘土不排水试验得到的摩擦角为u=0°。它们是否就是砂土矿物颗粒之间及粘土矿物之间的滑动摩擦角？土颗粒间的滑动摩擦角比它们大还是小？为什么？答：三轴试验得到的松砂的内摩