一、高等土力学研究的主要内容
答：土力学主要是研究土的物理、化学、和力学特性以及土体在荷载、水、温度等外界因素作用下的工程性状。高等土力学则是深化上述研究，重点研究先进的土工试验（实验）方法和设备、土体本构关系、塑性特性、强度、渗流、固结、压缩及其机理。
二、与上部结构工程相比，岩土工程的研究和计算分析有什么特点？
答：
1） 岩土工程的规模和尺寸比一般的结构工程大得多，其实际
范围是空间半无限体，工程计算分析中采用的边界是近似和模糊的；
2） 岩土的各种参数是空间的函数，参数的变异性大，变异系
数在0.1-0.35,有的可能超过0.4，并且土性之间或不同点的土性具有较强的相关性，包括互相关和自相关；
3） 岩土属于高非线性材料，在不同的应力水平下变形特性不
同，岩土工程的极限状态方程也经常是高度非线性的，并且诱发极限状态的原因或作用多种多样；
4） 岩土试样性质与原状岩土的性质往往存在较大的差别，即
使是原为测试，反应的也仅仅是岩土的“点”性质（如现场十字板强度试验）或“线”性质（如静力触探实验）。而岩土工程的行为往往由它的整体空间平均性质控制，因此在岩土工程可靠度分析中，要注意“点”、“线”到空间平均性概率统计指标问题
5） 由于上述岩土性质和岩土工程的不确定性加之推理的不确
定性（如有目的的简化）,岩土工程的计算模型往往具有较大的不确定性或者不精确性，并且除了上述3)中提到的在岩土工程中针对不同原因和作用，会有不同的极限状态方程外，对同一计算参数也存在不同的计算表达式； 6） 施工工艺，施工质量及施工水平等会对岩土工程的性质和
功能产生很大的影响。
三、土的特性
答：1土的变异性大，离散性大，指标值合理确定很困难。2土
的应力应变关系是非线性的，而且不是唯一的，与应力历史有关。3土的变形在卸载后一般不能完全恢复，饱和粘土受力后，其变形不能立刻完成，而且要经过很长一段时间才能逐渐稳定。4土的强度也不是不变的，它与受力条件排水条件密切相关。5土对扰动特别敏感，可使土的力学性质发生很大的变化。
四、简述土的结构性与成因，比较原状土与重塑土结构强弱，并说明原因。
答：土的结构是表示土的组成成分、空间排列和粒间作用的综合特性，土的结构性是由于土的这种结构特性造成的力学特性。
原状土比重塑土的结构性强，这是由于原状土在搬运、沉积、固结及千万年历史中的各种变故都会使土形成不同的或特有的特性。由于原状土是长期地质作用的产物，因而比室内重塑土具有更强的结构性。
五、简述土工试验的目的和意义
答：
1） 揭示土的一般或特有的物理力学性质
2） 针对具体土样的试验。揭示区域性土、特殊土、人工复合
土的物理力学性质
3） 确定理论计算和工程设计的参数 4） 验证理论计算的正确性及实用性
5） 原位测试、原型监测直接为土木工程服务，也是分析和实
现信息化施工的手段
六、简述土工参数不确定性的主要来源和原因
答：
土工参数不确定性的来源主要有两条途径 1） 土的固有变异性 2） 系统不确定性 原因：
土的固有变异性是由于土的分类不可能也没有必要分的那么细，所以即使均匀的同类土层，由于在土层的形成过程中，矿
物成分、土层深度、应力历史、含水量和密度等因素的变化，各点处土的性质可能有较大的差别，这种差异是土本身所固有的，所以称之为固有变异性；
系统不确定性包括实验不确定性，模型不确定性和统计不确定性
实验不确定性是由试验偏差和随即测量误差组成，是由于测试活着取样，试样运输和保管对土的扰动以及试验方法和试验技术的差异等原因使试验结果与现场土的工程性质不完全一致引起的。模型不确定性是因为计算模型不完备，如计算模型有目的的简化、理想化、或因机理尚未了解透彻造成的不确定性。统计不确定性是因试样（试验数量）不充分引起的不确定性。
一般来说，统计不确定性当的大小会随着统计方法的改进和试样数量的增多而减少。实验不确定性的可能因技术水平的提高和实验设备的改进而减小。土的固有变异性的大小因为是土固有的，故不会随着试样的增多和试验技术的提高及仪器的改善而降低。
七、岩土工程模型试验要尽可能遵守的原则
答：为了使模型尽可能德反应出实物（原型）发生地现象，应严格按照相似理论来确定模型试验的几何尺寸和物理特性，但一般情况下，特别是岩土工程试验，很难使原型与模型各方那面都相似，有时只能只对主要研究的问题，使某些方面相似，而忽略其他方面。
由相似理论可知，两个系统相似的充分必要条件是一个系统的数学模型由一一变换与另一系统的数学模型相联系，也就是说通过调试模型各参数的比例尺，使模型和实物满足共同的方程。
八、何为土的剪胀性，产生剪胀的原因。
答：土体由于剪应力引起的体积变化称为剪胀性，广义的剪胀性指剪切引起的体积变化，既包括体胀，也包括体缩，但后者常被称为“剪缩”。土的剪胀性实质上是由于剪应力引起土颗粒间相互位置的变化，使其排列发生变化，加大（或减小）颗粒
间的孔隙，从而发生体积的变化。
九、影响饱和无粘性土液化的主要因素有哪些？列举4种判断液化的方法。
答：
影响因素：土的相对密度，土的粒径，固结应力，初始剪应力，土层的地质年代和组成，颗粒级配，土层的埋深和地下水位的深度，土的透水性能，地震的烈度和地震持续的时间。 判断方法：临界孔隙比法，标准贯入实验，静力触探法，剪切波速法。
十、刚性直剪试验的缺点，并提出解决办法。
答： 缺点：
1）剪切破坏面限定在上、下盒之间的水平面上，该面不一定是土样抗剪强度最弱的面。
2）剪切面上剪应力分布不均匀，土样的剪切破坏先从边缘开始，在边缘也产生应力集中；
3）在剪切过程中，土样抗剪面积逐渐缩小，而计算土样抗剪强
度时，却是按土样原截面积计算的；
4）不能严格控制排水条件，不能测量孔隙水压力。
解决办法：用一系列圆环代替刚性盒，这样可以使边界上的应力应变不均匀性降低，试样内所加的应力被认为是纯剪。
十一、列举一个土工试验在工程应用中的实例，并用土力学理论解释之。
答：十字板剪切试验，
这种试验是将十字型钢板插入土中，施加扭矩达到最大值Tmax时，十字板在土中被扭动，通过这个扭矩计算出土的抗剪强度，对于野外试验，板高与外直径之比一般为H/D=2，通过理论计算可得，对于各向同性的土，抗剪强度t6Tmaxf?7?D3, 实际上，现场土常常是各向异性的，对于正常固结土，水平面
上的抗剪强度一般大于垂直面的抗剪强度，用上式计算所得的抗剪强度一般偏大，常需要修正后才能使用，这种实验可用于软塑粘土到硬塑状态的粘土，对于饱和软粘土，它测得的抗剪强度相当于不排水抗剪强度。
十三、土的本构模型主要分哪几类？邓肯-张本构模型的本质？并写出邓肯-张本构模型应力应变表达式，并在应力应变坐标轴中表示。
答：土的本构模型大体上可以分为弹性模型，弹塑性模型，粘弹塑性模型，内时塑性模型等几类。
邓肯-张双曲线模型本质在于假定土的应力应变之间的关系具有双曲线性质
双曲线拟合出一般土的三轴试验??a1??3?a?b?
a其中，a b为试验常数，对于常规三轴压缩试验，轴应变?a??1，
邓肯等人根据这一双曲线应力应变关系提出了一种目前被广泛应用的增量弹性模型，一般被称为邓肯-张模型
十四、广义讲，什么是土的本构关系？与其他金属材料比，它有什么变化特性？
答：土的本构关系广义上讲是指反应土的力学性状的数学表达式，表示形似一般为应力-应变-强度-时间的关系； 与金属材料相比，土的变形特性
1） 土应力应变的非线性。由于土由碎散的固体颗粒组成，土
的宏观变形主要不是由土颗粒本身变形，而是由于颗粒间位置的变化。这样在不同的应力水平下由相同应力增量引起的应变增量就不会相同，即表现出非线性。
2） 土的剪胀性。由于土石由碎散颗粒组成的，在各向等压或
等比压缩时，孔隙总是减少的，从而可发生较大的体积压缩，这种体积压缩大部分死不可恢复的，剪应力会引起土塑性体积变形，这叫剪胀性，另一方面，球应力又会产生
剪应变，这种交叉的，或者耦合的效应，在其他材料中很少见。
3） 土体变形的弹塑性。在加载后再卸载到原来的应力状态时，
土一般不会完全恢复到原来的应变状态，其中有一部分变形是可以恢复的，部分应变式不可恢复的塑性应变，并且后者往往占很大的比例。
4） 土应力应变的各向异性和土的结构性。不仅存在原生的由
于土结的各向构异性带来的变形各向异性，而且对于各向受力不同时，也会产生心的变形和各向异性。
5） 土的流变性。土的变形有时会表现出随时间变化的特性，
即流变性。与土的流变特性有关的现象只要是土的蠕变和应力松弛。
影响土的应力应变关系的应力条件主要有应力水平，应力路径
和应力历史。
十五、在土的弹塑性本构关系中，屈服准则，硬化定理，流动法则起什么作用？
答：
1）屈服准则是判断土作为弹塑性材料来研究是否发生塑性变形
1） 流动法则是用来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。
2） 硬化定理用来描述屈服标准如何发展，说明屈服面为什么
会硬化，具体确定硬化函数与硬化参数。
十六、剑桥模型的试验基础及基本假定是什么？说明该模型各个参数的意义及确定方法。
答：基于正常固结土和超固结土试样的排水和不排水三轴试验得到的。
剑桥模型基于传统塑性位势理论，采用但屈服面和关联流动法则。屈服面形式是依据能量理论得到的。 假设：
的准则。1) 弹性剪切变形为0；2）材料服从关联流动法则
模型参数为M，?，k。其中M为
p'?q平面上破坏线的斜率。M?6sin?'3?sin?'，?为临界状态现在p'?e平面上的投影以
e?lnp''坐标表示的直线坡率。K为膨胀指数，即e?lnp回
弹曲线的斜率。
十七、给出应变硬化条件下，加载条件。为什么该条件在应变软化条件下不能使用？
答：在应变硬化的调价下，用屈服函数表示的加载条件如下
?ff=0时表示应力状态在屈服面上，
??d?ij?0ij为加载，
d?p?f和d?e同时发生；
??d?ij?0ij为中性变载，只发生弹性变
?f??d?ij?0形d?e；
ij为卸载，只发生弹性变形d?e。
f<0 则表示应力状态在现有屈服面之内，微笑的应力变化只产生弹性应变。
对于各向同性的材料，屈服函数的一般形式可以表示为
f(?1,?2,?3,H)?0f(I1,I2,I3,H)?0f(p,q,?,H)?0
应变软化过程实际上是一种不稳定过程，常伴随着应变的局部化——剪切带的出现，其实应力应变曲线对一些影响因素比较敏感，而且其应力应变间不成单值函数关系，所以反应土的软化的数学模型一般形式比较复杂，也难以准确反映这种应力应
变特点，所以应变硬化条件下的夹在条件不能在应变软化条件下使用。
十八、土的本构模型主要分为哪几类？何为非关联流动法则？写出基于非关联流动法则的弹塑性本构关系。
答：土的本构模型主要分为以下几类：
弹性模型，弹塑性模型，粘弹塑性模型，内时塑性模型 非关联流动法则：在弹塑性理论中，令
f?g，即塑性势面g
与屈服面f不重合，这称为非关联流动法则，基于非关联流动法则的弹塑性本构关系
???g???f?T????D????d??????D????????????D????d????A????f?T??????D????g?????????
十九、试说明屈服点，屈服准则，屈服面，塑性变形和破坏的概念。
答：
1）屈服点：产生屈服现象时的最小应力值即为屈服点 2）屈服准则：用以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
3）屈服面：屈服准则用几何方法来表示即为屈服面和屈服轨迹，由于许多模型都假设土体是各向同性的，则屈服函数可以再三位空间中表示成曲面，称为屈服面
4）塑性变形：当应力完全卸载后，尚不能恢复的变形称为塑性
变形
5）破坏：材料或者结构失去了其基本承载能力或者失去了执行某项功能的基本特性就称其为破坏。
二十、影响饱和土的渗透性的主要因素
答：1土颗粒的组成；2土的状态；3土的结构和构造；4土的饱和度；5渗透流体的影响。
二十一、何为前期固结压力？简述前期固结压力的确定方法。
答:前期固结压力是指土样在历史上受过的最大压力。 卡萨格兰德通过研究土的压缩试验，提出了一种确定前期固结压力的经验方法，该方法是用原状土进行室内压缩试验，并用e-lgp半对数坐标绘制成压缩曲线，在曲线上造出曲率最大的点c。过c做一水平线和对曲线的切线，则两线之间的夹角为a，再过c点作a的角平分线，使其与压缩曲线直线段的延长线交于A点，则A点的横坐标即为前期固结压力。
二十二、何为Mandol-cryer效应？说明其产生的机理。
答：Mandol在分析柱形土体受均布压力沿柱面向外排水时，发现初期孔隙水压力不是消散，而是上升，并且超过应有的孔隙水压力，后来cryer在研究土球受均布压力径向排水时，也发现此现象，故称此现象为mandol-cryer效应。
以土球受径向荷载，径向固结排水为例来说明，在初期某一时间以后，由于边界排水，使靠近周边的空隙压力开始下降，这种下降波及的范围还只有半径的一部分，由于土球的外壳排水后，有效应力增高，将产生收缩，而土球内部没有变形也没有排水，骨架也不能变形，不能承担因土球收缩产生的收缩力，这部分力只有内部土体的空隙水承担，因此内部孔隙水压力增大。
二十三、分析影响地基沉降的主要原因，机理和性质
原因 机理 性质 土体变形 瞬时完成 建筑物荷土体固结时孔隙比发决定于土的应力应变关重 生变化 系，且随时间而发展 土体干缩 取决于土体失水后的性环境荷载 质，不易计算 地下水位变化 由于土层有效应力变化 振动引起土粒重排列 视振动性质与土的密度而不直接与异，不规则 荷载有关土体浸水饱和和湿陷随土性与环境改变的速率的其他因或软化结构破坏丧失而变化，很不规则 素，常常粘聚力 涉及环境地下洞穴及冲刷 不规则，有可能很严重 原因 化学或生物化学腐蚀 不规则，随时间变化 矿井、地下管道垮塌 可能很严重 整体剪切，形变——不规则 蠕变、滑坡 膨胀土遇水膨胀，冻随土性及其湿度与温度而融变形 变化，不规则
二十四、何为应力路径？采用应力路径法计算沉降时常采用哪两种方法？简述其各自的计算步骤。
答：土体中某一点的应力状态，通常可以用摩尔应力园来表示，若用这一应力状态中的最大剪应力来代替莫尔应力园，用最大剪应力的变化曲线来代表土体单元从一种应力状态转变到另一种应力状态，这曲线称为应力路径。
计算沉降可分为有效应力路径法和总应力路径法。它们的计算步骤很相似，首相是在现场荷载作用下，估计地基中有代表性的土体单元的应力路径，然后在实验室内做出这些有代表性土单元的室内实验，复制现场应力路径，并量取实验各阶段的垂直应变，最后就是将各个阶段的垂直应变乘上土层的厚度，即得初始和最后沉降。
二十五、推导二维饱和土的控制微分方程和边界条件。
二十九、简述静止、主动、被动土压力产生的条件，并比较三者的大小。挡土墙为何经常在下暴雨期间破坏？
答：静止土压力产生的条件：挡土墙和土均静止不动，墙后土体处于弹性平衡状态；
主动土压力产生条件：挡土墙在墙后土体的作用下离开土体方
向偏移至土体达到极限平衡状态；
被动土压力的产生条件：挡土墙在外力作用下使墙身向土体方向挤压土体至使土体达到极限平衡状态：
三者的大小关系：主动土压力最小，静止土压力次之，被动土压力最大。
暴雨期间，随着土体中水位的提高，墙除了受到土压力的作用，还受到增加的水压力，并且在水的作用下土的力学性质会变差，土压力也会增加，若水在土中流动，还会增加渗透力（动水压力）。
三十、影响地基承载力的因素有哪些？介绍地基极限承载力和容许承载力的意义。
答：影响地基承载力的因素主要有：
地基土的种类和地下水的情况；地基土的物理力学性质（主要是土的重度，密实度或稠度，抗剪强度等）,基础的宽度和埋置深度。
地基极限承载力：地基达到整体剪切破坏阶段所能承受的最小压力，或地基临近丧失稳定而破坏时承受的压力。
容许承载力：是指地下基础不破坏也不产生过大沉降，即满足强度和变形两个条件的承载力。
三十二、静力许可应力场及机动许可速度场与真实的应力场和速度场有什么联系与区别？
p?三十三、为什么由静力许可应力场求出u总是小于真正的极限荷载pu，而由机动许可速度场求出的p?u总是大于真正的极限荷载pu？
答：根据极限平衡分析法中上限和下限的理论分析可得。 下限理论的出发点是地基的极限荷载唯一地由地基中的应力分布场所确定。一般先假定应力分布场，使满足盈利平衡条件和边界条件，同时又要使地基中任何一点的应力不得超过土的屈
服条件（一般采用摩尔-库仑屈服函数），但可以小于屈服条件，这样的应力场称为“静力容许应力场”。由此所确定的外荷载必然要小于极限荷载的真值。
上限理论的出发点，是根据地基产生了破坏而形成速度场，一般称为“机械许可速度场”，在此速度场中，外荷载的功率与塑性区的内能损耗率相平衡，由此导出极限荷载。由上述理论求得的极限荷载都必然大于破坏荷载真值，因为地基已经破坏，且产生速度场，显然对应的计算荷载应较处于临界破坏状态的外荷载（即极限荷载真值）大。
三十五、阐述土的强度理论与适用性（包括主要强度理论的优缺点）。
答：
1）特雷斯卡准则与广义特雷斯卡准则
实际上是古典强度理论中的最大剪应力理论，可用如下数学表达式表示：
?1??3?2kt
kt为材料常数，是实验中试样破坏时的纯剪应力；
?1和 ?3分
别为最大和最小主应力。
在土力学中，这一准则只适用于饱和粘土的不排水强度指标的计算；
广义特来斯卡准则可表示为：
?1??3?2kt??tI1,其中
?tI1反应平均主应力的影响。
2）米泽斯和广义米泽斯准则
这个准则实际上是古典强度理论中变形理论，可用三个主应力表示为下式：
(????221?2)2?(?23)?(?3??1)2?6km 广义米泽斯准则表达式：J2??mI1?km?0
式中：?m与km为材料常数，J2为第二偏应力不变量。
3）莫尔-库伦强度准则
一个平面上的抗剪强度取决于作用于这个面上的正应力，最简单的莫尔包线是线性的，可用下式表示：
?1??3??sin?1??3?2ccot? 或者：?f?c??tan?
4）莱特-邓肯破坏准则：
莱特和邓肯在1975年针对无粘性土提出了一种适用于砂土的弹塑性模型，采用不相关的流动准则，其中屈服面，塑性势面和破坏面在形状上是一致的，破坏准则可以用应力不变量的形式表示：
f(I1,I33)?I1?kfI3?0，适用于砂土和正常固结粘土，只
有一个材料常数，而且该常数很容易通过三轴试验确定，它的破坏面形状和模型中的屈服面及塑性势面形状一致，并且没有角点，相对讲它是比较合理和方便的。 5）松冈元-中井照夫破坏准则
I1I2I?kf表达式：
3或者
(?1??3)2(?1??2)2??(?2??3)2f?91??3?1?2??k2?3
6）中国西南交大的俞茂鋐认为土的破坏不仅仅取决于大主应力
12(?1??3)，而是由三个主剪应力中两个较大的所决定的，
由此他提出了双剪应力强度理论。
7）隐式的破坏准则：实际上每一个土的本构关系模型都存在一个破坏准则，只不过有的是隐含在本构模型中，并无显式来表示，一般不能直接使用在极限平衡问题的分析中。
三十七、详细阐述地基处理的目的并例举二种地基处理方法与适用性
地基处理的目的:
利用人工置换、夯实、挤密、排水、注浆、加筋和热学等方法手段，对软弱地基土进行改造和加固，来改善地基土的剪韧性、压缩性、渗透性、振动性和特殊土地基的特性，用以提高软弱土地基的强度和稳定性，降低地基的压缩性，减少沉降和不均匀沉降，防止地震时地基土的振动液化，消除区域性土的湿陷性、膨胀性和冻胀性。 换填法
将基础下一定范围内的土层挖去，然后回填以强度较大的砂、碎石或灰土等，并夯实至密实。
适用性：当软弱土地基的承载力和变形满足不了设计要求，而
软弱土层的厚度又不是很大时 预压法
在建筑物或构筑物建造前，先在拟建场地上施加或分级施加与其相当的荷载，使土体中孔隙水排出，孔隙体积变小，土体密实，提高地基承载力和稳定性。 适用性：软土地基
四十二、综述影响土强度的主要因素
影响土强度的因素主要分为两大类，一类是土本身的因素，主要是其物理性质；另一类是外界条件，主要是应力应变条件，
前者可称为内因，后者可称为外因。
1. 内部因素:影响土强度的内部因素又可以分为土的组成（C） 、状态（e）和结构（S） 。其中土的组成是影响土强度的最基本因素，其中包括：土颗粒的矿物成分，颗粒大小与级配，颗粒形状，含水量（饱和度）以及粘性土的离子和胶结物种类等因素。土的状态是影响土强度的重要因素，比如砂土的相对密度大小是其咬合及因此产生的剪胀、颗粒破碎及重排列的主要影响因素；同样粘土的孔隙比和土颗粒的比表面积决定了粘土颗粒间的距离，这又影响了土中水的形态及颗粒间作用力，从而
决定粘性土粘聚力的大小。土的结构本身也受土的组成影响。原状土的结构性，特别是粘性土的絮凝结构使原状土强度远大于重塑土的强度，是不可忽视的影响因素。
2. 外部因素:除了温度以外，外部因素主要是指应力应变因素。包括：应力状态（围压、中主应力）、应力历史、主应力方向、加载速率及排水条件。它们又主要是通过改变土的物理性质而影响土的强度。
四十三、简述极限平衡法、滑移线场法和极限分析法的区别与联系。
1极限分析法是依据上、下限定理进行求解的。应用上限定理极限分析法可以得到极限荷载的上限解。对应构造的一个机动场可以得到一个相应的上限解。应用下限定理极限分析法可以得到极限荷载的下限解。对应构造的一个静力场可以得到一个相应的下限解。一般情况下通过极限分析法可以得到极限荷载可能所处的区间。
2应用极限平衡法求解通常假定一滑动面(或称破坏面)，并给出沿着这一滑动面应力，应用静力平衡的方法并通过比较求出最危险的滑动面，得到极限荷载。在分析中不考虑滑动面外的应力分布。它不满足极限分析法中建立静力场的要求，因此极限平衡法解不是下限解。它也不满足极限分析法中建立机动场的要求，因此它也不是上限解。
3采用上限定理极限分析法得到的一个上限解一定是一个极限平衡法解。
滑移线场法是根据由平衡方程和屈服条件得到的基本方程求解的。一般在荷载作用的附近区域中，构造滑移线场。根据边界条件，应用滑移场理论，求得极限荷载。在滑移线场法中没有考虑土耳其的应力应变关系。它只考虑一部分土体中的应力场。从极限分析理论看由滑移线法求解极限荷载既未证明满足上限定理，也未证明满足下限定理，因此不能说它是上限解，也不能说它是下限解。因此，不能说滑移法解是精确解。如果在滑移线场区域的应力分布能够扩展到全部区域，而且满足静力场的要求，则滑移线法解就是下限解。若能建立与滑移线场对应
2011高等土力学部分考题及答案
