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2017年中科院成都山地灾害与环境研究所《土力学》考研大纲

  《土力学》是土木工程的专业基础课程之一。与之紧密相关的课程《地基基础》、《土力学与地基基础》则是土木工程某些专业的专业课。包括两大部分内容:(1)土的基本物理力学性质,如土的物理性质、渗透性、土中应力、变形特性、抗剪强度。(2)土工结构物的主要计算,如土压力、土坡稳定分析、地基承载力、基础工程、地基处理。

  一、考试内容

  1.土的物理性质

  (1)基本名词与定义

  土、土力学、地基、基础、土的风化、不均匀系数、曲率系数。

  界限含水量ωL、ωP、ωS、塑性指数、液性指数、活动性、相对密度。

  (2)土粒、水、空气三相

  (a)土粒分布、级配。(b)三种水:结晶水、结合水(薄膜水)、自由水。(c)土中气体的物态

  (3)土的物理性质

  (a)无粘性土的相对密度,孔隙比。

  (b)粘性土的调度  液塑性指明

  (4)三相图及物理指标

  (a)熟练绘制三相图、单位三相图

  (b)3个体积、6个重量,共9个物理指标的三种计算方法:即公式套算法:据单位三相图计算法;据三相中三个体积、两重量计算法;(c)9个物理指标的推证。

  (5)土的工程分类

  (a)先分为粗细粒土,对粗粒土定名12个,对细粒土依据ωL、IP在塑性图分类定名。(b)特殊土分类:黄土、红土、膨胀土、杂填土、软土、垃圾。

  2.土中应力

  (1)基本名词与意义

  土中应力为自重应力、附加应力、渗透力。

  基低压力、附加基底压力、有效应力、总应力、孔隙水压力、持力层、下卧层、应力集中与分散、应力跑。

  (2)自重应力计算

  自重应力是有效应力,地下水位以下为浮容量,不透水界面(岩石、不透水土)上下发生突变。

  (3)附加应力

  依据弹性理论进行计算

  (a)先计算基底压力、影响基底压力的三个因素:荷载(大小、型式、方向),基础(尺寸、型式、刚度、埋深),地基土性质。

  (b)空间问题

  即基础长度L与宽度之经小于5时作为空间问题计算,反之作为平面问题计算。

  所有计算公式均较长,不必记背。

  只能计算角点下的附加应力,均由5个符号组成,σZ、ρ、L、B、Z,主要是附加应力系数k的计算及代数叠加。难点是三角形荷载外某点σZ计算。

  (c)平面问题

  可直接计算(查表k值)荷载外任意点的应力。

  (4)计算误差

  地基土上软下硬(E1<E2)将产生应力集中,反之应力扩散。成层土地基(即各向异性地基)一般产生集中。

  (5)有关问题

  了解或掌握感应图计算方法。

  3.土的渗透性

  (1)基本名词与定义

  渗透性、渗透力、流土、管涌、接触流土、接触冲刷、临界水力坡降、允许水力坡降。

  (2)达西定律

  U=Ki、q=KiA均为达西定律表达式。渗透系数k是坡降I=1时的流速。记住砂土、粘土、卵砾石各自k的变化范围。

  (3)渗流下的应力状态

  推导渗流向上向下的应力状态,并画总应力σ、孔隙水压力u、有效应力σ′图。

  (4)土的渗透稳定性

  四种典型的渗透破坏型式,各自产生的环境条件。

  (5)k的影响因素

  土粒大小与级配、密度、水、气体。推导成层土的Kx、Ky。(a)推导Kx时用了二个物理概念,即各层土流量qi之和等qx,以及各层土水力坡降ii总流量相等。(b)Ky的推导也用了二个物理概念,即各层土流量相等,以及各层土水头损失之和等于总的水头损失。

  (6)推导常水头及变水头试验的渗透系数k的计算式。

  4.土的压缩性及地基变形计算

  (1)基本名词与定义

  侧限压缩、压缩系数av、压缩指明Cc、压缩模量Es、变形模量E、弹性模量E、体积压缩系数mv、av与Es判别土的压缩性侧面系数ko、侧胀系数μ(即泊松比)、先期固结压力、超固结比OCR、固结度、固结系数Cv、时间因数Tv。

  (2)土的压缩性

  忽略孔隙水及土粒体积的压缩量,土的压缩是孔隙体积的减小。

  压缩量随时间增长的过程称为固结,当有效应力等于压缩应力以后的变形称为次固结。e-p曲线上每点的物理意义是该压力P作用下压缩稳定以后对应的孔隙比e。

  推导单向压缩公式

  (压缩前后土粒体积不变)。熟练掌握由以上各式计算土体压缩量。

  推导e-p与e-logP曲线的增量与微分关系av与Cc的关系式。

  推导μ~k0、E~Es的关系式。

  (3)压缩量Si(沉降量)计算

  (a)同e-p曲线计算Si的方法与步骤。

  (b)由e-logp曲线计算Si的方法与步骤:确定pc、将试验曲线修复成现场压缩曲线、分OCR=1、>1、<1计算Si。

  (4)太沙基-维渗流固结理论

  推导饱和土体-维渗流方程,流出的水量等于孔隙体积的变化量,使用固结度Ut~Tv曲线计算St或t。掌握地基变形S与时间t的其它方法和表达式。了解其它二、三维固结理论。

  5.土的抗剪强度

  (1)基本名词与定义

  抗剪强度、极限平衡状态、莫尔-库伦强度理论、直剪与三轴剪切的三个方法与名称、应力路径、灵敏度、触变性、残余强度、天然休止角。

  (2)熟练绘制τf-σ坐标系统的莫-库极限平衡状态,标出各点坐标及各线段尺寸,推导σ1=f(σ3,c,φ)或σ3=f(σ1,c,φ)极限平衡表达式,以及sinφ、1/2(σ1-σ3)等的极限平衡表达式,并用于土体受力状态。

  (3)剪切试验

  了解直剪和三轴剪切的基本原理和试验过程,掌握资料分析整理方法,推导十字板抗剪强度表达式。了解孔隙系数A、B物理意义及推导。

  应力路径是某点应力在特定方向上的运动轨迹。了解直剪、三轴压缩、伸长、k0剪切等的应力路径。

  (4)剪切特性

  (a)无粘性土(砂性土)的应力应变曲线分为典型的硬化型(近似双曲线)和软化型、体积产生胀缩、孔压产生正负。

  了解其强度或φ的构成因素。

  (b)粘性土也具有砂性土的上述性质,但机理不同。

  (5)抗剪强度的表达与取值

  有总应力和有效应力强度指标两种表达方式。

  使用总应力强度指标时,须根据情况选择相应的直剪和三轴剪切的指标。

  (6)本构关系

  掌握线弹性及非线弹性本构关系,推导邓肯-张模型的Et、μt表达式,深刻理解八个的物理力学意义。

  6.填土的力学性质

  (1)基本名词与定义

  最优含水量、最大干密度、湿化、崩解。

  (2)细粒土

  击实特性与含水率紧密相关,理解干密度ρd~含水率ω的相关关系。影响击实性的因素有击实功N=f(落距H、锤重W、二者乘积的冲量、击锤面积)、土类。

  掌握细粒土的渗透、压缩、剪切性质。了解细粒土的抗拉强度。

  (3)粗粒土

  粗粒土击实试验方法、性质、影响因素,试验级配处理方法。

  在不同压力下的剪切性质,影响抗剪强度的主要因素。

  粗粒土的湿化(软化)性质。

  7.土压力

  (1)基本名词与定义

  土压力、主动土压力、被动土压力、静止土压力。

  (2)土压力与位移的关系

  位移为零,则是静止土压力P0、有位移则产生主动Pa或被动土压力Pp。三个大小顺序为Pp>P0>Pa。

  (3)郞肯理论

  首先假定墙背垂直、光滑、填平水平。

  熟练掌握土压力计算方法、绘制土压力分布图、明确土压力的大小、方向及合力作用点。

  所有土压力计算式均可写为P=rzk,即深度z的土压力为该点竖向荷载rz乘以土压力系数k。用这一概念计算压力简便、概念明确、不易出错。

  地面荷载、地下水、成层土等的土压力计算。

  (4)库伦理论

  假定挡墙、滑体为刚体、滑动面为直线、填土为无粘性土(c=0)。熟悉库伦理论各力的要素,特别是墙背土压力的方向与作用点。了解考尔曼图解法、建筑地基规范推荐的公式。

  (5)影响土压力的因素

  从库伦理论入手P=f(墙背粗糙程度δ、墙背倾斜ε、墙后填土ε、c、φ、γ)。影响最大的φ、c。

  减小土压力的措施也可以从上述因素着手,如减压平台、折线型墙背,利用土体压重等。特别是排水措施的设置,一方面因同墙高的水压力是主动土压力的三倍左右,另一方面降低了填土的c、φ值,可以理解为挡土墙不是被土推垮的,而是被水推垮的最好解释。

  (6)新型支地挡结构

  了解锚定板、土工织物挡土墙、板桩墙的荷载及受力特点,关心、了解并推广使用这些轻型、新型支挡结构。具体设计可参见相关专著。

  8.土坡稳定性分析

  (1)各种土坡可能滑动面的型式。

  (2)无粘性土坡稳定分析的基本概念,有无渗流状况的稳定性计算式的推导。

  (3)粘性土坡的稳定性分析以瑞典圆弧为基础,两个基本假定:滑动面是圆弧、滑动体是刚体。稳定安全系数的定义是抗滑力矩与滑动力矩之比。

  (4)太沙基条分法再增加一个假定:条间力大小相等、方向相反,作用在同一条线上,即条间力为零的假定,推导太沙基公式。

  (5)毕肖普引进了抗剪强度安全储备的概念,考虑了条间力。

  (6)凡种常见情况的土坡签定性分析

  坡顶开裂、成层土、坡面荷载、各运行工况、渗流、地震力。

  (7)复合滑动面稳定分析的试算法工作量较大。

  (8)土坡稳定性各种分析方法的优缺点及适用性,强度指标的合理选用。所有各种因素中,强度指标是最重要的。

  9.地基承载力

  (1)基本名词与定义

  地基承载力、基本值、标准值、设计值、极限承载力、允许承载力、地基破坏的三种主要型式、沉降量、沉降差、倾斜、局部倾斜、临塑荷载。

  (2)确定地基承载力有三类方法,熟记极限荷载的计算公式,该公式是一个通式,以该公式为基础,理解地基承载力的影响因素,并辅以汉森公式深入理解。

  (3)掌握现场试验确定地基承载力的各种方法,按规范确定的是允许地基承载力,并应进行深宽修正。

  (4)地基承载力问题讨论的结论是:各方法各公式之间没有明显的差别,而强度指标φ、c可以明显或成倍增减承载力。

  10.桩基础

  (1)桩基类型及分类。

  (2)单桩竖向及水平承载力确定。

  (3)群桩效应及承载力确定方法。

  (4)负摩擦力及桩间土承载力。

  11.地基基础设计及地基处理

  (1)设计步骤、各阶段内容、目标、主要要求及提交的成果。

  (2)基础型式、材料、尺寸、适用性、与地基共同作用时的设计程序(步骤)及各阶段要求。

  (3)各种地基处理方法的原理及主要作用、适用情况。

  (4)各种地基处理方法的设计步骤、施工程序。

  二、复习方法与要点

  (1)复习土力学宜整章或数节的连读与复习。

  (2)动手绘图、推导,必须有适量的习题演练。

  (3)试题可分为两大类:概念题与计算题。

  (a)概念题

  主要有名词解释、填空、是非判断题、选择题、简述、推证等。

  名词解释要准确、简洁。填空的字数要少、准确。是非判断源于概念清晰和深刻理解,图文差别是“坎”或难点。选择题之间概念相近、图文差别小,要题、问结合予以选择。简述题宜层次清楚、文字简洁准确。推证同几何证明题,不能省去关键步骤,可辅以文字、符号说明。

  (b)计算题

  公式较长、难记的、计算量较大的题一般不会考。本课程可考的题有:

  9个物理指标的推证与计算(前已述有三种方法)、土中应力(自重应力、附加应力)、沉降量计算(前述中有2~3个公式可考)、抗剪强度及极限平衡状态、土压力、地基承载力。

  推证题既属概念题,又属计算题。前述内容中已列出可考推证题,宜动手推演。

  (4)本课程有别于其它课程的主要特点是,章与章之间内容差别大。因此,不存在先易后难的考题布局,不要被前面的难题而耽误过多时间,答不上的题宜搁置一边,迅速向下继续答题。

  (5)重复强调的是,本课程读懂以后,必须动手练题。

  参考书目:☆ 962土力学:①《土力学》(第三版),杨进良,中国水利水电出版社,2006;②《地基及基础》(第三版),顾晓鲁,钱鸿缙等主编,中国建筑工业出版社,2003

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