土力学地基基础第四版习题集解答.docx

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土力学地基基础第四版习题集解答

《土力学地基基础》第四版习题集解答，陈希哲

第一章工程地质

1.1如何鉴定矿物？

准备一些常见的矿物，如石英、正长石、斜长石、角闪石、辉石、方解石、云母、滑石和高岭土等，进行比较与鉴定。

1.2岩浆岩有何特征？

准备若干常见的岩浆岩标本，如花岗岩、正长岩、闪长岩、辉绿岩、玄武岩、安山岩、玢岩和辉岩进行鉴定。

1.3沉积岩最显著的特征是什么？

准备多种常见的沉积岩标本，如砾岩、角砾岩、砂岩、凝灰岩、泥岩、页岩、石灰岩和泥灰岩等，进行对比鉴定。

1.4变质岩有什么特征？

准备几种常见的变质岩，如大理岩、石英岩、板岩、云母片岩和片麻岩进行比较与鉴定。

1.5解：

水池长度、宽度、高度分别为50、20、4m壁厚0.3m。

水池与地面齐平。

1）底板浮力计算：

底板~水面之间的水位深度h=4-2.5=1.5m

底板静水压力强度：

Pw=γwh=10×1.5=15KPa=15KN/m2

底板面积S底板=50×20=1000m2

底板上的浮力P浮=Pw×S底板=15000KN

2）不考虑钢筋混凝土水池自重的侧壁摩擦阻力F1和抗浮安全系数计算：

钢筋混凝土水池的侧壁面积S侧壁=2×[（50×4）+（20×4）]=560m2

已知侧壁与土体之间的摩擦强度为μ=10KPa；

侧壁总摩擦力F1=μ×S侧壁=10×560＝5600KN

∵F1＜P浮，抗浮安全系数K=F1/P浮=5600/15000=0.37＜1，

∴在不考虑钢筋混凝土水池自重时，水池刚竣工，未充水，也不考虑池中水重量，此时不安全。

3）考虑钢筋混凝土水池自重的抗浮安全系数计算：

钢筋混凝土的重度一般为γ砼=24KN/m3；

钢筋混凝土水池四个侧壁体积V1=2×[（50×4×0.3）+（20-2×0.3）×4×0.3]=166.56m3

扣掉侧壁厚度尺寸后钢筋混凝土水池底板体积V2：

V2=[（50-0.6）×（20-0.6）]×0.3=287.5m3

所以，水池本身钢筋混凝土的体积V=V1+V2=454m3

钢筋混凝土水池重量W=γ砼×V=24×454＝10896KN

∵F1+W=16496＞P浮，抗浮安全系数K=16496/15000=1.1＞1，

∴在考虑钢筋混凝土水池自重时，此时安全。

1.6解：

1）承压水水头3.2m，故承压水层顶部，即6m处的承压力强度

Pw=γwh=10×1.5=15KPa=15KN/m2

2）基坑底部~承压水含水层顶部之间土层厚度2m，土体自重压力

P=γh1+γsath2=20×1+21×1=41

3）P＞Pw，安全。

1.7解：

注意单位

1.8解：

注意单位

本题如果把时间从10秒换成10分钟，其他条件不变，10分钟=600秒，则：

正好与教材答案一致，所以教材中答案错误。

1.9解：

动水压力计算公式：

GD=iγw，本题中要求用另外的方法。

采用有效应力法。

图1地下水向上渗流图2地下水向下渗流

地下水渗流时，土体中有效应力与静水条件下不同。

1）地下水向上渗流：

取图1中A点的有效应力进行计算。

A点垂直方向：

（公式1）

与自重应力作用下相比，孔隙水压力μ多了一个γwΔh，有效应力少了一个γwΔh。

2）地下水向下渗流：

取图2中A点的有效应力进行计算。

A点垂直方向：

（公式2）

与自重应力作用下相比，孔隙水压力μ少了一个γwΔh，有效应力多了一个γwΔh。

3）从公式1中，可以得到：

（公式1）

公式3中，γwi就是渗流力及其表达式，渗流力是一种体积力。

1.10解：

1）实际水力坡度i=h/L=70/60=1.17

2）砂土临界水力坡度icr=γ’/γw=10.2/10=1.02

3）i＞icr，不安全，发生流土。

复习思考题

1.1工程地质包括哪些主要内容？

工程地质作为一门独立的学科与土木建筑工程有何关系？

1）内容参照孔思丽主编《工程地质学》教材目录和绪论P1第1、2段：

工程岩土学、工程地质分析和工程地质勘察三个主要部分，自己看书细化内容。

2）与土木建筑关系：

主要指工程地质与岩土工程的关系。

在土木工程中，岩土工程的地位非常重要，在总造价和总工期中均占三分之一左右。

岩土、地基基础问题往往是影响投资和制约工期的主要因素，如果处理不当，有时会带来灾难件的后果。

与岩土有关的工程问题主要有强度破坏问题（包括地基、边坡、挡土墙、基坑的稳定性的后果；变形破坏问题（包括地基的沉降和不均匀沉降问题）；渗透破坏问题（包括流砂、管涌、冻胀、溶蚀的问题）；变形破坏问题（包括地基的沉降和不均匀沉降岩土工程是一门综合性很强的学科，在理论和方法上，需要工程地质学、岩土力学、工程力学、建筑结构、建筑施工等多学科的相互渗透；工程实践中，需要勘察、设计、施工、监测、监理、科研等各方面的密切配合。

岩土工程是以解决岩体与土体工程问题，包括地基与基础、边坡和地下工程等问题，作为自己的研究对象。

它涉及到岩土体的利用、整治和改造，包括岩土工程的勘察、设计、治理、监测和监理五个方面。

关于岩土工程与工程地质之间关系的论述，国内各家已有诸多见解，大致归纳起来有以下四种。

第一种见解认为：

岩土工程是工程地质学的分支；

第二种见解认为：

岩土工程是岩土力学在岩体工程和土体工程上的应用；

第三种见解认为：

岩土工程是把岩土体既作为建筑材料，也作为地基、介质或环境的结构工程，更确切地说是基础工程（下部结构）和地下结构工程。

不难看出，这三种见解分别出自工程地质专业人员、岩土力学专业人员和结构工程专业人员。

这些见解虽然各有一定的道理，但都不能全面客观地反映迄今为止国内外众多岩土工程实例的特点和本质。

第四种见解则是我国国家标准《岩土工程勘察规范》对岩土工程的定义：

岩土工程是以土力学、岩石力学、工程地质学和地基基础工程学为理论基础，以解决和处理在工程建设中出现的所有与岩土体有关的工程技术问题的一门地质和工程紧密结合的新专业学科。

与前三种见解明显不同的是：

①它强调了工程地质、岩土力学、结构工程之间的关系是既有区别又相互紧密结合的关系，而不是从属的关系；②明确指出，岩土工程的学科范畴是包括多种学科、技术和方法的土木建筑工程。

也就是说，岩土工程是多种技术和方法相结合的综合技术方法，岩土工程学科是多学科相互渗透、结合的边缘学科，它不从属于某单一学科。

岩土工程相关学科的学科组合或学科群称为岩土工程学，它主要由工程地质学科、岩土力学学科和结构学科组成。

由此可见，工程地质是岩土工程分析的条件，与岩土力学和结构工程学（钢筋混凝土结构、砌体结构及钢结构等）既相互区别又紧密结合，岩土工程学是上述三门学科的边缘学科，不能笼统地称其为工程地质学的分支。

岩土体是地质体的一部分，其工程性质的形成和演化以及对建筑的适应性与它的物质组成、结构和赋存环境息息相关。

因此，岩土工程师在着手解决任何一项岩土工程问题时首先要查明岩土体的地质特征和场地工程地质条件，尤其是地质条件比较复杂的重大工程，场地工程地质条件的研究更显得重要，甚至会成为影响工程效益、投资成败的关键。

可见，岩土工程师必须具备地质和工程地质的基本理论知识，要有较好的地质素养。

可以认为，工程地质学是岩土工程的重要基础和支柱。

1.2常见的矿物有哪些？

原生矿物与次生矿物有何不同？

提示：

教材P19~20。

参照《工程地质学》教材更全面。

1.3矿物的主要物理性质有哪些？

鉴定矿物常用什么方法？

怎样区分石英与方解石？

A提示：

教材P20。

B鉴定矿物方法：

1）肉眼鉴定；2）岩矿鉴定（如显微镜鉴定、差热分析、X射线衍射分析、电镜扫描等等）；3）野外简易试验（如盐酸、硝酸滴定等等）

C石英和方解石区别：

野外主要靠硬度、解理和断口、盐酸滴定确定。

成分

形状

颜色

条痕

光泽

硬度

解理和断口

相对密度

其他

石英

SiO2

粒状、六方棱柱状

或晶簇状

乳白、无色

其他颜色

无

玻璃

或油脂

7

贝壳状断口

2.6

晶体柱面上

有横条纹

方解石

CaCO3

粒状、棱面体

无色

无

玻璃

3

三组完全解理

2.7

滴盐酸起泡

1.4岩石按成因分哪几类？

各类岩石的矿物成分、结构与构造有何区别？

试举出各类岩石的三种常见岩石。

花岗岩、闪长岩、砂岩、石灰岩、石英岩和板岩属于哪类岩石？

提示：

教材P20~21。

参照《工程地质学》教材更全面。

花岗岩、闪长岩为岩浆岩；砂岩为沉积岩；石英岩和板岩为变质岩。

1.5何谓第四纪沉积层？

它是如何生成的？

根据搬运与沉积条件不同，第四纪沉积层分哪几种类型？

提示：

教材P22~26。

1.6何谓坡积层？

坡积层有何特点？

若建筑物造在坡积层上应注意什么问题？

提示：

教材P23。

1.7冲积层有哪些主要类型和特点？

平原河谷冲积层中，哪一种沉积层土质较好？

哪一种沉积层土质最差？

何故？

提示：

教材P24~25。

1.8洪积层是怎样生成的？

有何特性？

以洪积层作为建筑物地基需注意什么问题？

提示：

教材P23~24。

1.9沼泽沉积层有何演变过程？

它由什么土组成？

这种土的含水率、透水性和压缩性如何？

如必须在沼泽沉积层上造永久性建筑物怎么办？

提示：

教材P26。

必须在沼泽上修建建筑物，必须通过首先岩土工程勘察详细了解场地和地基的工程地质、水文地质、环境条件，对其进行分析评价，确定沼泽相沉积物的物理力学、渗透、成分、腐蚀性等全方位特征。

其次根据具体情况和拟建建筑物特征和要求以及环境要求、业主工期、经济性要求等综合考虑，选择合适的地基处理方法或桩基础类型。

预防出现地基稳定事故和变形过大事故。

在施工过程中和建筑物使用期，除了保证施工质量外，还必须通过监测手段，确保建筑物安全。

1.10何谓不良地质条件？

为什么不良地质条件会导致建筑工程事故？

工程地质条件——即工程活动的地质环境，它包括岩土类型及性质、地质构造、地形地貌、水文地质、不良地质现象和天然建筑材料等方面，是一个综合概念。

不良地质条件——这是指对工程程建设有影响的地质条件，根据工程地质条件的定义，不良地质条件包括：

岩土体复杂，具有特殊性；结构面发育；地形地貌复杂；水文地质条件复杂；各种不良地质作用及其形成的灾害；天然建材的缺乏或距离太远或质量太差、人类工程活动对场地地基影响大等等。

陈希哲编著的土力学地基基础教材中列出的断层、节理、滑坡、河床冲淤、岸坡失稳、河沟侧向位移等等都是不良地质条件的具体类型。

不良地质条件对建筑物、场地、地基及周边环境等构成威胁和危害，它影响到建筑物的整体布局、成本、工期、设计和施工方法。

举例：

参照教材P26~30。

1.11什么是断层？

断层与节理有何不同？

两者对建筑工程各有什么危害？

提示：

教材P26~27。

不同：

规模、影响程度和范围、两盘是否发生位移都不同。

自己总结。

1.12在山麓或山坡上造建筑物，应注意什么问题？

试举实例加以说明。

提示：

教材P27滑坡内容。

注意边坡变形过大、开裂和滑坡问题。

实例见P27。

1.13靠近河岸修建筑物，可能会发生什么工程事故？

如何才能避免事故发生？

提示：

教材P28~30滑坡内容。

注意河床冲淤、岸坡失稳、河沟侧向位移等问题。

实例见P28~30。

1.14地下水对建筑工程的影响，包括哪些方面？

怎样消除地下水的不良影响？

提示：

影响：

教材P30~31滑坡内容。

消除影响：

进行详细的岩土工程勘察，详细了解地下水的水文地质条件及其变化规律、地下水对岩土体性能、建筑材料和环境的影响，根据具体情况采取处理措施。

如：

举例见教材P30~31、P32、P36等。

例如基础埋深置于地下水位以下或降排水或截水、防止地下水对岩土体，特别是特殊岩土体的不良影响、基坑降水、确定合理的抗浮设计水位、防止渗透变形破坏（流沙、管涌等）、通过水质分析却滴定其腐蚀性及采取合理工程措施等。

1.15地下水运动有何规律？

达西定律的物理概念是什么？

何谓土的渗透系数？

如何确定渗透系数的大小？

提示：

教材P32~35滑坡内容。

确定渗透系数大小：

1）取地区经验数据或者类似工程地质水文地质条件下的相邻工程渗透系数数据；2）取样室内测试，测定渗透系数；3）抽水、压水、注水试验或其他原委测试试验测定渗透系数。

1.16试阐述动水力、流土和管涌的物理概念和对建筑工程的影响。

提示：

教材P25内容。

第二章土的物理性质和工程分类

2.1解：

运用已知条件，按照土的三相关系，求出三相值，再按照各个参数的定义求得参数

已知：

M=95.15gMs=75.05gMw=95.15-75.05=20.1gV=50cm3，Gs=Ms/Vs=2.67

有：

ρ=M/V=1.9g/cm3；ρd=Ms/V=1.5g/cm3；ω=Mw/Ms=0.268=26.8%

因为Mw=95.15-75.05=20.1g，ρw=1g/cm3；所以Vw=20.1cm3；

由Gs=Ms/Vs=2.67，推出：

Vs=Ms/2.67=75.05/2.67=28.1cm3；

Vv=V-Vs=50-28.1=21.9cm3；Va=Vv-Vw=21.9-20.1=1.8cm3；

天然密度ρ=M/V=1.9g/cm3；

干密度ρd=Ms/V=1.5g/cm3；

饱和密度ρsat=（Mw+Ms+Va×ρw）/V=（20.1+75.05+1.8×1）/50=1.94g/cm3；

天然含水率ω=Mw/Ms=0.268=26.8%

孔隙比e=Vv/Vs=21.9/28.1=0.78

孔隙度n=Vv/V=21.9/500=0.438=43.8%

饱和度Sr=Vw/Vv=20.1/21.9=0.918

2.2解：

运用已知条件，按照土的三相关系，求出三相值，再按照各个参数的定义求得参数

已知：

天然密度ρ=M/V=1.84g/cm3；土粒比重Gs=Ms/Vs=2.75；水位以下饱和度Sr=Vw/Vv=1

假设V=1cm3；

则：

M=1.84g；Ms=2.75Vs；

Ms+Mw=1.84；ρw=1g/cm3；数值上Mw=Vw

有2.75Vs+Vw=1.84

Vs+Vw=1

解上述方程组得：

Vs=0.48；Vw=0.52=Vv；故：

Mw=0.52g；Ms=2.75Vs=1.32g；

天然密度ρ=M/V=1.84g/cm3；

干密度ρd=Ms/V=1.32g/cm3；

饱和密度ρsat=（Mw+Ms+Va×ρw）/V=（0.52+1.32+0×1）/50=1.84g/cm3；

天然含水率ω=Mw/Ms=0.52/1.32=0.394=39.4%

孔隙比e=Vv/Vs=0.52/0.48=1.08

孔隙度n=Vv/V=0.52/1=0.52=52%

饱和度Sr=Vw/Vv=1

2.3解：

运用已知条件，按照土的三相关系，求出三相值，再按照各个参数的定义求得参数

已知：

干密度ρd=Ms/V=1.54g/cm3；土粒比重Gs=Ms/Vs=2.71；天然含水率ω=Mw/Ms=0.193

假设V=1cm3；则：

ρd=Ms/V=1.54g/cm3；有：

Ms=1.54g；

土粒比重Gs=Ms/Vs=2.71有：

Vs=0.568cm3；

天然含水率ω=Mw/Ms=0.193有：

Mw=0.287g，ρw=1g/cm3，Vw=0.287cm3；

M=Ms+Mw=1.54+0.287=1.827g

Vv=V-Vs=1-0.568=0.432cm3；

Va=Vv-Vw=0.432-0.287=0.145cm3；

天然密度ρ=M/V=1.827/1=1.827g/cm3；

干密度ρd=Ms/V=1.54g/cm3；

饱和密度ρsat=（Mw+Ms+Va×ρw）/V=（0.287+1.54+0.145×1）/1=1.972g/cm3；

天然含水率ω=19.3%

孔隙比e=Vv/Vs=0.432/0.568=0.76

孔隙度n=Vv/V=0.432/1=0.432=43.2%

饱和度Sr=Vw/Vv=0.287/0.432=0.66

又已知WL=28.3%；Wp=16.7%；ω=19.3%；

所以：

Ip=WL-Wp=28.3-16.7=11.6；大于10，小于17，所以为粉质粘土。

IL=（W-Wp）/（WL-Wp）=（19.3-16.7）/（28.3-16.7）=0.22，位于0~0.25之间，硬塑

2.4解：

已知：

V=100cm3；M=241-55=186g；Ms=162g；土粒比重Gs=Ms/Vs=2.70；

Mw=M-Ms=186-162=24g，ρw=1g/cm3；所以Vw=24cm3；

土粒比重Gs=Ms/Vs=2.70；所以Vs=Ms/2.70=60cm3；

V=100cm3；Vs=60cm3；Vw=24cm3；所以Vv=V-Vs=100-60=40cm3；Va=Vv-Vw=40-24=16cm3；

所以：

天然密度ρ=M/V=186/100=1.86g/cm3；

干密度ρd=Ms/V=162/100=1.62g/cm3；

饱和密度ρsat=（Mw+Ms+Va×ρw）/V=（24+162+16×1）/100=2.02g/cm3；

天然含水率ω=Mw/Ms=24/162=0.148=14.8%

孔隙比e=Vv/Vs=40/60=0.67

孔隙度n=Vv/V=40/100=0.4=40%

饱和度Sr=Vw/Vv=24/40=0.6

综上所述：

ρsat＞ρ＞ρd

2.5解：

已知该样品为砂土，按照教材P61表2.5从上至下判别：

从给出数值可知：

粒径大于0.5mm的颗粒质量占总质量的百分比为：

9%+2%=11%，，小于50%，故不是粗砂；

粒径大于0.25mm的颗粒质量占总质量的百分比为：

24%+9%+2%=35%，小于50%，故不是中砂；

粒径大于0.075mm的颗粒质量占总质量的百分比为：

15%+42%+24%+9%+2%=92%，大于85%，故为细砂；

注意：

虽然粒径大于0.075mm的颗粒质量占总质量的百分比为92%，大于50%，可定名为粉砂，但是根据砂土命名原则，从上至下判别，按照最先符合者定名，故该样品为细砂。

2.6解：

已知条件见题目。

甲样已知：

天然含水率ω=Mw/Ms=0.28；土粒比重Gs=Ms/Vs=2.75；饱和度Sr=Vw/Vv=1

假设：

Vs=1cm3；

Gs=Ms/Vs=2.75；故Ms=2.75Vs=2.75g；

ω=Mw/Ms=0.28；故Mw=0.28Ms=0.77；所以：

M=Ms+Mw=2.75+.77=3.52g；

Mw=0.28Ms=0.77；ρw=1g/cm3；所以Vw=0.77cm3；

Sr=Vw/Vv=1，故Vv=Vw=0.77cm3；Va=0cm3；

V=Vs+Vv=1+0.77=1.77cm3；

对于甲样有：

天然密度ρ=M/V=3.52/1.77=1.99g/cm3；

干密度ρd=Ms/V=2.75/1.77=1.55g/cm3；

孔隙比e=Vv/Vs=0.77/1=0.77

-------------------------------------------------------------

乙样已知：

天然含水率ω=Mw/Ms=0.26；土粒比重Gs=Ms/Vs=2.70；饱和度Sr=Vw/Vv=1

假设：

Vs=1cm3；

Gs=Ms/Vs=2.70；故Ms=2.70Vs=2.70g；

ω=Mw/Ms=0.26；故Mw=0.26Ms=0.70；所以：

M=Ms+Mw=2.70+.70=3.40g；

Mw=0.28Ms=0.70；ρw=1g/cm3；所以Vw=0.70cm3；

Sr=Vw/Vv=1，故Vv=Vw=0.70cm3；Va=0cm3；

V=Vs+Vv=1+0.70=1.70cm3；

对于乙样有：

天然密度ρ=M/V=3.40/1.7=2.0g/cm3；

干密度ρd=Ms/V=2.7/1.7=1.59g/cm3；

孔隙比e=Vv/Vs=0.70/1=0.70

所以：

题目中，②错，③错，④对。

-------------------------------------------------------------

对于甲土样：

又已知WL=30%；Wp=12.5%；ω=28%；

所以：

Ip=WL-Wp=30-12.5=17.5；大于17，所以为粘土。

IL=（W-Wp）/（WL-Wp）=（28-12.5）/17.5=0.88，位于0.75~1之间，软塑；

--------------------------------------------------------

对于乙土样：

又已知WL=14%；Wp=6.3%；ω=26%；

所以：

Ip=WL-Wp=30-12.5=7.7；小于10，所以为粉土。

因为塑性指数Ip的大小反映了土体中粘粒含量的大小。

因此，甲Ip＞乙Ip，故甲样粘粒含量大于乙样。

对①。

2.7解：

已知：

土粒比重Gs=Ms/Vs=2.72；孔隙比e=Vv/Vs=0.95；饱和度1：

Sr=Vw/Vv=0.37

V=1m3；饱和度2：

Sr=Vw/Vv=0.90

e=Vv/Vs=0.95；故有：

Vv=0.95Vs；因为Vv+Vs=1.95Vs=1m3；

所以Vs=0.513m3；Vv=0.95Vs=0.487m3；

Sr=Vw/Vv=0.37，所以Vw=0.37Vv=0.18m3；Mw=0.18t；

仅仅饱和度提高以后，土粒比重不变，土样体积不变，干密度不变；土粒体积和土粒重量不变，Vv不变。

饱和度2：

Sr=Vw/Vv=0.90；

Sr=Vw/Vv=0.90，所以Vw=0.90Vv=0.18m3；Mw=0.438t；

所以每1立方米土样应该加水0.438-0.18=0.258t=258kg。

2.8解：

已知：

土粒比重Gs=Ms/Vs=2.70；干密度ρd=Ms/V=1.66g/cm3；

饱和度Sr=Vw/Vv，分别为0和0.60

假设该土样V=1cm3；有：

干密度ρd=Ms/V=1.66g/cm3；Ms=1.66g；

土粒比重Gs=Ms/Vs=2.70；Vs=Ms/2.7=0.615cm3；

Vv=1-Vs=1-0.615=0.385cm3；

饱和度Sr=Vw/Vv，提高到0.60：

Vw/Vv=0.6，Vw=0.6Vv=0.6×0.385=0.231cm3；Mw=0.231g，

M=Ms+Mw=1.891g，

湿砂的含水率和密度分别为：

天然密度ρ=M/V=1.891/1=1.891g/cm3；

天然含水率ω=Mw/Ms=0.231/1.66=0.139=13.9%

2.9解：

提示：

已知土粒比重，假设不同孔隙比和饱和度，求得不同天然密度，绘制相应曲线。

2.10解：

已知：

M=200g，天然含水率ω=Mw/Ms=15.0%，求ω=Mw/Ms=20.0%应该加多少水。

天然含水率ω=Mw/Ms=0.15，有：

Mw=0.15Ms，

因为M=Mw+Ms=200g,有：

0.15Ms+Ms=1.15Ms=200g，则Ms=173.9g.

加水后Ms不变。

加水前，Mw=0.15Ms=26g，

加水后，Mw=0.20Ms=34.8g，

所以，应该加水34.8-26=8.8g。

第2章复