Civil Engineering

UPSC Civil Engineering 2024 — Paper I

All 8 questions from UPSC Civil Services Mains Civil Engineering 2024 Paper I (400 marks total). Every stem reproduced in full, with directive-word analysis, marks, word limits, and answer-approach pointers.

8Questions
400Total marks
2024Year
Paper IPaper

Topics covered

Structural analysis and design (2)Beam design and limit state method (1)Prestressed concrete and truss analysis (1)Fluid mechanics and soil mechanics problems (1)Dimensional analysis, fluid flow and pile foundation (1)Geotechnical and Water Resources Engineering (1)Geotechnical and Fluid Machinery Engineering (1)

A

Q1
50M Compulsory solve Structural analysis and design

(a) A cantilever beam ABCD, as shown in the above figure, is carrying a uniformly distributed load of 10 kN/m between B & C and a clockwise moment of 50 kN-m at free end D. Draw the free body diagram for A, D and for the member BC only. (10 marks) (b) Cross-section of an axially loaded compression member is shown in the above figure. This compression member was to be loaded at centre 'O' of the Section. Due to mistake this was loaded at point 'P' by a concentrated load of 500 kN. Find out the stresses at points A, B, C and D of the Section. (10 marks) (c) A uniformly distributed load of 20 kN/m intensity and 6 m length moves over a simply supported girder of 30 m span. What will be the maximum bending moment at a section 6 m from the left support A ? (10 marks) (d) Determine the maximum permissible load (P) on the bolt A. Assume the Bolt value as 45·3 kN. (10 marks) (e) What are the functions of transverse reinforcement in a reinforced concrete column ? (10 marks)

हिंदी में पढ़ें

(a) नीचे चित्र में दर्शाए अनुसार एक प्रास धरन ABCD, B और C के बीच 10 kN/m का एकसमान वितरित भार एवं स्वतंत्र सिरे D पर 50 kN-m का दक्षिणावर्त आघूर्ण को वहन कर रही है। A, D और अवयव BC के लिए मुक्त-पिंड-आरेख बनाइए। (10 अंक) (b) नीचे चित्र में एक अक्षीय-भारित-संपीडांग का अनुप्रस्थ काट दर्शाया गया है। इस संपीडांग को काट के केन्द्र 'O' पर भारित किया जाना था। त्रुटिवश इसे 500 kN के संकेन्द्रित भार द्वारा बिन्दु 'P' पर भारित कर दिया गया। काट के बिन्दुओं A, B, C और D पर प्रतिबल ज्ञात कीजिए। (10 अंक) (c) 20 kN/m की तीव्रता एवं 6 मीटर लम्बाई का एक समान वितरित भार, 30 मीटर की विस्तृति वाले शुद्धालम्बित गर्डर पर संचलित होता है । बाँए आलम्ब A से 6 मीटर पर स्थित एक काट पर अधिकतम बकन आघूर्ण कितना होगा ? (10 अंक) (d) बोल्ट A के लिए अधिकतम अनुज्ञेय भार (P) ज्ञात कीजिए । बोल्ट का मान 45·3 kN मान लीजिए । (10 अंक) (e) एक प्रबलित कंक्रीट स्तम्भ में, अनुप्रस्थ प्रबलन के क्या कार्य होते हैं ? (10 अंक)

Answer approach & key points

Solve all five sub-parts systematically, allocating approximately 20% time to each part since marks are equally distributed. Begin with clear free body diagrams for part (a), then proceed through numerical calculations for parts (b), (c) and (d) showing all steps, and conclude with a structured explanation for part (e). Present solutions in sequence (a) through (e) with clear headings and proper units throughout.

  • Part (a): Correct free body diagrams showing reactions at fixed end A, equilibrium at free end D with applied moment, and internal forces/shear-moment distribution for member BC under UDL
  • Part (b): Calculation of direct compressive stress (P/A) and bending stresses (My/I) due to eccentricity at point P, superposition of stresses at corners A, B, C, D using appropriate section properties
  • Part (c): Application of influence line concept or moving load analysis to determine maximum BM at 6m from left support, correct positioning of UDL for maximum effect using influence line ordinates
  • Part (d): Analysis of bolt group eccentricity, calculation of direct shear and torsional shear, vectorial combination to find resultant force on critical bolt A, comparison with given bolt value
  • Part (e): Functions of transverse reinforcement including confinement of core concrete, prevention of longitudinal bar buckling, shear resistance, and ductility enhancement as per IS 456 provisions
Q2
50M solve Beam design and limit state method

(a) A cantilever beam ABC as shown in the above figure is having a total span of 2·0 m. The maximum safe allowable bending stress is 7500 kN/m² for the material. Find the maximum safe uniformly distributed load which this beam can carry. What will be the maximum shear stress at support A for the obtained safe UDL ? (Neglect the self weight of beam) (20 marks) (b) From first principles, derive the expression for determining the depth of neutral axis, for a rectangular reinforced concrete section without compression reinforcement, as per Limit State Method. Use the stress-strain curves for concrete and reinforcing bars shown in the Figs. 1 and 2. (10 marks) (c) Two angles ISA 100×100×12 mm transmit an ultimate tensile force of 540 kN, acting through the C.G. of angle sections as shown in the Figure. The angles are connected to the gusset plate on either side by welding. Design the lengths l₁ and l₂ of the weld if the size of the fillet weld is 6 mm, fᵤ = 410 MPa, partial safety factor for the weld γₘw = 1·25. Relevant portion of the IS 800 : 2007 is enclosed. (20 marks)

हिंदी में पढ़ें

(a) नीचे चित्र में दर्शाई गई प्रास धरन ABC की कुल विस्तृति 2 मीटर है । पदार्थ के लिए अधिकतम सुरक्षित अनुजेय बंकन प्रतिबल 7500 kN/m² है । उस अधिकतम सुरक्षित एक समान वितरित भार को ज्ञात कीजिए जिसे यह धरन वहन कर सकती है । प्राप्त किए गए सुरक्षित एकसमान वितरित भार के लिए आलम्ब A पर अधिकतम अपरूपण प्रतिबल कितना होगा ? (धरन का स्वभार नगण्य है) (20 अंक) (b) सीमान्त-अवस्था-अभिकल्पन विधि द्वारा, बिना संपीडन प्रबलन वाले एक आयताकार प्रबलित कंक्रीट काट के लिए, प्रथम सिद्धान्त के द्वारा, उदासीन अक्ष की गहराई के निर्धारण के लिए व्यंजक व्युत्पन्न कीजिए । चित्र 1 एवं 2 में क्रमशः: कंक्रीट एवं प्रबलन छड़ों के लिए दर्शाए गए वक्रों का उपयोग कीजिए । (10 अंक) (c) दो लोह कोण ISA 100×100×12 mm, चित्र में दर्शाए अनुसार, लोह कोण के गुरुत्व केन्द्र पर लगने वाले 540 kN के चरम तनन बल को प्रेषित करते हैं। लोह कोण, संगम पट्टिका के दोनों ओर वेल्डिंग द्वारा जोड़े गए हैं। यदि फिलेट वेल्ड का आमाप 6 mm हो तो लम्बाई l₁ एवं l₂ की अभिकल्पना कीजिए। fᵤ = 410 MPa, वेल्डिंग के लिए आंशिक सुरक्षा गुणक γₘw = 1·25। IS 800 : 2007 का संबंधित भाग संलग्न है। (20 अंक)

Answer approach & key points

Begin with a clear statement of given data for each sub-part. For part (a), apply bending stress formula σ = My/I and shear stress formula τ = VQ/(Ib) systematically. For part (b), derive the neutral axis depth using strain compatibility and equilibrium of forces from first principles with proper stress-strain diagrams. For part (c), design weld lengths using IS 800:2007 provisions for eccentrically loaded welded connections. Allocate approximately 40% time to part (a), 25% to part (b), and 35% to part (c) based on marks distribution.

  • Part (a): Correct identification of maximum bending moment location and value for cantilever under UDL; calculation of section modulus; determination of safe UDL using σ = M/Z; computation of maximum shear stress at support using τ = VQ/(Ib) or simplified formula
  • Part (a): Proper handling of beam geometry (ABC with possible overhang or varying section) and correct interpretation of 'maximum safe allowable bending stress' as working stress
  • Part (b): Derivation starting from strain distribution (linear, εc at top, εs at steel level), stress-strain relationship for concrete (parabolic-rectangular or as per given Fig. 1), stress-strain for steel (bilinear or as per given Fig. 2)
  • Part (b): Force equilibrium equation: Cc = T → 0.36fckbxu = 0.87fyAst; solving for neutral axis depth xu = (0.87fyAst)/(0.36fckb); clear definition of all terms
  • Part (c): Identification of weld configuration (two angles, welds on both sides of gusset); calculation of throat thickness = 0.7×size; determination of weld strength per unit length = fu/(√3×γmw); resolution of force components and moments about C.G.
  • Part (c): Application of IS 800:2007 clause on eccentrically loaded welds: calculation of direct shear and torsional shear, vectorial combination, and iterative or direct solution for lengths l₁ and l₂ satisfying strength requirements
Q3
50M calculate Structural analysis and design

(a) A box culvert ABCD is shown in the above figure. By using member fixed end moments given above; calculate the final end moments in the box culvert using "Moment distribution method." Also sketch these moments only. (20 marks) (b) Design only the flexural reinforcement for a T-beam section to resist a service moment of 200 kNm. The details of the section are given below: Breadth of flange b_f = 1400 mm Breadth of web b_w = 300 mm Effective depth of the T-beam d = 455 mm Overall depth of the T-beam D = 500 mm Depth of flange D_f = 125 mm Use M25 grade concrete and Fe 500 grade steel. Relevant portion of the IS 456 : 2000 is enclosed. (20 marks) (c) A 10 mts long steel pipe is simply supported at both ends. It is having 500 mm external diameter and 20 mm thickness. It is carrying a total uniformly distributed load of 100 kN/m (including the self weight). Calculate the maximum deflection of the pipe. Take E = 200 GPa. (10 marks)

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(a) नीचे चित्र में एक बक्सा पुलिया ABCD दर्शाई गई है। नीचे दिए गए अवयव-आबद्ध-सिरा-आघूर्णों का उपयोग करते हुए; बक्सा पुलिया के लिए अंतिम सिरा आघूर्णों की गणना "आघूर्ण-वितरण विधि" द्वारा कीजिए। केवल इन आघूर्णों का रेखाचित्र भी बनाइये। M_FAB = –13·5 kN-m M_FBC = –37·5 kN-m M_FCD = –9·0 kN-m M_FAD = +90 kN-m M_FBA = +9·0 kN-m M_FCB = +37·5 kN-m M_FDC = +13·5 kN-m M_FDA = –90·0 kN-m (20 marks) (b) एक T-धरन काट में, 200 kNm के सेवा आघूर्ण को वहन के लिए केवल आनमनी प्रबलन का अभिकल्पन कीजिए । काट का विवरण नीचे दिया गया है : प्लेंज की चौड़ाई b_f = 1400 mm वेब की चौड़ाई b_w = 300 mm T-धरन की प्रभावी गहराई d = 455 mm T-धरन की कुल गहराई D = 500 mm प्लेंज की गहराई D_f = 125 mm M25 ग्रेड कंक्रीट एवं Fe 500 ग्रेड इस्पात का उपयोग कीजिए । IS 456 : 2000 का संबंधित भाग संलग्न है । (20 marks) (c) एक 10 मीटर लम्बा स्टील पाइप दोनों सिरों पर शुद्धालम्बित है। इसका बाहरी व्यास 500 mm और मोटाई 20 mm है। यह कुल 100 kN/m का एकसमान वितरित भार वहन कर रहा है (इसमें स्वभार भी सामिल है)। पाइप के अधिकतम विस्थाप की गणना कीजिए। E = 200 GPa लीजिए। (10 marks)

Answer approach & key points

Calculate the required quantities across all three sub-parts, allocating approximately 40% of effort to part (a) Moment Distribution Method (20 marks), 40% to part (b) T-beam flexural design (20 marks), and 20% to part (c) pipe deflection (10 marks). Begin with clear identification of given data, proceed through systematic calculations with proper formulae from IS 456:2000 and structural mechanics, and conclude with final answers and sketches where demanded. For part (a), show the complete moment distribution table; for part (b), check neutral axis position and design accordingly; for part (c), apply standard deflection formula for UDL.

  • Part (a): Correct application of Moment Distribution Method with proper distribution factors, carry-over factors, and iterative balancing to obtain final end moments for box culvert frame ABCD with given FEM values
  • Part (a): Accurate sketch of bending moment diagram showing hogging and sagging moments at corners and mid-spans of the box culvert
  • Part (b): Correct determination of neutral axis depth by comparing xu with Df using IS 456:2000 Clause 23.1.1, identifying whether flange is in tension or compression zone
  • Part (b): Proper calculation of limiting moment of resistance and required steel area using appropriate equations for T-beam (xu < Df or xu > Df case), with final provision of reinforcement bars
  • Part (c): Correct calculation of moment of inertia for hollow circular section (pipe) using I = π/64 × (D⁴ - d⁴), and application of δmax = 5wL⁴/(384EI) for simply supported UDL
  • Part (c): Proper unit conversion (GPa to kN/m², mm to m) and final deflection value in mm with appropriate significant figures
Q4
50M solve Prestressed concrete and truss analysis

(a) A prestressed concrete T-beam having the cross-section of flange 1500 mm wide and 200 mm thick, rib of 300 mm wide and 1200 mm deep. The beam carries a live load of 20 kN/m apart from its dead load, over a simply supported span of 18 m. The beam is prestressed with a straight cable having constant eccentricity 'e'. Assume the losses of prestress as 16%. Determine the initial prestressing force 'Pᵢ' and its eccentricity 'e', if the permissible net stresses are equal to zero and 5 MPa respectively at top and bottom fibres of the beam. The unit weight of concrete is 25 kN/m³. (20 marks) (b) A pin jointed, symmetrically loaded, truss 'ABCDE' is shown in the above figure. Cross-sectional area of each member is 500 mm² and E = 200 GPa. Forces in the members meeting at joint C are also shown in the figure. Calculate the vertical deflection of joint C by unit load method. (20 marks) (c) What are the different modes of failure of a structural steel tension member ? Explain with sketches. (10 marks)

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(a) एक पूर्व प्रतिबलित T-धरन की अनुप्रस्थ काट में फ्लेंज 1500 mm चौड़ी एवं 200 mm मोटी और रिब 300 mm चौड़ी एवं 1200 mm गहरी है। यह धरन अपने अचल भार के अतिरिक्त 20 kN/m का चल भार, 18 m की शुद्धालम्बित विस्तृति पर वहन करती है। इस धरन को नियत उत्केन्द्रता 'e' वाले सीधे तार से पूर्व-प्रतिबलित किया गया है। पूर्व प्रतिबल में ह्रास 16% मान लीजिए। यदि धरन के शीर्ष और तल के तंतुओं में अनुज्ञेय निवल प्रतिबल क्रमशः: शून्य और 5 MPa है तो प्रारंभिक प्रतिबलन बल 'Pᵢ' और इसकी उत्केन्द्रता 'e' निर्धारित कीजिए। कंक्रीट का एकक भार 25 kN/m³ है। (20 marks) (b) नीचे चित्र में एक पिन जोड़ वाली सममित रूप से भारित कैंची ABCDE दर्शाई गई है। प्रत्येक अवयव का अनुप्रस्थ काट क्षेत्रफल 500 mm² और E = 200 GPa है। जोड़ C पर मिलने वाले सभी अवयवों के बलों को चित्र में दर्शाया गया है। एकक-भार-विधि द्वारा जोड़ C के उद्वर्धर विस्थाप की गणना कीजिए। (20 marks) (c) संरचनात्मक इस्पात के एक तनन अवयव में विभिन्न प्रकार की भंग विधाएं क्या हैं ? रेखाचित्रों द्वारा व्याख्या कीजिए । (10 marks)

Answer approach & key points

Solve this multi-part numerical and descriptive question by allocating approximately 40% time to part (a) prestressed concrete calculations, 35% to part (b) truss deflection analysis, and 25% to part (c) steel tension member failure modes. Begin with clear sectional property calculations for the T-beam, apply Pigeaud's or relevant prestress theory with stress constraints, then use unit load method systematically for the truss, and conclude with well-labelled sketches for failure modes. Present each part distinctly with proper headings and maintain sequential logical flow from given data to final results.

  • Part (a): Calculate section properties of T-beam (area, centroid, moment of inertia) considering flange 1500×200 mm and rib 300×1200 mm; determine dead load as 25 kN/m³ × cross-sectional area
  • Part (a): Apply stress equations at top and bottom fibres using Pᵢ and e with 16% loss factor, setting σ_top = 0 and σ_bottom = 5 MPa under working loads to solve simultaneous equations
  • Part (b): Identify zero-force members and calculate member forces under actual loading and unit load at joint C using method of joints or sections
  • Part (b): Apply unit load method formula Δ = Σ(NnL)/(AE) for all members, tabulating forces N (actual), n (unit), lengths L, and summing contributions
  • Part (c): Enumerate four failure modes: gross section yielding, net section rupture, block shear failure, and shear lag effects with end connections
  • Part (c): Draw clear sketches showing each failure mode with failure planes marked, particularly for bolted/riveted connections typical in Indian bridge girders

B

Q5
50M Compulsory calculate Fluid mechanics and soil mechanics problems

(a) A 125 mm diameter vertical cylinder rotates concentrically inside a fixed cylinder of diameter 130 mm. Both cylinders are 325 mm long. Find the dynamic viscosity of the liquid that fills the space between the cylinders, if a torque of 0·92 Nm is required to maintain a speed of 70 r.p.m. (10 marks) (b) Calculate the friction drag on a flat plate 15 cm wide and 45 cm long placed longitudinally in a stream of oil of relative density 0·925 and kinematic viscosity 0·9 stoke, flowing with a free stream velocity of 6 m/s. Also find the thickness of the boundary layer and shear stress at the trailing edge. Take density of water 1000 kg/m³. (10 marks) (c) A large tank as shown in the above figure has a vertical pipe 70 cm long and 2 cm in diameter. The tank contains an oil of density 920 kg/m³ and viscosity 1·5 poise. Find the discharge through the pipe when the height of the oil level of the tank is 0·80 m above the pipe inlet. (10 marks) (d) A field density test was conducted by core-cutter method and the following data was obtained: Weight of empty core-cutter = 23 N Weight of soil and core-cutter = 50 N Dimensions of the core-cutter dia = 90 mm and height = 180 mm Weight of wet sample for moisture determination = 55×10⁻² N Weight of oven dry sample = 52×10⁻² N Specific gravity of soil grains = 2·70 Determine its dry density, void ratio and degree of saturation. (10 marks) (e) Two plate load tests were conducted at a site – one with a 300 mm square plate and other with a 600 mm square test plate. For a settlement of 25 mm the loads were found to be 21·6 kN and 64·8 kN respectively in the two tests. Determine the allowable bearing pressure of the sand and the load which a square footing 1·5 m×1·5 m can carry with the settlement not exceeding 25 mm. (10 marks)

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(a) एक 125 mm व्यास का उद्वाधर बेलन, एक 130 mm व्यास के आबद्ध बेलन के अन्दर संकेन्द्र: घूमता है । दोनों बेलनों की लम्बाई 325 mm है । यदि 70 r.p.m की गति बनाए रखने के लिए 0·92 Nm बल आघूर्ण की आवश्यकता होती है, तो बेलनों के बीच की जगह में भरे हुए द्रव की गतिक श्यानता ज्ञात कीजिए । (10 अंक) (b) आपेक्षिक घनत्व 0·925 और शुद्ध गतिक श्यानता 0·9 स्टोक वाले एक तेल की धारा, जो एक 6 m/s के स्वतंत्र धारा वेग से प्रवाहित है, में 15 cm चौड़ी और 45 cm लम्बी, अनुदैर्ध्यवत रखी गई, एक चपटी पट्टिका पर घर्षण विकर्ष की गणना कीजिए । सीमान्त परत की मोटाई और अनुगामी किनार पर अपरूपण प्रतिबल भी ज्ञात कीजिए । जल का घनत्व 1000 kg/m³ लीजिए । (10 अंक) (c) नीचे चित्र में दर्शाई गई एक विशाल टंकी में 70 cm लम्बा और 2 cm व्यास का एक उद्वाधर पाइप लगा है । टंकी में, 920 kg/m³ घनत्व एवं 1·5 पायस वाला तेल है । जब टंकी में तेल सतह की ऊँचाई, पाइप के अन्तर्गम से 0·80 m ऊपर हो तो पाइप में से निस्सरण को ज्ञात कीजिए । (10 अंक) (d) कोर कटर (कोर कटर) विधि द्वारा एक क्षेत्र घनत्व परीक्षण किया गया जिससे निम्नलिखित आंकड़े प्राप्त हुए : खाली कोर कटर का वजन = 23 N मृदा एवं कोर कटर का वजन = 50 N कोर कटर की विमाएं : व्यास = 90 mm एवं ऊँचाई = 180 mm जलाश निर्धारण के लिए नम-नमूने का वजन = 55×10⁻² N भट्टी में सुखाए गए नमूने का वजन = 52×10⁻² N मृदा कणों का विशिष्ट घनत्व = 2·70 इसके लिए शुष्कघनत्व, रिक्ति अनुपात, एवं संतृप्ति की मात्रा ज्ञात कीजिए । (10 अंक) (e) एक स्थल पर दो पट्टिका-भार-परीक्षण किए गए एक 300 mm की वर्गाकार पट्टिका से एवं दूसरा 600 mm की वर्गाकार परीक्षण पट्टिका से । इन दो परीक्षणों में 25 mm निष्पदन के लिए बलों का मान क्रमशः 21·6 kN एवं 64·8 kN प्राप्त हुआ । रेत के लिए अनुज्ञेय-धारक-दाब; और निष्पदन के 25 mm से अधिक नहीं होने की स्थिति में एक 1·5 m×1·5 m की वर्गाकार पाद द्वारा वहन किए जाने वाले भार को निर्धारित कीजिए । (10 अंक)

Answer approach & key points

Calculate requires systematic numerical problem-solving across all five sub-parts. Allocate approximately 20% time to each sub-part (a-e) as they carry equal marks. Begin each sub-part by stating the governing formula, substitute values with proper unit conversions, show intermediate calculations, and conclude with final answers in correct SI units. For sub-part (c), note that the figure is not provided—state reasonable assumptions about the pipe configuration (likely vertical with tank at top). No separate introduction or conclusion is needed; present each sub-part clearly labelled with complete working.

  • Sub-part (a): Apply viscous torque formula T = μ(2πR³ωL)/h for concentric cylinder viscometer; convert rpm to rad/s and solve for dynamic viscosity μ
  • Sub-part (b): Determine Reynolds number to confirm laminar flow; apply Blasius solution or appropriate flat plate boundary layer equations for drag, boundary layer thickness δ, and wall shear stress τw
  • Sub-part (c): Apply Hagen-Poiseuille equation for laminar pipe flow considering hydrostatic head as driving pressure; verify laminar assumption with Reynolds number
  • Sub-part (d): Calculate bulk density from core-cutter data, moisture content from oven-drying, then derive dry density, void ratio using Gs, and degree of saturation
  • Sub-part (e): Apply plate load test scaling laws for sandy soils (settlement proportional to plate width); extrapolate from 300mm and 600mm plates to 1.5m footing using Terzaghi's settlement relationship
Q6
50M solve Dimensional analysis, fluid flow and pile foundation

(a) The resistance force F of a ship is a function of its length L, velocity V, acceleration due to gravity g and fluid properties like density ρ and viscosity μ. Write this relationship in a dimensionless form. (15 marks) (b) The stream function for a two-dimensional flow is given by ψ = 2xy. Calculate the velocity and velocity potential at point P(2, 3). (15 marks) (c) A group of nine friction piles is driven through 5 m of clay with unconfined compressive strength of 60 kN/m² followed by 10 m of clay with unconfined compressive strength of 100 kN/m². The piles are in 3 rows and will be 1·00 m centres in a row and the rows will be 750 mm on centres. Each pile has a diameter of 300 mm. If a factor of safety of 2·5 is required, determine the maximum load that can be carried by the group. Take Nc = 9 and unit weight of clay as 16·4 kN/m³. (20 marks)

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(a) पानी के एक जहाज का प्रतिरोधक बल F, इसकी लम्बाई L, वेग V, गुरुत्वाकर्षण g और द्रव गुणों जैसे कि घनत्व ρ एवं श्यानता μ का फलन है। इस सम्बन्ध को विमारहित प्ररूप में लिखिए। (15 अंक) (b) एक द्विविमीय प्रवाह के लिए प्रवाह फलन ψ = 2xy द्वारा दिया गया है। बिन्दु P(2, 3) पर वेग एवं वेग-विभव की गणना कीजिए। (15 अंक) (c) एक नौ-घर्षण स्तम्भों के समूह को, 60 kN/m² की अपरिबद्ध संपीडन क्षमता वाली 5 m मोटी मृत्तिका जिसके नीचे 100 kN/m² की अपरिबद्ध संपीडन क्षमता वाली 10 m मोटी मृत्तिका है, में गाड़ा गया है। स्तम्भों को तीन कतारों में लगाया गया है और एक कतार में स्तम्भ 1·00 m की केन्द्र दूरी पर हैं; कतारें 750 mm की केन्द्र दूरी पर हैं। प्रत्येक स्तम्भ का व्यास 300 mm है। यदि 2·5 का सुरक्षा गुणक आवश्यक है तो समूह द्वारा वहन किए जा सकने वाले अधिकतम भार को निर्धारित कीजिए। Nc = 9 और मृत्तिका का एकक भार 16·4 kN/m³ लीजिए। (20 अंक)

Answer approach & key points

Solve all three sub-parts systematically, allocating approximately 35% time to part (a) dimensional analysis, 30% to part (b) potential flow calculations, and 35% to part (c) pile group capacity. Begin each part with stating the governing equations, show complete derivations with proper units, and conclude with boxed final answers. For part (c), explicitly state whether block failure or individual pile failure governs.

  • Part (a): Apply Buckingham π-theorem correctly with 6 variables and 3 fundamental dimensions to obtain two independent dimensionless groups (Froude number and Reynolds number based forms)
  • Part (b): Calculate velocity components u = ∂ψ/∂y = 2x and v = -∂ψ/∂x = -2y, then find velocity magnitude and direction at P(2,3); verify irrotationality and obtain φ = x² - y² + C
  • Part (c): Calculate individual pile capacity using Qs = α·c·As with appropriate adhesion factor; determine group efficiency using Converse-Labarre formula or block failure perimeter; compare block failure vs. individual failure modes
  • Part (c): Correctly apply spacing parameters (s = 1.0 m, s' = 0.75 m) and group dimensions (2.5 m × 2.0 m block) for efficiency and block failure calculations
  • Part (c): Apply factor of safety of 2.5 to the lesser of group capacity or sum of individual pile capacities divided by efficiency
Q7
50M solve Geotechnical and Water Resources Engineering

(a) A canal is to be excavated through a soil with c = 20 kN/m², φ = 20°, e = 0·80 and G = 2·70. The side slope is 1 in 1. The depth of the canal is to be 8 m. Determine the factor of safety with respect to cohesion when the canal runs full. What will be the factor of safety if the canal is rapidly emptied ? For β = 45°, the stability number for various φ values are as given above. (15 marks) (b) The soil profile at a building site consists of dense sand up to 3 m depth, normally loaded soft clay from 3 m to 8 m depth and stiff impervious rock below 8 m depth. The ground water table is at 0·60 m depth below ground level. The sand has a density of 18·6 kN/m³ above water table and 19·2 kN/m³ below water table. For the clay, natural water content is 50%, liquid limit is 70% and specific gravity is 2·70. Calculate the probable ultimate settlement resulting from a uniformly distributed surface load of 50 kN/m² applied over an extensive area of the site. (15 marks) (c) The flow of water in a canal varies from 425 l/s to 680 l/s. It is desired to discharge not less than 340 l/s of water and not more than 425 l/s over a 90° V-notch weir into one channel, while the remainder goes over a sharp-crested rectangular weir. Find the length of rectangular weir and maximum head on each weir. Take C_d = 0·58 for both weirs. (20 marks)

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(a) एक नहर को एक मृदा, जिसका c = 20 kN/m², φ = 20°, e = 0·80 एवं G = 2·70 है, में खोदा जाना है। पार्श्व ढाल 1 में 1 है। नहर की गहराई 8 m रखनी है। नहर के पूर्ण प्रवाहित होने पर संसजन के सापेक्ष में सुरक्षा गुणक ज्ञात कीजिए। यदि नहर तेजी से खाली की जाए, तो सुरक्षा गुणांक क्या होगा ? β = 45° के लिए, φ के विभिन्न मानों के लिए स्थायित्व अंक निम्नप्रकार हैं : φ (डिग्री में) (in degrees) 5° 10° 15° 20° 25° SN 0·14 0·12 0·10 0·08 0·06 (15 marks) (b) एक निर्माण स्थल पर मृदा परिछेदिका (प्रोफाइल) में सघन रेत 3 m गहराई तक, सामान्य भारित मृद् मृतिका 3 m से 8 m गहराई तक एवं 8 m से नीचे दृढ़-अप्रवेश्य चट्टान है। भौम जल स्तर धरातल से 0·6 m नीचे है। रेत का घनत्व जल स्तर के ऊपर 18·6 kN/m³ और जल स्तर के नीचे 19·2 kN/m³ है। मृतिका के लिए प्राकृतिक जलांश 50%, द्रव सीमा 70% और विशिष्ट घनत्व 2·70 है। स्थल के एक विस्तृत क्षेत्र पर लगाए गए 50 kN/m² के एकसमान वितरित सतही भार के कारण होने वाले संभावित चरम निपदन की गणना कीजिए। (15 marks) (c) एक नहर में जल प्रवाह 425 l/s से 680 l/s तक परिवर्तित होता है। यह अपेक्षित है कि 90° के V-नोच वियर से एक वाहिका में छोड़े जाने वाले जल का विसर्जन 340 l/s से कम एवं 425 l/s से अधिक न हो, जबकि बचा हुआ जल एक तीक्ष्ण-शिखर-आयताकार वियर के ऊपर से जाता है। आयताकार वियर की लंबाई और प्रत्येक वियर के ऊपर अधिकतम दाबोच्चता ज्ञात कीजिए। दोनों वियर के लिए C_d = 0·58 लीजिए। (20 marks)

Answer approach & key points

Solve this three-part numerical problem by addressing each sub-question systematically: (a) apply Taylor's stability number method for canal slope stability under full and rapid drawdown conditions, (b) calculate consolidation settlement using compression index correlations for NC clay, and (c) solve simultaneous weir equations for proportional flow division. Present clear sectional diagrams, state all assumptions, and conclude with practical implications for canal design and foundation safety.

  • Part (a): Correct use of Taylor's stability number Sn = c/(γH·Fc) with submerged unit weight for full canal and saturated unit weight for rapid drawdown condition
  • Part (a): Calculation of factor of safety with respect to cohesion for both cases using given β=45° and φ=20°
  • Part (b): Determination of compression index Cc from liquid limit (Cc = 0.009(LL-10)), initial void ratio from water content, and effective stress increase in clay layer
  • Part (b): Application of consolidation settlement formula ΔH = (Cc·H/(1+e₀))·log₁₀((σ'₀+Δσ')/σ'₀) for normally consolidated clay
  • Part (c): Setting up discharge equations: Qv = Cd·(8/15)·√(2g)·tan(θ/2)·H^(5/2) for V-notch and Qr = Cd·(2/3)·√(2g)·L·H^(3/2) for rectangular weir with simultaneous solution
Q8
50M solve Geotechnical and Fluid Machinery Engineering

(a) A retaining wall 8 m high, with a smooth vertical back is pushed against a soil mass having c = 50 kN/m², φ = 15° and unit weight 18 kN/m³. It carries a surcharge of 40 kN/m² uniformly on its top surface. Draw the passive pressure distribution diagram and find the point of application of the resultant thrust. (15 marks) (b) A particular soil failed under a major principal stress of 600 kN/m² with a corresponding minor principal stress of 200 kN/m². If for the same soil, the minor principal stress had been 300 kN/m², determine what the major principal stress would have been if (i) φ = 35° and (ii) φ = 0°. (15 marks) (c) An inward flow reaction turbine works under a head of 30 m and discharge of 10 m³/s. The speed of runner is 300 r.p.m. At the inlet tip of runner vane, the peripheral velocity of wheel is 0.9√2gH and the radial velocity of flow is 0.3√2gH, where H is the head on the turbine. If the overall efficiency and the hydraulic efficiency of the turbine are 80% and 90% respectively, determine : (i) the power developed in kw (ii) diameter and width of runner at inlet (iii) guide blade angle at inlet (iv) inlet angle at runner vane Assume that the discharge at outlet is radial. (20 marks)

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(a) एक मसृण ऊर्ध्वाधर पृष्ठ वाली 8 m ऊँची एक प्रतिधारक भित्ति को एक मृदा संहति जिसका c = 50 kN/m², φ = 15° एवं एकक भार 18 kN/m³ है, के विरुद्ध धक्का दिया जाता है। यह अपने शीर्ष सतह पर 40 kN/m² का सम अधिभार बहन करती है। निष्क्रिय-दाब-वितरण-आरेख बनाइए और परिणामी प्रणोद के लिए प्रयोग बिंदु भी ज्ञात कीजिए। (15 marks) (b) एक विशिष्ट मृदा, 600 kN/m² के एक उच्च मुख्य प्रतिबल और 200 kN/m² के संगत निम्न मुख्य प्रतिबल पर विफल हो जाती है। यदि इसी मृदा नमूने के लिए निम्न मुख्य प्रतिबल 300 kN/m² होता तो निर्धारित कीजिए कि उच्च मुख्य प्रतिबल कितना होता, यदि (i) φ = 35° एवं (ii) φ = 0° है। (15 marks) (c) एक अंतर्मुख प्रवाही प्रतिक्रिया टरबाइन 30 m की दाबोच्चता और 10 m³/s के निस्सरण पर कार्यरत है। चक्राल (रनर) की गति 300 r.p.m है। चक्राल वेन के अंतर्गम अग्र पर चक्र का परिधीय वेग 0.9√2gH एवं प्रवाह का त्रिज्य वेग 0.3√2gH है, जहाँ H टरबाइन पर दाबोच्चता है। यदि टरबाइन की कुल दक्षता एवं द्रवीय (हाइड्रॉलिक) दक्षता क्रमशः: 80% एवं 90% है तो, ज्ञात कीजिए : (i) उत्पन्न शक्ति, kw में (ii) अंतर्गम पर चक्राल का व्यास और चौड़ाई (iii) अंतर्गम पर निर्देशक ब्लेड कोण (iv) चक्राल वेन पर अंतर्गम कोण निर्गम पर विसर्जन त्रिज्यीय मान लीजिए। (20 marks)

Answer approach & key points

Solve this multi-part numerical problem by allocating approximately 30% time to part (a) passive earth pressure, 30% to part (b) Mohr-Coulomb failure analysis, and 40% to part (c) turbine calculations. Begin each part with the relevant governing equation, show complete derivations with proper units, draw required diagrams to scale with clear labeling, and conclude with physically verified numerical answers.

  • Part (a): Calculate passive earth pressure coefficient Kp using Rankine theory, determine pressure distribution with surcharge component, draw trapezoidal pressure diagram, and locate centroid for resultant thrust application point
  • Part (b): Establish Mohr-Coulomb failure envelope from given stress state, determine cohesion c and friction angle φ, then calculate major principal stress for modified minor principal stress conditions for both φ = 35° and φ = 0° cases
  • Part (c)(i): Calculate power developed using P = η₀ × ρgQH with proper unit conversion to kW
  • Part (c)(ii): Determine inlet diameter from peripheral velocity u₁ = πD₁N/60 and width from continuity equation Q = πD₁B₁Vf₁
  • Part (c)(iii): Find guide blade angle α from tanα = Vf₁/u₁ using velocity triangle geometry
  • Part (c)(iv): Calculate runner inlet angle β from tanβ = Vf₁/(u₁ - Vw₁) using hydraulic efficiency to find Vw₁
  • Verify all calculations: passive pressure increases with depth, failure envelope is consistent, turbine velocities satisfy √2gH relationships, and radial discharge implies Vw₂ = 0

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