土力學(xué)課程特點(diǎn)與教學(xué)措施

李麗民

（湖南科技學(xué)院 土建系，湖南 永州 425199）

土力學(xué)課程特點(diǎn)與教學(xué)措施

李麗民

（湖南科技學(xué)院 土建系，湖南 永州 425199）

土力學(xué)是一門十分重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，土力學(xué)教學(xué)質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到高校人才培養(yǎng)的質(zhì)量。論文從土力學(xué)課程特點(diǎn)入手，結(jié)合多年土力學(xué)教學(xué)實(shí)踐，對土力學(xué)教學(xué)提出了幾點(diǎn)個(gè)人看法，教學(xué)實(shí)踐表明，這些措施對提高土力學(xué)教學(xué)質(zhì)量和效率是有效的。

土力學(xué)；課程特點(diǎn)；教學(xué)措施；高等學(xué)校

1 土力學(xué)課程特點(diǎn)

土力學(xué)是交通、土木、水利、港口、工程管理、巖土工程、工程力學(xué)、給排水工程、環(huán)境工程和地質(zhì)等專業(yè)的十分重要的專業(yè)基礎(chǔ)課之一。土力學(xué)不僅是土木工程專業(yè)知識(shí)體系和課程結(jié)構(gòu)的核心主干課程，而且是學(xué)習(xí)后續(xù)地下結(jié)構(gòu)、地基處理、深基坑和基礎(chǔ)工程等后續(xù)其他專業(yè)課程的重要基礎(chǔ)，對培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐和創(chuàng)新能力，夯實(shí)學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)具有舉足輕重的作用，也是學(xué)生工作后從事土木工作和科學(xué)研究的重要基礎(chǔ)。土木工程的使用、施工和設(shè)計(jì)都與土力學(xué)理論密切相關(guān)，土木工程中很多的工程問題都由土力學(xué)中的穩(wěn)定、滲流、變形等理論及其基本原理方法來指導(dǎo)和解決，土力學(xué)學(xué)得好的學(xué)生，容易自學(xué)，在工作中容易做到觸類旁通，容易適應(yīng)不同的工作，容易處在學(xué)科前沿進(jìn)行科學(xué)研究。土力學(xué)研究的對象是土的物理性質(zhì)及跟土有關(guān)的工程技術(shù)問題。土力學(xué)主要講述土的成因與分類，土的組成和結(jié)構(gòu)，土的物理性質(zhì)指標(biāo)定義及換算與土的物理性，土的壓實(shí)性與動(dòng)力特性，土的自重應(yīng)力、基底壓力、基底附加應(yīng)力的定義與計(jì)算，土的變形性質(zhì)及沉降計(jì)算，土壓力計(jì)算，地基承載能力確定方法和計(jì)算，土坡和地基穩(wěn)定性分析，土的有效應(yīng)力原理，土的抗剪強(qiáng)度理論，土的滲流和壓縮固結(jié)理論。因此，土力學(xué)課程涉及的相關(guān)領(lǐng)域和預(yù)備知識(shí)很多，具有多學(xué)科交叉性，土力學(xué)與高等數(shù)學(xué)、塑性力學(xué)、材料力學(xué)、理論力學(xué)、流體力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、水力學(xué)、彈性力學(xué)、工程地質(zhì)、混凝土結(jié)構(gòu)、土木施工、地基處理、境巖土工程、化學(xué)、生物等課程均有密切聯(lián)系。土力學(xué)的具有力學(xué)特殊性和理論的多樣。土力學(xué)研究的對象是土，由于土具有天然性（非均勻性、各向異性、結(jié)構(gòu)性、時(shí)空變異性）、三相性和碎散性，造成土的工程和力學(xué)性質(zhì)十分復(fù)雜，不像結(jié)構(gòu)力學(xué)只研究桿件構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，彈性力學(xué)和材料力學(xué)一般只研究線彈性體，理論力學(xué)只研究剛體，流體力學(xué)只研究流體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)與運(yùn)用，塑性力學(xué)只研究彈塑性體。土力學(xué)依托的理論具有多樣性。土力學(xué)中解決工程問題的理論基礎(chǔ)是一維固結(jié)理論、有效應(yīng)力原理、抗剪強(qiáng)度理論，采用的研究理論都不同。彈性地基梁和一維固結(jié)理論，將土體看作線彈性體，采用材料力學(xué)計(jì)算理論；有效應(yīng)力原理、土坡穩(wěn)定性分析和擋土墻計(jì)算把土體看作剛體，采用理論力學(xué)計(jì)算理論；地基承載力確定是將土體看作剛——塑性體，采用塑性理論理論；研究黃土的濕陷性時(shí)，采用彈塑性理論。土力學(xué)具有強(qiáng)經(jīng)驗(yàn)性和不完善性。土力學(xué)中土的天然密度、含水量、相對密度、壓縮系數(shù)、液限、液性指數(shù)、塑限、塑性指數(shù)、壓縮模量、粘聚力、內(nèi)摩擦角等重要參數(shù)和指標(biāo)都是通過試驗(yàn)測定得到的。最重要的有效應(yīng)力原理是土固結(jié)試驗(yàn)成果的總結(jié)，最著名的抗剪強(qiáng)度理論也是通過土的強(qiáng)度試驗(yàn)總結(jié)出來的規(guī)律，各種土的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律模型都是土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理歸納得到的，其可靠性主要處決于模型參數(shù)實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，實(shí)驗(yàn)教學(xué)在土力學(xué)教學(xué)過程中非常重要。由于土的復(fù)雜性，土力學(xué)至今仍處在發(fā)展完善過程之中，目前還在半經(jīng)驗(yàn)半理論階段，理論基礎(chǔ)還不完善，在土力學(xué)中土的力學(xué)性質(zhì)仍不能用單一模型來概括，經(jīng)驗(yàn)方法和經(jīng)驗(yàn)公式仍在實(shí)際工程中處于主導(dǎo)地位。各種土力學(xué)計(jì)算公式假設(shè)條件多，有些還互相矛盾，如地基塑性區(qū)求解中，計(jì)算附加應(yīng)力假設(shè)地基為彈性體，用彈性理論計(jì)算，再由莫爾庫侖理論求得地基的塑性區(qū)，易造成教學(xué)中學(xué)生難以理解?？傊?，土力學(xué)本身知識(shí)點(diǎn)分散，理論性強(qiáng)，內(nèi)容多、概念多、公式多，內(nèi)容跳躍性大、連貫性差，還具有明顯的不完善性，加上學(xué)生要學(xué)好土力學(xué)必須具備扎實(shí)的力學(xué)和其他相關(guān)專業(yè)課的知識(shí)，增加了學(xué)習(xí)的難度，學(xué)生學(xué)習(xí)起來頭緒繁多，不具備材料力學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性,不像土木施工課程那樣具有強(qiáng)的操作性，學(xué)生學(xué)習(xí)難度大，學(xué)習(xí)興趣低，課程教學(xué)壓力大。

2 土力學(xué)教學(xué)措施

土力學(xué)教學(xué)課時(shí)少，一般為48課時(shí)，理論課40課時(shí)，實(shí)驗(yàn)課8課時(shí)，內(nèi)容多，要在有限的時(shí)間內(nèi)很好地完成土力學(xué)課程的教學(xué)任務(wù)，取得良好的教學(xué)效果，必須重新整合土力學(xué)教學(xué)的內(nèi)容，遵循土力學(xué)自身的特點(diǎn)，搞好實(shí)驗(yàn)教學(xué)。下面就個(gè)人幾年來的土力學(xué)的教學(xué)實(shí)踐，談幾點(diǎn)措施，以期拋磚引玉。

（1）鉆研教材，把握土力學(xué)主線，找出章節(jié)間的聯(lián)系，對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重新調(diào)整。利用有效應(yīng)力原理、土的變形和強(qiáng)度這根主線，對土力學(xué)教材進(jìn)行認(rèn)真梳理，反復(fù)研讀，精心制作課件和教案，把土力學(xué)中土的滲透性、壓縮性、應(yīng)力、固結(jié)沉降、土地抗剪強(qiáng)度、地基承載力和穩(wěn)定性、擋土墻土壓力等章節(jié)內(nèi)容有機(jī)的結(jié)合起來，改革土力學(xué)教學(xué)內(nèi)容，刪減與工程應(yīng)用聯(lián)系不緊密、陳舊的內(nèi)容，注重基本理論和基本原理的整合，將整個(gè)土力學(xué)整合成土的工程分類與物理性質(zhì)、土的滲透、固結(jié)、抗剪強(qiáng)度等力學(xué)性質(zhì)等兩個(gè)土的性質(zhì)部分和土的變形、土中應(yīng)力、土壓力和邊坡穩(wěn)定分析，地基承載力等四個(gè)理論與工程應(yīng)用部分，減少土力學(xué)與已學(xué)課程的重復(fù)，使得土力學(xué)教學(xué)內(nèi)容連續(xù)系統(tǒng)化，降低了土力學(xué)的教學(xué)難度，使學(xué)生容易理解和掌握，提高了教學(xué)效率和效果。例如講解莫爾-庫侖強(qiáng)度理論時(shí)，結(jié)合圖1對極限平衡原理進(jìn)行詳細(xì)講解，重點(diǎn)要求掌握土體發(fā)生剪切破壞的破裂面與大主應(yīng)力作用面成的角度；已知最小主應(yīng)力3σ時(shí)，處于極限平衡狀態(tài)時(shí)，土體的最大主應(yīng)已知最大主應(yīng)力 σ1時(shí)，處于極限平衡狀態(tài)時(shí)，土體的最小主應(yīng)力并提醒學(xué)生這些是學(xué)習(xí)土壓力和地基承載力的基礎(chǔ)。這樣在講解朗金土壓力計(jì)算時(shí)，取單元土體，根據(jù)其三個(gè)假設(shè)：擋土墻背面豎直、墻背光滑、墻后填土面水平，土壓力的計(jì)算方法是土體處于極限平衡狀態(tài)和半空間的應(yīng)力狀態(tài)，這樣就得到了圖2的莫爾圓。再把土中自重應(yīng)力計(jì)算知識(shí)拉進(jìn)來，土體靜止不動(dòng)時(shí)，作用在墻背的靜止土壓力強(qiáng)度就是土中水平方向的自重應(yīng)力即為k0rz，當(dāng)墻體遠(yuǎn)離土體時(shí)，水平方向土體應(yīng)力越來越小，但豎直方向應(yīng)力即為土中的自重應(yīng)力始終保持不變，當(dāng)處于極限平衡狀態(tài)時(shí)作用在墻背上水平方向應(yīng)力即為主動(dòng)土壓力，從而根據(jù)莫爾——庫侖強(qiáng)度理論很容易得到主動(dòng)土壓力強(qiáng)度當(dāng)墻體靠近土體運(yùn)動(dòng)時(shí)，水平方向應(yīng)力越來越大，最后超過豎直方向的土中自重應(yīng)力后成為最大主應(yīng)力，最后處于極限平衡狀態(tài)時(shí)，作用在墻背上水平方向應(yīng)力即為被動(dòng)土壓力，從而根據(jù)莫爾——庫侖強(qiáng)度理論很容易得到被動(dòng)土壓力強(qiáng)度。在這個(gè)基礎(chǔ)上再引入主動(dòng)土壓力系數(shù)和被動(dòng)土力系數(shù)，以及三個(gè)土壓力的大小關(guān)系和土體發(fā)生主動(dòng)與被動(dòng)破壞時(shí)破壞面與水平的角度關(guān)系，進(jìn)一步對自重應(yīng)力的計(jì)算進(jìn)行復(fù)習(xí)，學(xué)生就很容易掌握。在進(jìn)行地基破壞時(shí)，講解主動(dòng)朗金I區(qū)和被動(dòng)朗金II區(qū)時(shí)，土體也是處于極限平衡狀態(tài)，這樣有了前面的基礎(chǔ)，稍做提示學(xué)生就很快明白了。

圖1 土的極限平衡狀態(tài)莫爾圓

圖2 三種狀態(tài)時(shí)的莫爾圓

（2）遵循土力學(xué)自身特點(diǎn)，注重基本概念，強(qiáng)化案例教學(xué)。土力學(xué)內(nèi)容多、公式多、概念多，在教學(xué)過程中淡化繁瑣的公式的推導(dǎo)，突出概念和理論應(yīng)用，充分調(diào)查學(xué)生目前的學(xué)習(xí)情況，有針對性地對必要的前期知識(shí)準(zhǔn)備進(jìn)行補(bǔ)充，對深?yuàn)W的理論通過案例來進(jìn)行簡化，同時(shí)注重對土力學(xué)發(fā)展前沿的講解，以降低土力學(xué)的學(xué)習(xí)難度，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用知識(shí)和創(chuàng)新能力，最終實(shí)現(xiàn)土力學(xué)的教學(xué)目的。例如在講解土的壓縮性指標(biāo)，講解完后，馬上通過下面案例進(jìn)行鞏固。某地基中粘土層的壓縮試驗(yàn)資料如表 1所示，試計(jì)算壓縮系數(shù)α1-2及相應(yīng)的壓縮模量Es1-2，并評(píng)價(jià)土的壓縮性。通過這一例題使學(xué)生明白了基本概念的工程應(yīng)用價(jià)值，再對土的壓縮原因進(jìn)行擴(kuò)展，對非飽和土理論進(jìn)行講解，從而是學(xué)生既明白了概念，又學(xué)會(huì)了知識(shí)的應(yīng)用，更對土的復(fù)雜性有了更深的認(rèn)識(shí)，對土力學(xué)的前沿非飽和土理論也有了了解；在講解土中附加應(yīng)力計(jì)算時(shí)，直接列出最終需要的計(jì)算公式，刪掉復(fù)雜的理論求解，把學(xué)生用得到的東西擺出來，把理論假設(shè)講清楚；在講解擋土墻土壓力及穩(wěn)定性驗(yàn)算時(shí)，補(bǔ)充組合圖形形心計(jì)算公式方面的知識(shí)，在講解土的壓縮變形計(jì)算時(shí)結(jié)合例題補(bǔ)充數(shù)學(xué)積分方面的知識(shí)，這樣有針對性地掃除學(xué)生學(xué)習(xí)土力學(xué)過程中的難點(diǎn)；通過這些措施，降低了土力學(xué)的學(xué)習(xí)難度，大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了教學(xué)效果。

表1 粘性土壓縮實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

（3）注重實(shí)驗(yàn)教學(xué)，通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)強(qiáng)化基本理論、基本概念，增強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手能力、運(yùn)用知識(shí)解決工程實(shí)際問題能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)由于受實(shí)驗(yàn)條件和學(xué)生人數(shù)的限制，往往造成很多學(xué)生不動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)，抄襲別人實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的現(xiàn)象。為改變這一現(xiàn)狀，對實(shí)驗(yàn)教學(xué)采取集中時(shí)間按小班進(jìn)行，每個(gè)小班分成三個(gè)大組，然后再將每個(gè)大組分成小組，保證每個(gè)組的人數(shù)在3個(gè)以下，要求人人動(dòng)手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每個(gè)學(xué)生都上交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。實(shí)驗(yàn)前要求學(xué)生認(rèn)真閱讀實(shí)驗(yàn)報(bào)告，實(shí)驗(yàn)時(shí)清點(diǎn)學(xué)生人數(shù)，針對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行隨機(jī)提問，回答問題計(jì)入實(shí)驗(yàn)成績。通過實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生明白基本概念，熟悉設(shè)備操作和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，加深對了對土力學(xué)基礎(chǔ)理論知識(shí)的理解，提高了土力學(xué)的教學(xué)效果。例如通過土的三相指標(biāo)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生深刻理解了含水量、密度、相對密度等系列土的性質(zhì)指標(biāo)概念；通過液限塑性實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生明白了液限、塑性、液限指數(shù)和塑性指數(shù)的概念；通過壓縮實(shí)驗(yàn)和剪切實(shí)驗(yàn)使學(xué)生對固結(jié)理論和抗剪強(qiáng)度理論有了深刻認(rèn)識(shí)；通過篩分實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生對土的顆粒級(jí)別，土的工程應(yīng)用判斷有了深刻認(rèn)識(shí)；從而進(jìn)一步鞏固了課堂理論教學(xué)效果，激發(fā)了學(xué)生探求新知識(shí)的欲望。

3 結(jié) 語

新的形勢下，提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)創(chuàng)新性應(yīng)用人才是高校教學(xué)的追求的目標(biāo)。土力學(xué)是十分重要的專業(yè)基礎(chǔ)主干課程，具有很強(qiáng)的實(shí)用性和技術(shù)性，與工程實(shí)踐關(guān)系密切，土力學(xué)內(nèi)容多且無系統(tǒng)性，理論推導(dǎo)、基本假設(shè)多，要想在有限的時(shí)間取得良好的教學(xué)效果，必須做到研究土力學(xué)自身特點(diǎn)，搞好學(xué)生狀況調(diào)查，鉆研教材，把握土力學(xué)主線，找出章節(jié)間的聯(lián)系，對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重新調(diào)整；遵循土力學(xué)自身特點(diǎn)，注重基本概念，強(qiáng)化案例教學(xué)；土力學(xué)教師應(yīng)不斷學(xué)習(xí)，提高自身專業(yè)知識(shí)和工程實(shí)踐素質(zhì)，了解土力學(xué)前沿，把自己的工程和科研實(shí)踐融于土力學(xué)教學(xué)中，注重實(shí)驗(yàn)教學(xué)；這樣才能搞好土力學(xué)教學(xué)，激發(fā)學(xué)生興趣，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力、解決工程實(shí)際問題能力和創(chuàng)新能力。

[1]袁俊平.土力學(xué)課程優(yōu)質(zhì)課堂教學(xué)實(shí)現(xiàn)路徑探析—以國家精品課程河海大學(xué)土力學(xué)課程為例[J].高等建筑教育,2011,(4): 99-102.

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G642

A

1673-2219（2014）05-0150-03

2013－12－10

李麗民(1974－)，男，湖南邵陽人，博士，副教授，主要從事道路與巖土工程研究。

（責(zé)任編校：劉志壯）