基于工程應(yīng)用和模擬技術(shù)的土力學(xué)教學(xué)探索★

徐美娟 蔣明杰

(1.工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530004；2.廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530004；3.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

1 概述

土力學(xué)是一門研究土體變形、強(qiáng)度、滲透及其隨時(shí)間變化的應(yīng)用學(xué)科，是土木工程類專業(yè)重要的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課，涉及到的專業(yè)有巖土工程、道路與橋梁工程以及水利工程等[1]。土體由固、液、氣三相組成，這一多相顆粒體系決定了土力學(xué)的復(fù)雜性，對(duì)學(xué)生來說是一門比較難學(xué)的課程；另外，課程具有較強(qiáng)的實(shí)踐性，僅靠教材理論的注入式教學(xué)很難提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，進(jìn)而導(dǎo)致學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)效果相對(duì)較差。

隨著現(xiàn)代教育技術(shù)的發(fā)展，很多學(xué)者在土力學(xué)的教學(xué)改革方面開展了非常多的研究和探索工作[2-5]，也取得了一些成果。數(shù)值模擬分析技術(shù)在教學(xué)科研中越來越多地被采用，筆者將結(jié)合自身的土力學(xué)教研工作，將數(shù)值模擬分析技術(shù)應(yīng)用到土力學(xué)的教學(xué)中，采用有限元軟件ABAQUS來模擬工程問題的動(dòng)態(tài)過程，從而將抽象的理論知識(shí)形象化、直觀化，達(dá)到激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、提高教學(xué)效果的目的。

2 課程學(xué)習(xí)現(xiàn)狀

土力學(xué)課程內(nèi)容多，講授包括土體的基本概念、強(qiáng)度、變形、滲流及其應(yīng)用等多個(gè)方面。在規(guī)定的較少學(xué)時(shí)情況下，課程教師基本采用多媒體教學(xué)來完成課程教學(xué)任務(wù)，課堂上展現(xiàn)的信息量很大，學(xué)生很難在當(dāng)堂消化吸收，久而久之，學(xué)生沒有了學(xué)習(xí)興趣，很難達(dá)到教學(xué)效果。

教學(xué)設(shè)計(jì)方面，理論知識(shí)往往與工程實(shí)際應(yīng)用相脫節(jié)，單純講授基本概念、公式理論推導(dǎo)等，不注重結(jié)合工程問題。這樣，學(xué)生既難以理解，又無法提高分析解決工程問題的能力，達(dá)不到學(xué)以致用的初衷。如何實(shí)現(xiàn)土力學(xué)的理論教學(xué)與工程問題有機(jī)融合，本文將以“土體的超孔隙水壓力產(chǎn)生與消散”為例進(jìn)行闡述。

3 基于工程問題設(shè)計(jì)教學(xué)

土體的孔隙水壓力是土力學(xué)中的最基本概念之一，超孔隙水壓力可以由滲流產(chǎn)生，也可以荷載作用(靜或動(dòng))產(chǎn)生。對(duì)于穩(wěn)定滲流，其超孔隙水壓力不隨時(shí)間變化，而后者將隨時(shí)間變化，在具備排水的條件下，它將逐漸消散，土體的體積也將隨之變化[6]。在教學(xué)時(shí)可以從工程中的預(yù)制管樁施工導(dǎo)入講解，預(yù)制管樁屬擠土樁，軟土具有高含水率、高壓縮性、高孔隙比、低滲透性以及低強(qiáng)度等不良特性。由于在土中壓入大量體積的樁，破壞了土體的原有平衡，在不排水條件下，這部分與樁體積相等的土體將被向外擠出，使得樁周圍土體的超孔隙水壓力急劇增大，引起土體的水平和豎直位移，導(dǎo)致浮樁、偏位、斷樁等[7,8]，如圖1所示。這一工程問題的本質(zhì)是土體中產(chǎn)生了未能及時(shí)消散的超孔隙水壓力。

如何解決圖1中的工程問題，就需要及時(shí)消散沉樁擠土產(chǎn)生的超孔隙水壓力，如圖2所示，在管樁本體上，沿軸向設(shè)置一定數(shù)量的貫通孔，沉樁擠土產(chǎn)生的超孔隙水可以經(jīng)這些貫通孔消散入管樁內(nèi)腔，使管樁成為有剛度的排水井，具有豎向承載與水平排水通道的功能。

4 采用模擬技術(shù)直觀再現(xiàn)

隨著數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，其在產(chǎn)學(xué)研中的應(yīng)用愈來愈多。在土力學(xué)課程的教學(xué)中，采用數(shù)值模擬技術(shù)模擬工程實(shí)際的動(dòng)態(tài)過程，可以有效地加強(qiáng)理論知識(shí)的理解、提高工程問題的分析解決能力。

以“土體的超孔隙水壓力產(chǎn)生與消散”為例，基于有限元軟件ABAQUS，建立透水管樁沉樁三維數(shù)值模型，直觀形象地展現(xiàn)了沉樁過程中的超孔隙水壓力隨時(shí)間的變化規(guī)律。如圖3所示，由于透水管樁樁身透水，緊靠樁側(cè)土體中的超孔隙水壓力能很快消散，超孔隙水壓力近似成蘋果核狀分布，而不能及時(shí)消散的超孔隙水壓力近似成同心球分布。

圖4反映了樁的動(dòng)態(tài)沉樁過程，從水平位移來看，對(duì)某一深度的土體，當(dāng)樁尖接近時(shí)，土體開始位移，隨后在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到最大值。伴隨著樁的進(jìn)一步下沉，水平位移近似保持不變或有所減小。從豎向位移來看，對(duì)于緊靠樁側(cè)的土體單元，不同深度的土體均表現(xiàn)為向下沉降，其主要由于樁靴的向下擠壓變形所引起的。

圖5模擬了透水管樁沉樁過程中的水平應(yīng)力，在沉樁過程中，當(dāng)樁端到達(dá)某一深度之前，水平應(yīng)力先略有減??；隨著樁的進(jìn)一步下沉，土體逐漸受到擠壓，水平應(yīng)力增加明顯。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)土力學(xué)理論的注入式教學(xué)問題進(jìn)行探索改革，在教學(xué)設(shè)計(jì)中考慮工程應(yīng)用和模擬技術(shù)的多方面融合，選取“土體的超孔隙水壓力產(chǎn)生與消散”內(nèi)容進(jìn)行闡述，通過還原工程問題的本質(zhì)，將抽象的理論知識(shí)形象化、直觀化，實(shí)現(xiàn)了學(xué)而有趣、學(xué)以致用的初衷。