地基處理與加固課程教學(xué)方法改進(jìn)措施

程凱凱 張煜敏 翁光遠(yuǎn) 崔 瑩 石 韻 呂 高

西安石油大學(xué)土木工程系 陜西西安 710065

1 概述

隨著國家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化的推進(jìn)，建筑、交通、地下空間、巖土、水利、港口工程等土木工程領(lǐng)域發(fā)展迅速，各種基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)爭相出現(xiàn)，相應(yīng)的地基處理技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生。這些新技術(shù)、新理念、新方法既保持了原有地基處理方法的原理，又在材料、工藝等方面不斷創(chuàng)新，有效地保證了地基的安全性和穩(wěn)定性。

地基處理與加固是土木工程專業(yè)學(xué)生的一門專業(yè)技術(shù)課程，該課程主要介紹地基處理與加固常用方法的加固原理、施工工藝、適用范圍、設(shè)計(jì)計(jì)算以及處理效果等。通過該課程的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生了解地基處理的前沿方法、常見地基處理類型，掌握實(shí)際地基工程處理辦法，培養(yǎng)他們從事地基基礎(chǔ)工程的實(shí)踐能力，能從事簡單地基工程的設(shè)計(jì)、施工和管理工作。但是由于該課程理論知識抽象，與實(shí)際工程聯(lián)系緊密，導(dǎo)致教學(xué)過程中學(xué)生很難準(zhǔn)確掌握該課程的知識點(diǎn)。

本文基于高等學(xué)校土木工程專業(yè)指導(dǎo)委員會(huì)制定的《高等學(xué)校土木工程專業(yè)本科教育培養(yǎng)目標(biāo)和培養(yǎng)方案及課程教學(xué)大綱》，結(jié)合作者在教學(xué)過程中的感悟，對該課程的教學(xué)方法進(jìn)行了一些改進(jìn)，實(shí)踐表明，這些方法可以更好地梳理專業(yè)知識并將其系統(tǒng)化，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生的設(shè)計(jì)計(jì)算能力，為走向工作崗位奠定了良好的專業(yè)基礎(chǔ)。

2 地基處理與加固課程傳統(tǒng)教學(xué)方法

在傳統(tǒng)的地基處理與加固課程中，教師首先根據(jù)教學(xué)大綱和教學(xué)內(nèi)容，講授地基處理各類方法的理論知識，包括其加固原理、施工工藝、適用范圍、設(shè)計(jì)計(jì)算以及處理效果等。然后布置課后練習(xí)題，讓學(xué)生對所學(xué)方法加深理解和印象。整個(gè)教學(xué)過程為被動(dòng)式教學(xué)，教師為主體主導(dǎo)整個(gè)教學(xué)過程，學(xué)生為客體被動(dòng)接受教師講授知識，教學(xué)手段上采用多媒體(PPT)講授知識點(diǎn)，師生之間互動(dòng)少，課堂氣氛沉悶，且學(xué)生只能根據(jù)老師的講述和自己的理解學(xué)習(xí)相關(guān)知識，難以直觀地掌握課堂知識，加上該課程內(nèi)容多難記憶、原理抽象難掌握，導(dǎo)致學(xué)生較難集中精力，教學(xué)效果不理想。

因此，教師應(yīng)利用各種教學(xué)資源，將課程內(nèi)容進(jìn)行任務(wù)化和明確化，將傳統(tǒng)的教師的被動(dòng)式教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生的主動(dòng)式學(xué)習(xí)，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，讓課程內(nèi)容更加具體形象，形成“以學(xué)生為中心”的更合理的教學(xué)方式，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，培養(yǎng)他們分析問題和解決問題的能力，讓學(xué)生盡可能全面掌握課程的所有教學(xué)內(nèi)容，為日后的實(shí)際工作打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

3 地基處理與加固課程改進(jìn)措施

為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生掌握地基處理與加固課程中加固方法的加固原理、施工工藝、適用范圍、設(shè)計(jì)計(jì)算以及處理效果等，教師應(yīng)在實(shí)際教學(xué)過程中，總結(jié)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，觀摩名師講課風(fēng)采，及時(shí)追蹤相關(guān)學(xué)科發(fā)展新動(dòng)態(tài)，豐富教學(xué)資源，嘗試對該課程課堂教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式和實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行改進(jìn)，充分發(fā)揮教師和學(xué)生各自的作用，提高授課效率。

3.1 完善教學(xué)內(nèi)容

地基處理與加固課程實(shí)踐性強(qiáng)，對于還沒參加生產(chǎn)實(shí)習(xí)的大三學(xué)生來說，很多知識較抽象難以理解，為了提高課程的“可視化”，讓學(xué)生充分直觀地感受各種處理加固方法，收集地基處理方法的圖片和視頻顯得尤為重要。例如，對于排水固結(jié)加固方法中的真空預(yù)壓法，它是指通過覆蓋于地面的密封膜下抽真空，使膜內(nèi)外形成氣壓差，使黏土層產(chǎn)生固結(jié)壓力，即是在總應(yīng)力不變的情況下，通過減小孔隙水壓力來增加有效應(yīng)力的方法，達(dá)到地基處理的目的。如果只是單純地按照書本上的內(nèi)容講解，學(xué)生可能會(huì)云里霧里，無法直觀理解該方法。

因此，在講授本節(jié)內(nèi)容之前，作者搜集了實(shí)際工程采用真空預(yù)壓法處理地基的視頻資料，課堂上先從視覺上引起學(xué)生的注意，讓他們直觀地對該方法的整個(gè)操作流程和原理有大概的認(rèn)識，比如通過視頻的觀看，學(xué)生可以了解在施工現(xiàn)場如何設(shè)置豎向塑料排水帶或砂井，怎樣上鋪砂層，為什么要覆蓋薄膜封閉，如何抽氣使得膜內(nèi)排水帶、砂層等處于部分真空狀態(tài)，從而到達(dá)排除土中的水分的目的，這樣他們先對該方法做到了心中有數(shù)，教師在此基礎(chǔ)上再根據(jù)教材內(nèi)容講解該方法的詳細(xì)原理、施工工藝、適用范圍、設(shè)計(jì)計(jì)算以及處理效果等，學(xué)生的注意力也會(huì)更專注，對知識點(diǎn)的理解也會(huì)更透徹，達(dá)到事半功倍的效果。

3.2 融合相關(guān)課程知識

地基處理與加固課程綜合性很強(qiáng)，其與土力學(xué)、基礎(chǔ)工程和工程地質(zhì)學(xué)等課程關(guān)系密切，因此教學(xué)過程中應(yīng)將這些課程相關(guān)的知識點(diǎn)有機(jī)地結(jié)合起來，讓學(xué)生溫故知新，既復(fù)習(xí)了舊知識，又能夠幫助掌握新知識。例如對于振密、擠密法和置換法，其原理均是通過改變地基土的性質(zhì)，如提高其密實(shí)度、強(qiáng)度等來處理加固地基。而土力學(xué)是專門研究各類土在外部荷載作用時(shí)的強(qiáng)度、變形和穩(wěn)定性的課程；基礎(chǔ)工程主要是通過工程實(shí)際情況確定基礎(chǔ)的類型、埋深、配筋等確保基礎(chǔ)的安全性和經(jīng)濟(jì)性；工程地質(zhì)學(xué)則是關(guān)于各類工程地質(zhì)條件的學(xué)習(xí)，這對基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)和地基的處理有著重要的作用。因此，將這些相關(guān)課程融合起來，通過對之前知識的回顧和歸納，引導(dǎo)學(xué)生融會(huì)貫通，組織知識框架，講解振密、擠密法和置換法的原理，能更好地加深學(xué)生對于專業(yè)知識的理解。

3.3 結(jié)合行業(yè)規(guī)范及案例

國家一級結(jié)構(gòu)工程師證書是土木工程專業(yè)人員很重要的一個(gè)資格證書，考試中地基處理與加固也占了很大比例，這些考題均是關(guān)于將我國現(xiàn)行規(guī)范條款應(yīng)用于實(shí)際工程能力的考核。《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》與地基處理與加固課程相關(guān)性最強(qiáng)，適用于建筑工程地基處理的設(shè)計(jì)、施工和質(zhì)量檢驗(yàn)，其核心是計(jì)算經(jīng)處理后復(fù)合地基承載力的特征值，從而判斷處理方法能否滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定。

因此，引入一些與課程相關(guān)的注冊考試題目對學(xué)生理解現(xiàn)行規(guī)范和課程知識點(diǎn)有很好的幫助作用，另外這也對他們從業(yè)以后考取相關(guān)證件提供了一些思路。如在教學(xué)過程中讓學(xué)生計(jì)算不同情況下的樁間距、樁面積置換率、單樁承載力、復(fù)合地基承載力、樁土應(yīng)力比等，讓他們發(fā)現(xiàn)這些變量之間的定量關(guān)系，這對他們從宏觀上掌握知識點(diǎn)有很大的幫助。另外，筆者發(fā)現(xiàn)在課堂中引入該類試題后，學(xué)生們表現(xiàn)積極，興趣倍增，用計(jì)算器快速計(jì)算答案，彼此討論，極大地改善了課堂教學(xué)氛圍。

3.4 發(fā)揮板書優(yōu)勢

隨著社會(huì)的進(jìn)步和信息化時(shí)代的到來，多媒體教學(xué)手段已廣泛應(yīng)用于課堂，為教學(xué)工作帶來了很多好處，如：(1)多媒體教學(xué)方便、快捷，極大地縮短了教學(xué)時(shí)間，節(jié)省了教師寫板書的時(shí)間，提高了教學(xué)效率；(2)實(shí)現(xiàn)了教學(xué)內(nèi)容的重復(fù)學(xué)習(xí)，可進(jìn)行遠(yuǎn)程教育，極大地節(jié)約了教學(xué)成本；(3)對于一些難以用傳統(tǒng)教學(xué)手段講解清楚的知識點(diǎn)，多媒體教學(xué)可以更直觀、形象地完成教學(xué)活動(dòng)；(4)可更好地豐富教學(xué)內(nèi)容，拓寬學(xué)生的視野。但對多媒體的過度依賴也導(dǎo)致了很多問題，如①師生之間失去互動(dòng)，學(xué)生的課堂參與度降低；②課堂信息量大，速度快，學(xué)生跟不上課堂進(jìn)度，容易走神；③教師整個(gè)教學(xué)過程中全部使用多媒體，弱化了教師的教學(xué)能力。

在地基處理與加固課程中，復(fù)合地基承載力特征值的計(jì)算是重點(diǎn)，如何讓學(xué)生深刻理解復(fù)合地基承載力的計(jì)算原理顯得尤為重要，總體來說，它是樁體承載力和處理后樁間土承載力的按樁土面積置換率按比例求和的結(jié)果，表達(dá)式簡單，然而如果教師僅采用多媒體講解，學(xué)生只能從表面上記住這個(gè)公式。如果教師把表達(dá)式一項(xiàng)一項(xiàng)寫在黑板上，將每個(gè)字母解釋清楚，如為樁體承載力特征值，其中字母“p”為英文單詞pile，表示樁的意思，為處理后樁間土承載力特征值，字母“s”為英文單詞soil，表示土的意思，為復(fù)合地基承載力特征值，顯然“sp”為英文單詞soil+pile，表示土+樁的意思。樁土面積置換率不同，樁和土各自提供的承載力比例也不一樣，越大，樁提供的承載力越大，相應(yīng)樁間土提供的承載力則會(huì)減小，這樣就不難得到復(fù)合地基承載力特征值的估算表達(dá)式：=+(1-)。這樣，學(xué)生對該表達(dá)式的理解更透徹，印象也會(huì)更深刻。

因此，在使用多媒體教學(xué)的同時(shí)，根據(jù)知識點(diǎn)的重要程度以及難易程度，有必要單獨(dú)寫在黑板上，一個(gè)步驟一個(gè)步驟推導(dǎo)，發(fā)揮板書的優(yōu)勢，提高課堂教學(xué)效果。

3.5 案例教學(xué)的選用

案例教學(xué)法就是以案例為教授知識的載體，教學(xué)者根據(jù)教學(xué)目的和內(nèi)容的需要，組織團(tuán)隊(duì)討論，并啟發(fā)學(xué)習(xí)者對案例主動(dòng)思考，給予學(xué)員真實(shí)狀況學(xué)習(xí)的一種教學(xué)方法。使用案例教學(xué)時(shí)，老師圍繞知識點(diǎn)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入案例的情境，讓學(xué)生作為主體自己通過案例學(xué)習(xí)知識點(diǎn)，激發(fā)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，提高教學(xué)質(zhì)量。好的教學(xué)案例可以達(dá)到事半功倍的效果，讓學(xué)生快速掌握知識點(diǎn)，提高知識內(nèi)化效率，并且學(xué)生對這種知識點(diǎn)的記憶是非常深刻的，會(huì)形成長期的記憶。

在地基處理與加固課程概述中，需要給學(xué)生講地基處理解決的三個(gè)問題：地基承載力問題、地基變形問題和地基滲透問題。對于這三個(gè)問題，選擇合適的案例對這三個(gè)問題的理解非常重要。對于地基承載力問題，可以選擇加拿大特朗斯康谷倉由于地基承載力不足的例子，雖然這個(gè)谷倉是1911年的建筑物，距現(xiàn)在已經(jīng)有100多年歷史了，但該例子是必須給學(xué)生講解的，因?yàn)樗銐蚪?jīng)典，即使再過100年，也值得被講解。通過這個(gè)案例，學(xué)生可以認(rèn)識到地基對整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)的重要性，建造該谷倉時(shí)，由于事先對地基土層未進(jìn)行勘察、試驗(yàn)與研究，導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)的荷載超過了地基土的抗剪強(qiáng)度，因地基承載力不足發(fā)生谷倉的整體倒塌，但事故發(fā)生前上部鋼筋混凝土筒倉完好無損。這體現(xiàn)了整體與局部的關(guān)系，當(dāng)部分以欠佳的結(jié)構(gòu)形成整體時(shí)就會(huì)損害整體功能的發(fā)揮。對于地基變形問題，因塔身斜而不倒聞名于世的比薩斜塔是不二之選，比薩斜塔之所以會(huì)傾斜，是由于它地基下面土層的特殊性造成的，地基持力層為粉砂，下面為粉土和黏土層，模量較低，變形較大。斜塔的拯救歷經(jīng)了很多方案，但都未見效，最終拯救比薩斜塔的，是一項(xiàng)看似簡單的新技術(shù)——地基應(yīng)力解除法，其原理是在斜塔傾斜的反方向(北側(cè))塔基下面掏土，利用地基的沉降，使塔體的重心后移，從而減小傾斜幅度。比薩斜塔雖然因?yàn)閮A斜聞名于世，但在整個(gè)維護(hù)過程中，意大利政府耗費(fèi)了大量的資金，因此在建造一般的結(jié)構(gòu)時(shí)，一定要防止由于地基變形發(fā)生導(dǎo)致建筑物傾斜的情況。同時(shí)，課堂上可播放新聞中的視頻讓學(xué)生直觀感受工程事故造成的危害，讓他們理解專業(yè)知識的同時(shí)提高責(zé)任意識。

結(jié)語

針對地基處理與加固課程實(shí)踐性強(qiáng)、處理方法繁多、知識體系復(fù)雜、內(nèi)容枯燥等特點(diǎn)，從土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)出發(fā)，認(rèn)真思考傳統(tǒng)教學(xué)中存在的一些問題，結(jié)合筆者教學(xué)過程中積累的一些經(jīng)驗(yàn)，對地基處理與加固課程的教學(xué)提出了一些改進(jìn)措施，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性，梳理了相關(guān)專業(yè)知識框架，拓寬了學(xué)生的視野，取得了良好的教學(xué)效果。但與培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力和實(shí)踐應(yīng)用能力的培養(yǎng)目標(biāo)還有一些距離，需要師生在教學(xué)實(shí)踐過程中進(jìn)一步努力。