基于實(shí)踐能力培養(yǎng)的土力學(xué)一流課程教材建設(shè)與實(shí)踐

李順群,高凌霞,張 彥,劉雙菊,孫曉涵,劉 舉

(1.天津城建大學(xué) 土木工程學(xué)院, 天津 300384;2.大連民族大學(xué) 土木工程學(xué)院,遼寧 大連 116650)

《土力學(xué)》是面向土木工程、水利工程、地質(zhì)工程等專業(yè)開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程,研究土中應(yīng)力、變形、滲流、強(qiáng)度等問題,在課程體系中處于承上啟下的核心地位。建設(shè)一流《土力學(xué)》課程對培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維、實(shí)踐能力具有至關(guān)重要的作用[1]?！锻亮W(xué)》教材是課程的主要載體,是教師教學(xué)、學(xué)生學(xué)習(xí)的重要工具。教材建設(shè)是一流課程建設(shè)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié),是教與學(xué)改革的主要內(nèi)容之一[2]。教材的建設(shè)應(yīng)該與學(xué)校的辦學(xué)定位密切相關(guān)[3],基于應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)及教材育人核心作用。《土力學(xué)》教材實(shí)時加入思政元素、學(xué)科動態(tài)、實(shí)踐技能、最新科研成果,能完善課程體系,促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展。針對一流課程建設(shè)需要和專業(yè)方向多、專業(yè)口徑寬、綜合性強(qiáng)等特點(diǎn),課程組編寫了融入思政、海綿城市、應(yīng)力測試、土工試驗(yàn)等內(nèi)容的新版土力學(xué)教材[4]。

1 思政元素的融入

通過土力學(xué)發(fā)展中典型的工程案例、土力學(xué)界著名的專家學(xué)者及中國的工程來培育學(xué)生的民族自信、職業(yè)自信與責(zé)任擔(dān)當(dāng)。

1.1 中國古代土工結(jié)構(gòu)增強(qiáng)民族自信

遠(yuǎn)在古代,由于生產(chǎn)和生活需要,人們已懂得利用土來進(jìn)行工程建設(shè)。例如中國的地坑院、隋唐大運(yùn)河、鄭國渠、靈渠等偉大工程。這些土工結(jié)構(gòu)物對當(dāng)時社會和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到了重要作用,有些至今仍在發(fā)揮作用,比如地坑院、大運(yùn)河。

1.2 著名的專家學(xué)者事跡彰顯職業(yè)自豪感

著名橋梁專家茅以升是倡導(dǎo)土力學(xué)學(xué)科在工程中應(yīng)用的開拓者[5]。近代以來,中國科研人員在理論研究和工程應(yīng)用方面做出了卓越貢獻(xiàn),比如曾國熙提出的固結(jié)度普遍表達(dá)式及其應(yīng)用和上埋式涵管土壓力計算方法,黃文熙院士對液化的研究及提出的考慮土側(cè)向變形的沉降計算方法,沈珠江提出的軟土地基穩(wěn)定分析的有效固結(jié)應(yīng)力計算方法,龔曉南創(chuàng)建的廣義復(fù)合地基理論等,已經(jīng)被國內(nèi)外認(rèn)同和大面積應(yīng)用,對土力學(xué)的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)[6]。

1.3 大國工程展示工匠精神

進(jìn)入新世紀(jì)以來,中國在巖土工程理論與實(shí)踐方面取得了一系列突破,涉及到的重大工程有西氣東輸、西電東送、南水北調(diào)、港珠澳大橋、天津港、南海島礁、大興機(jī)場等。

2 學(xué)科動態(tài)介紹

2.1 對學(xué)術(shù)團(tuán)體的介紹

中國土木工程學(xué)會1957年設(shè)立了土力學(xué)及基礎(chǔ)工程委員會,并于1978年成立了土力學(xué)及基礎(chǔ)工程學(xué)會。自1962年在天津召開第一屆土力學(xué)及基礎(chǔ)工程學(xué)術(shù)會議以來,該大會到目前已經(jīng)召開了十三屆。最近的幾次會議,參會人數(shù)達(dá)到兩千多人,規(guī)模之大實(shí)屬罕見。目前,中國土木工程學(xué)會土力學(xué)及基礎(chǔ)工程分會設(shè)有地基處理專業(yè)委員會、樁基礎(chǔ)專業(yè)委員會、土工測試專業(yè)委員會、土的本構(gòu)關(guān)系及強(qiáng)度理論專業(yè)委員會、非飽和土與特殊土專業(yè)委員會、環(huán)境土工專業(yè)委員會、《土力學(xué)》教學(xué)專業(yè)委員會、軟土工程專業(yè)委員會、青年工作委員會、交通巖土工程專業(yè)委員會、施工技術(shù)專業(yè)委員會等專業(yè)委員會。土力學(xué)及基礎(chǔ)工程分會和各專業(yè)委員會經(jīng)常組織各種會議和學(xué)術(shù)交流,這些活動大大促進(jìn)了我國土力學(xué)的發(fā)展和工程應(yīng)用。

2.2 海綿城市

“自然積存、自然滲透、自然凈化”的海綿城市建設(shè)已經(jīng)上升為國家戰(zhàn)略,發(fā)展勢頭良好。針對現(xiàn)有海綿城市建設(shè)過程中存在理論瓶頸和技術(shù)局限性,在土的滲透性部分增加了基于擴(kuò)大滲透面積和改良滲流方向的土層海綿化技術(shù)。

通過人工或機(jī)械方法在場地豎向開挖一定深度的滲井孔,孔的直徑、深度和間距根據(jù)降雨參數(shù)、土層滲透性和布置方案由計算確定。然后將滲透系數(shù)足夠大的濾芯放入滲井孔內(nèi),并在地表鋪設(shè)粗砂、中砂、土工布和透水磚,這樣就形成了一種雨水收集和入滲裝置[7]。當(dāng)強(qiáng)降雨來臨時,地表徑流通過透水磚和水平砂層下滲,并沿著微型滲井迅速充填濾芯,然后沿著濾芯徑向向四周土層中入滲,如圖1。

圖1 微型濾芯滲井工作原理

2.3 宏微觀研究

土是由巖石經(jīng)歷物理、化學(xué)、生物風(fēng)化作用,經(jīng)歷剝蝕、搬運(yùn)、沉積作用,在交錯復(fù)雜的自然環(huán)境中所生成的各類沉積物,因此,土的類型及其物理、力學(xué)性狀是千差萬別的。然而究其原因在于不同土其微結(jié)構(gòu)不同,土的宏觀力學(xué)行為受其微結(jié)觀結(jié)構(gòu)的顯著影響,而其微觀結(jié)構(gòu)常隨外界環(huán)境變化而不斷演變?；谖⒂^結(jié)構(gòu)演變與宏觀力學(xué)特性響應(yīng)的多尺度研究是深層次認(rèn)識與解決特殊土相關(guān)問題的重要基礎(chǔ)和關(guān)鍵[8]。在教材第一章土的組成中,增加了天津?yàn)I海軟土的物質(zhì)組成及微結(jié)構(gòu)特征如圖2～3。讓本科生對土的微結(jié)構(gòu)研究有初步的了解。

a)淤泥質(zhì)黏土水平截面 b)表層土垂直截面 圖2 片狀堆疊結(jié)構(gòu)典型SEM照片

a)粉土水平截面 b)表層土水平截面圖3 粒狀結(jié)構(gòu)典型SEM照片

3 引入實(shí)踐技能

培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐技能及工程思維是土力學(xué)課程教學(xué)的重要目標(biāo)之一,教材中加入土工試驗(yàn)詳細(xì)內(nèi)容,并介紹了測試技術(shù)前沿內(nèi)容三維土壓力測試技術(shù)及大型試驗(yàn)儀器介紹。

3.1 黏性土的定名

教材中通過黏性土定名的綜合試驗(yàn),將土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)的測試綜合于解決土的分類定名,使常規(guī)試驗(yàn)與工程實(shí)踐建立有機(jī)聯(lián)系,使學(xué)生有了明確的試驗(yàn)?zāi)繕?biāo),能有效提高實(shí)驗(yàn)效果。

3.2 土壓力測試

土體中應(yīng)力的測試是一項基礎(chǔ)性工作,是進(jìn)行力學(xué)分析和工程安全評價的前提,具有不可替代的作用。土壓力的大小可以用土壓力盒測量。但土壓力盒是單向的,即只能測量一個方向上的應(yīng)力如圖4。

圖4 一維土壓力盒

教材中加入作者研發(fā)的三維土壓力測試裝置如圖5。該裝置具有結(jié)構(gòu)合理、精度高、使用方便等優(yōu)勢,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于路基、基坑、邊坡等工程的應(yīng)力測試?？色@得巖土體內(nèi)部的三維應(yīng)力狀態(tài),并據(jù)此進(jìn)一步得到最大主應(yīng)力、最大剪應(yīng)力、球應(yīng)力、偏應(yīng)力以及其他應(yīng)力組合,對評估工程健康狀況和安全儲備是非常重要的,對巖土體強(qiáng)度和本構(gòu)模型的研究也必將產(chǎn)生巨大促進(jìn)作用[9]。某地鐵盾構(gòu)隧道下穿建筑物掘進(jìn)過程中的土體的三維應(yīng)力響應(yīng)如圖6。

圖5 兩種三維土壓力測試裝置

圖6 盾構(gòu)隧道下穿建筑物掘進(jìn)時土體中的三維應(yīng)力

3.3 土工試驗(yàn)

教材中融入數(shù)字教學(xué)資源,通過紙質(zhì)教材中的二維碼把土工試驗(yàn)內(nèi)容和數(shù)字教學(xué)資源相關(guān)聯(lián),掃碼觀看試驗(yàn)教學(xué)視頻,便于學(xué)生快速了解實(shí)驗(yàn)操作與注意事項。

隨著科技的發(fā)展,各種具有特殊功能的室內(nèi)外儀器不斷出現(xiàn),為土力學(xué)發(fā)展提供了新的強(qiáng)有力手段。教材中介紹了在土力學(xué)研究領(lǐng)域中三種重要的儀器。

一是SPAX-2000動靜真三軸儀。該儀器可以對試樣進(jìn)行靜態(tài)、動態(tài)真三軸應(yīng)力、應(yīng)變路徑測試,包括平面應(yīng)變、K0、動態(tài)剪切強(qiáng)度及變形、液化勢、剪切模量和阻尼比以及其他用戶自定義的程序,并能進(jìn)行雙向振動加載。儀器由數(shù)字伺服控制器和采集系統(tǒng)、壓力源、壓力控制面板、圍壓壓力、體積控制器、壓力室及傳感器等組成。

二是土體梯度溫控力學(xué)綜合測試系統(tǒng),該系統(tǒng)支持加載應(yīng)力及應(yīng)變兩種控制方式,可用于進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)UU/CU/CD抗剪強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)、恒溫恒壓條件下土體材料流變實(shí)驗(yàn)、梯度溫控條件下UU/CU/CD抗剪強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)、梯度溫控條件下土體材料流變實(shí)驗(yàn)、各向同性固結(jié)實(shí)驗(yàn)、各向異性固結(jié)實(shí)驗(yàn)、圍壓和反壓梯度施加的反壓飽和實(shí)驗(yàn)、K0實(shí)驗(yàn)、膨脹實(shí)驗(yàn)等。

三是臺式高速冷凍離心機(jī)搭載13款不同容量轉(zhuǎn)子,可滿足廣泛的離心應(yīng)用,最新探索將該儀器應(yīng)用于測定凍土未凍水含量,即通過利用離心機(jī)的向心力把凍土中的未凍水排出,從而得到凍土未凍水的含水量,目前取得了較好的實(shí)驗(yàn)效果。

3.4 土粒分類的三角坐標(biāo)法

教材中增加了土粒度分析的三角坐標(biāo)法如圖7。在一張圖上能同時表示多種土的粒度成分,便于進(jìn)行土料的級配設(shè)計。三角坐標(biāo)中不同的區(qū)域表示土的組成不同,因而還可用來確定按粒度成分分類的土名。

圖7 三角坐標(biāo)表示粒度成分

4 調(diào)整的內(nèi)容

教材對土力學(xué)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了重構(gòu),使主要內(nèi)容之間的邏輯性、系統(tǒng)性更強(qiáng)。

4.1 有效應(yīng)力原理前置

有些教材,將有效應(yīng)力原理放在地基沉降變形與時間的關(guān)系部分。本教材將土的有效應(yīng)力原理前置,放在土中應(yīng)力部分講授。學(xué)生在學(xué)習(xí)土中應(yīng)力時就能全面理解有效應(yīng)力的概念,為后期更好地學(xué)習(xí)土的變形與強(qiáng)度理論提供必要基礎(chǔ)。

4.2 統(tǒng)一了有無超載時的土壓力計算方法

土壓力是土力學(xué)強(qiáng)度理論在工程中具體應(yīng)用的典型內(nèi)容。采用朗肯土壓力理論計算擋土墻上的土壓力是教學(xué)重點(diǎn)之一。教材中用分別以墻后填土處于極限平衡狀態(tài)時所受豎向應(yīng)力σv和水平應(yīng)力σa(σp)代替?zhèn)鹘y(tǒng)公式中大主應(yīng)力σ1和小主應(yīng)力σ3,以黏性土為例,可以得到主動土壓力強(qiáng)度與被動土壓力強(qiáng)度表達(dá)式:

(1)

(2)

引入σv后,就能統(tǒng)一有無超載時土壓力的計算。無超載時,σv=γz,有超載時σv=γz+q。

5 結(jié) 語

教材是教學(xué)內(nèi)容的重要載體,是一流課程建設(shè)的重點(diǎn)內(nèi)容,本教材基于工程教育認(rèn)證及新工科建設(shè)理念,面向應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)、立德樹人基本任務(wù)而編寫,重點(diǎn)闡述土力學(xué)基本思想、基本理論、基本方法,同時突出理論與工程實(shí)踐的聯(lián)系和結(jié)合,在對理論知識進(jìn)行詳細(xì)闡述后力圖在工程實(shí)踐方面進(jìn)行拓展和延伸。