土力學(xué)中滲流問題的教學(xué)探討

【摘要】土力學(xué)在課程內(nèi)容和教學(xué)體系等方面均有其自身的特點。該課程比較適合采用啟發(fā)式的教學(xué)方法，文章以滲流問題的教學(xué)為例，介紹了啟發(fā)式教學(xué)在土力學(xué)中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】教學(xué)方法 土力學(xué) 教學(xué)改革

【中圖分類號】TU4【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2012）10-0256-01

《土力學(xué)》是土木工程專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，對初學(xué)者來說，主要表現(xiàn)為土力學(xué)教材各章節(jié)之間具有相對獨立性，聯(lián)系不緊密，課程內(nèi)容多而雜，許多重要理論和公式來源于實驗或?qū)嵺`經(jīng)驗，缺乏嚴(yán)格的理論推導(dǎo)，強(qiáng)調(diào)實用性和技術(shù)性，這使得土力學(xué)成為一門較難掌握的課程。

1.概述

土力學(xué)研究內(nèi)容可概括為：土的三個特性、土的三個工程問題、土力學(xué)三大主要理論。其中，土的特性導(dǎo)致了土的三大工程問題，即強(qiáng)度問題、變形問題和滲流問題。

根據(jù)課程脈絡(luò)主線可見，滲流問題是土力學(xué)中必須解決的三大問題之一，滲流問題有其相對獨立性，又與變形、強(qiáng)度問題相互交叉，掌握好土的滲流特性對于掌握好土的變形、強(qiáng)度特性有促進(jìn)作用。依筆者的教學(xué)經(jīng)驗，學(xué)生對于“土的滲透性及滲流”內(nèi)容普遍反應(yīng)較難掌握。

2.教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法改革探索與實踐

2.1抓課程內(nèi)容主線

針對滲流問題的教學(xué)內(nèi)容多而雜的特點，課堂教學(xué)中應(yīng)注重把握知識體系，形成清晰的教學(xué)脈絡(luò)，用教學(xué)主線將課程內(nèi)容緊密串連（圖1）。

圖1 課程內(nèi)容主線

2.2注重水力學(xué)基礎(chǔ)

土的滲透性與滲流主要涉及到水靜力學(xué)與水動力學(xué)兩部分水力學(xué)基礎(chǔ)理論，對于理解土的滲透性與滲流有一定的促進(jìn)作用。

在水靜力學(xué)方面，掌握靜止流體中任意一點各個方向受到的壓強(qiáng)值的大小是相等的這一靜止流體的應(yīng)力特征；理解流體靜止的微分方程；掌握重力作用下靜止液體的壓強(qiáng)分布特征。在水動力學(xué)方面，掌握流線、過流斷面、流量、斷面平均流速等概念與流體的運(yùn)動的連續(xù)性條件；伯努利方程，是解決土中滲透問題的基礎(chǔ)。

2.3啟發(fā)式教學(xué)

2.3.1案例啟發(fā)式教學(xué)

土的滲流問題這部分內(nèi)容講授時可采用啟發(fā)式教學(xué)，調(diào)動學(xué)生的興趣和思維。列舉工程事例，如水井滲流、渠道滲流等；滲透變形或破壞，工程的目的是要解決這些變形或破壞；滲透力才能產(chǎn)生滲透變形或破壞，接著推導(dǎo)滲透力及臨界水力梯度的計算公式；介紹實際工程中常用的“止水帷幕”。止水帷幕的設(shè)置加大了地下水滲流的距徑。

2.3.2例題啟發(fā)式教學(xué)

流網(wǎng)的繪制與應(yīng)用可以采用例題啟發(fā)式的教學(xué)方法：等勢線與流線正交，等間隔流線與等間隔等勢線形成的流網(wǎng)中，各個網(wǎng)格的長寬比c應(yīng)為常數(shù)。提出問題，如何通過流網(wǎng)可以得到流場中任一點的水頭、水力梯度、孔隙水壓力、流速、流量等指標(biāo)值，然后逐步介紹各個指標(biāo)的計算過程以及流網(wǎng)繪制的初步過程，講授過程中再次強(qiáng)調(diào)掌握流網(wǎng)特點的重要性。使學(xué)生更深入的理解了流網(wǎng)的應(yīng)用，并初步體會了其繪制過程。

3.注意的幾個概念

3.1水力梯度

水和梯度的定義較為簡單，水力梯度i=△h/L，其中△h為兩點處的總水頭差，L為兩點間的滲流長度，特別強(qiáng)調(diào)的是L叫作滲流路徑或滲流長度，不是兩點的直線距離，求ND間的水力梯度，△hND=8.0m，L=NB+BC+CD=26.0m不是L=NB=8.0m，因此水力梯度i=△h/L=0.31。

3.2孔隙水壓力

水力學(xué)課程中與孔隙水壓力相關(guān)的只有靜水壓力，沒有專門提出孔隙水壓力概念，在土力學(xué)中這樣定義孔隙水壓力，如圖1，滲流場中各點的孔隙水壓力，等于該點以上測壓管中的水柱高度hu乘以水的重度γw，故a點的孔隙水壓力為：

ua=hua×γw

應(yīng)當(dāng)注意，圖中所示a、b兩點位于同一等勢線上，其測管水頭雖然相同，即ha=hb，但其孔隙水壓力卻不同，ua≠ub。眾多土力學(xué)教材中定義，“由土體孔隙內(nèi)的水承擔(dān)的那部分應(yīng)力為孔隙水壓力”。一般地，孔隙水壓力應(yīng)包括靜水壓力和超靜孔隙水壓力兩部分，但大多數(shù)教材中，在土體的滲透固結(jié)部分中突然出現(xiàn)超靜孔隙水壓力，并未對其進(jìn)行特別說明。

《巖土工程基本術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50279-98）規(guī)定靜水壓力是“給定點與自由水位差引起的壓力”；超靜孔隙水壓力是“飽和土體內(nèi)一點的孔隙水中超過靜水壓力的那部分”。借用以上兩個概念，兩者在物理本質(zhì)上是一致的，分開定義在本科教學(xué)過程的滲透固結(jié)部分，測壓管水頭壓力為靜水壓力和超靜孔隙水壓力之和。

4.結(jié)語

教學(xué)實踐表明，針對土力學(xué)課程的特點，在教學(xué)中根據(jù)不同知識內(nèi)容的講解需求，遵照科學(xué)的認(rèn)知規(guī)律以實際教學(xué)效果為目標(biāo)，靈活應(yīng)用多種方法進(jìn)行教學(xué)活動，可促進(jìn)學(xué)生對土力學(xué)知識學(xué)習(xí)的融會貫通。

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