土工離心機在巖土工程教學中的應用

孔令剛， 蔡海強， 衡慈文， 藺 港

(浙江大學軟弱土與環境土工教育部重點實驗室，浙江杭州310058)

0 引言

在巖土工程領域，離心機模型試驗是開展科學研究和解決工程問題的有力手段［1-5］。土工離心機試驗的基本原理是將土工模型置于高速旋轉的離心機中，模型受到高于重力加速度的離心加速度作用，來補償因模型尺寸縮小而導致的土體自重損失，使模型土體能夠復制原形土體的應力狀態［5-8］。離心機模型試驗可以在減少模型尺寸、縮短試驗時間的條件下模擬各種工程情況。

國外對土工離心機在巖土工程學科教學中的嘗試早在上世紀70年代就已經開展。Craig［9］采用有效半徑300 mm、最大加速度500 g的微型離心機演示了邊坡失穩、邊坡與基礎相互作用和隧道失穩等問題。Mitchell［10］采用半徑為2．25m的離心機用于非飽和土力學和污染物運移的教學活動，發現物理模型試驗能夠大大激發學生對巖土工程科學的興趣。Caicedo［11］介紹了一個以“learning by doing”思想為指導的創新型課程，該課程中學生團隊自主設計整套試驗，并開展離心試驗，收到良好教學效果。Madabhushi等［12］嘗試將鼓式離心機用于教學活動中。2002年，加拿大召開的“International Conference on Physical modeling in Geotechnics”國際會議上專門開設“物理模擬在教育中應用”專場研討會［13］，此次會議推動物理模型試驗(主要是離心模擬)在高等教育中的應用。2006年，Wartman［14］提出了基于Kolb學習理論的整套巖土物理模型試驗教學方法;Airey等［15］則采用Wartman提出的方法開展教學實踐，取得了良好效果。

近年來，許多高校建立土工離心機，使采用土工離心機開展教育教學工作成為可能。本文總結我國傳統教學模式存在的不足和物理模型試驗教學所具有的優勢，報道作者通過SRTP項目開展實驗教學的初步嘗試，為今后物理模擬與課堂教學活動相結合的新型教學方式提借鑒和資料。

1 傳統教學模式的不足

巖土工程教學中土力學是具有重要地位的專業基礎課，現以土力學為例分析傳統教學模式存在的不足。實際中，土具有顆粒離散性并由三相物質組成，宏觀上表現為一定的連續性。土力學通過一定假設條件將彈性力學、水力學、塑性力學等理論和方法應用到公式推演中，因此，土力學具有知識點多，內容連續性差等特點。如采用單純的課堂教學手段向學生灌輸有關內容，學生往往學得吃力，教學效果不理想。土力學是一門與工程實踐密切結合的應用學科，采用課堂教學與實驗教學相結合是該類課程教學的有效途徑。

近幾年，隨著教學條件不斷改善，試驗(實踐)教學環節逐漸受到重視，但長期的慣性思維，仍導致試驗教學環節相對薄弱，培養出的學生高分低能、疏于動手。筆者曾留心比較過國內外學生的差異，發現我國學生巖土工程相關理論基礎扎實，但動手能力與西方學生差異明顯。學生未對土的屬性有直觀認識的情況下，先入為主地在頭腦中固化了各種似懂非懂的理論和經驗方法，這樣培養出來的學生其創新思維受到限制，也很難適應實際工作的要求。

課堂教學和實驗教學脫節的現象也比較嚴重，沒有把理論教學和實驗教學結合起來。實驗教學以驗證型實驗為主，按照固定的套路進行，缺乏對學生創新能力的培養，使學生技術化;而學生也缺乏對實驗工作的興趣，學生不清楚實驗目的，往往是機械地搬用書上的過程和步驟，對實驗原理和實驗過程沒有很好的認識。

2 物理模型試驗在教學中應用的優勢

實驗教學能夠提高學生的實驗能力、綜合運用知識能力、溝通能力和團隊精神。開展物理模型試驗除具有上述優點外，還有其獨特優勢，Wartman［14］對這些優點進行了總結:

(1)物理模型能夠演示巖土體復雜、非線性的內在機理和現象，而這些機理和現象對于學生來講是難以想象出來的;

(2)通過直接觀察縮尺巖土系統，可以培養學生對該系統內在機理的直覺;

(3)小尺寸物理模型試驗可以讓學生直接觀察到土體破壞，而這些現象在傳統的土力學單元體試驗中無法完成;

(4)通過對物理模型實驗的反分析，學生可以直接評價巖土體實際表現與預期之間的差異。

研究也表明，將物理模擬同傳統教學手段相結合能夠顯著提高學生對知識的記憶力和理解力，能夠激發學生對學習的興趣。通過教學也可以使學生認識通過離心機這個有用的解決工程問題的工具，推動土工離心機在工程設計和解決工程問題中的應用。

3 離心模型實驗教學嘗試

結合在高校中開展的大學生科研訓練計劃(SRTP)項目，進行了離心模型實驗教學的初步嘗試。模型試驗采用的土工離心機為浙江大學軟弱土與環境土教育部重點實驗室的ZJU-400多功能離心機［8］。試驗內容為:水位變化誘發邊坡失穩的離心和1 g模型對比試驗。通過本次實驗工作使學生初步了解離心模擬原理和模型相似理論，認識離心模型試實驗在研究土工單體中的獨特能力;認識模型實驗教學對提高學生學習興趣和學習主動性的作用，初步了解學習效果。

試驗中采用的ZJU-400離心機有效旋轉半徑為4．5 m，采用對稱雙臂、雙籃形式，最大有效荷載容量為400 g/t，最大加速度為150 g。試驗中用到的模型箱為1．0 m ×0．4 m ×1．0 m(長 × 寬 × 高)，模型箱側面設置有機玻璃窗口，試驗過程中可以觀測土體側向變形情況。

原型邊坡試驗是在浙江大學自主開發的15 m×5 m×6 m(長×寬×高)的模型槽中進行的［17］。邊坡高度為4 m，坡度為1∶1。試驗土體為取自錢塘江邊的砂質粉土，圖1給出了該原型試驗后邊坡失穩的照片。經計算，離心縮尺模型的比尺選為20，即離心模型為原型尺寸的1/20，邊坡高度為200 mm，坡度為1∶1。離心模型總長為1 000 mm，坡頂和坡底部分留有長度均為400 mm。

圖1 水位驟降引致滑坡

實驗中設計了整套控制水位升降的機載模擬裝置。入水管設置在模型邊坡上游，將水直接導入邊坡模型下鋪設的粗砂導水層;離心機自帶的供水系統提供水源，調節進水閥控制進水速度。排水管出水口位于邊坡下游，通過計算選擇合適的排水管內直徑。實驗中，首先用氣缸封住排水管頂部管口，利用進水管緩慢注水使水位自下而上逐漸升高，當水位到達邊坡上游高度后，啟動氣缸，實現水位突降的功能。水釋放時，為避免直接排至離心機實驗艙，設計了一個隔水機構，該機構將模型箱分隔成上下兩層，采用密封圈壓緊邊縫防止滲水，釋放的水直接排入模型箱下層。

實驗過程中，離心機達到試驗設計加速度20 g后，等待模型穩定，再對模型箱注水。注水過程模擬原型采用5次分級注入的方式，經計算確定加水速度為1 L/min。每級停留觀察時間約為5 min。模型箱內水位上升到坡頂后，通過氣缸拔開排水管塞子，箱內水迅速排入底部隔層，實現水位驟降。試驗過程中采用孔隙水壓力計監測孔壓變化，采用圖像采集系統從有機玻璃面一側監測土體變形。

圖2中給出離心試驗中觀察到的邊坡失穩情況，從圖中可以看出，水位驟降導致坡頂出現多條裂紋，其中有3條明顯的貫穿性的裂縫，與圖1中的原型試驗結果相似。該滑坡形式屬于多重滑面的牽引式滑坡，變形由前緣向后緣發展。本次試驗表明，離心模型試驗能較好模擬巖土體大變形和破壞問題，在解決巖土工程問題中具有獨特優勢。

圖2 離心模型試驗結果

本試驗訓練中，SRTP小組成員參與全過程的工作。在項目開始階段，小組成員參觀試驗設備、了解原型試驗過程。通過提供充足的輔助材料使同學主要通過自學的方式了解了離心機工作原理、模型相似理論等新知識，大部分同學能夠較快掌握土工離心機及初步的相似理論。實現了由被動接受式學習到主動學習的轉變。在模型設計中，同學能夠主動思考，主動發現和糾正錯誤，提高了綜合運用所學知識的能力，調動同學的好奇心。在模型制作中自然而然地掌握了有關土性參數的測試技術，充分認識土體的顆粒屬性、三相性及強非線性的力學特性。通過本項目，也培養了學生的嚴謹科學態度和團隊合作精神，提高同學的科學素養和實踐能力。

4 結語

采用土工離心機進行巖土工程課程的教學在我國尚處于起步階段。本文開展嘗試性工作，希望通過小范圍嘗試為將土工離心機應用于我國的本科和研究生巖土工程課程教學積累經驗，使物理模型實驗教學與傳統教學方式相互融合。本次采用大型土工離心機開展水位變化誘發邊坡失穩試驗，實驗教學收到較好效果，今后，仍結合SRTP項目開展工作以豐富和提高有關的認識。在教學實驗設備改進方面，浙江大學正著手建造一臺微型土工教學離心機，使離心模型實驗教學常規化，擺脫大型離心機在經費和時間等方向對教學使用的制約。

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