對開口型土力學理論與試驗教學方法的再認識

胡敏云等

摘要：

土力學是解決土工問題的基礎理論，但是其理論大多來自試驗和對工程問題的高度抽象，因此其應用條件的限制較為嚴格，在解決實際工程問題時，土力學理論往往存在缺陷，這就是土力學理論的開口性。對開口型的土力學理論，除了課堂教學以外，一定要注重試驗教學和工程案例教學。通過課程教學經驗的總結，結合當前人才培養的需求，對實驗室改革、探索性試驗組織的方法和工程案例教學的有效途徑進行了探討。

關鍵詞：土力學；開口理論；實驗教學；案例教學

中圖分類號：TU3-4；G642；423 文獻標志碼：A 文章編號：

10052909（2014）05007604

近年來，城市建設中發生了一些重大工程事故，造成了國家財產損失甚至人員傷亡，形成了惡劣的社會影響。例如，某軟土地區地鐵隧道凍結法施工因凍結失效而發生的坍塌事故；某軟土地基地鐵車站基坑因土體擾動、支護不及時等而發生坍塌；某新建高層住宅因臨近地下車庫開挖區（未支護）和堆土的雙重影響而驟然倒塌等。這些事故都涉及典型的土力學問題。如果事故相關工程人員能夠對工程中涉及到的關鍵土力學問題事先作出合理準確的判斷，這些事故發生的可能性將大大降低。

土力學是土木工程專業的重要基礎課程之一，土力學的原理和概念應該像科普知識一樣貯存在工程師的記憶中，成為土木工程師知識庫中的一個重要內容，這樣才能在關鍵問題上發揮作用，更好地為工程實踐服務。因此，土力學的教學既要注重土力學問題的計算分析方法，又要注重對土力學概念的深刻認識和對土工問題的合理分析，以便能夠在宏觀上對工程問題作出準確判斷。學習土力學，不單純是為了會計算，也不是為了強化結論，它是提升工程人員對地基問題分析和宏觀判斷能力的重要訓練。

土力學的理論是開口型的理論。所謂開口型，指的是支撐土力學的三大理論[1-4]：滲透理論、壓縮固結理論和強度理論，都帶有很強的局限性、存在原始誤差。用這些理論方法計算再精確也無法彌補原始誤差帶來的不準確，有些時候甚至是很不準確。而原始誤差來源于這些理論建立時所依據的基本假設或使用條件。因此，土力學的教學不應該是單純教會學生計算，而應該是教會學生去思考，教給學生分析土工問題的思路和現有的較合理、可行的解決方法。

土力學的三大理論都來源于試驗，因此，試驗對于土力學的教學至關重要。傳統的土力學試驗屬驗證型，即已知試驗結果的發展規律，再做實驗尋找固定公式的參數。但是，從認識土力學的角度講，土力學試驗應該是探索性的，即在未知土的力學特性的情況下，通過試驗尋求土力學特性的規律和影響因素。

通過對比國內外一些知名高校土力學教學情況發現：雖然土力學的教學內容各地區差別并不大，但是土力學的教學安排和教學方法有所不同，直接影響著學生的學習效果，從而影響學生從業后對土力學理論的理解和應用[5-9]。為此，我們在從事土力學教學和科研工作的基礎上，通過對土力學的思考和對學生學習狀況的調查了解，以及從土木工程師對土力學知識的需求的角度出發，對土力學中的理論教學和試驗教學進行了再認識，以期為土力學相關內容教學方法的改進提供有益參考。

一、土力學的理論特點——開口性

土力學的理論是開口型的，指的是傳統的土力學理論都是有缺陷的。比如，滲流理論的基礎是達西定律，但是達西定律是根據常水頭砂土實驗得出的結論，它適用于描述水的流速較小、符合層流條件（雷諾數較小）的孔隙材料的滲透規律，并假定土在滲流的過程中孔隙特征不發生變化（滲透系數為常量），這與很多涉及到滲流問題的地基狀況并不完全符合。再比如，太沙基的一維滲流固結方程，求解后可以得出結論，初始附加應力的大小對土層的壓縮量有影響，但對土的固結過程沒有影響。這個結論是在大面積加載的條件下得出的，對于工程中更普遍的三維和二維加載的地基而言，這個結論是不真實的。還有，土的抗剪強度理論——庫侖定律，它從砂性土的直剪試驗歸納而來，盡管被推廣應用于各類土的抗剪強度規律，并對土的抗剪強度指標取值和影響因素也有很多研究成果，但是庫倫定律的應用還是有誤差的。由此可見，當前土力學理論還帶有很多附加的使用條件，還有很大的發展空間，是開口性的。

然而，土力學的理論是開口的并不意味著土力學的理論不可以應用于解決實際工程問題，只要在合理的條件下，在工程誤差允許的范圍內，傳統的土力學理論，因為其精簡、容易理解，在土工實踐中仍然發揮著巨大的理論指導作用。可是，從學習的角度講，對于習慣于理性思維和采用數學公式解決工程問題的學生而言，土力學“真真假假”的開口理論使他們難以把握，甚至由于土力學計算的誤差使有些學生對土力學的理論失去了信任。在學習中，他們對土力學的理論一方面表現得過于嚴謹，不敢“越雷池一步”，甚至有的由于難于理解，為了考核的需要而死記硬背；另一方面，在進入工程單位實習和工作時，又很容易陷入經驗主義，在需要作出判斷和選擇的問題上，有時反而背離了土力學的基本原理，以至于在工程實踐中留下安全隱患或造成不必要的浪費。

總之，由于土力學理論的開口性特點，在土力學教學中，應該區別于較為嚴謹的課程理論（如彈性理論、材料力學）的授課方法，在關注理論計算和注重結論的同時，還必須加強理論建立方法和結論適用條件的分析，增加值得討論的內容。

二、從當代高校環境和學生特點對土力學教學方法再認識

隨著高校建設經費的逐年積累、校園信息化的推進以及學生基礎教育程度的提高，現代土力學的教學環境得到了很大改善，主要表現在以下幾個方面。

一是，試驗設備充足。經過多年教學和科研的積累，很多高校土木工程學科的土工試驗設備有了改進和補充，不僅在數量上有所增加，更是在儀器種類、性能和精度等方面有了很大改進，可以很好地支撐土力學的教學任務，并為學生提供自主試驗的良好條件。

二是，學校信息化程度大大提高。計算機技術的迅速發展和網絡技術的普及，為高校學生的學習提供了更廣闊的途徑，也為學生了解和跟蹤典型工程實例提供了更多的信息平臺。這為開展互動式、全天候的土力學教學提供了便利。

三是，教師專業素質不斷提高。中老年教師的經驗積累和青年教師的補充，大大提高了高校土力學教師隊伍的整體專業素質。一方面表現在土力學教師與學生的比例不斷提高，教師可以更自主地開展多種形式的教學活動；另一方面，由于高校教師大多具有從事科研工作的豐富經驗，而且越來越多的教師具有海外從事科學研究的經歷，加之中國土木工程行業蓬勃發展的現狀，很多教師有機會參與到一些典型、重大的工程實踐中，與工程聯系緊密，因此，土力學教師團隊不僅有扎實的土力學知識、良好的試驗技術和計算能力，而且還可以獲得很好的巖土工程案例，為豐富教學內容、拓展教學方法奠定了良好的基礎。

四是，學生的綜合能力提高。在計算機時代和信息化時代的大環境下，當代高校學生具有較為開闊的專業視野，有跟蹤熱點工程的意愿，甚至有些學生有濃厚的科研興趣。現代土力學教學中應該注重培養學生的探索能力，結合學生的求知意識，將學生的被動學習（課堂知識的灌輸）和主動學習（課外試驗及案例分析）有機結合起來。

但是，現有高校的土力學教學仍然延續以課堂授課為主、驗證性試驗為輔、課后進行計算練習的傳統教學模式。這樣做雖然方便高校教學管理，便于規范化教學和評估，但是對于像土力學這類開口型理論，其教學方法還有待改進。

總之，高校的土力學教學環境已經大大改善，教師和學生都對土力學的開口理論的教學方法的革新有所準備。開設開放性、自主探索性試驗和工程案例討論式教學是完全可能的，而且應該是更有效的。為此，在滿足現有教學規范的基礎上，可以對現有土力學的教學方法進行改進和補充，主要包括開放性試驗與自主探索性試驗，工程案例討論式教學兩個方面。

（一）開放性試驗與自主探索性試驗相結合的試驗教學

土力學的理論大多是從試驗中來，因此，試驗教學是土力學課程學習中不可缺少的重要環節。目前，土力學試驗往往由教師安排，在相關知識點授課結束后，集中安排學生實驗，即將參加實驗的同學按3～4人分成組，由教師指導操作幾種典型實驗，課后完成實驗報告。這種試驗教學雖然讓學生接觸到了土工試驗，但局限性明顯，主要包括以下幾個方面。

一是，試驗內容單一。目前土工教學試驗主要是土的物理特性試驗、土的壓縮試驗、土的直接剪切試驗和三軸壓縮演示試驗。可是，近十幾年，由于辦學條件的改善，大多數高校的土工儀器和土工試驗的種類都有增加，除了傳統的教學試驗儀器外，各高校土工實驗室大多配備有與土的滲流和土的變形與強度相關的特色試驗儀器。相比之下，土力學的教學試驗內容過于單一，不能滿足學生土力學綜合知識和能力提升的需要。

二是，試驗是驗證性的。現有的土力學試驗在講授完相關土力學知識后進行，是一種已知結果的驗證性實驗。但是，土力學的理論是開口性的，土工程特性都是受到多種因素的影響，要想更好地把握土的力學特性，試驗應該是探索性的，這樣更有利于發揮學生的求知能動性，以便通過分析和比較，讓學生在認識現有土力學理論合理性的同時，認識它們的局限性和可發展性。

三是，實驗室封閉式，既浪費又擁擠。由于土力學試驗安排相對集中，需要多組同類型的試驗儀器才能完成土力學的教學任務，因此，土力學實驗室往往需要批量購置試驗儀器，故需占用較大的試驗空間；而試驗結束后，大部分的試驗儀器閑置，試驗室封閉等待下一年度的試驗教學任務，這無疑造成空間和儀器閑置。另一方面，有些高校的土力學實驗室中研究生試驗和本科教學試驗常共用儀器和實驗室，在時間安排上會產生沖突，造成一方的試驗必須停止“讓行”的局面。

鑒于此，提出開放實驗室，增加探索性試驗的可行性構想，主要建設內容如下。

一是，開放實驗室。所謂開放實驗室，指的是不集中安排學生試驗，由學生根據自己的學習計劃和實驗室登記情況提前預約試驗時間，按預約時間完成計劃試驗項目，為此實驗室要保持對學生開放（包括周末和晚上），以保證試驗需要。開放性實驗室的好處在于不需要購置很多同類試驗儀器，同種試驗儀器可以錯時使用，而不同的試驗儀器可以同時使用，提高試驗場地和儀器的使用效率。只要提前預約，合理安排，研究生試驗和本科生教學試驗可以穿插進行，互不影響，且可以在試驗時互相學習、討論。

二是，選擇性地開展探索性試驗。所謂探索性試驗，是指由教師設定試驗題目，由學生選擇完成非常規型的試驗項目。針對不同層次的學生，教師可以根據學校土工試驗儀器配置情況，適當布置一些非常規項目的試驗供學生選擇。例如，學習土的抗剪強度，可以讓學生分別完成直剪試驗（可分組完成快剪、固結快剪和慢剪）、無側限壓縮試驗、三軸試驗（可分組完成不固結不排水、固結不排水和固結排水試驗），讓學生共享不同的試驗結果，共同分析試驗數據，以加強對土的力學特性的思考和認識。

三是，設計課程演示試驗。對有條件的實驗室，教師可以設計一些典型的土工試驗供課程學習時演示，可以加深學生對課程內容的理解。例如，筆者曾在某國外高校旁聽土的滲透性課程，教師設計了均質砂土堤壩滲透試驗槽和臨界水力梯度裝置，在課程中給學生進行滲流演示，試驗雖然簡短，但給學生留下深刻的印象。

總之，對于以試驗為基礎的開口性的土力學理論，其教學設計中一定要重視試驗課程的安排和設計，這不但可以增強學習效果，而且對培養學生的求實意識、探索精神和實際工作能力大有裨益。

（二）工程案例分析的方法

在我國當前土木工程建設的大環境下，與土力學教學相關的工程案例非常多，既有影響力較大的重大工程案例，也有地區性特色鮮明的土工案例；有成功的案例也有失敗的教訓。例如，在土的滲流與破壞方面，有土石壩、堰塞湖、基坑管涌等成功與失敗的工程案例；在地基沉降與變形方面，可以將軟土地基上高速公路的橋頭跳車問題作為案例；在邊坡穩定性方面，可以將基坑邊坡設計與施工作為工程案例，等等。

對開口型的土力學理論教學而言，案例教學具有特別的意義[10-15]。通過案例分析，一方面可以幫助學生梳理出關鍵的巖土工程問題涉及的土力學知識，既認識土力學理論的適用性，也了解其局限性；另一方面，可以將土力學知識與諸多工程的設計和施工聯系起來，強調理論聯系實際，將知識和能力融為一體。

實施案例教學要重點把握以下幾點。（1）精心選擇案例。一個工程往往是很多不同門類知識和技術的綜合體，教師首先要選擇適合某一類土力學問題的典型工程案例，它可以是一個完整的工程，也可以是工程中的某一部分內容。（2）抽象出土力學分析模型。教師在設計教學案例時，應該初步抽象出土力學問題的基本模型，以便在課堂上更好地組織和引導學生討論。（3）問題設計。針對提出的土力學分析模型，提出一、兩個與工程建設相關的關鍵問題供學生討論并引導學生用土力學的方法去解決。（4）問題總結。對成功的案例，土力學解決的問題也不是精確的；對失敗的巖土工程案例，其中一定發生了違背了土力學的基本原理的錯誤。所以，問題總結對學生認識土力學的基本理論及其開口的特性非常重要。

總之，案例教學要強化問題設計，要注重討論，要能夠總結出土力學原理的應用方法和實用價值。規劃好的案例分析并不需要花很多時間，卻能收到畫龍點睛的作用，加深學生對土力學原理和概念的理解。

三、結 語

土力學理論具有開口性的特點，因此土力學的教學應該區別于以灌輸課堂知識為主的傳統教學方法，應該增加探索性的學習和討論式的學習內容。

在試驗教學中，除了傳統的驗證性試驗內容以外，我們還提出了開放實驗室和增加探索試驗的可行性構想；在課堂教學中，針對典型的土力學問題，可以適當增加工程案例的教學討論內容。

需要指出的是，盡管開放試驗室和增加探索性試驗是可行的，這對高校的實驗室管理提出了一定的挑戰；而且，工程案例教學因為沒有定式可循，也需要任課教師用心設計。所以，土力學開口型理論的教學方法還值得不斷地實踐、認識和完善。 參考文獻：

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Recognition of the teaching method of openended theory of soil mechanics

HU Minyun， XU Sifa， CHEN Yu

（College of Civil Engineering and Architecture， Zhejiang University of Technology， Hangzhou 310014， P. R. China）

Abstract：

Theory of soil mechanics is a sound base of geotechnical engineering， but most of the theories in soil mechanics are limited and open ended because they are based on simplified tests and are highly abstracted from practical models， leading to errors when being used to solve ground problems. According to its character of being open ended， the teaching and learning process of soil mechanics should stress on laboratory test and case study， as well as formal lecture. Based on writers experience in soil mechanics teaching， the reorganization of laboratory， establishment of exploring test and suggestion on typical case selection and preparation were discussed here.

Keywords： soil mechanics； openended theory； test study； case study

（編輯 梁遠華）