土力學課程教學中平面試驗臺的研制與應用

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摘要：土力學課程具有理論與實踐并重的特點，其核心教學內容譬如地基承載力理論通常采用與工程實際并不一致的假設。然而由于教學條件的限制，該課程類似教學內容無法得以實踐，教學效果也就難以保證。為了彌補這一不足，文章介紹了適用于本科土力學課程教學的平面綜合試驗臺的研制與應用。利用該試驗臺，可以完成對包括地基承載力、土壓力和邊坡等重要土力學問題的模擬研究。實踐表明，該試驗臺具有傳統教學無法替代的功能。

關鍵詞：土力學；實踐教學；綜合試驗臺；平面應變

中圖分類號：G6420；TU43文獻標志碼：A文章編號：

10052909（2016）04014204

土力學課程是土木工程、水利水電工程以及地質工程等多個本科專業的專業基礎課程[1]。該課程既包括土的基本物理力學性質，例如含水量、液塑限以及抗剪強度，也包括應用此類基本性質的經典土力學問題，例如地基承載力、土壓力和邊坡穩定性。現有的土力學課程本科教學通常涵蓋土的基本物理力學性質試驗的實踐教學環節。但是，受教學條件的限制，地基承載力的平板載荷試驗、分析土壓力的擋土結構試驗以及邊坡試驗等重要試驗均無法得以開展。因為課程中相應的理論，譬如地基承載力理論、土壓力理論均采用了便于分析的簡化假設[1]；又如，眾所周知的Rankine土壓力理論假設擋墻背部與墻后填土無摩擦等，但在實際地基工程中能滿足此類理想假設的情況并不存在。如果能進行有針對性的類似試驗，學生便可以深入理解土力學基本理論與工程實際的聯系與區別[2]。因此，有必要對目前土力學課程中的土力學試驗教學環節進行改進，以有利于創新型人才的培養[3-4]。但是，目前相關文獻尚不多見關于在該課程中展開上述類似綜合試驗的研究[5]，因此有必要進行適合土力學課程本科教學的上述試驗的應用研究，以達到改善課程教學效果的目的。

由于受到教學成本和學時的限制，在土力學課程教學中開展足尺度的平板載荷試驗以及擋土墻試驗等，目前還不現實，也沒有太大的必要性，而模型試驗為解決上述問題提供了可能的合理途徑[6-7]。上文提及的經典土力學問題

一般可視為平面應變問題，因此，設計研制能夠開展平板載荷試驗、擋土墻和邊坡穩定模擬實驗的平面應變綜合試驗臺，不僅成本較小，而且其模型尺寸適合本科實踐教學，是本文研究的核心內容。

一、土力學課程平面應變綜合試驗臺的研制

針對土力學課程的三大經典土力學問題：地基承載力、土壓力和邊坡穩定性問題所設計的試驗臺，首先需要滿足能夠進行上述三類平面應變試驗模擬的要求；其次，試驗臺要能夠便于教學應用，這主要體現在較小的試驗尺度和試驗過程的直觀性上。基于上述考慮，本文主要介紹平面應變綜合試驗臺的研制，包括試驗臺主體、加載裝置和變形量測裝置。

（一）試驗臺主體

試驗臺主體是一個用于放入土樣來模擬地基土、擋土墻后填土和天然邊坡土的容器。考慮到便于教學的試驗臺體輕量化的要求、容器的剛度需要承受內部土壓力載荷的要求，以及滿足盡量減小內部土體與容器側壁摩擦的要求，試驗臺底座采用厚20 mm、寬90 mm、長500 mm的1060系列精制鋁合金板，垂直于試驗臺體長度方向的兩塊正面板采用厚20 mm、寬50 mm、長295 mm的相同的精制鋁合金板，平行于試驗臺體長度方向的兩塊側板則采用厚8 mm、寬300 mm、長500mm的鋼化玻璃板，方便學生直觀觀察試驗過程。其中正面板的鋼化玻璃與側板的鋁合金板由10根直徑為10 mm有效長度為20 mm的6.8級螺栓連接，側板的鋁合金板與底座鋁合金板由4根直徑為8 mm有效長度為30 mm的6.8級螺栓連接。在鋼化玻璃、鋁板之間的接縫處，均采用膠黏劑將其彼此密封粘結，以加強不同部分之間的穩定連接，也可以防止土顆粒的漏出。整個模型重量為5.93 Kg，試驗臺主體實物圖見圖1（a）。

為了實現模型試驗中豎向和水平向的加載功能，設計了兩套杠桿來實現豎向和水平向的逐級加載。此外為測量土體變形，通過固定在側向板上的位移百分表來測量土體的豎向和水平向位移， 見圖1（b）（c ）。

（二）試驗臺功能

利用上述綜合平面試驗臺，可以按要求在其容器內裝入土樣來模擬地層、墻后填土以及簡單邊坡等，然后通過在其上面施加豎向載荷或水平載荷，分別模擬地基承載力、擋墻土壓力以及邊坡穩定性等土力學課程中的重要試驗。在整個試驗過程中，試驗者可以透過玻璃板直觀觀測土體的變形或破壞情況，還可以通過分析測量獲得力—位移數值，繪制相應的試驗曲線。

二、綜合試驗臺的應用與效果

（一）地基承載力等試驗應用

如前所述，利用本文介紹的平面試驗臺可以進行平面應變模型的地基承載力、擋墻土壓力以及邊坡穩定等試驗模擬。限于篇幅，這里重點對條形基礎下的地基承載力試驗進行介紹，其余兩種試驗過程類似，不再進行詳細描述。

1.實驗準備

試驗所用的土樣選用標準砂，其原因一是便于試驗操作的方便；二是已經事先得到了所用標準砂的基本力學性質，譬如不同初始密度情況的內摩擦角，因此試驗結果便于與相應理論進行對比研究。本試驗選用的初始密度為1.7g/cm3的標準砂。按照設計好的模型尺寸（土樣高度為23.5cm）和密度，分多層（5層）逐次裝入計算質量對應的土樣（總重為7 590g）。實驗前應準備好足夠的上述標準砂。為了便于觀察土樣的變形過程，在土樣中每隔一定高度放置一根紅色柔軟細線；與本實驗中上部土體變形相對應，其布置原則為下部間隔大于上部布置間隔，上部間隔為3～4cm，下部為5～6cm。條形基礎對應用有機玻璃板來模擬，將其放置在地基土體中央頂部。在該板上施加代表上部建筑重量的豎向載荷，并使該板頂面與百分表的測桿接觸，以測量地基的豎向變形。

2. 實驗過程

通過在杠桿上逐級增加砝碼實現逐級施加豎直載荷，每隔一段時間間隔記錄豎向變形量，待其變形達到穩定標準，進行下級載荷施加；根據砝碼重量和百分表讀數，繪制相應的荷載—位移曲線，即p-s曲線。試驗的結束標準為承壓板周圍的土體被明顯側向擠出，或者p-s曲線出現陡降段。由于試驗選用的是干的標準砂，因此每級載荷下的地基變形穩定能在較短時間內達到（15分鐘左右），因此方便在實際教學中應用。

另外，在整個試驗過程中，可以通過智能手機或相機拍攝照片或錄制視頻，觀察地基土體隨施加豎向載荷增大的變化過程。

3.實驗數據后處理

本次試驗研究了不同基礎寬度對地基承載力的影響，所獲得的p-s曲線如圖2所示。圖3則給出了實驗過程中獲得的地基土體的變形情況，可以看到基礎兩側的土體隆起和基礎底部土體向下的運動。結合圖2中的具有明顯轉折點的荷載—沉降曲線，可以認為該地基發生了整體剪切破壞。

如圖4所示給出邊坡試驗和擋墻被動土壓力試驗獲得的土體破壞時的變形情況，其具體試驗過程不再贅述。圖中的黑線為后續處理時標出的破壞面位置。

（二）教學效果

筆者在課堂教學中按照自愿原則選出部分學生，應用本文介紹的試驗臺進行了上述三種模型試驗，并錄制了相應視頻資料供后續教學應用。此次教學實踐表明，本科生進行上述綜合試驗，能獲得如下常規課堂教學無法達到的多層次教學效果。

一是，學生對書本上講解的試驗現象有了更直觀和深刻的認識。譬如上述地基承載力試驗中地基土體的變形模式，以及最后的破壞剪切模式；擋墻后填土在被動土壓力極限狀態時，土體中破裂面形成過程，以及其形狀和角度。

二是，學生對課本相應理論的影響因素有了更為深入的認識。以地基承載力試驗為例，通過改變基礎寬度和地基土的密度以改變其相應內摩擦角，從而研究這些因素對于試驗獲得的地基極限承載力的具體影響和作用；通過試驗明顯增強了學生的試驗設計能力，以及對試驗細節的把握程度。

三是，通過對比獲得的試驗結果與相應的土力學理論，有助于學生深入理解與認識理論和實踐之間的關系。譬如學生發現獲得的試驗地基極限承載力明顯大于由太沙基理論計算的地基極限承載力，在分析了各種試驗因素后，認為這應歸因于實驗中側板對土的摩擦力。后來通過在側板與土樣之間添加減摩層（青稞紙）試驗驗證了分析結論。此外，學生還發現擋墻后破裂面角度與基于Rankine土壓力理論的理想角度十分接近。通過上述實踐過程的研究，不僅可以加深學生對土力學理論的理解，而且提高了學生的動手能力以及分析、解決問題的能力。

四是，通過此類研究，極大地激發了學生的研究興趣。書本中相對復雜的知識點，譬如邊坡的穩定性分析技術，平時學生對動手計算有畏難情緒

。但是，獲得了試驗結果后，學生能夠主動去計算，迫切希望能夠算出結果與試驗進行對比。另外，有的學生還能進一步設計出新的試驗來驗證對比。譬如，他們提出由p-s曲線的直線段推算出變形模量，與由固結試驗獲得的壓縮指數進行對比研究，并與筆者開發的土力學有限元仿真軟件模擬結果進行對比[8]。

五是，除了上述較直接的教學效果外，基于上述研究拍攝剪輯的視頻資料，已準備在國內開放資源平臺向學生開放，預期能取得更為可觀的效益。

三、結語

本文介紹了一種適用于土力學課程本科教學的平面應變綜合試驗臺。有了此試驗臺可以進行土力學課程中地基承載力、擋墻土壓力以及邊坡穩定性等問題的模型試驗研究。實踐表明，該試驗臺能夠達到完成上述三種平面應變問題試驗的目的，并能使學生深入掌握土力學理論，激發學生學習興趣，

切實提高學生的動手和分析、解決問題的能力。該綜合試驗臺客觀上改進了現有土力學課程的實踐教學環節，成為必要的實踐教學資源，具有一定的推廣價值。參考文獻：

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