PKPM軟件在《土力學與基礎工程》課程教學中的應用

許端端，孫澤杰

(湖北工業大學 工程技術學院，湖北 武漢 430068)

1 引言

《土力學與基礎工程》是土木工程專業本科教學中的專業核心課程之一，內容主要包括土力學與地基基礎兩大部分。其中土力學部分為理論基礎，基礎工程是土力學部分的后續內容，同時還涉及結構力學、材料力學和鋼筋混凝土結構設計等專業基礎課程，具有較強的綜合性、實踐性和經驗性[1～3]。PKPM結構設計軟件是一套集建筑、結構、施工、概預算為一體的綜合性高效電算軟件，因此 “PKPM軟件”這門課程在高校土木工程專業中作為專業基礎課程而被廣為開設[4～6]。該軟件所涉及到的理論知識，相關課程主要包括《房屋建筑學》《混凝土結構設計原理》《混凝土結構設計》《結構力學》《高層建筑結構設計》《建筑抗震設計》《工程結構荷載與可靠度設計原理》《土力學與基礎工程》等[7]。目前，在土木工程專業所開設的《混凝土結構設計》《鋼結構》等專業核心課程中，均會引入PKPM軟件輔助教學，一方面，能有效提高學生的學習興趣，提高教學質量與教學效率；另一方面，能使學生掌握最基本的工程設計方法，起到連接課堂教學和工程實踐的紐帶作用[8]。而PKPM軟件本身除了具有混凝土、砌體、鋼結構等上部結構設計分析功能，其所包括的JCCAD模塊也能對各種類型的基礎進行設計計算。在此基礎上，本文將結合實例，探討PKPM軟件在《土力學與基礎工程》實踐教學中的具體應用，以供參考。

2 PKPM地質模型輸入與土力學基本物理力學指標認知

《土力學與基礎工程》課程中的土力學部分是基于理論力學、材料力學、結構力學、彈性力學及流體力學等相關力學理論知識而開設的課程，包含眾多的理論和假設[9]。在教學中，一直存在一個難點即：作為建筑物載體的地基土具有三相性、碎散性及天然變異性的特征[10]，土的物理性質不僅由三相體系的性質決定，而且土的三相比例關系也是一個重要的影響因素[11]。導致用來描述其性狀的物理指標較為繁多雜亂，且對土力學意義較為重大的“孔隙比e”“比重ds”“飽和度Sr”等物理指標與之前在《材料力學》《混凝土結構設計原理》《鋼結構》等課程中所涉及到的物理指標相關性不強。此外，土的抗剪強度與土木工程專業其它課程中所涉及到的材料不同，它并不是一個常數，而是一個隨著正應力σ值變化而線性增長的變量，在土力學中一般采用抗剪強度指標內摩擦角ψ及粘聚力c來表征土的強度。初學者在理解這些物理力學參數的時候，往往會存在一定的困難。此時，在教學中引入PKPM軟件的JCCAD模塊地質模型部分(圖1)輔助教學，通過軟件自帶的默認巖土參數表讓學生了解在工程實踐中常見的巖土種類有哪些，其參數的大致取值范圍如何。再讓學生根據老師提供的地質勘查報告輸入孔點參數(圖2)并進行編輯，繪制土剖面圖及等高線等，使學生認識到如何將課本上所學到的零散的參數指標在工程實踐中加以應用，以加深學生對《土力學與基礎工程中》課程中相關物理力學指標的認知，提高其實踐能力。

圖1 PKPM軟件JCCAD模塊地質模型部分示意

圖2 孔點參數輸入示意

3 PKPM基礎模型與基礎設計

在土木工程專業課程體系中，上部結構與基礎工程往往是割裂開來進行教學。實則在建筑的地基基礎設計過程中，除了受地面土質結構和地下的巖土成分等外部基本條件影響外，還受到包括建筑本身的高度、地下室層數和建筑的內部結構對地基的壓縮等因素的影響[12]。在學習中，若不能將這兩部分知識有效融合，會使學生不能形成綜合的知識網絡，影響其理論知識的掌握和實踐能力的獲得。在PKPM軟件中，JCCAD模塊中基礎模型的荷載直接讀取上部結構模型經SATWE分析計算后所得的荷載(圖3)，基礎設計須在上部結構設計計算完成后方可進行。因此在《土力學與基礎工程》教學中引入PKPM軟件輔助教學，能使該課程與先前所學《混凝土結構設計原理》《混凝土結構設計》《結構抗震》《多層與高層建筑結構設計》等課程相銜接[13]。在課程設計環節，與安排在上學期的《混凝土結構設計》課程設計形成聯動，讓學生為之前完成的混凝土框架結構或剪力墻結構選擇合適的基礎形式并進行結構配筋計算，將手算結果與PKPM軟件計算結果進行對比，分析兩種算法誤差產生的原因，應用PKPM接力程序完成施工圖的繪制[14]。通過這種模式，可使《土力學與基礎課程》與土木工程專業其它核心課程緊密聯系，加深學生對基礎工程綜合性、實踐性的理解。

圖3 基礎模型荷載讀取示意

PKPM軟件JCCAD模塊的建筑模型菜單如圖4所示，該軟件對目前在工程實踐中常用到的獨立基礎、地基梁、筏板基礎、樁基礎等基礎類型均能進行設計計算。以湖北工業大學工程技術學院所開設的《土力學與基礎工程》課程為例，該課程理論課時為56學時，其中土力學理論部分包括32學時，基礎工程僅為24學時。由于學時所限，在授課過程中只能選擇對柱下獨立基礎、樁基礎等常用且設計過程比較有代表性的基礎形式的設計流程和計算方法進行詳細講解，而較為復雜的基礎形式如地基梁、筏板基礎等則由學生自學完成。這種教學模式會導致一部分自主學習能力不強的同學學習效果達不到預期。在這部分內容的教學中引導學生運用PKPM軟件JCCAD模塊結合課本內容對該類復雜基礎進行設計，使得教學過程既不需要像講解手算過程那樣耗費大量的時間，又能使學生在動手過程中了解在工程實踐中此類基礎的設計流程，以保證學習效果，增強學生的實踐能力。

圖4 基礎模型菜單示意

雖然現代土力學理論發展了土的本構模型和現代數值計算方法，解決了非線性等復雜的計算難題，但目前確定地基承載力的方法采用的仍是傳統的半理論半經驗的方法[15]，不同的理論分析方法導致地基承載力的確定方法種類繁多，每種方法有其不同的適用情況，學生在學習的過程中比較容易對此產生混淆。在PKPM軟件中，提供了包括綜合法、國標抗剪強度指標法、靜樁試驗法、上海地區抗剪強度指標法、北京地區建筑地基基礎勘察設計規范法等5種不同的地基承載力確定方法(圖5)，在授課過程中將課本相關內容與軟件中對應的方法結合起來，引導學生去了解每種計算方法所需的參數如何獲取及各修正系數應在何范圍內取值，并分析比較使用不同方法確定的地基承載力對基礎最終的設計計算結果所產生的影響，加深學生對此部分知識的認識和理解，提高其分析問題解決問題的能力。

圖5 PKPM中地基承載力的確定

在PKPM中，除了以平面圖的形式顯示基礎的布置，還有三維線框模式及三維著色模式可供選擇(圖6)，可以非常直觀地讓學生看到不同的設計所對應基礎的表現形式。由于基礎形式太過多樣，課本中不可能對每一類基礎特征及形態都進行詳細描述?？梢龑W生對所設計基礎選擇三維模式進行觀察，使學生能自主發現獨立基礎中錐形基礎和階梯型基礎的異同點、筏形基礎與地基梁的表現形式、獨立基礎之間拉梁如何設置等課本中沒有詳細敘述的內容，補充教學拓展學生的眼界。

圖6 三維著色模式表示基礎

4 結論

《土力學與基礎工程》是一門綜合性、實踐性和經驗性都較強的學科，在教學中僅依賴理論課程講授難以取得理想的教學效果。在教學過程中，引入PKPM設計軟件中的JCCAD模塊，輔助《土力學與基礎工程》課程教學，一方面，能夠加深學生對土力學中常見物理力學指標的認識；另一方面，可將基礎工程設計與上部結構設計相關課程內容緊密相連，使學生構建土木工程專業結構設計類知識網絡，了解結構設計的全過程，形成完整的結構設計知識體系；除此之外，還能借由PKPM軟件的三維顯示功能讓學生直觀了解各類基礎的形式及特點，最終達到提高《土力學與基礎工程》課程教學質量，提升學生學習效果及實踐能力的目的。