新工科建設背景下土木類學生實踐能力提升的探索與實踐

王英杰 邊亞東 惠 存

1.中原工學院建筑工程學院 河南鄭州 450007；2.河南省環境巖土工程與地下工程災害控制工程研究中心 河南鄭州 450007

一、概述

項目教學法糅合了探究教學法、任務驅動教學法與案例教學法的特點，是一種基于建構主義學習理論的探究性學習模式[1]。項目教學法主張以實際的項目為對象，由教師及學生團體共同對實際項目進行考察、分析，然后以學生為主體對項目部分進行討論、交流、寫作，針對實際問題提出可行的解決方案，最后以項目完成情況對課程教學和學生學習情況進行評價。

項目教學法是工科類專業學生培養常用來夯實知識體系和提升創新實踐能力的實踐教學方法，能夠幫助學生鞏固理論知識，使其將理論知識有效吸收消化并轉變為解決實際問題的能力。實踐教學環節的改革與實踐符合新工科建設的“學與教”的新探索[2-5]，是近年來各高校進行的一系列新工科建設研究與探索的重要內容[6-7]。

“土木工程材料”是土木工程專業學生的學科必修課程，土工合成材料是課程的重要內容，主要包括土工格柵、土工布、土工膜、土工防排水材料、土工防沙材料、土工網、土工保溫材料及其相關土工復合材料等，在國際上被稱為繼鋼材、水泥、木材之后的“第四大建筑材料”。

二、土工合成材料的典型應用

目前，土木合成材料已廣泛應用于水利、港工、公路、鐵路、機場、市政、建筑、環境、礦山和農業等國民經濟建設領域，并取得了良好的社會效益、生態效益和經濟效益。在實際工程應用中，土工合成材料的功能性體現在多個方面，如軟土地基加固、舊路堤加寬、堤壩邊坡加筋和加筋擋土墻等，有提高路基、路堤承載力、降低路基厚度、河流邊坡防護、隔離防水防滲、集水排水以及延長基層結構使用壽命等作用。

一般的，土工合成材料可以單獨鋪設來發揮自身作用，但在有特殊要求或單獨鋪設無法滿足工程需要時，多采用多種土工材料相互配合鋪設。例如，人工湖、蓄水池、魚塘、垃圾填埋場及醫院等對防滲漏要求較高，單層土工布或土工膜無法阻止滲液進入地下，因此常采用“兩布一膜”(即兩層無紡布和中間的一層土工膜)的方法進行鋪設，以塑料薄膜作為防滲基材，與無紡布復合而成的土工防滲材料，它的防滲性能主要取決于塑料薄膜的防滲性能。多種土工材料配合使用，既能達到防滲、防漏、防腐蝕的效果，又確保周邊環境安全，并防止醫療、生活污水、廢水等液體對地下水的污染。

近年來，我國汛期呈現出了偏早的特征，并且持續時間偏長。2022年，我國華南地區前汛期于3月24日開始，較常年偏早16天。過早、過久的汛期降水，給我國不同地區的地質情況帶來了巨大隱患。2021年，河南中北部出現大暴雨，多個國家級氣象觀測站日雨量突破有氣象記錄以來歷史極值，多地高速公路、普通干線公路、農村公路等發生損毀，河流等水域出現滑坡等情況，城市地面出現路面或護坡塌陷等險情。在各地搶險過程中，土工布、土工膜、土工模袋等材料與沙土、砂石等一起筑起了保護人命生命和財產安全的物理防線。

在鋪設土工合成材料之前，必須進行科學合理的設計、施工方案規劃。施工過程中，要嚴格遵守施工要點和質量檢測點的規范要求。在施工完成后，需要采取技術措施檢測土工材料的具體狀況，確保防滲、防漏性能的最大程度發揮，提高鋪設材料的可靠性。因此，在工程應用時，需要了解土工合成材料的功能、原理，合理選擇，從而達到解決實際問題的目的。下面以邊坡加固為例，對土工合成材料的原理、應用范圍以及鋪設方式進行詳細說明。

三、土工合成材料的邊坡加固原理

土工合成材料在各種類型的防護工程和大量的水利及堤防工程中都得到了應用。在滑坡治理中，土工合成材料能夠提升邊坡土體的一致性，增加土層間的摩阻力，進而限制土體的位移，有效降低再次發生滑坡的概率，對提高邊坡穩定性有重要作用[8-9]。

在防水、防洪等邊坡加固過程中，常采用土工格柵、土工網作為土體加筋材料，配合土工布、土工膜作為邊坡防水固土材料，提升邊坡整體性和防水能力。圖2所示為土工合成材料配合使用時的邊坡加固基本原理。

圖2 土工合成材料的邊坡滑坡加固方式

其中，每層筋材的強度均需經過驗算再進行設置，以第i層筋材承受的水平拉力Ti的計算為例：

Ti=[(σvi+∑Δσvi)Ki+Δσhi]Svi/Ar

其中，σvi為驗算層筋材所受土的垂直自重壓力(kPa)；∑Δσvi為超載引起的垂直附加應力(kPa)；Δσhi為水平附加荷載(kPa)；Ar為筋材面積覆蓋率，當滿鋪時取1。Shi為筋材水平間距(m)；Svi為筋材豎向垂直間距(m)；Ki為土壓力系數。

四、土工織物在邊坡治理中的應用

2021年，鄭州市全年平均降水量1339.0毫米，較常年同期偏多122.3%。受此影響，我校景觀湖周圍道路多處發生滑坡、坍塌現象，部分道路路基發生較大沉降。為了盡快重塑校園環境、恢復正常教學秩序，決定對受損嚴重的路基、路面、邊坡等采取重建的方式進行修復，對部分損害程度較低、滑坡土體較小或不具備開挖條件的邊坡進行原址修整。

據此，在對校園景觀湖周邊滑坡現狀進行充分調研、查勘的基礎上，由課程教學團隊、專業教研室教師、企業導師以及施工人員共同組成的“虛擬”教學組織對勘察結果進行分析、研判，選擇具有典型代表性的景觀湖修復點進行講解和指導，并將學生按照邊坡修復、坡面防護以及坡底加固三種類型進行分組，分別依據土工合成材料的特性及使用范圍進行選擇和方案設計。

最終，學生經過對解決方案的反復修改和完善，團隊綜合考慮施工周期、經濟成本、修復效果及原材料購置等因素，確定土工合成材料中土工布、土工格柵、土工網及土工模袋的配合使用作為幾處滑坡邊坡的修復方案。選取的土工合成材料的技術參數指標如下表所示。

土工合成材料的技術參數指標表

最終確定的校園景觀湖邊坡修復整治方案如下：

(一)邊坡土層采用土工格柵進行修復

由于發生坍塌的邊坡大多位于校園道路、教學樓、實驗樓附件，不具備大面積開挖條件，因此，修復方案采用土工格柵斜向攤鋪的方式。在塌方位置進行表面修整之后，將土工格柵在與水平面成一定夾角的土層表面進行鋪設并固定，根據滑坡土體嚴重情況分3～5層進行加筋材料布置。

由于土體的抗拉強度明顯低于抗壓和抗剪強度，在土體內鋪設適當的加筋材料可以改善邊坡土體的力學性能，筋材和土層形成的筋土復合體可以保持更加穩定的狀態而不容易塌落。因此，在邊坡土層采用土工格柵加固方法可以改善土體抗拉、抗剪性能，提高地基承載力，進而降低再次發生滑坡的概率。

(二)坡面采用土工布防護和植草固坡處理方法

坡面防護采用攤鋪土工布固土護坡的方法，自下而上依次鋪設土工布，上游布片搭在下游片之上，相鄰土工布搭接寬度符合設計施工要求，土工合成材料攤鋪層與土體做好錨固并與土層中的土工格柵形成有效連接，提高材料與土質邊坡的一致性。土工布表面進行覆土處理，坡面植草并設置排水措施，減少雨水的滲透量和破壞。

坡面采用土工布與植草固坡處理方法，既增加邊坡表面的水土保持程度，又為邊坡表面植草的正常生長和根系固定提供穩定的土壤層，因此能極大提高邊坡防水、防沖刷能力。

(三)坡底位置采用土工模袋壓重加固

學校內景觀湖邊坡坍塌情況較為嚴重，尤其是經長時間雨水浸泡的邊坡底部土體穩定性較差。因此，將土工模袋內充填混凝土或水泥砂漿，凝固后形成整體混凝土板，在坡底水面及以下位置進行壓重加固，提高坡底地基持力層抗滑能力。土工模袋施工采用一次噴灌或裝填成型，具有施工簡便、速度快、機械化程度高等優點，能適應水下軟弱地層，不需要進行排水、圍堰等，護坡穩定性好，環境友好，不會對景觀湖內的生態環境產生較大影響。

結語

在新工科建設背景下，此次土木類學生實踐能力提升的探索對于培養應用型人才具有重要意義。同時，“虛擬”教學組織在項目教學法的實踐過程中，注重課程目標與學生培養方案的一致性，使學生能夠應用土木工程基本原理對復雜工程問題的關鍵因素進行分析、表達，并給出有效解決方案。

本課程的教學方法改革與實踐可以提升學生分析與解決問題的創新能力，培養嚴謹求實的科學態度，具有很好的借鑒作用。