基于實踐能力培養的土力學一流課程教材建設與實踐

李順群,高凌霞,張 彥,劉雙菊,孫曉涵,劉 舉

(1.天津城建大學 土木工程學院, 天津 300384;2.大連民族大學 土木工程學院,遼寧 大連 116650)

《土力學》是面向土木工程、水利工程、地質工程等專業開設的專業基礎課程,研究土中應力、變形、滲流、強度等問題,在課程體系中處于承上啟下的核心地位。建設一流《土力學》課程對培養學生科學思維、實踐能力具有至關重要的作用[1]。《土力學》教材是課程的主要載體,是教師教學、學生學習的重要工具。教材建設是一流課程建設的基礎環節,是教與學改革的主要內容之一[2]。教材的建設應該與學校的辦學定位密切相關[3],基于應用型人才培養目標及教材育人核心作用。《土力學》教材實時加入思政元素、學科動態、實踐技能、最新科研成果,能完善課程體系,促進學生全面發展。針對一流課程建設需要和專業方向多、專業口徑寬、綜合性強等特點,課程組編寫了融入思政、海綿城市、應力測試、土工試驗等內容的新版土力學教材[4]。

1 思政元素的融入

通過土力學發展中典型的工程案例、土力學界著名的專家學者及中國的工程來培育學生的民族自信、職業自信與責任擔當。

1.1 中國古代土工結構增強民族自信

遠在古代,由于生產和生活需要,人們已懂得利用土來進行工程建設。例如中國的地坑院、隋唐大運河、鄭國渠、靈渠等偉大工程。這些土工結構物對當時社會和經濟的發展起到了重要作用,有些至今仍在發揮作用,比如地坑院、大運河。

1.2 著名的專家學者事跡彰顯職業自豪感

著名橋梁專家茅以升是倡導土力學學科在工程中應用的開拓者[5]。近代以來,中國科研人員在理論研究和工程應用方面做出了卓越貢獻,比如曾國熙提出的固結度普遍表達式及其應用和上埋式涵管土壓力計算方法,黃文熙院士對液化的研究及提出的考慮土側向變形的沉降計算方法,沈珠江提出的軟土地基穩定分析的有效固結應力計算方法,龔曉南創建的廣義復合地基理論等,已經被國內外認同和大面積應用,對土力學的發展做出了重要貢獻[6]。

1.3 大國工程展示工匠精神

進入新世紀以來,中國在巖土工程理論與實踐方面取得了一系列突破,涉及到的重大工程有西氣東輸、西電東送、南水北調、港珠澳大橋、天津港、南海島礁、大興機場等。

2 學科動態介紹

2.1 對學術團體的介紹

中國土木工程學會1957年設立了土力學及基礎工程委員會,并于1978年成立了土力學及基礎工程學會。自1962年在天津召開第一屆土力學及基礎工程學術會議以來,該大會到目前已經召開了十三屆。最近的幾次會議,參會人數達到兩千多人,規模之大實屬罕見。目前,中國土木工程學會土力學及基礎工程分會設有地基處理專業委員會、樁基礎專業委員會、土工測試專業委員會、土的本構關系及強度理論專業委員會、非飽和土與特殊土專業委員會、環境土工專業委員會、《土力學》教學專業委員會、軟土工程專業委員會、青年工作委員會、交通巖土工程專業委員會、施工技術專業委員會等專業委員會。土力學及基礎工程分會和各專業委員會經常組織各種會議和學術交流,這些活動大大促進了我國土力學的發展和工程應用。

2.2 海綿城市

“自然積存、自然滲透、自然凈化”的海綿城市建設已經上升為國家戰略,發展勢頭良好。針對現有海綿城市建設過程中存在理論瓶頸和技術局限性,在土的滲透性部分增加了基于擴大滲透面積和改良滲流方向的土層海綿化技術。

通過人工或機械方法在場地豎向開挖一定深度的滲井孔,孔的直徑、深度和間距根據降雨參數、土層滲透性和布置方案由計算確定。然后將滲透系數足夠大的濾芯放入滲井孔內,并在地表鋪設粗砂、中砂、土工布和透水磚,這樣就形成了一種雨水收集和入滲裝置[7]。當強降雨來臨時,地表徑流通過透水磚和水平砂層下滲,并沿著微型滲井迅速充填濾芯,然后沿著濾芯徑向向四周土層中入滲,如圖1。

圖1 微型濾芯滲井工作原理

2.3 宏微觀研究

土是由巖石經歷物理、化學、生物風化作用,經歷剝蝕、搬運、沉積作用,在交錯復雜的自然環境中所生成的各類沉積物,因此,土的類型及其物理、力學性狀是千差萬別的。然而究其原因在于不同土其微結構不同,土的宏觀力學行為受其微結觀結構的顯著影響,而其微觀結構常隨外界環境變化而不斷演變。基于微觀結構演變與宏觀力學特性響應的多尺度研究是深層次認識與解決特殊土相關問題的重要基礎和關鍵[8]。在教材第一章土的組成中,增加了天津濱海軟土的物質組成及微結構特征如圖2～3。讓本科生對土的微結構研究有初步的了解。

a)淤泥質黏土水平截面 b)表層土垂直截面 圖2 片狀堆疊結構典型SEM照片

a)粉土水平截面 b)表層土水平截面圖3 粒狀結構典型SEM照片

3 引入實踐技能

培養學生的實踐技能及工程思維是土力學課程教學的重要目標之一,教材中加入土工試驗詳細內容,并介紹了測試技術前沿內容三維土壓力測試技術及大型試驗儀器介紹。

3.1 黏性土的定名

教材中通過黏性土定名的綜合試驗,將土的基本物理性質指標的測試綜合于解決土的分類定名,使常規試驗與工程實踐建立有機聯系,使學生有了明確的試驗目標,能有效提高實驗效果。

3.2 土壓力測試

土體中應力的測試是一項基礎性工作,是進行力學分析和工程安全評價的前提,具有不可替代的作用。土壓力的大小可以用土壓力盒測量。但土壓力盒是單向的,即只能測量一個方向上的應力如圖4。

圖4 一維土壓力盒

教材中加入作者研發的三維土壓力測試裝置如圖5。該裝置具有結構合理、精度高、使用方便等優勢,已經廣泛應用于路基、基坑、邊坡等工程的應力測試。可獲得巖土體內部的三維應力狀態,并據此進一步得到最大主應力、最大剪應力、球應力、偏應力以及其他應力組合,對評估工程健康狀況和安全儲備是非常重要的,對巖土體強度和本構模型的研究也必將產生巨大促進作用[9]。某地鐵盾構隧道下穿建筑物掘進過程中的土體的三維應力響應如圖6。

圖5 兩種三維土壓力測試裝置

圖6 盾構隧道下穿建筑物掘進時土體中的三維應力

3.3 土工試驗

教材中融入數字教學資源,通過紙質教材中的二維碼把土工試驗內容和數字教學資源相關聯,掃碼觀看試驗教學視頻,便于學生快速了解實驗操作與注意事項。

隨著科技的發展,各種具有特殊功能的室內外儀器不斷出現,為土力學發展提供了新的強有力手段。教材中介紹了在土力學研究領域中三種重要的儀器。

一是SPAX-2000動靜真三軸儀。該儀器可以對試樣進行靜態、動態真三軸應力、應變路徑測試,包括平面應變、K0、動態剪切強度及變形、液化勢、剪切模量和阻尼比以及其他用戶自定義的程序,并能進行雙向振動加載。儀器由數字伺服控制器和采集系統、壓力源、壓力控制面板、圍壓壓力、體積控制器、壓力室及傳感器等組成。

二是土體梯度溫控力學綜合測試系統,該系統支持加載應力及應變兩種控制方式,可用于進行標準UU/CU/CD抗剪強度實驗、恒溫恒壓條件下土體材料流變實驗、梯度溫控條件下UU/CU/CD抗剪強度實驗、梯度溫控條件下土體材料流變實驗、各向同性固結實驗、各向異性固結實驗、圍壓和反壓梯度施加的反壓飽和實驗、K0實驗、膨脹實驗等。

三是臺式高速冷凍離心機搭載13款不同容量轉子,可滿足廣泛的離心應用,最新探索將該儀器應用于測定凍土未凍水含量,即通過利用離心機的向心力把凍土中的未凍水排出,從而得到凍土未凍水的含水量,目前取得了較好的實驗效果。

3.4 土粒分類的三角坐標法

教材中增加了土粒度分析的三角坐標法如圖7。在一張圖上能同時表示多種土的粒度成分,便于進行土料的級配設計。三角坐標中不同的區域表示土的組成不同,因而還可用來確定按粒度成分分類的土名。

圖7 三角坐標表示粒度成分

4 調整的內容

教材對土力學教學內容進行了重構,使主要內容之間的邏輯性、系統性更強。

4.1 有效應力原理前置

有些教材,將有效應力原理放在地基沉降變形與時間的關系部分。本教材將土的有效應力原理前置,放在土中應力部分講授。學生在學習土中應力時就能全面理解有效應力的概念,為后期更好地學習土的變形與強度理論提供必要基礎。

4.2 統一了有無超載時的土壓力計算方法

土壓力是土力學強度理論在工程中具體應用的典型內容。采用朗肯土壓力理論計算擋土墻上的土壓力是教學重點之一。教材中用分別以墻后填土處于極限平衡狀態時所受豎向應力σv和水平應力σa(σp)代替傳統公式中大主應力σ1和小主應力σ3,以黏性土為例,可以得到主動土壓力強度與被動土壓力強度表達式:

(1)

(2)

引入σv后,就能統一有無超載時土壓力的計算。無超載時,σv=γz,有超載時σv=γz+q。

5 結 語

教材是教學內容的重要載體,是一流課程建設的重點內容,本教材基于工程教育認證及新工科建設理念,面向應用型人才培養目標、立德樹人基本任務而編寫,重點闡述土力學基本思想、基本理論、基本方法,同時突出理論與工程實踐的聯系和結合,在對理論知識進行詳細闡述后力圖在工程實踐方面進行拓展和延伸。