“土力學”科教融合課程建設探討

曾玲玲，王月嬌，卞 夏，史 吏

（1.浙江工業大學 土木工程學院，浙江 杭州 310014；2.上海大學 力學與工程科學學院，上海 200444；3.河海大學 土木與交通學院，江蘇 南京 210024）

引言

我國經濟的高速發展促進了大規模基礎設施的建設，在高速公路、鐵路、機場和城市軌道等交通建設方面取得了舉世矚目的成就，這些基礎設施建設的成就蘊含著我國廣大土木工程師的汗水與智慧。隨著海洋強國、沿海經濟地區發展、高等級內河建設、西部大開發等國家戰略的實施與推進，我國的基礎設施建設的標準也逐步提高，工程建設所處的建設環境也越來越嚴酷，這對土木工程師而言，既是挑戰又是大展身手的機遇。因此，服務于國家戰略的高端土木工程專業人才培養對我國當前高等教育提出了更高的要求［1-2］。土力學是土木工程學科的一個重要組成部分，屬于基礎設施建設與運營安全的核心基礎學科，“基礎不牢、地動山搖”［3］。“土力學”課程建設對土木工程人才的培養，乃至整個行業的發展都起著重要的作用。

土力學屬于力學的一個分支，經典的連續介質力學構成了土力學的理論基礎。土力學與連續介質力學有著本質區別。土力學本質是利用連續介質力學的知識，結合土的特性，研究相關工程問題的一門學科，基本概念多，經驗性強，知識更新快，現有教材與最新理論脫節嚴重，無法滿足新時代人才培養要求。2016年，教育部發布的《高等學校“十三五”科學和技術發展規劃》明確提出了“科教融合是現代高等教育的核心理念，支撐人才培養是高校科技工作的內在要求”［4］。科研與教學的有機融合，可以實現優勢資源互補，為培養高層次人才起到積極作用。

本文基于“土力學”的特色，結合課程教學現狀，探討將先進的科研成果融入課程的教學理念，并為此提出相應的建議與措施。

一、“土力學”課程特點與現狀

土力學學科主要研究土體的物理—力學性質，核心內容包括土體基本物理性質、土的分類、有效應力原理、自重和外部環境作用下土體的力學（壓縮—滲透—強度）性狀變化規律、土中應力與側向土壓力、地基沉降與穩定分析方法等。

土體是由土—氣—水三相構成，具有三相碎散材料的非連續介質特性，而土力學的理論體系是建立在連續介質力學基礎之上的，連續介質理論體系與碎散性工程性質的結合，導致了土力學學科中基本概念多、理論分析假定條件多、理論與實際偏差常態化。

逐步減小土力學理論與工程實踐的差異是土力學學科的發展趨勢，理論聯系實際是必經之路。科學問題來源于實踐，科學問題的解決進一步完善土力學理論體系，兩者相輔相成，使土力學學科知識更新速度快。在長期授課中發現，課程教學使用的教材一般采用國家規劃教材，更新周期長，也就是土力學的教材更新速度與土力學科學發展速度不匹配，制約了土力學學科的科教融合。

因此，如何提升科教融合程度是“土力學”課程教學迫切需要解決的一個重要問題。本文基于土力學特點與學科發展特色，提出一種符合我國國情的土力學科教融合創新的教學方法。針對教材大綱范疇內的內容，高度凝練相關的科研成果，通過案例分析，不僅補充完善教材的內容，而且通過教師的講授與學生的討論，提高學生對土力學的理解和學習能力，實現土力學的科教融合。

二、科教融合典型案例

（一）一維太沙基固結理論解析解的假定與誤差

一維太沙基固結理論是“土力學”的最重要內容之一，講授一維太沙基固結理論必然強調其基本假定：（1）土層均質且完全飽和；（2）土顆粒和水均為不可壓縮介質；（3）土體符合太沙基有效應力原理；（4）滲流遵從達西定律；（5）外荷載一次瞬時施加且在固結過程保持不變；（6）固結變形屬于小應變范疇；（7）水的滲出和土層壓縮沿著豎向發生；（8）固結過程滲透系數（kv）為常量；（9）應力應變為線性關系，且固結過程壓縮系數（mv）為常量。

以上假定（1）至（5）為飽和土體固結理論的基本假定，小應變假定（6）的突破產生了大應變固結理論［5-6］，一維假定（7）的突破導致三維固結理論的誕生［7］。假定（8）和（9）誘發了一個土力學概念——土體固結系數，其定義為：

其中γw為水的密度。固結系數僅僅是為了獲得一維太沙基固結理論解析解而定義的一個參數概念［8］，Tavenas等［9］明確指出，固結系數在固結過程中為常數不符合實際，基于固結系數反演得出的滲透系數嚴重偏離實測值。Zeng等［8］基于Casagrande方法，給出飽和土體反演固結系數隨應力水平的變化規律，典型的案例如圖1所示。

圖1 反演固結系數隨應力水平的不連續且隨機變化規律

圖中三角形或者圓形的點代表某一級荷載增量下對應于平均有效應力的反演固結系數，據此可以得出以下兩點結論：（1）前后兩級荷載增量的反演固結系數不連續，邊界處產生突變；（2）反演固結系數隨應力水平不是單調增加或者減小，而是呈現隨機的變化。因此，固結過程中固結系數不是常數，且難以通過常規修正系數糾正。

Zeng等［8］還分析了反演固結系數與計算得出的固結系數的關系，典型的結果如圖2所示，圖中的計算值由式（1）基于實測的滲透系數（kv）和壓縮系數（mv）確定。反演固結系數可能遠遠大于或者遠遠小于實測值，也可能處于某一級荷載增量下實測值的最大值與最小值之間。

圖2 反演固結系數與實測固結系數的關系

以上案例分析說明，一維太沙基固結理論解析解只是太沙基固結理論的一個特例，是計算能力不發達的時代產物，在計算水平高度發達的現代，教科書上的一維太沙基固結理論解析解可以用于探討與理解土體固結性狀的變化規律，但是在教學過程應該強調其偏離實際誘發誤差常態化現狀。結合土工數值計算方法和程序化的最新進展，將考慮材料非線性的一維小應變數值分析方法、一維大應變固結數值分析方法、二維和三維的固結分析方法等先進科研成果融入知識傳授與探討中，激發學生的學習興趣，提升學生的科研能力。

（二）應變固結度與孔壓固結度

固結度是土力學的一個重要概念，可以通過超靜孔隙水壓力性狀或者土層變形性狀確定。孔壓固結度（Uu）定義為：

其中，Δσv為荷載增量；ut為對應于固結時間（t）時的土層平均超靜孔隙水壓力。

應變固結度（Use）定義為：

其中dt為對應于固結時間（t）時的土層變形；dfu為荷載增量下固結度達到100%時的土層變形。

土力學教材一般把Uu與Use等同，將兩者合為一體，統稱固結度，其支撐理論是太沙基固結理論解析解。應該明確指出，這樣的認識偏離實際［8-9］。Umezaki等［10］通過實例分析，得出固結過程Use大于Uu的結論。Zeng等［8］開展了系列固結試驗，通過測試試樣的超靜孔隙水壓力和變形，分別采用式（2）和式（3）計算孔壓固結度和應變固結度，發現兩者不等同，如圖3所示，基于太沙基固結理論解析解得出的應變固結度達到100%時，超靜孔隙水壓力消散未完成，甚至殘余孔壓固結度高達50%左右。Zeng等［11］明確指出，導致Uu與Use不等同的本質原因在于：（1）超靜孔壓消散完成時的土層變形量與基于太沙基固結理論解析解得出的主固結完成時土層變形量不同；（2）太沙基固結理論假定應力應變為線性關系在大多數工況下不符合實際。

圖3 典型的孔壓固結度和應變固結度的關系

根據以上最新科研成果，在教學中應該講授傳統固結度的作用與局限，引導學生思考：在工程實踐中應采用哪一個固結度？根據太沙基有效應力原理，采用理論上的孔壓固結度更為可靠，可是實際工程中變形測試是常規要求，超靜孔隙水壓力測試不是常態。另外，根據實踐經驗，變形的測試精度往往高于超靜孔隙水壓力的精度，實際工程中經常采用應變固結度。因此，實踐中工程設計必須關注兩個問題：（1）殘余超靜孔隙水壓力繼續消散引起的土層變形；（2）超靜孔隙水壓力消散沒有完成導致土體的強度不足。通過這個案例，在傳授教材知識的同時，引導學生認識科教融合的重要性，激發學生的科研興趣。

三、科教融合教學措施與建議

基于以上分析，以土力學教材為主、案例分析為輔的授課方式，能夠解決土力學學科知識更新快與土力學教材更新周期長的矛盾。案例分析的內容可以采用紙質講義、電子版的形式提前分發給學生，使學生提前做好教材預習。應該說明的是，本文提供的兩個科教融合案例分析，僅是作為典型的案例分析，在實際授課中，教師可以根據自身的特點與專業特長，提供不同的科教融合案例分析。

科教融合的教學應該采用講授和討論相結合的方式，講授科教融合的案例，重點在于講解土力學的基本概念，明確其時代背景，闡述其作用與極限，強調發展趨勢。通過案例分析的課堂討論，提升學生對土力學的基本概念的理解與掌握，激發學生的學習和科研創新興趣，提高學生的科研能力。

結語

本文通過探討土力學學科的特點和科教融合的現狀，發現土力學學科理論經常偏離實際，兩者的差異隨著學科的發展而逐漸減小，土力學科研成果積累更新快，教材更新周期長，從而制約了土力學學科的科教融合。根據作者多年的土力學教學經驗，提出了科教融合的教學方法，以土力學教材為主、講義為輔，通過案例分析的講解與討論，提升學生對土力學理論和應用的理解，提高學習與科研能力。