土力学课程特点与教学措施

李丽民

（湖南科技学院 土建系，湖南 永州 425199）

土力学课程特点与教学措施

李丽民

（湖南科技学院 土建系，湖南 永州 425199）

土力学是一门十分重要的专业基础课，土力学教学质量的好坏直接关系到高校人才培养的质量。论文从土力学课程特点入手，结合多年土力学教学实践，对土力学教学提出了几点个人看法，教学实践表明，这些措施对提高土力学教学质量和效率是有效的。

土力学；课程特点；教学措施；高等学校

1 土力学课程特点

土力学是交通、土木、水利、港口、工程管理、岩土工程、工程力学、给排水工程、环境工程和地质等专业的十分重要的专业基础课之一。土力学不仅是土木工程专业知识体系和课程结构的核心主干课程，而且是学习后续地下结构、地基处理、深基坑和基础工程等后续其他专业课程的重要基础，对培养学生的实践和创新能力，夯实学生的专业基础具有举足轻重的作用，也是学生工作后从事土木工作和科学研究的重要基础。土木工程的使用、施工和设计都与土力学理论密切相关，土木工程中很多的工程问题都由土力学中的稳定、渗流、变形等理论及其基本原理方法来指导和解决，土力学学得好的学生，容易自学，在工作中容易做到触类旁通，容易适应不同的工作，容易处在学科前沿进行科学研究。土力学研究的对象是土的物理性质及跟土有关的工程技术问题。土力学主要讲述土的成因与分类，土的组成和结构，土的物理性质指标定义及换算与土的物理性，土的压实性与动力特性，土的自重应力、基底压力、基底附加应力的定义与计算，土的变形性质及沉降计算，土压力计算，地基承载能力确定方法和计算，土坡和地基稳定性分析，土的有效应力原理，土的抗剪强度理论，土的渗流和压缩固结理论。因此，土力学课程涉及的相关领域和预备知识很多，具有多学科交叉性，土力学与高等数学、塑性力学、材料力学、理论力学、流体力学、结构力学、水力学、弹性力学、工程地质、混凝土结构、土木施工、地基处理、境岩土工程、化学、生物等课程均有密切联系。土力学的具有力学特殊性和理论的多样。土力学研究的对象是土，由于土具有天然性（非均匀性、各向异性、结构性、时空变异性）、三相性和碎散性，造成土的工程和力学性质十分复杂，不像结构力学只研究杆件构成的结构，弹性力学和材料力学一般只研究线弹性体，理论力学只研究刚体，流体力学只研究流体的机械运动与运用，塑性力学只研究弹塑性体。土力学依托的理论具有多样性。土力学中解决工程问题的理论基础是一维固结理论、有效应力原理、抗剪强度理论，采用的研究理论都不同。弹性地基梁和一维固结理论，将土体看作线弹性体，采用材料力学计算理论；有效应力原理、土坡稳定性分析和挡土墙计算把土体看作刚体，采用理论力学计算理论；地基承载力确定是将土体看作刚——塑性体，采用塑性理论理论；研究黄土的湿陷性时，采用弹塑性理论。土力学具有强经验性和不完善性。土力学中土的天然密度、含水量、相对密度、压缩系数、液限、液性指数、塑限、塑性指数、压缩模量、粘聚力、内摩擦角等重要参数和指标都是通过试验测定得到的。最重要的有效应力原理是土固结试验成果的总结，最著名的抗剪强度理论也是通过土的强度试验总结出来的规律，各种土的应力应变规律模型都是土工试验数据的整理归纳得到的，其可靠性主要处决于模型参数实验测试结果的准确性。因此，实验教学在土力学教学过程中非常重要。由于土的复杂性，土力学至今仍处在发展完善过程之中，目前还在半经验半理论阶段，理论基础还不完善，在土力学中土的力学性质仍不能用单一模型来概括，经验方法和经验公式仍在实际工程中处于主导地位。各种土力学计算公式假设条件多，有些还互相矛盾，如地基塑性区求解中，计算附加应力假设地基为弹性体，用弹性理论计算，再由莫尔库仑理论求得地基的塑性区，易造成教学中学生难以理解。总之，土力学本身知识点分散，理论性强，内容多、概念多、公式多，内容跳跃性大、连贯性差，还具有明显的不完善性，加上学生要学好土力学必须具备扎实的力学和其他相关专业课的知识，增加了学习的难度，学生学习起来头绪繁多，不具备材料力学的严谨性,不像土木施工课程那样具有强的操作性，学生学习难度大，学习兴趣低，课程教学压力大。

2 土力学教学措施

土力学教学课时少，一般为48课时，理论课40课时，实验课8课时，内容多，要在有限的时间内很好地完成土力学课程的教学任务，取得良好的教学效果，必须重新整合土力学教学的内容，遵循土力学自身的特点，搞好实验教学。下面就个人几年来的土力学的教学实践，谈几点措施，以期抛砖引玉。

（1）钻研教材，把握土力学主线，找出章节间的联系，对教学内容进行重新调整。利用有效应力原理、土的变形和强度这根主线，对土力学教材进行认真梳理，反复研读，精心制作课件和教案，把土力学中土的渗透性、压缩性、应力、固结沉降、土地抗剪强度、地基承载力和稳定性、挡土墙土压力等章节内容有机的结合起来，改革土力学教学内容，删减与工程应用联系不紧密、陈旧的内容，注重基本理论和基本原理的整合，将整个土力学整合成土的工程分类与物理性质、土的渗透、固结、抗剪强度等力学性质等两个土的性质部分和土的变形、土中应力、土压力和边坡稳定分析，地基承载力等四个理论与工程应用部分，减少土力学与已学课程的重复，使得土力学教学内容连续系统化，降低了土力学的教学难度，使学生容易理解和掌握，提高了教学效率和效果。例如讲解莫尔-库仑强度理论时，结合图1对极限平衡原理进行详细讲解，重点要求掌握土体发生剪切破坏的破裂面与大主应力作用面成的角度；已知最小主应力3σ时，处于极限平衡状态时，土体的最大主应已知最大主应力 σ1时，处于极限平衡状态时，土体的最小主应力并提醒学生这些是学习土压力和地基承载力的基础。这样在讲解朗金土压力计算时，取单元土体，根据其三个假设：挡土墙背面竖直、墙背光滑、墙后填土面水平，土压力的计算方法是土体处于极限平衡状态和半空间的应力状态，这样就得到了图2的莫尔圆。再把土中自重应力计算知识拉进来，土体静止不动时，作用在墙背的静止土压力强度就是土中水平方向的自重应力即为k0rz，当墙体远离土体时，水平方向土体应力越来越小，但竖直方向应力即为土中的自重应力始终保持不变，当处于极限平衡状态时作用在墙背上水平方向应力即为主动土压力，从而根据莫尔——库仑强度理论很容易得到主动土压力强度当墙体靠近土体运动时，水平方向应力越来越大，最后超过竖直方向的土中自重应力后成为最大主应力，最后处于极限平衡状态时，作用在墙背上水平方向应力即为被动土压力，从而根据莫尔——库仑强度理论很容易得到被动土压力强度。在这个基础上再引入主动土压力系数和被动土力系数，以及三个土压力的大小关系和土体发生主动与被动破坏时破坏面与水平的角度关系，进一步对自重应力的计算进行复习，学生就很容易掌握。在进行地基破坏时，讲解主动朗金I区和被动朗金II区时，土体也是处于极限平衡状态，这样有了前面的基础，稍做提示学生就很快明白了。

图1 土的极限平衡状态莫尔圆

图2 三种状态时的莫尔圆

（2）遵循土力学自身特点，注重基本概念，强化案例教学。土力学内容多、公式多、概念多，在教学过程中淡化繁琐的公式的推导，突出概念和理论应用，充分调查学生目前的学习情况，有针对性地对必要的前期知识准备进行补充，对深奥的理论通过案例来进行简化，同时注重对土力学发展前沿的讲解，以降低土力学的学习难度，激发学生学习兴趣，培养学生运用知识和创新能力，最终实现土力学的教学目的。例如在讲解土的压缩性指标，讲解完后，马上通过下面案例进行巩固。某地基中粘土层的压缩试验资料如表 1所示，试计算压缩系数α1-2及相应的压缩模量Es1-2，并评价土的压缩性。通过这一例题使学生明白了基本概念的工程应用价值，再对土的压缩原因进行扩展，对非饱和土理论进行讲解，从而是学生既明白了概念，又学会了知识的应用，更对土的复杂性有了更深的认识，对土力学的前沿非饱和土理论也有了了解；在讲解土中附加应力计算时，直接列出最终需要的计算公式，删掉复杂的理论求解，把学生用得到的东西摆出来，把理论假设讲清楚；在讲解挡土墙土压力及稳定性验算时，补充组合图形形心计算公式方面的知识，在讲解土的压缩变形计算时结合例题补充数学积分方面的知识，这样有针对性地扫除学生学习土力学过程中的难点；通过这些措施，降低了土力学的学习难度，大大激发了学生的学习兴趣，提高了教学效果。

表1 粘性土压缩实验数据

（3）注重实验教学，通过实验教学强化基本理论、基本概念，增强学生动手能力、运用知识解决工程实际问题能力，培养学生的创新能力。土力学实验教学由于受实验条件和学生人数的限制，往往造成很多学生不动手做实验，抄袭别人实验数据的现象。为改变这一现状，对实验教学采取集中时间按小班进行，每个小班分成三个大组，然后再将每个大组分成小组，保证每个组的人数在3个以下，要求人人动手进行实验，每个学生都上交实验报告。实验前要求学生认真阅读实验报告，实验时清点学生人数，针对实验内容进行随机提问，回答问题计入实验成绩。通过实验让学生明白基本概念，熟悉设备操作和实验设计，加深对了对土力学基础理论知识的理解，提高了土力学的教学效果。例如通过土的三相指标实验，让学生深刻理解了含水量、密度、相对密度等系列土的性质指标概念；通过液限塑性实验让学生明白了液限、塑性、液限指数和塑性指数的概念；通过压缩实验和剪切实验使学生对固结理论和抗剪强度理论有了深刻认识；通过筛分实验，使学生对土的颗粒级别，土的工程应用判断有了深刻认识；从而进一步巩固了课堂理论教学效果，激发了学生探求新知识的欲望。

3 结 语

新的形势下，提高教学质量，培养创新性应用人才是高校教学的追求的目标。土力学是十分重要的专业基础主干课程，具有很强的实用性和技术性，与工程实践关系密切，土力学内容多且无系统性，理论推导、基本假设多，要想在有限的时间取得良好的教学效果，必须做到研究土力学自身特点，搞好学生状况调查，钻研教材，把握土力学主线，找出章节间的联系，对教学内容进行重新调整；遵循土力学自身特点，注重基本概念，强化案例教学；土力学教师应不断学习，提高自身专业知识和工程实践素质，了解土力学前沿，把自己的工程和科研实践融于土力学教学中，注重实验教学；这样才能搞好土力学教学，激发学生兴趣，培养学生动手能力、解决工程实际问题能力和创新能力。

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G642

A

1673-2219（2014）05-0150-03

2013－12－10

李丽民(1974－)，男，湖南邵阳人，博士，副教授，主要从事道路与岩土工程研究。

（责任编校：刘志壮）