新工科背景下模型试验在城市地下空间工程教学中的思考与应用

张阳阳 杜明庆 时伟 郝一夫 李君烨

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2011-5640-1883

摘 要：城市地下空间工程是一门与岩土工程、城市规划、结构工程等紧密相关的综合性专业，具有较强的工程相关性，且课程体系复杂，极易造成学生对专业知识的理解不深刻甚至是不准确。为了提高学生的综合理解能力，作者结合自身学习及授课经验，将模型试验引入到城市地下空间工程的教学当中，让学生直观地感受地下工程受力变形的全过程，既提高了课堂教学质量，又提高了学生技能水平。

关键词：城市地下空间工程  模型试验  教学改革  教学效果

中图分类号：G642                              文献标识码：A                    文章编号：1674-098X（2021）01（c）-0193-04

Application of Model Test in the Teaching of Urban Underground Space Engineering under the Background of New Engineering

ZHANG Yangyang  DU Mingqing*  SHI Wei  HAO Yifu  LI Junye

（School of Civil Engineering， Qingdao University of Technology， Qingdao， Shandong Province， 266033 China）

Abstract： Urban underground space engineering is a comprehensive major closely related to geotechnical engineering， urban planning， structural engineering， etc. It has strong engineering relevance， and the curriculum system is complex， which can easily cause students to not have a deep understanding of professional knowledge or even Is not accurate. In order to improve students' comprehensive understanding ability， the author combines his own learning and teaching experience to introduce model tests into the teaching of urban underground space engineering， so that students can intuitively feel the whole process of the deformation of underground engineering， which improves the quality of classroom teaching. It also improves the skill level of students.

Key Words： Urban underground space engineering; Model test; Teaching reform; Teaching effect

新工科在2016年被正式提出來，2017年形成“复旦共识”、“天大行动”和“北京指南”，实现了新工科建设从概念到内涵、行动、方向等多个方面的体系化，新工科建设也成为了我国新时期高等工程教育改革的指导方针。新工科建设是在“卓越计划”已取得的工程教育改革成果的基础上，调整和转变学科专业建设思路，从适应产业需要转向满足产业需要和引领未来发展并重，拓展和提升工程教育改革内涵，将工程教育改革拓展到多学科交叉领域、提升到国家战略和未来发展的高度。

城市地下空间工程涉及的知识点较广，涵盖地质勘察、结构设计以及运营维护等整个工程周期，导致城市地下空间工程专业的课程体系较为繁杂，学生在学习理论知识时，往往难以理解现象背后的机理，更难以理解地下工程的实际情况，只是知其然不知其所以然，久而久之，学生便失去了学习的兴趣。兴趣是学习的源泉，因此在教学中亟需提高学生的学习兴趣。如何提高学生的学习兴趣是每个教育工作者需要思考和解决的问题，对于城市地下工程专业的学生来说，在教学中增加模型试验无疑是最好的选择之一，学生通过实际操作可以加深对专业知识及工程实践的理解[1]。

教育部在《关于推荐新工科研究与实践项目的通知》里将“新工科”归纳为“五个新”：工程教育的新理念;学科专业的新结构;人才培养的新模式;教育教学的新质量;分类发展的新体系。这就对课堂教学提出了新的更高的要求，传统的课堂教学往往只注重理论教学，缺乏面对面的实践操作，导致学生不能正确地理解和处理工程问题，因此将模型试验搬进课堂，让学生自己亲身操作，在实践中加深对理论知识的理解，在试验中利用所学理论知识解决工程问题。

1  教学思路

模型试验是指在工程现场测试不方便时，通过比例缩小对工程现象进行研究，缩小后的试验体具有原型结构的全部或部分特征，从而将工程中发生的现象在实验室中再现出来。模型试验需遵循一定的相似比例，即试验体和工程原型按一定的几何条件及物理关系进行转换[2-4]。城市地下空间工程中隧道工程的受力和变形是学生学习的重点内容，为使学生能对隧道有更准确的认识，在教学中将隧道模型试验的设计和加载引入教学中，并制定了详细系统的模型试验教学策划方案。模型设计、制作、加载全过程完全由学生主导[5]，具体如下：（1）模型的设计。学生根据原型隧道尺寸和相似比例关系，确定试验体中隧道的尺寸并制作隧道模型（图1（a））。（2）监测传感器布置。学生根据所学理论知识，确定隧道受力薄弱位置，并按一定间隔布置传感器（图1（b））。（3）模型加载及数据采集。主要是引导学生正确地确定加载大小及加载速度。（4）写出隧道模型设计的相关计算书。

2  实施步骤

2.1 相似比

将学生按4～6人进行分组，以团队的形式完成各组任务。首先，要求学生确定模型试验相似比，确定相似比之前，需准确地量测模型箱的尺寸，提供给学生米尺，由学生自主测量模型箱的长宽高等尺寸。为提高台架的整体刚度，台架中设置有数个钢架及槽钢。为不影响试验中对试验现象的观测，台架正面设置有机玻璃板，其余各面均为钢板。台架主要有电液伺服系统、加载控制系统、台架支承系统三部分组成。试验台架结构材料承压大于0.5MPa，最大压力作用下变形不超过0.3mm，完全满足模型试验要求。其次，要求学生根据已学的相似理论知识及模型箱尺寸，确定几何相似比、容重相似比、弹性模量相似比、粘聚力相似比、内摩擦角相似比、泊松比相似比等，为方便模型制作及试验的进行，可建议学生选择的相似比在1：70～1：50之间。

2.2 模型制作

模型制作要求学生利用高强石膏制作隧道衬砌模型，模型的模具及高强石膏由实验室老师提供，学生根据高强石膏和水比例的不同配比，制作不同强度的隧道衬砌，制作完成的隧道衬砌中不能有空洞。衬砌中无需配筋，但必须使用烘箱将模型烘干，并成功从模具中取出模型。对于围岩的制作，实验室提供重晶石、石英砂以及凡士林三种材料，并提示当重晶石、石英砂、凡士林配制比例为12：4.9：1时，所制备的围岩材料相当于四级围岩，其物理力学参数如下：重度为20 kN/m3、弹性模量为43MPa、泊松比为0.31、内摩擦角为29.2°、粘聚力为6.76kPa，学生可参考此比例，增加或减少重晶石和石英砂的用量，来调节围岩级别，三种材料的具体配比由学生自主确定，要求学生确定配比后能够在计算说明书中注明所制备的材料性质是比四级围岩坚硬还是比四级围岩软弱，并能说明原因。

2.3 传感器布置

这一部分首先要求学生根据所学理论知识，确定传感器布置位置，隧道衬砌一周的传感器数量控制在10个以内，要求学生正确测定隧道衬砌的受力分布，使用薄膜压力传感器，薄膜压力传感器厚度为0.5mm，仅为普通压力盒的3%左右，可极大地减小传感器本身对衬砌结构和测试数据的影响。传感器粘贴到隧道衬砌模型上面之前，要求隧道衬砌模型表面光滑，不允许粘贴在凹凸不平的位置上。传感器布置过程中要求学生设置合理的接线位置和走线路径，不允许出现线路相互干扰或相互缠绕的现象。要求学生在模型试验之前采取适当的措施减少试验台架对试验体的摩擦，实验室提供反光纸和凡士林等辅助材料。

2.4 模型加载

加载方案共有4种，每组学生可从4种加载方案中任意选择一种，四种方案分别为模型的上部及侧面加载、上部及下部加载、仅上部加载、仅侧面加载。其中，上部及侧面加载主要是模拟中厚层围岩下隧道衬砌模型在侧向加压下的剪切破坏;上部及下部加载主要是模拟隧道衬砌模型在高埋深时的拱顶及仰拱拉压破坏;仅上部加载主要是模拟隧道衬砌模型在埋深较浅但上覆荷载较大的情况;仅侧面加载主要是模型隧道衬砌模型受较大侧向压力的情况。以上的4种方案基本涵盖了隧道受力的主要形式，为节约试验时间，学生在模型试验中只需任选其中的一种加载模式进行试验。加载方案确定后需要确定荷载大小，要求学生自主确定加载大小、加载幅度及加载速度，并能正确分析加载速度对隧道衬砌受力的影响。荷载施加的大小直接决定了隧道衬砌模型的受力，加载速度若是过快，则后期的数据采集中，可能无法采集到足够多的数据，加载数据若是过慢，则需要很长的时间才能完成试验，且后期采集的数据量将增大，采集到大量的重复数据，也会影响数据处理的效率。因此，此部分要求学生在回顾理论知识的前提下，完成计算书中的受力计算后，再来确定加载的速度和幅度。

2.5 数据采集及处理

数据采集使用实验室提供的MFF（Multiple Flexi Force）多点薄膜压力测试系统，要求学生正确设置系统频率参数，按照自己设定的时间间隔采集数据，要求此处采集数据的时间间隔与上一步中加载速度相对应，每一级加载至少对应5个受力数据。要求学生对采集到的数据能够进行简单的处理，剔除明显不正确的数据、剔除时间间隔较近或重复的数据，对数据进行回归拟合，并正确绘制隧道衬砌受力图。

2.6 模型计算书

模型计算书每组提交一份，要求内容详实，能够解释选择参数的依据及具体试验现象产生的原因。内容应包括模型试验相似比例确定过程、隧道模型制作的方法、传感器布置位置确定的依据、加载方案选择的依据、加载幅度及速度、数据采集频率确定依据、隧道衬砌结构受力计算、模型试验中的风险及相应对策。其中，相似比的确定要结合理论知识和模型台架尺寸综合确定。隧道模型的制作方法要求分条分段详细完整地描述整个过程，并说明高强石膏与水混合后的浆液中排出气泡的方法。传感器的布置要求根据理论知识确定隧道模型的受力较大的几个点，需要给出计算过程。另外，要求学生提前预判一下试验中有可能遇到的困难及风险有哪些，对相应的困难及风险做好对应处理方案。

3  考核方法

激發学生学习和动手操作的动力，改革过去只重视理论考核，忽视实践考核;只重视阶段考核，忽视过程考核的观念和模式。增加过程考核成绩比重，注重在学习和实践中考核学生，在分组试验中，从分析问题能力、解决问题能力、模型设计方案、沟通协调能力等多方面对学生进行打分[6，7]。总分100分，其中，理论知识15分，主要对各组隧道基础知识以及相似比例的选取进行评价;模型制作25分，对隧道衬砌模型制作的质量、美观性以及上交的准时性等进行评价;传感器布置15分，对传感器布置位置是否包含所有受力薄弱点进行评价;加载方案和数据采集25分，对其加载大小、幅度及速度的合理性进行评价;计算书20分，根据计算书的内容完整性、计算的正确性和排版的规范性等进行评价[8-9]。

4  结语

通过模型试验的设计和制作，对城市地下空间工程课程教学改革具有较大的积极意义。

（1）提高了学生的学习兴趣。让学生从枯燥的理论知识中脱离，通过动手实践将所学的理论知识进行应用。在同学之间的讨论协调之中共同完成模型试验，锻炼了学生的设计能力、创新能力、沟通能力、协调能力、动手能力，形成了良好的学习氛围。

（2）提高了课堂教学质量。建筑工程类学科不能将具体工程实物直接搬到课堂上，导致学生在学习时只能通过图片或视频了解具体工程，难以对工程形成深入的感性认识，进而出现理解困难的现象。模型试验将具体工程缩小后，直接搬到了学生面前，学生不仅可近距离地观察和学习，而且可以自己动手对工程进行设计和加载，极大地增加了学生对工程设计、施工的理解，也可以进一步巩固和验证所学的理论知识。

（3）模型试验将工程实践和理论教学紧密地结合在一起，相辅相成，相互促进，使得教学效果得到了极大的提高。

参考文献

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[3] 史明艳，潘珊珊，李勇慧，等.混合教学模式下本科院校教学方法的改革研究[J].教育现代化，2020，7（44）：66-68.

[4] 马亢.隧道工程课程教学改革思考[J].高等建筑教育，2013，22（1）：2.

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[8] 袁新娣，范莉莉.基于混合模式的单片机课程教学改革与实践[J].科技资讯，2020，18（28）：75-77.

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