基于实践能力培养的土力学一流课程教材建设与实践

李顺群,高凌霞,张 彦,刘双菊,孙晓涵,刘 举

(1.天津城建大学 土木工程学院, 天津 300384;2.大连民族大学 土木工程学院,辽宁 大连 116650)

《土力学》是面向土木工程、水利工程、地质工程等专业开设的专业基础课程,研究土中应力、变形、渗流、强度等问题,在课程体系中处于承上启下的核心地位。建设一流《土力学》课程对培养学生科学思维、实践能力具有至关重要的作用[1]。《土力学》教材是课程的主要载体,是教师教学、学生学习的重要工具。教材建设是一流课程建设的基础环节,是教与学改革的主要内容之一[2]。教材的建设应该与学校的办学定位密切相关[3],基于应用型人才培养目标及教材育人核心作用。《土力学》教材实时加入思政元素、学科动态、实践技能、最新科研成果,能完善课程体系,促进学生全面发展。针对一流课程建设需要和专业方向多、专业口径宽、综合性强等特点,课程组编写了融入思政、海绵城市、应力测试、土工试验等内容的新版土力学教材[4]。

1 思政元素的融入

通过土力学发展中典型的工程案例、土力学界著名的专家学者及中国的工程来培育学生的民族自信、职业自信与责任担当。

1.1 中国古代土工结构增强民族自信

远在古代,由于生产和生活需要,人们已懂得利用土来进行工程建设。例如中国的地坑院、隋唐大运河、郑国渠、灵渠等伟大工程。这些土工结构物对当时社会和经济的发展起到了重要作用,有些至今仍在发挥作用,比如地坑院、大运河。

1.2 著名的专家学者事迹彰显职业自豪感

著名桥梁专家茅以升是倡导土力学学科在工程中应用的开拓者[5]。近代以来,中国科研人员在理论研究和工程应用方面做出了卓越贡献,比如曾国熙提出的固结度普遍表达式及其应用和上埋式涵管土压力计算方法,黄文熙院士对液化的研究及提出的考虑土侧向变形的沉降计算方法,沈珠江提出的软土地基稳定分析的有效固结应力计算方法,龚晓南创建的广义复合地基理论等,已经被国内外认同和大面积应用,对土力学的发展做出了重要贡献[6]。

1.3 大国工程展示工匠精神

进入新世纪以来,中国在岩土工程理论与实践方面取得了一系列突破,涉及到的重大工程有西气东输、西电东送、南水北调、港珠澳大桥、天津港、南海岛礁、大兴机场等。

2 学科动态介绍

2.1 对学术团体的介绍

中国土木工程学会1957年设立了土力学及基础工程委员会,并于1978年成立了土力学及基础工程学会。自1962年在天津召开第一届土力学及基础工程学术会议以来,该大会到目前已经召开了十三届。最近的几次会议,参会人数达到两千多人,规模之大实属罕见。目前,中国土木工程学会土力学及基础工程分会设有地基处理专业委员会、桩基础专业委员会、土工测试专业委员会、土的本构关系及强度理论专业委员会、非饱和土与特殊土专业委员会、环境土工专业委员会、《土力学》教学专业委员会、软土工程专业委员会、青年工作委员会、交通岩土工程专业委员会、施工技术专业委员会等专业委员会。土力学及基础工程分会和各专业委员会经常组织各种会议和学术交流,这些活动大大促进了我国土力学的发展和工程应用。

2.2 海绵城市

“自然积存、自然渗透、自然净化”的海绵城市建设已经上升为国家战略,发展势头良好。针对现有海绵城市建设过程中存在理论瓶颈和技术局限性,在土的渗透性部分增加了基于扩大渗透面积和改良渗流方向的土层海绵化技术。

通过人工或机械方法在场地竖向开挖一定深度的渗井孔,孔的直径、深度和间距根据降雨参数、土层渗透性和布置方案由计算确定。然后将渗透系数足够大的滤芯放入渗井孔内,并在地表铺设粗砂、中砂、土工布和透水砖,这样就形成了一种雨水收集和入渗装置[7]。当强降雨来临时,地表径流通过透水砖和水平砂层下渗,并沿着微型渗井迅速充填滤芯,然后沿着滤芯径向向四周土层中入渗,如图1。

图1 微型滤芯渗井工作原理

2.3 宏微观研究

土是由岩石经历物理、化学、生物风化作用,经历剥蚀、搬运、沉积作用,在交错复杂的自然环境中所生成的各类沉积物,因此,土的类型及其物理、力学性状是千差万别的。然而究其原因在于不同土其微结构不同,土的宏观力学行为受其微结观结构的显著影响,而其微观结构常随外界环境变化而不断演变。基于微观结构演变与宏观力学特性响应的多尺度研究是深层次认识与解决特殊土相关问题的重要基础和关键[8]。在教材第一章土的组成中,增加了天津滨海软土的物质组成及微结构特征如图2～3。让本科生对土的微结构研究有初步的了解。

a)淤泥质黏土水平截面 b)表层土垂直截面 图2 片状堆叠结构典型SEM照片

a)粉土水平截面 b)表层土水平截面图3 粒状结构典型SEM照片

3 引入实践技能

培养学生的实践技能及工程思维是土力学课程教学的重要目标之一,教材中加入土工试验详细内容,并介绍了测试技术前沿内容三维土压力测试技术及大型试验仪器介绍。

3.1 黏性土的定名

教材中通过黏性土定名的综合试验,将土的基本物理性质指标的测试综合于解决土的分类定名,使常规试验与工程实践建立有机联系,使学生有了明确的试验目标,能有效提高实验效果。

3.2 土压力测试

土体中应力的测试是一项基础性工作,是进行力学分析和工程安全评价的前提,具有不可替代的作用。土压力的大小可以用土压力盒测量。但土压力盒是单向的,即只能测量一个方向上的应力如图4。

图4 一维土压力盒

教材中加入作者研发的三维土压力测试装置如图5。该装置具有结构合理、精度高、使用方便等优势,已经广泛应用于路基、基坑、边坡等工程的应力测试。可获得岩土体内部的三维应力状态,并据此进一步得到最大主应力、最大剪应力、球应力、偏应力以及其他应力组合,对评估工程健康状况和安全储备是非常重要的,对岩土体强度和本构模型的研究也必将产生巨大促进作用[9]。某地铁盾构隧道下穿建筑物掘进过程中的土体的三维应力响应如图6。

图5 两种三维土压力测试装置

图6 盾构隧道下穿建筑物掘进时土体中的三维应力

3.3 土工试验

教材中融入数字教学资源,通过纸质教材中的二维码把土工试验内容和数字教学资源相关联,扫码观看试验教学视频,便于学生快速了解实验操作与注意事项。

随着科技的发展,各种具有特殊功能的室内外仪器不断出现,为土力学发展提供了新的强有力手段。教材中介绍了在土力学研究领域中三种重要的仪器。

一是SPAX-2000动静真三轴仪。该仪器可以对试样进行静态、动态真三轴应力、应变路径测试,包括平面应变、K0、动态剪切强度及变形、液化势、剪切模量和阻尼比以及其他用户自定义的程序,并能进行双向振动加载。仪器由数字伺服控制器和采集系统、压力源、压力控制面板、围压压力、体积控制器、压力室及传感器等组成。

二是土体梯度温控力学综合测试系统,该系统支持加载应力及应变两种控制方式,可用于进行标准UU/CU/CD抗剪强度实验、恒温恒压条件下土体材料流变实验、梯度温控条件下UU/CU/CD抗剪强度实验、梯度温控条件下土体材料流变实验、各向同性固结实验、各向异性固结实验、围压和反压梯度施加的反压饱和实验、K0实验、膨胀实验等。

三是台式高速冷冻离心机搭载13款不同容量转子,可满足广泛的离心应用,最新探索将该仪器应用于测定冻土未冻水含量,即通过利用离心机的向心力把冻土中的未冻水排出,从而得到冻土未冻水的含水量,目前取得了较好的实验效果。

3.4 土粒分类的三角坐标法

教材中增加了土粒度分析的三角坐标法如图7。在一张图上能同时表示多种土的粒度成分,便于进行土料的级配设计。三角坐标中不同的区域表示土的组成不同,因而还可用来确定按粒度成分分类的土名。

图7 三角坐标表示粒度成分

4 调整的内容

教材对土力学教学内容进行了重构,使主要内容之间的逻辑性、系统性更强。

4.1 有效应力原理前置

有些教材,将有效应力原理放在地基沉降变形与时间的关系部分。本教材将土的有效应力原理前置,放在土中应力部分讲授。学生在学习土中应力时就能全面理解有效应力的概念,为后期更好地学习土的变形与强度理论提供必要基础。

4.2 统一了有无超载时的土压力计算方法

土压力是土力学强度理论在工程中具体应用的典型内容。采用朗肯土压力理论计算挡土墙上的土压力是教学重点之一。教材中用分别以墙后填土处于极限平衡状态时所受竖向应力σv和水平应力σa(σp)代替传统公式中大主应力σ1和小主应力σ3,以黏性土为例,可以得到主动土压力强度与被动土压力强度表达式:

(1)

(2)

引入σv后,就能统一有无超载时土压力的计算。无超载时,σv=γz,有超载时σv=γz+q。

5 结 语

教材是教学内容的重要载体,是一流课程建设的重点内容,本教材基于工程教育认证及新工科建设理念,面向应用型人才培养目标、立德树人基本任务而编写,重点阐述土力学基本思想、基本理论、基本方法,同时突出理论与工程实践的联系和结合,在对理论知识进行详细阐述后力图在工程实践方面进行拓展和延伸。