“土力学”科教融合课程建设探讨

曾玲玲，王月娇，卞 夏，史 吏

（1.浙江工业大学 土木工程学院，浙江 杭州 310014；2.上海大学 力学与工程科学学院，上海 200444；3.河海大学 土木与交通学院，江苏 南京 210024）

引言

我国经济的高速发展促进了大规模基础设施的建设，在高速公路、铁路、机场和城市轨道等交通建设方面取得了举世瞩目的成就，这些基础设施建设的成就蕴含着我国广大土木工程师的汗水与智慧。随着海洋强国、沿海经济地区发展、高等级内河建设、西部大开发等国家战略的实施与推进，我国的基础设施建设的标准也逐步提高，工程建设所处的建设环境也越来越严酷，这对土木工程师而言，既是挑战又是大展身手的机遇。因此，服务于国家战略的高端土木工程专业人才培养对我国当前高等教育提出了更高的要求［1-2］。土力学是土木工程学科的一个重要组成部分，属于基础设施建设与运营安全的核心基础学科，“基础不牢、地动山摇”［3］。“土力学”课程建设对土木工程人才的培养，乃至整个行业的发展都起着重要的作用。

土力学属于力学的一个分支，经典的连续介质力学构成了土力学的理论基础。土力学与连续介质力学有着本质区别。土力学本质是利用连续介质力学的知识，结合土的特性，研究相关工程问题的一门学科，基本概念多，经验性强，知识更新快，现有教材与最新理论脱节严重，无法满足新时代人才培养要求。2016年，教育部发布的《高等学校“十三五”科学和技术发展规划》明确提出了“科教融合是现代高等教育的核心理念，支撑人才培养是高校科技工作的内在要求”［4］。科研与教学的有机融合，可以实现优势资源互补，为培养高层次人才起到积极作用。

本文基于“土力学”的特色，结合课程教学现状，探讨将先进的科研成果融入课程的教学理念，并为此提出相应的建议与措施。

一、“土力学”课程特点与现状

土力学学科主要研究土体的物理—力学性质，核心内容包括土体基本物理性质、土的分类、有效应力原理、自重和外部环境作用下土体的力学（压缩—渗透—强度）性状变化规律、土中应力与侧向土压力、地基沉降与稳定分析方法等。

土体是由土—气—水三相构成，具有三相碎散材料的非连续介质特性，而土力学的理论体系是建立在连续介质力学基础之上的，连续介质理论体系与碎散性工程性质的结合，导致了土力学学科中基本概念多、理论分析假定条件多、理论与实际偏差常态化。

逐步减小土力学理论与工程实践的差异是土力学学科的发展趋势，理论联系实际是必经之路。科学问题来源于实践，科学问题的解决进一步完善土力学理论体系，两者相辅相成，使土力学学科知识更新速度快。在长期授课中发现，课程教学使用的教材一般采用国家规划教材，更新周期长，也就是土力学的教材更新速度与土力学科学发展速度不匹配，制约了土力学学科的科教融合。

因此，如何提升科教融合程度是“土力学”课程教学迫切需要解决的一个重要问题。本文基于土力学特点与学科发展特色，提出一种符合我国国情的土力学科教融合创新的教学方法。针对教材大纲范畴内的内容，高度凝练相关的科研成果，通过案例分析，不仅补充完善教材的内容，而且通过教师的讲授与学生的讨论，提高学生对土力学的理解和学习能力，实现土力学的科教融合。

二、科教融合典型案例

（一）一维太沙基固结理论解析解的假定与误差

一维太沙基固结理论是“土力学”的最重要内容之一，讲授一维太沙基固结理论必然强调其基本假定：（1）土层均质且完全饱和；（2）土颗粒和水均为不可压缩介质；（3）土体符合太沙基有效应力原理；（4）渗流遵从达西定律；（5）外荷载一次瞬时施加且在固结过程保持不变；（6）固结变形属于小应变范畴；（7）水的渗出和土层压缩沿着竖向发生；（8）固结过程渗透系数（kv）为常量；（9）应力应变为线性关系，且固结过程压缩系数（mv）为常量。

以上假定（1）至（5）为饱和土体固结理论的基本假定，小应变假定（6）的突破产生了大应变固结理论［5-6］，一维假定（7）的突破导致三维固结理论的诞生［7］。假定（8）和（9）诱发了一个土力学概念——土体固结系数，其定义为：

其中γw为水的密度。固结系数仅仅是为了获得一维太沙基固结理论解析解而定义的一个参数概念［8］，Tavenas等［9］明确指出，固结系数在固结过程中为常数不符合实际，基于固结系数反演得出的渗透系数严重偏离实测值。Zeng等［8］基于Casagrande方法，给出饱和土体反演固结系数随应力水平的变化规律，典型的案例如图1所示。

图1 反演固结系数随应力水平的不连续且随机变化规律

图中三角形或者圆形的点代表某一级荷载增量下对应于平均有效应力的反演固结系数，据此可以得出以下两点结论：（1）前后两级荷载增量的反演固结系数不连续，边界处产生突变；（2）反演固结系数随应力水平不是单调增加或者减小，而是呈现随机的变化。因此，固结过程中固结系数不是常数，且难以通过常规修正系数纠正。

Zeng等［8］还分析了反演固结系数与计算得出的固结系数的关系，典型的结果如图2所示，图中的计算值由式（1）基于实测的渗透系数（kv）和压缩系数（mv）确定。反演固结系数可能远远大于或者远远小于实测值，也可能处于某一级荷载增量下实测值的最大值与最小值之间。

图2 反演固结系数与实测固结系数的关系

以上案例分析说明，一维太沙基固结理论解析解只是太沙基固结理论的一个特例，是计算能力不发达的时代产物，在计算水平高度发达的现代，教科书上的一维太沙基固结理论解析解可以用于探讨与理解土体固结性状的变化规律，但是在教学过程应该强调其偏离实际诱发误差常态化现状。结合土工数值计算方法和程序化的最新进展，将考虑材料非线性的一维小应变数值分析方法、一维大应变固结数值分析方法、二维和三维的固结分析方法等先进科研成果融入知识传授与探讨中，激发学生的学习兴趣，提升学生的科研能力。

（二）应变固结度与孔压固结度

固结度是土力学的一个重要概念，可以通过超静孔隙水压力性状或者土层变形性状确定。孔压固结度（Uu）定义为：

其中，Δσv为荷载增量；ut为对应于固结时间（t）时的土层平均超静孔隙水压力。

应变固结度（Use）定义为：

其中dt为对应于固结时间（t）时的土层变形；dfu为荷载增量下固结度达到100%时的土层变形。

土力学教材一般把Uu与Use等同，将两者合为一体，统称固结度，其支撑理论是太沙基固结理论解析解。应该明确指出，这样的认识偏离实际［8-9］。Umezaki等［10］通过实例分析，得出固结过程Use大于Uu的结论。Zeng等［8］开展了系列固结试验，通过测试试样的超静孔隙水压力和变形，分别采用式（2）和式（3）计算孔压固结度和应变固结度，发现两者不等同，如图3所示，基于太沙基固结理论解析解得出的应变固结度达到100%时，超静孔隙水压力消散未完成，甚至残余孔压固结度高达50%左右。Zeng等［11］明确指出，导致Uu与Use不等同的本质原因在于：（1）超静孔压消散完成时的土层变形量与基于太沙基固结理论解析解得出的主固结完成时土层变形量不同；（2）太沙基固结理论假定应力应变为线性关系在大多数工况下不符合实际。

图3 典型的孔压固结度和应变固结度的关系

根据以上最新科研成果，在教学中应该讲授传统固结度的作用与局限，引导学生思考：在工程实践中应采用哪一个固结度？根据太沙基有效应力原理，采用理论上的孔压固结度更为可靠，可是实际工程中变形测试是常规要求，超静孔隙水压力测试不是常态。另外，根据实践经验，变形的测试精度往往高于超静孔隙水压力的精度，实际工程中经常采用应变固结度。因此，实践中工程设计必须关注两个问题：（1）残余超静孔隙水压力继续消散引起的土层变形；（2）超静孔隙水压力消散没有完成导致土体的强度不足。通过这个案例，在传授教材知识的同时，引导学生认识科教融合的重要性，激发学生的科研兴趣。

三、科教融合教学措施与建议

基于以上分析，以土力学教材为主、案例分析为辅的授课方式，能够解决土力学学科知识更新快与土力学教材更新周期长的矛盾。案例分析的内容可以采用纸质讲义、电子版的形式提前分发给学生，使学生提前做好教材预习。应该说明的是，本文提供的两个科教融合案例分析，仅是作为典型的案例分析，在实际授课中，教师可以根据自身的特点与专业特长，提供不同的科教融合案例分析。

科教融合的教学应该采用讲授和讨论相结合的方式，讲授科教融合的案例，重点在于讲解土力学的基本概念，明确其时代背景，阐述其作用与极限，强调发展趋势。通过案例分析的课堂讨论，提升学生对土力学的基本概念的理解与掌握，激发学生的学习和科研创新兴趣，提高学生的科研能力。

结语

本文通过探讨土力学学科的特点和科教融合的现状，发现土力学学科理论经常偏离实际，两者的差异随着学科的发展而逐渐减小，土力学科研成果积累更新快，教材更新周期长，从而制约了土力学学科的科教融合。根据作者多年的土力学教学经验，提出了科教融合的教学方法，以土力学教材为主、讲义为辅，通过案例分析的讲解与讨论，提升学生对土力学理论和应用的理解，提高学习与科研能力。