土力學中滲流問題的教學探討

【摘要】土力學在課程內容和教學體系等方面均有其自身的特點。該課程比較適合采用啟發式的教學方法，文章以滲流問題的教學為例，介紹了啟發式教學在土力學中的應用。

【關鍵詞】教學方法 土力學 教學改革

【中圖分類號】TU4【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2012）10-0256-01

《土力學》是土木工程專業一門重要的專業基礎課，對初學者來說，主要表現為土力學教材各章節之間具有相對獨立性，聯系不緊密，課程內容多而雜，許多重要理論和公式來源于實驗或實踐經驗，缺乏嚴格的理論推導，強調實用性和技術性，這使得土力學成為一門較難掌握的課程。

1.概述

土力學研究內容可概括為：土的三個特性、土的三個工程問題、土力學三大主要理論。其中，土的特性導致了土的三大工程問題，即強度問題、變形問題和滲流問題。

根據課程脈絡主線可見，滲流問題是土力學中必須解決的三大問題之一，滲流問題有其相對獨立性，又與變形、強度問題相互交叉，掌握好土的滲流特性對于掌握好土的變形、強度特性有促進作用。依筆者的教學經驗，學生對于“土的滲透性及滲流”內容普遍反應較難掌握。

2.教學內容與教學方法改革探索與實踐

2.1抓課程內容主線

針對滲流問題的教學內容多而雜的特點，課堂教學中應注重把握知識體系，形成清晰的教學脈絡，用教學主線將課程內容緊密串連（圖1）。

圖1 課程內容主線

2.2注重水力學基礎

土的滲透性與滲流主要涉及到水靜力學與水動力學兩部分水力學基礎理論，對于理解土的滲透性與滲流有一定的促進作用。

在水靜力學方面，掌握靜止流體中任意一點各個方向受到的壓強值的大小是相等的這一靜止流體的應力特征；理解流體靜止的微分方程；掌握重力作用下靜止液體的壓強分布特征。在水動力學方面，掌握流線、過流斷面、流量、斷面平均流速等概念與流體的運動的連續性條件；伯努利方程，是解決土中滲透問題的基礎。

2.3啟發式教學

2.3.1案例啟發式教學

土的滲流問題這部分內容講授時可采用啟發式教學，調動學生的興趣和思維。列舉工程事例，如水井滲流、渠道滲流等；滲透變形或破壞，工程的目的是要解決這些變形或破壞；滲透力才能產生滲透變形或破壞，接著推導滲透力及臨界水力梯度的計算公式；介紹實際工程中常用的“止水帷幕”。止水帷幕的設置加大了地下水滲流的距徑。

2.3.2例題啟發式教學

流網的繪制與應用可以采用例題啟發式的教學方法：等勢線與流線正交，等間隔流線與等間隔等勢線形成的流網中，各個網格的長寬比c應為常數。提出問題，如何通過流網可以得到流場中任一點的水頭、水力梯度、孔隙水壓力、流速、流量等指標值，然后逐步介紹各個指標的計算過程以及流網繪制的初步過程，講授過程中再次強調掌握流網特點的重要性。使學生更深入的理解了流網的應用，并初步體會了其繪制過程。

3.注意的幾個概念

3.1水力梯度

水和梯度的定義較為簡單，水力梯度i=△h/L，其中△h為兩點處的總水頭差，L為兩點間的滲流長度，特別強調的是L叫作滲流路徑或滲流長度，不是兩點的直線距離，求ND間的水力梯度，△hND=8.0m，L=NB+BC+CD=26.0m不是L=NB=8.0m，因此水力梯度i=△h/L=0.31。

3.2孔隙水壓力

水力學課程中與孔隙水壓力相關的只有靜水壓力，沒有專門提出孔隙水壓力概念，在土力學中這樣定義孔隙水壓力，如圖1，滲流場中各點的孔隙水壓力，等于該點以上測壓管中的水柱高度hu乘以水的重度γw，故a點的孔隙水壓力為：

ua=hua×γw

應當注意，圖中所示a、b兩點位于同一等勢線上，其測管水頭雖然相同，即ha=hb，但其孔隙水壓力卻不同，ua≠ub。眾多土力學教材中定義，“由土體孔隙內的水承擔的那部分應力為孔隙水壓力”。一般地，孔隙水壓力應包括靜水壓力和超靜孔隙水壓力兩部分，但大多數教材中，在土體的滲透固結部分中突然出現超靜孔隙水壓力，并未對其進行特別說明。

《巖土工程基本術語標準》（GB/T50279-98）規定靜水壓力是“給定點與自由水位差引起的壓力”；超靜孔隙水壓力是“飽和土體內一點的孔隙水中超過靜水壓力的那部分”。借用以上兩個概念，兩者在物理本質上是一致的，分開定義在本科教學過程的滲透固結部分，測壓管水頭壓力為靜水壓力和超靜孔隙水壓力之和。

4.結語

教學實踐表明，針對土力學課程的特點，在教學中根據不同知識內容的講解需求，遵照科學的認知規律以實際教學效果為目標，靈活應用多種方法進行教學活動，可促進學生對土力學知識學習的融會貫通。

參考文獻：

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