直剪試驗課程的教學與實踐

摘要：本文以土力學中直剪試驗為研究對象，介紹了土工試驗和土的特點，對實踐過程中應注意的問題進行了相關探討，并對課程教學內容和方法的拓展和創新提出相關建議，拓展了實踐的手段，改進了教學的效果。

關鍵詞：直剪試驗；強度；多元化；教學與時間

中圖分類號：G642.4 文獻標志碼：A ？搖文章編號：1674-9324（2013）47-0229-02

隨著現代試驗方法和試驗手段的快速變革，土的性質的測定涌現出各種各樣的新方法和新技術[1-3]。由于土的力學性質復雜多變，不同土工試驗方法并不能完全測定土的所有物理力學性質，因此也就無法反應土的性質的全貌。土力學是以分散土為研究對象的學科，主要研究土體的應力、變形、強度、滲流及長期穩定性。其中強度是影響土的性質的一個極其重要的方面，強度可歸結為土的力學性質。庫倫根據砂土和粘性土的剪切試驗提出土抗剪強度的表達式，包含兩個抗剪強度指標。該試驗即直剪試驗，通常將直剪試驗與室內三軸試驗相比較，得到其優缺點。本文以直剪試驗為研究對象，介紹了教學與實踐過程中常見的問題，淺談一下教學內容和方法的拓展與創新。

一、理論教學應注意原理闡述和演示方法

1.明確直剪試驗中研究對象——土的特殊性。土是地殼表層的巖石經受風化作用后形成的松散堆積體，不同的風化作用形成不同的礦物成分，不同的搬運、沉積以及硬化成巖過程導致土體產生不同的結構和構造。因此土體是大自然中長期地質歷史的產物，土的性質與成因有關。土是人類生存的主要環境，包括建筑物的地基、城市地鐵隧道、公路隧道、公路的路基等等，而土的性質復雜多變造成了土的研究仍然處于初步階段，很難有一套完整的理論適用于各種土體。因此，土的研究和教學具有一定的復雜性和特殊性。

2.明確土工試驗的重要性和直剪試驗的特點。土工試驗常見的有室內試驗和原位試驗等，為了節省成本和重復性試驗還有模型試驗，為了對土的性質的宏觀響應進行分析，進行原位監測等。土是松散堆積體，粒徑有較大的分布范圍，因此應根據需要從宏觀或微觀尺度進行試驗或測試，微觀分析往往是認識土的力學性質和相關機理的一個重要方法[4]。土工試驗是深入認識土的形狀和完善相關理論的切實途徑，為各種理論提供參數，對理論的合理性進行驗證。直剪試驗的優點是：儀器構造簡單，操作方便，適合本科土力學教學；直剪儀也是實際工程中常用的便攜式的儀器；直剪儀制樣方法簡便，試驗條件允許下采用原狀土或重塑土進行試驗。直剪試驗的缺點是：土樣尺寸較小，土樣盒剛性大，導致剪應力分布不均勻，上下盒接頭處產生應力集中，剪切破壞先從此處開始，而非沿著土樣最薄弱面剪切破壞，也并非完全沿著上下盒之間的平面，在試樣內部應力非常復雜，這可以從離散元細觀分析來演示說明。同時，抗剪強度的計算通常按土樣的原始截面面積進行計算，與實際剪切面不斷縮小相矛盾。試驗過程中不能有效地控制排水條件，也無法測定孔隙水壓力變化情況。

3.多角度演示直剪試驗過程。理論教學中，為了增強學生的學習興趣，可通過多種手段多角度展示直剪試驗過程和試驗原理。常用的教學方法有PPT展示，PPT動畫或flash動畫演示儀器結構和操作流程，也可以采用視頻教學或指導教師直接在儀器上進行演示。目前本人已展開用顆粒流離散元法分析演示直剪試驗，對直剪試驗的土體顆粒流動有了更好的展示，可以更好地解釋直剪試驗的優缺點，如儀器上下盒剛度的影響、應力集中現、剪切面不完全是一個平面等現象。學生對這種方法的展示表現出極大的興趣，試驗實踐也更為積極。

二、實踐教學注意知識點的交融和研究素質的培養

直剪試驗需要確定土的密度、含水率、土的分類，所以要注意知識點的交融，溫故知新。直剪試驗又是對強度指標，不同土、含水率、密度和壓力，其應力應變關系各異，試驗現象也不同，數據篩選和整理都體現出研究素質的重要性，因此開展直剪試驗也是培養學生研究素質的重要手段。

1.試驗的前期準備和試驗進行。開展直剪試驗前需制定試驗方案和工作計劃，確定試驗步驟。直剪試驗之前需掌握密度試驗、含水率試驗等。一般一組數據是否存在較大的誤差無法直接判別，需開展3～4組平行試驗，平行試驗應由同一組人在同一臺儀器上進行，盡量保證人為造成的誤差降至最低。試驗最少由兩個人同時進行，一個負責搖手輪，另一個人負責記錄數據量力環讀數，可以采取先對百分表拍照后對數據進行整理的辦法。平行試驗得到的數據如有較大的誤差，指導老師和試驗的同學應參與討論，對數據誤差較大的應剔除或者補充試驗再次進行比較分析。

2.試驗現象的細致分析和總結。直剪試驗由于儀器簡單，無法控制排水條件，無法測定孔隙水壓力。但是指導老師應培養學生觀察和記錄現象的能力，并對試驗現象進行分析。觀察分試樣準備，試樣裝入、試驗過程和拆樣比較。試驗前觀察土樣的表面是否平整，各處是否干濕均勻，輔助測定試樣上各個位置點的含水率。裝樣時觀察試樣是否有溢出和壓平。試驗過程觀察是否接觸良好，剪切過程中讀數是否平穩變化。拆樣后觀察剪切面是否平整光滑，裂紋發展情況，試驗與剪切盒間的接觸關系、試樣前端和后端的高差等等。對平行試驗和不同壓力下的現象進行比較分析，找到數據變化可能的原因。

3.試驗數據的整理和結果分析。直剪試驗三種類型得到不同的強度指標，需要根據規范要求處理數據，以快剪試驗為例，應將剪切速度、圈數、量力環百分表讀數、測力環系數記錄在excel中，繪制出不同壓力下剪應力與剪切位移關系曲線。一個數據點由剪切速度乘以圈數再減去量力環讀數得到，避免直接以剪切速度乘以圈數來確定剪切位移。實踐操作中指導老師應給予指導和解釋。一般一組數據是否存在較大的誤差無法判別，需開展3～4組平行試驗，不能盲目取其中一條或者取多條的平均值來確定，而應對其合理性進行分析，對值的大小和試樣制備和試驗過程發生的情況進行比較分析，鍛煉學生的分析思考能力。這部分實踐教學對學生查閱規范、處理數據、excel繪圖和公式計算等都有較大的幫助。

直剪試驗是土力學中一個重要的試驗課程，是對前面開展的密度試驗、含水率試驗等的繼續深入，從理論教學到實踐教學均體現出原理的探討和研究素質的培養。在教學中開展多角度教學演示，特別是采用顆粒流模擬試驗中土樣的變形和剪切破壞能夠激起學生的學習興趣，認真對待試驗中的每個步驟，記錄實現過程中出現的現象，學會處理數據，達到良好的教學效果。

參考文獻：

[1]李廣信.高等土力學[M].北京：清華大學出版社，2004.

[2]胡黎明，濮家騮.土與結構物接觸面損傷本構模型[J].巖土力學，2002，（1）：6-11.

[3]楊林德，劉齊建.土-結構物接觸面統計損傷本構模型[J].地下空間與工程學報，2006，2（1）：79-82.

[4]賈學明，柴賀軍，鄭穎人.土石混合料大型直剪試驗的顆粒離散元細觀力學模擬研究[J].巖土力學，2010，31（9）：2695-2703.

基金項目：國家自然科學基金項目（51278251）；江蘇高校優勢學科建設工程資助項目（2013）；住建部基金項目（2013-K3-16）；大學生實踐創新計劃項目

作者簡介：劉成（1982–），男，江蘇宿遷人，博士，講師，研究方向：地下滲流、動力分析及離散元等方面的研究與教學。