土力學課程特點與教學措施

李麗民

（湖南科技學院 土建系，湖南 永州 425199）

土力學課程特點與教學措施

李麗民

（湖南科技學院 土建系，湖南 永州 425199）

土力學是一門十分重要的專業基礎課，土力學教學質量的好壞直接關系到高校人才培養的質量。論文從土力學課程特點入手，結合多年土力學教學實踐，對土力學教學提出了幾點個人看法，教學實踐表明，這些措施對提高土力學教學質量和效率是有效的。

土力學；課程特點；教學措施；高等學校

1 土力學課程特點

土力學是交通、土木、水利、港口、工程管理、巖土工程、工程力學、給排水工程、環境工程和地質等專業的十分重要的專業基礎課之一。土力學不僅是土木工程專業知識體系和課程結構的核心主干課程，而且是學習后續地下結構、地基處理、深基坑和基礎工程等后續其他專業課程的重要基礎，對培養學生的實踐和創新能力，夯實學生的專業基礎具有舉足輕重的作用，也是學生工作后從事土木工作和科學研究的重要基礎。土木工程的使用、施工和設計都與土力學理論密切相關，土木工程中很多的工程問題都由土力學中的穩定、滲流、變形等理論及其基本原理方法來指導和解決，土力學學得好的學生，容易自學，在工作中容易做到觸類旁通，容易適應不同的工作，容易處在學科前沿進行科學研究。土力學研究的對象是土的物理性質及跟土有關的工程技術問題。土力學主要講述土的成因與分類，土的組成和結構，土的物理性質指標定義及換算與土的物理性，土的壓實性與動力特性，土的自重應力、基底壓力、基底附加應力的定義與計算，土的變形性質及沉降計算，土壓力計算，地基承載能力確定方法和計算，土坡和地基穩定性分析，土的有效應力原理，土的抗剪強度理論，土的滲流和壓縮固結理論。因此，土力學課程涉及的相關領域和預備知識很多，具有多學科交叉性，土力學與高等數學、塑性力學、材料力學、理論力學、流體力學、結構力學、水力學、彈性力學、工程地質、混凝土結構、土木施工、地基處理、境巖土工程、化學、生物等課程均有密切聯系。土力學的具有力學特殊性和理論的多樣。土力學研究的對象是土，由于土具有天然性（非均勻性、各向異性、結構性、時空變異性）、三相性和碎散性，造成土的工程和力學性質十分復雜，不像結構力學只研究桿件構成的結構，彈性力學和材料力學一般只研究線彈性體，理論力學只研究剛體，流體力學只研究流體的機械運動與運用，塑性力學只研究彈塑性體。土力學依托的理論具有多樣性。土力學中解決工程問題的理論基礎是一維固結理論、有效應力原理、抗剪強度理論，采用的研究理論都不同。彈性地基梁和一維固結理論，將土體看作線彈性體，采用材料力學計算理論；有效應力原理、土坡穩定性分析和擋土墻計算把土體看作剛體，采用理論力學計算理論；地基承載力確定是將土體看作剛——塑性體，采用塑性理論理論；研究黃土的濕陷性時，采用彈塑性理論。土力學具有強經驗性和不完善性。土力學中土的天然密度、含水量、相對密度、壓縮系數、液限、液性指數、塑限、塑性指數、壓縮模量、粘聚力、內摩擦角等重要參數和指標都是通過試驗測定得到的。最重要的有效應力原理是土固結試驗成果的總結，最著名的抗剪強度理論也是通過土的強度試驗總結出來的規律，各種土的應力應變規律模型都是土工試驗數據的整理歸納得到的，其可靠性主要處決于模型參數實驗測試結果的準確性。因此，實驗教學在土力學教學過程中非常重要。由于土的復雜性，土力學至今仍處在發展完善過程之中，目前還在半經驗半理論階段，理論基礎還不完善，在土力學中土的力學性質仍不能用單一模型來概括，經驗方法和經驗公式仍在實際工程中處于主導地位。各種土力學計算公式假設條件多，有些還互相矛盾，如地基塑性區求解中，計算附加應力假設地基為彈性體，用彈性理論計算，再由莫爾庫侖理論求得地基的塑性區，易造成教學中學生難以理解。總之，土力學本身知識點分散，理論性強，內容多、概念多、公式多，內容跳躍性大、連貫性差，還具有明顯的不完善性，加上學生要學好土力學必須具備扎實的力學和其他相關專業課的知識，增加了學習的難度，學生學習起來頭緒繁多，不具備材料力學的嚴謹性,不像土木施工課程那樣具有強的操作性，學生學習難度大，學習興趣低，課程教學壓力大。

2 土力學教學措施

土力學教學課時少，一般為48課時，理論課40課時，實驗課8課時，內容多，要在有限的時間內很好地完成土力學課程的教學任務，取得良好的教學效果，必須重新整合土力學教學的內容，遵循土力學自身的特點，搞好實驗教學。下面就個人幾年來的土力學的教學實踐，談幾點措施，以期拋磚引玉。

（1）鉆研教材，把握土力學主線，找出章節間的聯系，對教學內容進行重新調整。利用有效應力原理、土的變形和強度這根主線，對土力學教材進行認真梳理，反復研讀，精心制作課件和教案，把土力學中土的滲透性、壓縮性、應力、固結沉降、土地抗剪強度、地基承載力和穩定性、擋土墻土壓力等章節內容有機的結合起來，改革土力學教學內容，刪減與工程應用聯系不緊密、陳舊的內容，注重基本理論和基本原理的整合，將整個土力學整合成土的工程分類與物理性質、土的滲透、固結、抗剪強度等力學性質等兩個土的性質部分和土的變形、土中應力、土壓力和邊坡穩定分析，地基承載力等四個理論與工程應用部分，減少土力學與已學課程的重復，使得土力學教學內容連續系統化，降低了土力學的教學難度，使學生容易理解和掌握，提高了教學效率和效果。例如講解莫爾-庫侖強度理論時，結合圖1對極限平衡原理進行詳細講解，重點要求掌握土體發生剪切破壞的破裂面與大主應力作用面成的角度；已知最小主應力3σ時，處于極限平衡狀態時，土體的最大主應已知最大主應力 σ1時，處于極限平衡狀態時，土體的最小主應力并提醒學生這些是學習土壓力和地基承載力的基礎。這樣在講解朗金土壓力計算時，取單元土體，根據其三個假設：擋土墻背面豎直、墻背光滑、墻后填土面水平，土壓力的計算方法是土體處于極限平衡狀態和半空間的應力狀態，這樣就得到了圖2的莫爾圓。再把土中自重應力計算知識拉進來，土體靜止不動時，作用在墻背的靜止土壓力強度就是土中水平方向的自重應力即為k0rz，當墻體遠離土體時，水平方向土體應力越來越小，但豎直方向應力即為土中的自重應力始終保持不變，當處于極限平衡狀態時作用在墻背上水平方向應力即為主動土壓力，從而根據莫爾——庫侖強度理論很容易得到主動土壓力強度當墻體靠近土體運動時，水平方向應力越來越大，最后超過豎直方向的土中自重應力后成為最大主應力，最后處于極限平衡狀態時，作用在墻背上水平方向應力即為被動土壓力，從而根據莫爾——庫侖強度理論很容易得到被動土壓力強度。在這個基礎上再引入主動土壓力系數和被動土力系數，以及三個土壓力的大小關系和土體發生主動與被動破壞時破壞面與水平的角度關系，進一步對自重應力的計算進行復習，學生就很容易掌握。在進行地基破壞時，講解主動朗金I區和被動朗金II區時，土體也是處于極限平衡狀態，這樣有了前面的基礎，稍做提示學生就很快明白了。

圖1 土的極限平衡狀態莫爾圓

圖2 三種狀態時的莫爾圓

（2）遵循土力學自身特點，注重基本概念，強化案例教學。土力學內容多、公式多、概念多，在教學過程中淡化繁瑣的公式的推導，突出概念和理論應用，充分調查學生目前的學習情況，有針對性地對必要的前期知識準備進行補充，對深奧的理論通過案例來進行簡化，同時注重對土力學發展前沿的講解，以降低土力學的學習難度，激發學生學習興趣，培養學生運用知識和創新能力，最終實現土力學的教學目的。例如在講解土的壓縮性指標，講解完后，馬上通過下面案例進行鞏固。某地基中粘土層的壓縮試驗資料如表 1所示，試計算壓縮系數α1-2及相應的壓縮模量Es1-2，并評價土的壓縮性。通過這一例題使學生明白了基本概念的工程應用價值，再對土的壓縮原因進行擴展，對非飽和土理論進行講解，從而是學生既明白了概念，又學會了知識的應用，更對土的復雜性有了更深的認識，對土力學的前沿非飽和土理論也有了了解；在講解土中附加應力計算時，直接列出最終需要的計算公式，刪掉復雜的理論求解，把學生用得到的東西擺出來，把理論假設講清楚；在講解擋土墻土壓力及穩定性驗算時，補充組合圖形形心計算公式方面的知識，在講解土的壓縮變形計算時結合例題補充數學積分方面的知識，這樣有針對性地掃除學生學習土力學過程中的難點；通過這些措施，降低了土力學的學習難度，大大激發了學生的學習興趣，提高了教學效果。

表1 粘性土壓縮實驗數據

（3）注重實驗教學，通過實驗教學強化基本理論、基本概念，增強學生動手能力、運用知識解決工程實際問題能力，培養學生的創新能力。土力學實驗教學由于受實驗條件和學生人數的限制，往往造成很多學生不動手做實驗，抄襲別人實驗數據的現象。為改變這一現狀，對實驗教學采取集中時間按小班進行，每個小班分成三個大組，然后再將每個大組分成小組，保證每個組的人數在3個以下，要求人人動手進行實驗，每個學生都上交實驗報告。實驗前要求學生認真閱讀實驗報告，實驗時清點學生人數，針對實驗內容進行隨機提問，回答問題計入實驗成績。通過實驗讓學生明白基本概念，熟悉設備操作和實驗設計，加深對了對土力學基礎理論知識的理解，提高了土力學的教學效果。例如通過土的三相指標實驗，讓學生深刻理解了含水量、密度、相對密度等系列土的性質指標概念；通過液限塑性實驗讓學生明白了液限、塑性、液限指數和塑性指數的概念；通過壓縮實驗和剪切實驗使學生對固結理論和抗剪強度理論有了深刻認識；通過篩分實驗，使學生對土的顆粒級別，土的工程應用判斷有了深刻認識；從而進一步鞏固了課堂理論教學效果，激發了學生探求新知識的欲望。

3 結 語

新的形勢下，提高教學質量，培養創新性應用人才是高校教學的追求的目標。土力學是十分重要的專業基礎主干課程，具有很強的實用性和技術性，與工程實踐關系密切，土力學內容多且無系統性，理論推導、基本假設多，要想在有限的時間取得良好的教學效果，必須做到研究土力學自身特點，搞好學生狀況調查，鉆研教材，把握土力學主線，找出章節間的聯系，對教學內容進行重新調整；遵循土力學自身特點，注重基本概念，強化案例教學；土力學教師應不斷學習，提高自身專業知識和工程實踐素質，了解土力學前沿，把自己的工程和科研實踐融于土力學教學中，注重實驗教學；這樣才能搞好土力學教學，激發學生興趣，培養學生動手能力、解決工程實際問題能力和創新能力。

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G642

A

1673-2219（2014）05-0150-03

2013－12－10

李麗民(1974－)，男，湖南邵陽人，博士，副教授，主要從事道路與巖土工程研究。

（責任編校：劉志壯）