土力學實驗考核標準化研究

商翔宇， 王奇石, 周國慶, 魯巨明

(1. 中國礦業大學 力學與土木工程學院， 江蘇 徐州 221116； 2. 中國礦業大學 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室， 江蘇 徐州 221116)

實驗教學研究

土力學實驗考核標準化研究

商翔宇1,2， 王奇石1, 周國慶2, 魯巨明1

(1. 中國礦業大學 力學與土木工程學院， 江蘇 徐州 221116； 2. 中國礦業大學 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室， 江蘇 徐州 221116)

為了對土力學實驗考核進行標準化研究，利用應變式直接剪切儀和三聯固結儀，對標準砂、中砂進行大量的固結、直剪實驗。通過對現有本科土力學實驗流程以及實驗數據進行統計分析，總結出一套標準化的實驗流程和實驗參考結果，方便對學生實驗過程和實驗結果進行考核。

土力學； 實驗流程； 標準化； 離散性

通過土力學實驗可以讓學生深入掌握相關土力學理論，接受科研實驗方法訓練，提高其工程實踐能力，為今后的科研與工程實踐奠定堅實基礎。目前土力學本科教學安排中實踐環節占總學時的比重不足20%，其預期應該發揮的作用則超過該比重；但在實際教學中，實踐環節發揮的教育功能卻遠低于20%[1]。譬如我校32學時的土力學課程，包含6學時的實驗，主要實驗內容有含水量、液塑限等基本物理指標實驗與固結、直剪等基本力學指標實驗，其中力學指標實驗占4學時。但在教學實踐中發現：由于實驗存在制樣、裝樣、加載、讀數等不確定性環節，以及土體自身結構、物理性質、力學性質的變異性[2]，實驗數據多呈離散狀。學生所獲實驗結果甚至不符合基本土力學理論，因此容易使學生產生土力學學科本身不必嚴謹的錯誤認識[3]。相對而言，大學物理實驗由于實驗流程和結果的標準化，通?？梢饘W生足夠重視[4]。鑒于此，本文針對固結與直接剪切2類主要實驗,從實驗材料、實驗操作流程以及實驗考核等方面進行標準化研究，培養學生認真的實驗習慣與嚴謹的工程態度[5]。

1 目前實驗環節的分析

1.1 固結、直剪實驗方法簡介

固結和直剪實驗是土力學中2類基本力學指標實驗，是我校本科實驗教學的必做實驗。固結與直剪實驗環節主要包括制樣、裝樣、設備調零、加載、剪切以及實驗數據讀取等。

固結實驗在環刀內側涂一層凡士林，刀口垂直向下切取土樣；將修剪好的土樣兩端貼上濾紙，底部放置透水石，環刀刀口向下準確地放置于固結儀的固結容器中，頂部也放置透水石；將裝有土樣的固結容器放置于加荷橫梁的中心。為保證試樣與容器接觸良好，施加1 kPa預壓荷載，百分表調零，逐級加壓，每級壓力下記錄規定時間的試樣高度，直至穩定為止。

直剪實驗采用與固結實驗相同的方式制樣、貼濾紙、放置透水石以及設備調零；將試樣徐徐壓入剪切盒底，移去環刀，放置加壓蓋和加壓框架；調零豎向百分表，逐級加載穩定后，緩慢轉動手輪，使上盒前端的鋼珠恰與測力計接觸，記錄測力計讀數；拔去固定銷，以一定的剪切速率施加水平剪切位移，觀察記錄測力計讀數，直至剪切位移達4 mm時停止，若無峰值出現，則剪切位移為6 mm時停機。

1.2 實驗結果離散性分析

目前本科土力學教學中，學生所獲實驗數據多呈離散狀，根據實驗結果最終難以繪制出相應曲線，相關力學參數無法求得。根據多年的教學實踐發現，離散的實驗結果主要是由實驗制樣、裝樣、加載、設備調零、數據讀取等操作環節未標準化造成的，分析如下：

(1) 試樣制備過程中，同一批次土樣的顆粒級配、含水量、干密度以及先期固結壓力等缺乏控制、不盡相同，除此之外，由于通常采用一次裝樣，即使設計密度相同，也會存在內部狀態明顯不均的結果。

(2) 實驗加載過程中添加、放置砝碼的速度偏快會影響實驗結果；直剪實驗中第一階段的豎向固結時間缺乏控制、不一致，使得有些實驗實際上是快剪實驗，而有些實驗則是固結快剪，導致實驗結果差異較大；

(3) 設備調試導致的誤差包括加壓蓋的安裝、加壓橫梁的螺栓松緊程度以及百分表的校準情況等。

(4) 直剪實驗中剪切階段，同一批次實驗中，讀數記錄的時間因人而異，導致實驗結果有偏差。

(5) 由于安排給學生的實驗課學時有限，難以讓學生有足夠時間來掌握實驗。例如供本科教學使用的固結儀只有5臺，每臺儀器都是由約5～6名學生共同操作，2個學時的時間很難完整地完成逐級加載固結的實驗，尤其是實驗中常用的不易于制樣的粉質黏土等土類。結果是每級荷載穩定的時間由學生自定，所得的壓縮曲線和壓縮指標的合理性難以保證。

2 標準化實驗研究

針對上述問題進行了實驗的標準化研究。首先通過反復實驗確定出合適的實驗方法，對各主要步驟進行標準化，然后建立實驗考核的標準“題庫”，并制定考核評價標準體系，從而實現土力學實驗過程與考核的標準化，達到預期的教學效果。

2.1 實驗材料標準化

如前文所述，同批次實驗的土樣不一是造成實驗結果離散的重要原因之一。為了減小由材料性質引起的誤差，應選用均質、統一且性質不隨環境而明顯變化的材料，從而保證實驗具有可重復性。鑒于此，選用福建廈門ISO標準砂和ISO中砂。這2種砂是實驗專用砂，級配、密度均一[6]。同時，考慮到在固結和直剪實驗中無法嚴格控制排水，因此選用干砂。

2.2 裝樣標準化

裝樣不均勻會導致土樣下密上疏等問題，若每次裝樣隨機則試樣性質也必然不一，實驗結果也將離散。裝樣標準化即是為了保證試樣的初始密度相同以及試樣內部的均勻性。實驗過程中，容器的清理組裝、試樣的稱量、倒裝、壓平都應采用統一且標準化的操作流程。本標準化實驗使用2次裝樣，可以避免一次裝樣造成初始密度隨機和試樣不均勻的現象。根據大量實驗結果，確定出砂樣合適的初始密度范圍，其中固結實驗標準砂的初始密度取1.67～1.77 g/cm3，中砂取1.53～1.60 g/cm3；直剪實驗標準砂和中砂的初始密度分別取1.7～1.9 g/cm3和1.67～1.87 g/cm3。

2.3 時間與測量標準化

時間與測量標準化是為了保證學生能在規定學時內完整地完成實驗任務。其中，標準化的實驗時間是由準備、裝樣、壓縮、剪切等部分組成。而測量標準化主要指測量時間點的標準化。

(1) 固結實驗。為保證在規定時間內能完成實驗，采用100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa4級加載。圖1給出了不同密度標準砂400 kPa一次加載壓縮量隨時間的變化曲線。由圖1可看出， 3 min后壓縮量趨于定值，擬合5 min到10 min區間的數據，斜率均小于0.01 mm/h，根據《土工實驗方法標準》(GB/T 50123—1999)可知，10 min時實驗已壓縮穩定。類似地，400 kPa壓力下中砂10 min時也已壓縮穩定。由于隨著固結壓力增大固結穩定時間延長[7]，因此可將每級壓縮穩定時間設定為10 min。由于0—3 min區間壓縮量變化過快，需提高讀數頻率，讀數時間設為0 s、 6 s、15 s、1 min、2 min15 s、3 min、5 min、7 min、10 min。整個實驗過程40 min，再加上10 min左右實驗準備時間，使學生能剛好在一節課的時間內完成實驗，方便實際操作與考核。

圖1 400 kPa標準砂固結壓縮曲線

(2) 直剪實驗。按要求需進行50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa 4個豎向載荷下的剪切實驗。為保證每次實驗中豎向加載后土樣變形基本穩定，并減小由于豎向加載時間對剪切實驗的影響。固結階段中將豎向百分表安裝在剪切盒上方，加載后每隔1 min記一次讀數。圖2給出不同密度標準砂300 kPa逐級固結壓縮曲線。從圖2中可以看出，每組試樣在2 min后開始趨于穩定，5 min后標準砂已基本壓縮穩定，中砂也存在同樣現象。因此可將豎向加載時間確定為5 min。經過反復實驗，發現直剪儀的手輪轉動一圈的時間為20 s，轉動一圈的剪切位移為0.2 mm，所以實驗中改用每隔20 s讀一次測力計讀數，使實驗記錄更加精確。由于直剪實驗相對復雜，實驗準備時間設為10 min，4級加載、剪切所需總時間分別歷時20 min和25 min，加上4次裝卸樣的時間，足以在規定學時內完成實驗。

圖2 300kPa標準砂壓縮曲線

3 標準化實驗效果的檢驗

3.1 固結實驗標準化

為檢驗固結實驗標準化的效果，針對初始密度為1.67 g/cm3的標準砂，將未采取標準化的實驗結果與按照上述標準化流程進行的實驗結果進行正態分布統計。圖3給出未標準化與標準化后的試驗所獲壓縮系數的正態分布對比圖。由圖3可知，標準化后所得壓縮系數的最大概率密度比未標準化的高1倍有余，其壓縮系數最大差值低至0.045，是均值的64.33%，而未標準化的壓縮系數最大差值高達0.1，是均值的127.27%，即標準化后的壓縮系數的標準差明顯減小，這表明標準化的固結實驗結果離散程度顯著降低[8]。

綜上所述，對固結實驗過程的標準化能夠有效減小實驗結果誤差，增加實驗結果的可靠度。

圖3 1.67 g/cm3壓縮系數正態分布

3.2 直剪實驗標準化

為檢驗直接剪切實驗標準化的效果，對標準砂、中砂每個初始密度均進行6組實驗，圖4給出了初始密度1.7 g/cm3標準砂的正應力與剪切應力關系圖?？芍庇^看出，每組實驗剪切應力與正應力之間均成直線關系，擬合度R2均大于0.99，且同種密度下的直線斜率大致相同，每條擬合直線幾乎過原點。根據《土工實驗方法標準》(GB/T 50123—1999)可知，直線斜率是內摩擦角φ的正切值tanφ，直線的截距是黏聚力c。直剪試驗采用干砂，理論上沒有黏聚力[9]，因此實驗結果符合莫爾庫倫強度準則。其他5個密度下的剪切實驗得出相似的結論。

為進一步檢驗直剪實驗標準化的實驗效果，將3種不同初始密度標準砂的內摩擦角正態分布繪于圖5中；按順序進行1.7 g/cm3、1.8 g/cm3、1.9 g/cm3密度的實驗，尤其是1.9 g/cm3的實驗是實驗者對標準化流程熟練掌握之后進行的。由圖5可知，標準化后3個密度組的最大概率密度均大于40%，且每組實驗內摩擦角最大差值分別是均值的7.11%、7.96%、4.74%。由此可見，標準化直剪實驗比標準化固結實驗的正態分布曲線還要窄，數據更為集中，直剪實驗的標準化效果比固結實驗更好。另外，圖5還表明，隨著實驗者對標準化流程的熟練掌握，所獲得的實驗結果的最大概率密度和集中度也有明顯提高。對中砂進行實驗，也得到相似結論。

圖4 1.7 g/cm3標準砂正應力與剪切應力關系

圖5 標準砂內摩擦角正態分布

離散系數為標準差與平均值的比值，當離散系數小于0.1時，表明實驗結果的離散性很小[9]。為直接檢驗標準化直剪實驗的離散性，將內摩擦角離散系數按標準砂、中砂每組實驗順序繪于圖6中。由圖6可知，實驗結果的離散系數最大值僅為0.03，遠小于0.1，說明標準化直剪實驗有效地減小了實驗結果的離散性；而且內摩擦角離散系數隨實驗者操作熟練程度增加而減小?？赡苁怯捎谥猩傲奖葮藴噬熬鶆颍浼羟许憫鄬Ψ€定，測力計指針左右擺動較小，讀數比標準砂更為精確，故而中砂每個密度實驗結果的離散系數均小于標準砂。

綜上所述，對直剪實驗的標準化能夠解決未標準化實驗數據離散性的問題，中砂的標準化效果比標準砂更佳，且操作熟練程度對實驗結果離散性也有一定的影響。

圖6 標準化直剪實驗離散系數

4 標準化考核的實現

標準化實驗考核是保證教學質量的重要環節，是調動學生參加實驗課程積極性的重要手段。為了給土力學實驗考核提供一個可靠的參考標準，利用固結、直剪實驗正態分布曲線確定出概率超過95.4%的壓縮系數、壓縮指數以及內摩擦角的合理取值范圍[μ-2σ,μ+2σ][9]，作為保密試題庫。

根據前文研究結果編制了相應的實驗指導書，拍攝了介紹實驗各環節及注意事項的視頻資料上傳至網絡平臺[10]，為學生提供了便捷的學習途徑，以此深化其對土力學實驗和相應知識的理解，規范其操作。除此之外，還制定了隨機命題程序與實驗考核標準，以標準化的實驗考核來提升實驗教學效果。

針對新型的實驗課程設置，也必須要有一套與之相適應的教學評估體系[11]。實驗前，實驗教師根據學生學號隨機分組，并根據命題程序為每個小組布置實驗任務；實驗過程中，實驗教師除了對學生的誤操作進行必要的糾正外，主要負責為每位學生的操作環節打分；實驗結束后，實驗教師根據學生提交的實驗結果與保密試題庫提供結果偏差的大小，給出分數。最后，根據如下計算公式給出每位學生實驗環節考試成績，實驗總分=實驗準備×10%+實驗操作×30%+實驗結果準確性×60%。

5 結語

針對現有土力學實驗教學中存在實驗流程和考核缺乏控制、缺乏標準化的不足，利用標準砂、中砂進行大量的固結、直剪實驗，通過對實驗材料、裝樣、時間與測量的標準化，提出此2類實驗的標準化實驗流程和考核標準，達到了提升土力學實驗教學效果的目標。

(1) 對實驗材料的標準化可以克服同一批次實驗土樣不一，本文選用風干的ISO標準砂和中砂。

(2) 對實驗流程的標準化，主要是對裝樣、實驗時間和測量時間點的標準化，既提高了實驗結果的可靠性和可重復性，也保證了實驗能在規定學時內完整地完成。

(3) 標準化后的實驗結果表明，標準化固結實驗所獲得的壓縮系數和標準化直剪實驗所獲得的內摩擦角離散性較小，處于可控范圍；相比于固結實驗，直剪實驗的標準化效果更好。

References)

[1] 李廣信,呂禾,張建紅.土力學課程中的實踐教學[J].實驗技術與管理,2006,23(12):13-14,23.

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[8] 李廣信.高等土力學[M].北京:清華大學出版社,2004.

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[11] 留嵐蘭.實驗課程設置與創新型人才培養[J].實驗技術與管理,2007,24(1):123-125.

Study on assessment standardization of soil mechanics experiments

Shang Xiangyu1,2， Wang Qishi1， Zhou Guoqing2， Lu Juming1

(1. School of Mechanics and Civil Engineering, China University of Mining and Technology， Xuzhou 221116， China；2. State Key Laboratory for Deep Rock-Soil Mechanics and Underground Engineering，China University of Mining and Technology， Xuzhou 221116， China)

In order to carry out the study on the assessment standardization of soil mechanics experiment, and by means of the strain-type direct shear apparatus and the triple consolidation apparatus, a large number of the consolidation and direct shear experiments on the standard sand and medium sand are conducted. Through the statistical analysis of the experimental data and the existing procedure of the undergraduate soil mechanics experiments, a set of the standard experimental procedure and the experimental reference results are summarized, which is convenient to assess the students’ experimental process and experimental results.

soil mechanics; experimental procedure; standardization; discreteness

TU411；G642.0

A

1002-4956(2017)10-0149-04

10.16791/j.cnki.sjg.2017.10.037

2017-04-24修改日期2017-06-08

2013年度住房和城鄉建設部“土木工程專業卓越計劃專項”；中國礦業大學教學改革項目(2014SY02)

商翔宇(1977—)，男，江蘇徐州，博士，副教授，主要研究方向為凍土力學與深部土力學.

E-mail：xyshang@cumt.edu.cn