土工模型試驗在土力學教學中的應用實踐

【摘要】土力學是對土的物理性質及在荷載作用下土體內部應力應變規律進行研究的一門學科，其研究對象是土與土體及與土體相關的構筑物，研究手段主要包括工程力學理論和土工試驗方法，而土工試驗是提高土木工程專業學生實踐和創新能力的重要教學環節。以擋土墻綜合性試驗教學為例，闡述綜合性試驗教學的過程，培養學生的動手實踐能力，進一步達到培養學生的創新能力。

【關鍵詞】土力學 土工試驗 實踐與創新能力 擋土墻

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2017）50-0252-01

一、前言

土力學是研究土的物理性質及其內部應力應變規律的一門學科，其研究對象是土與土體及與土體相關的構筑物。教學中可將傳統的理論課程與試驗課程相結合，理論聯系實際，將抽象的土工試驗具體化。本文基于此設想提出新型土工試驗模型，并以土力學的一個綜合試驗——擋土墻綜合性試驗教學為例。擋土墻是阻止土體向下滑移并保持土體穩定性的結構物[1，2]，土力學課程中僅涉及了土壓力基本理論，未涉及具體試驗及應用問題，學生則感到土力學課程學習內容復雜，碰到實際情況難以下手。因此有必要對土木本科專業學生設置擋土墻試驗及應用環節，探究試驗過程，并由此探討試驗措施，調動學生動手參與試驗的積極性，開拓學生鉆研和探索的精神視野。

二、傳統土工試驗教學特點

傳統的土工試驗采用分散教學的方法，一般分散在理論教學的過程中內容主要包括密度、含水率、液塑限、固結、直剪試驗等，一般為8個學時。傳統的教學模式主要不足有：

1.內容零散缺乏連貫性。現階段多數高校一般只開設必選的試驗課，而限選課的試驗課卻基本不開設。在對我校自身的情況及其他高校調研分析體會到土力學試驗課時嚴重不足，理論知識由理論課堂老師教授，試驗內容則由試驗室老師承擔無法保證內容的連貫和完整性，傳統的教學方式無法滿足新一代的學生教育教學。

2.指導教師有限。傳統的試驗教學多采取大班化的模式，一個指導老師同時指導幾十個學生一起做試驗。這樣直接導致很多學生在試驗過程中遇到問題無法得到很好的解決。

3.學生參與試驗的主觀能動性低。多數學生只注重理論課程的考試而忽略試驗課時的重要性，試驗過程只是按照老師的操作而操作，試驗過后沒有進行總結和思考，試驗報告也是機械的填寫，甚至有些數據測得不準確也應付了事。試驗過程有很大一部分同學沒有親自動手操作，更不用說創新思維的培養。

綜上所述，土力學是一門實踐性非常強的學科，傳統土力學教學方法中，學生沒有機會目睹課本中所涉及的工程現象（比如擋土墻失穩破壞）而對土體基本概念缺乏感性認知，學習效率低下，影響教學質量。而土工試驗教學是一種促進學生學習及培養創造力的教學形式，需要學生主動探索發現，構建知識架構，且需要將已學理論知識與試驗現象進行關聯并思考。所以土工模型試驗具備土力學理論教學無法具備的先天性優勢，可促進學生學習及培養創造力，這就決定了它在高等院校實施創新教育中的重要地位。

三、新型綜合擋土墻綜合試驗教學的特點

目前對擋土墻位移模式影響土壓力分布規律尚少，測量土壓力多數是把土壓力盒埋置于土體之中，利用應變采集儀進行讀書，但這種測量方式未考慮土壓力盒表面的拱效應，將會影響土壓力的準確值。所以本文可設計一種柔性薄膜裝置埋設于土體之中[3]，土體位移通過導向支架進行控制，這樣就避免了土體的架拱現象，因此土壓力的測試值較為精確。這樣一種擋土墻新型土工試驗可激發學生對土體應力規律的思考，又可啟發學生對試驗儀器的創新思維，進而對靜止土壓力、主動土壓力、被動土壓力等抽象理論概念有了感性的認知，培養了學生動手實踐、創新能力，起到事半功倍的效果。

1.將土工試驗作為一門獨立的必修課旨在引起學生的重視程度，土工試驗是工科試驗的基礎，改變它為土力學課程的組成部分，改變學生先前固有的思想。土工試驗即常規指標測試和綜合性試驗（如擋土墻模型試驗）。采用視頻演示和試驗室操作等相結合的方式，讓學生熟悉各常規指標的測試方法。對于指導老師不足的問題，則可以讓研究生也參與試驗的指導，分組試驗，但是人數應控制在3～5人之間，每組都應有指導老師。

2.集中開展土工試驗，每個班級開展試驗時間為3～4周，如果試驗較多的話可以適當延長周期，各個班級開展試驗時應錯開。以擋土墻試驗為例，可按以下步驟開展：①試驗前期應進行相關擋土墻理論知識、土體土拱效應機理、試驗資料和試驗規程的閱讀，設計試驗（柔性薄膜土壓力測試裝置），確定試驗方案，并對試驗儀器的操作進行集中熟悉；②開展試驗，包括試驗試樣的準備，試驗過程的實施，應變數據采集，位移讀數；③試驗后期，土壓力及擋土墻位移數據的處理，參照土工試驗規程和擋土墻基本理論進行分析整理，最終提交合格的土壓力及擋土墻位移關系的試驗報告。

3.利用“校企合作”關系讓學生參與到工程實踐中，體會試驗室完成試驗和工程實際試驗的異同，加深學生對試驗的理解，也有利于提高學生的動手能力。另外鼓勵學生參與到老師的科研項目中學習，以揚州大學為例，我校每年都開展大學生科創項目，每個項目可以有3～5人，項目主持人必須為大二學生，意在從大二學年就開始培養學生的科研素養。通過綜合性試驗的開展，帶動學生的積極性，提升學生的科研能力和創新能力為學生今后的畢業設計乃至走向社會工作奠定基礎。

四、結語

在教學改革研究大背景下，鑒于我院土木工程本科土力學教學中所反映出的問題，結合教師的教學實踐及教學效果評價，根據本專業學生的實際情況，進一步完善教學計劃、教學方案并構建科學可行的教學質量評價體系，對于實現培養創新教學方法、確定專業特色、造就高素質復合型人才具有重要的現實意義。

參考文獻：

[1]李廣信，杜修力.土力學教學與實踐[M].北京： 人民交通出版社， 2006：27-32.

[2]趙明華.土力學及基礎工程[M].武漢：武漢理工大學出版社，第三版.2009：134-138.

[3]賀煒.具有柔性測試表面的土壓力測試儀.中國，CN200910043418.X[P].2009-10-21.

作者簡介：

朱小軍（1987- ），男，江蘇東臺人，博士，講師，研究方向：土力學研究。endprint