基于能力培養的土力學綜合性實驗設計與實踐

張艷美, 欒雅琳, 王 斌

(中國石油大學(華東) 儲運與建筑工程建學院, 山東 青島 266580)

“土力學”是大土木背景下各學科的重要專業基礎課,也是一門理論性和實踐性很強的課程。土力學實驗作為“土力學”課程的重要組成部分,不僅促進了土力學基本理論的發展,還為實際工程的設計、施工等提供了參數和依據，它是土木工程專業實驗教學體系的重要組成部分[1-3],是培養具有實踐能力、創新能力和職業能力的土木工程人才不可或缺的重要環節。但是,目前的土力學實驗教學還存在一些不足,主要包括實驗內容不夠豐富、實驗學時和實驗設備偏少、實驗教學模式傳統、驗證性實驗項目偏多、綜合性和設計性實驗較少等[4-7],這些都不利于學生能力的培養。本文將結合土力學實驗教學設置現狀,以對高速鐵路改良路基土的實驗研究為例,進行土力學綜合性實驗設計,探索以學生為主體、以能力培養為目標的土力學綜合性實驗教學。

1 土力學實驗教學設置現狀

1.1 土力學實驗教學內容

根據對國內部分高校土力學實驗教學調研以及本校土力學實驗教學設置情況,發現國內大部分高校的土力學實驗教學內容主要集中在密度試驗、含水率試驗、粒徑分析試驗、界限含水率試驗、固結試驗、直接剪切試驗、滲透試驗、擊實試驗、三軸壓縮試驗等,其中,后3個只有部分學校開設。實際上,滲透、擊實和三軸試驗不僅實際工程中需要,也是從事巖土方向科學研究的基本試驗。

1.2 土力學實驗類型

驗證性、綜合性和設計性實驗是常見的3種土力學實驗類型[8]。驗證性實驗主要是為了培養學生的土工實驗儀器操作技能、加深對已知知識和原理的認知。驗證性實驗大多是按照教師設定好的步驟和方案驗證已知的結論或原理,這類實驗有助于加深對所學知識的理解,但是由于做實驗時多是簡單重復教師的操作步驟,因此,不利于激發學生的學習興趣和創新意識。由學生自主確定實驗方案并完成的實驗為設計性實驗,由于這類實驗全程以學生為主體,因此有利于培養學生發現、分析和解決問題的能力。綜合性實驗一般由幾個獨立的相關實驗組成,學生除了進一步熟悉基本儀器操作外,還能獲得全面的訓練,不僅有利于把所學的知識串聯起來,還有利于對某些問題展開較深入的研究,提高了學生解決實際問題和科學研究的能力。

從表面看,“土力學”課程所涉及到的各個實驗項目分屬于不同章節,相對獨立,實際上,它們都是在描述土的物理力學性質。由于每個獨立的實驗只能測定某些特定的指標,從而只能從一個角度反映土的性質,因此,分散的實驗不僅割裂了“土力學”課程知識體系之間的聯系,還可能因為每次實驗用土的不同而削弱了學生對土力學基本理論和土的性質的整體認知能力和綜合分析能力。從這方面看,綜合性實驗具有更大的優勢。

2 土力學綜合性實驗設計與實踐

2.1 土力學綜合性實驗設計

基于不同實驗類型的特點和我校實際情況,對我校土力學實驗教學設置進行了調整,增加了2個土力學綜合性實驗項目以提高學生綜合理解、分析和解決問題的能力。綜合性實驗設計思路和培養目標達成見圖1。從文獻查閱、方案設計、實驗準備和實施、數據處理到實驗報告提交整個過程,都是以學生為主體,教師全程僅起指導作用。

圖1 綜合性實驗設計思路和培養目標達成構建

由于綜合性實驗涉及多個獨立實驗,僅靠課內學時很難完成,并且學生和教師也要投入更多的時間和精力,因此,充分的資源支持是非常必要的。以我校為例,首先,學校層面對實驗教學比較重視，并且在政策和經費投入等方面給予大力支持,如學校培養方案制訂指導意見中，明確規定綜合性、設計性、創新性實驗項目的學時數不少于開設實驗項目總學時的70%,并且學校要求實驗室全部為開放實驗室。全天候開放便于學生課余時間完成實驗[9]。另外,學校較大的經費投入使得土力學實驗儀器在數量和質量上得到較好的保證。其次,在專業發展層面,建立了土力學綜合實驗平臺,通過綜合實驗平臺,不僅學生可以查到所需儀器和實驗室的使用情況，還能提前進行網上預約,便于實驗室管理；綜合實驗平臺開通了討論專區,學生做實驗遇到問題時可以通過討論專區得到同學和老師的幫助。土力學實驗教學組還制作了多個實驗微課,介紹相關實驗和儀器的操作步驟,連同相關試驗標準等資料一起傳至綜合實驗平臺和十大云課堂,這樣便于學生在實驗準備期間自主學習。

在土力學綜合性實驗實施過程中,學生以小組為單位進行,實驗選題要求根據教學內容和學科前沿由學生自己確定，或教師引導或指定,最好結合教師科研課題。基于現有實驗條件,實驗方案要求可行并鼓勵創新。

給出合理的成績也是綜合性實驗能否順利實施的重要影響因素,教師可根據選題意義、實驗方案可行性、實驗數據和分析及結論的合理性、實驗報告的質量等給出成績。由于綜合性實驗涉及內容多、難度較大,經過反復實踐,每個綜合性實驗項目占實驗總成績的30%,實驗總成績最終并入“土力學”課程成績,占“土力學”課程成績的20%。

2.2 土力學綜合性實驗實踐

結合一定工程背景和應用進行選題更容易引起學生興趣、調動學生的積極性,例如這樣的工程背景:國家(2016年)發布的《中長期鐵路網規劃》提出了以“八縱八橫”主通道為骨架、區域連接線銜接、城際鐵路補充的高速鐵路網；山東省(2014年)規劃了全省17市的城際軌道交通,總里程超過3 000 km。粉土屬于細粒土,不僅在全國分布廣泛,也遍布山東省多個地區,約占全省總面積的34%[10],這類土可塑性差、黏結性低、分散性高[11-12],不能直接作為高速鐵路路基填料,必須經過改良后方可使用,因此,對于砂石等優質填料相對缺乏的地區,通過改良，合理利用粉土作為路基填料將有利于降低高速鐵路的建設成本。

由于給出的工程背景與目前高速鐵路的大規模建設相結合,學生產生了興趣并展開文獻查閱,了解了改良土的研究現狀,針對目前對改良土的研究主要集中在高速公路工程應用方面,最終他們確定以高速鐵路改良路基土的試驗研究作為土力學綜合性實驗選題。在這個大范圍內,為了相互之間不重復,各實驗小組選擇了不同的改良劑和不同的C組細粒土填料(低塑限粉土、含砂的低塑限粉土等)進行試驗。在整個選題階段,教師主要起了引導作用,其余皆由學生完成。

2.2.1 實驗方案設計與準備

在進行方案設計時,首先根據土力學綜合性實驗設計思路(見圖1)明確了要達到的目標:掌握常規土工試驗原理及儀器操作,主要通過無側限抗壓試驗獲得滿足高速鐵路路基填料要求的配合比,對土及改良土的力學性質有整體的認識,初步學會Origin軟件的使用等。其次,明確了所需儀器設備,如液塑限聯合測定儀、擊實儀、固結儀、直剪儀、無側限抗壓儀等。整個實驗方案由學生自主設計,包括了物理性質和狀態指標測定、最優含水量和最大干密度測定、壓縮性指標測定、無側限抗壓強度(7d)測定、數據處理與分析、獲得滿足高速鐵路路基填料要求的配合比、撰寫實驗報告、各成員負責的具體任務等,在這個階段,教師主要審查了實驗方案的可行性,對實驗方案不足之處進行了指正。

實驗準備主要在課余時間完成,主要包括學生去現場取土樣、提交實驗申請和實驗方案、預約實驗室、下載實驗微課、熟悉實驗操作等。

2.2.2 實驗過程與結果

整個實驗過程和數據的處理及結果分析,都是以學生為主體完成,教師主要對實驗過程中遇到的問題進行了解答、幫助學生分析問題原因、引導學生找出解決辦法并提供了一些相關文獻資料。

渦流發生器的尾渦產生于側緣, 葉片高度直接影響渦的位置: 高度過大, 不僅影響主氣流的均勻性, 而且使渦遠離壁面, 不利于附面層底層的氣流混合; 高度過小, 葉片大部分面積處于附面層以內, 流速較低, 不利于提高尾渦強度, 且產生的尾渦離壁面太近, 作用無法充分發揮.

表1和表2是學生測得的素土的物理力學指標。由表1可算出塑性指數IP=4.97,根據現行《鐵路路基設計規范》(TB10001—2016),定名為粉土,可進一步定名為含砂的低塑限粉土,屬于C3組路基填料。

表1 素土的顆粒分布與定名

表2 素土的力學性能指標

圖2為標準養護7d后改良土的軸向應力—應變關系曲線,可以看出,隨粉煤灰摻量的增多,軸向應力峰值增大,但是峰值過后,土樣在較小的應變情況下破壞,即呈現脆性破壞,延性較差。

圖2 不同粉煤灰摻量下應力應變曲線(7d)

由圖3可以看出,隨粉煤灰摻量的增加,改良土的無側限抗壓強度持續增加,近似呈線性關系,根據回歸曲線，當粉煤灰摻量為25%時,改良土7 d的飽和無側限抗壓強度超過250 kPa,達到《高速鐵路設計規范》(TB10621—2014)對改良土路基填料的強度要求。另外,改良土的無側限抗壓強度隨養護齡期的增加而增大,到28 d時強度可增長至1 518 kPa。表3給出了改良劑石灰為5%、粉煤灰為25%的改良粉土的力學性能指標。

圖3 粉煤灰摻量對無側限抗壓強度的影響(7d)

表3 改良土的力學性能指標

這個綜合性實驗囊括了土力學實驗教學的主要實

驗項目,由于其基于實際工程背景,使學生感覺他們做的工作有意義,進而愿意主動去做。提交實驗報告后,仍有部分學生對如何解決改良土的脆性問題感興趣,進而組成創新團隊繼續深入研究,不僅申請到大學生創新項目，還申請了發明專利。通過對實驗的跟蹤調查,所有學生全部參與實驗過程,比較熟練掌握常規土工實驗儀器的基本操作技能的比率由單項驗證性實驗的60%提升至97%左右,基本都學會應用Origin或Excel(之一)進行數據處理,學生對該類實驗教學模式的滿意度達到98.7%。

3 結語

References)

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