新工科背景下模型試驗在城市地下空間工程教學中的思考與應用

張陽陽 杜明慶 時偉 郝一夫 李君燁

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2011-5640-1883

摘 要：城市地下空間工程是一門與巖土工程、城市規劃、結構工程等緊密相關的綜合性專業，具有較強的工程相關性，且課程體系復雜，極易造成學生對專業知識的理解不深刻甚至是不準確。為了提高學生的綜合理解能力，作者結合自身學習及授課經驗，將模型試驗引入到城市地下空間工程的教學當中，讓學生直觀地感受地下工程受力變形的全過程，既提高了課堂教學質量，又提高了學生技能水平。

關鍵詞：城市地下空間工程? 模型試驗? 教學改革? 教學效果

中圖分類號：G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）01（c）-0193-04

Application of Model Test in the Teaching of Urban Underground Space Engineering under the Background of New Engineering

ZHANG Yangyang? DU Mingqing*? SHI Wei? HAO Yifu? LI Junye

（School of Civil Engineering， Qingdao University of Technology， Qingdao， Shandong Province， 266033 China）

Abstract： Urban underground space engineering is a comprehensive major closely related to geotechnical engineering， urban planning， structural engineering， etc. It has strong engineering relevance， and the curriculum system is complex， which can easily cause students to not have a deep understanding of professional knowledge or even Is not accurate. In order to improve students' comprehensive understanding ability， the author combines his own learning and teaching experience to introduce model tests into the teaching of urban underground space engineering， so that students can intuitively feel the whole process of the deformation of underground engineering， which improves the quality of classroom teaching. It also improves the skill level of students.

Key Words： Urban underground space engineering; Model test; Teaching reform; Teaching effect

新工科在2016年被正式提出來，2017年形成“復旦共識”、“天大行動”和“北京指南”，實現了新工科建設從概念到內涵、行動、方向等多個方面的體系化，新工科建設也成為了我國新時期高等工程教育改革的指導方針。新工科建設是在“卓越計劃”已取得的工程教育改革成果的基礎上，調整和轉變學科專業建設思路，從適應產業需要轉向滿足產業需要和引領未來發展并重，拓展和提升工程教育改革內涵，將工程教育改革拓展到多學科交叉領域、提升到國家戰略和未來發展的高度。

城市地下空間工程涉及的知識點較廣，涵蓋地質勘察、結構設計以及運營維護等整個工程周期，導致城市地下空間工程專業的課程體系較為繁雜，學生在學習理論知識時，往往難以理解現象背后的機理，更難以理解地下工程的實際情況，只是知其然不知其所以然，久而久之，學生便失去了學習的興趣。興趣是學習的源泉，因此在教學中亟需提高學生的學習興趣。如何提高學生的學習興趣是每個教育工作者需要思考和解決的問題，對于城市地下工程專業的學生來說，在教學中增加模型試驗無疑是最好的選擇之一，學生通過實際操作可以加深對專業知識及工程實踐的理解[1]。

教育部在《關于推薦新工科研究與實踐項目的通知》里將“新工科”歸納為“五個新”：工程教育的新理念;學科專業的新結構;人才培養的新模式;教育教學的新質量;分類發展的新體系。這就對課堂教學提出了新的更高的要求，傳統的課堂教學往往只注重理論教學，缺乏面對面的實踐操作，導致學生不能正確地理解和處理工程問題，因此將模型試驗搬進課堂，讓學生自己親身操作，在實踐中加深對理論知識的理解，在試驗中利用所學理論知識解決工程問題。

1? 教學思路

模型試驗是指在工程現場測試不方便時，通過比例縮小對工程現象進行研究，縮小后的試驗體具有原型結構的全部或部分特征，從而將工程中發生的現象在實驗室中再現出來。模型試驗需遵循一定的相似比例，即試驗體和工程原型按一定的幾何條件及物理關系進行轉換[2-4]。城市地下空間工程中隧道工程的受力和變形是學生學習的重點內容，為使學生能對隧道有更準確的認識，在教學中將隧道模型試驗的設計和加載引入教學中，并制定了詳細系統的模型試驗教學策劃方案。模型設計、制作、加載全過程完全由學生主導[5]，具體如下：（1）模型的設計。學生根據原型隧道尺寸和相似比例關系，確定試驗體中隧道的尺寸并制作隧道模型（圖1（a））。（2）監測傳感器布置。學生根據所學理論知識，確定隧道受力薄弱位置，并按一定間隔布置傳感器（圖1（b））。（3）模型加載及數據采集。主要是引導學生正確地確定加載大小及加載速度。（4）寫出隧道模型設計的相關計算書。

2? 實施步驟

2.1 相似比

將學生按4～6人進行分組，以團隊的形式完成各組任務。首先，要求學生確定模型試驗相似比，確定相似比之前，需準確地量測模型箱的尺寸，提供給學生米尺，由學生自主測量模型箱的長寬高等尺寸。為提高臺架的整體剛度，臺架中設置有數個鋼架及槽鋼。為不影響試驗中對試驗現象的觀測，臺架正面設置有機玻璃板，其余各面均為鋼板。臺架主要有電液伺服系統、加載控制系統、臺架支承系統三部分組成。試驗臺架結構材料承壓大于0.5MPa，最大壓力作用下變形不超過0.3mm，完全滿足模型試驗要求。其次，要求學生根據已學的相似理論知識及模型箱尺寸，確定幾何相似比、容重相似比、彈性模量相似比、粘聚力相似比、內摩擦角相似比、泊松比相似比等，為方便模型制作及試驗的進行，可建議學生選擇的相似比在1：70～1：50之間。

2.2 模型制作

模型制作要求學生利用高強石膏制作隧道襯砌模型，模型的模具及高強石膏由實驗室老師提供，學生根據高強石膏和水比例的不同配比，制作不同強度的隧道襯砌，制作完成的隧道襯砌中不能有空洞。襯砌中無需配筋，但必須使用烘箱將模型烘干，并成功從模具中取出模型。對于圍巖的制作，實驗室提供重晶石、石英砂以及凡士林三種材料，并提示當重晶石、石英砂、凡士林配制比例為12：4.9：1時，所制備的圍巖材料相當于四級圍巖，其物理力學參數如下：重度為20 kN/m3、彈性模量為43MPa、泊松比為0.31、內摩擦角為29.2°、粘聚力為6.76kPa，學生可參考此比例，增加或減少重晶石和石英砂的用量，來調節圍巖級別，三種材料的具體配比由學生自主確定，要求學生確定配比后能夠在計算說明書中注明所制備的材料性質是比四級圍巖堅硬還是比四級圍巖軟弱，并能說明原因。

2.3 傳感器布置

這一部分首先要求學生根據所學理論知識，確定傳感器布置位置，隧道襯砌一周的傳感器數量控制在10個以內，要求學生正確測定隧道襯砌的受力分布，使用薄膜壓力傳感器，薄膜壓力傳感器厚度為0.5mm，僅為普通壓力盒的3%左右，可極大地減小傳感器本身對襯砌結構和測試數據的影響。傳感器粘貼到隧道襯砌模型上面之前，要求隧道襯砌模型表面光滑，不允許粘貼在凹凸不平的位置上。傳感器布置過程中要求學生設置合理的接線位置和走線路徑，不允許出現線路相互干擾或相互纏繞的現象。要求學生在模型試驗之前采取適當的措施減少試驗臺架對試驗體的摩擦，實驗室提供反光紙和凡士林等輔助材料。

2.4 模型加載

加載方案共有4種，每組學生可從4種加載方案中任意選擇一種，四種方案分別為模型的上部及側面加載、上部及下部加載、僅上部加載、僅側面加載。其中，上部及側面加載主要是模擬中厚層圍巖下隧道襯砌模型在側向加壓下的剪切破壞;上部及下部加載主要是模擬隧道襯砌模型在高埋深時的拱頂及仰拱拉壓破壞;僅上部加載主要是模擬隧道襯砌模型在埋深較淺但上覆荷載較大的情況;僅側面加載主要是模型隧道襯砌模型受較大側向壓力的情況。以上的4種方案基本涵蓋了隧道受力的主要形式，為節約試驗時間，學生在模型試驗中只需任選其中的一種加載模式進行試驗。加載方案確定后需要確定荷載大小，要求學生自主確定加載大小、加載幅度及加載速度，并能正確分析加載速度對隧道襯砌受力的影響。荷載施加的大小直接決定了隧道襯砌模型的受力，加載速度若是過快，則后期的數據采集中，可能無法采集到足夠多的數據，加載數據若是過慢，則需要很長的時間才能完成試驗，且后期采集的數據量將增大，采集到大量的重復數據，也會影響數據處理的效率。因此，此部分要求學生在回顧理論知識的前提下，完成計算書中的受力計算后，再來確定加載的速度和幅度。

2.5 數據采集及處理

數據采集使用實驗室提供的MFF（Multiple Flexi Force）多點薄膜壓力測試系統，要求學生正確設置系統頻率參數，按照自己設定的時間間隔采集數據，要求此處采集數據的時間間隔與上一步中加載速度相對應，每一級加載至少對應5個受力數據。要求學生對采集到的數據能夠進行簡單的處理，剔除明顯不正確的數據、剔除時間間隔較近或重復的數據，對數據進行回歸擬合，并正確繪制隧道襯砌受力圖。

2.6 模型計算書

模型計算書每組提交一份，要求內容詳實，能夠解釋選擇參數的依據及具體試驗現象產生的原因。內容應包括模型試驗相似比例確定過程、隧道模型制作的方法、傳感器布置位置確定的依據、加載方案選擇的依據、加載幅度及速度、數據采集頻率確定依據、隧道襯砌結構受力計算、模型試驗中的風險及相應對策。其中，相似比的確定要結合理論知識和模型臺架尺寸綜合確定。隧道模型的制作方法要求分條分段詳細完整地描述整個過程，并說明高強石膏與水混合后的漿液中排出氣泡的方法。傳感器的布置要求根據理論知識確定隧道模型的受力較大的幾個點，需要給出計算過程。另外，要求學生提前預判一下試驗中有可能遇到的困難及風險有哪些，對相應的困難及風險做好對應處理方案。

3? 考核方法

激發學生學習和動手操作的動力，改革過去只重視理論考核，忽視實踐考核;只重視階段考核，忽視過程考核的觀念和模式。增加過程考核成績比重，注重在學習和實踐中考核學生，在分組試驗中，從分析問題能力、解決問題能力、模型設計方案、溝通協調能力等多方面對學生進行打分[6，7]?？偡?00分，其中，理論知識15分，主要對各組隧道基礎知識以及相似比例的選取進行評價;模型制作25分，對隧道襯砌模型制作的質量、美觀性以及上交的準時性等進行評價;傳感器布置15分，對傳感器布置位置是否包含所有受力薄弱點進行評價;加載方案和數據采集25分，對其加載大小、幅度及速度的合理性進行評價;計算書20分，根據計算書的內容完整性、計算的正確性和排版的規范性等進行評價[8-9]。

4? 結語

通過模型試驗的設計和制作，對城市地下空間工程課程教學改革具有較大的積極意義。

（1）提高了學生的學習興趣。讓學生從枯燥的理論知識中脫離，通過動手實踐將所學的理論知識進行應用。在同學之間的討論協調之中共同完成模型試驗，鍛煉了學生的設計能力、創新能力、溝通能力、協調能力、動手能力，形成了良好的學習氛圍。

（2）提高了課堂教學質量。建筑工程類學科不能將具體工程實物直接搬到課堂上，導致學生在學習時只能通過圖片或視頻了解具體工程，難以對工程形成深入的感性認識，進而出現理解困難的現象。模型試驗將具體工程縮小后，直接搬到了學生面前，學生不僅可近距離地觀察和學習，而且可以自己動手對工程進行設計和加載，極大地增加了學生對工程設計、施工的理解，也可以進一步鞏固和驗證所學的理論知識。

（3）模型試驗將工程實踐和理論教學緊密地結合在一起，相輔相成，相互促進，使得教學效果得到了極大的提高。

參考文獻

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