土力學教學過程中創新意識的培養

張俊然 姜彤 張昕 潘旭威 趙金玓

摘 ?要：目前土力學本科生教學過程中涉及的理論以飽和土為研究對象的較多，地球表面非飽和土普遍存在，忽視了土體非飽和狀態的存在，從而導致傳統飽和土的相關理論與實際工程之間存在較大的偏差。文章以有效應力原理為例，首先更新和擴展了有效應力原理的內容，采用“提出問題-分析問題-解決問題”啟發式教學方式，同時通過學習有效應力原理表達式的更新過程，將與時俱進的創新元素引入課程思政教學過程中。上述采用先介紹一般情況再介紹特殊情況的教學方式，降低了學生接受知識的難度，同時提高了學生認識事物的能力和解決問題的創新意識。

關鍵詞：土力學;有效應力原理;非飽和;啟發式;課程思政

中圖分類號：C961 ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2021）34-0040-04

Abstract： At present， the theories involved in the teaching process of soil mechanics for undergraduate students are mostly focused on saturated soil. The unsaturated soil on the earth surface is common， and the unsaturated state of soil is ignored. As a result， there is a large deviation between the traditional theory of saturated soil and the actual engineering. Taking the teaching content of effective stress principle as an example， the paper first updated and expanded the content of the effective stress principle， using "ask questions - analysis problem - problem solving" heuristic teaching methods. At the same time by learning principle of effective stress expression of the update process， the innovation elements to keep pace with the times is introduced into the course education in the teaching process. Adopting the above teaching method of first introducing the general situation and then introducing the special situation reduces the difficulty for students to accept knowledge， and at the same time， it improves the students' ability to understand things and the innovation consciousness to solve problems.

Keywords： Soil Mechanics; principle of effective stress; unsaturated soil; heuristic teaching; ideological and political education in all courses

土力學是地質工程、土木工程和水利水電工程專業重要的專業基礎課之一。作為一門既古老又年輕的工程技術學科，土力學隨著時代的發展不斷進步。習主席強調，“創新是發展的第一動力”，“自主創新是我們攀登世界科技高峰的必由之路”，“基礎研究是整個科學體系的源頭”[1]。在創新驅動發展戰略下，結合時代要求進行基礎研究的學科創新十分重要。在土力學教學過程中培養學生的創新與探索意識，能夠充分發揮學生的主觀能動性，讓學生在探索中全面理解土力學的科學本質，為學生解決工作中所遇的工程實際問題提供了一定的理論基礎。

一、傳統教學中的問題

有效應力原理是土力學教學的靈魂所在[2]。《土力學》中指出，土是由固體顆粒、水和空氣三部分所組成的三相體系[3]。在本科生的教學中，主要介紹了研究對象為飽和土的太沙基Terzaghi有效應力原理[4]，其僅僅考慮了土中的固相和液相，忽略了氣相的存在。這種只考慮特殊情況而忽略一般情況的講授方式并不符合馬克思主義認識論。地球表面廣泛分布的天然地表沉積土大都處于低含水率狀態，經過開挖夯實的土也大都屬于非飽和土，其性質很難用飽和土力學來描述。這也導致了傳統的飽和土的相關理論與實際工程有較大的偏差。研究非飽和土理論對于解決工程問題，預防地質災害和降低經濟損失是十分重要的[5]。因此，在本科生土力學教學中添加非飽和土相關內容的闡述，符合由一般到特殊的事物認識規律，能夠讓學生從本質上認識土力學，使學生看到土力學的全貌，并為學生解決實際問題提供理論基礎。下文以有效應力原理為案例來闡述如何采用啟發式教學引入非飽和土概念，以及如何將與時俱進的創新元素引入到思政教學過程。

二、土體有效應力原理

（一）提出問題

太沙基（Terzaghi）在下雨天走在泥濘的黏土路面上摔了一跤。于是他思考到，為什么人在飽和黏土上會滑倒，而在干土路面和粗粒土路面不會滑倒？不同路面如圖1所示。以此為靈感，太沙基于1921-1923年提出土的有效應力原理和固結理論。其中指出，土體是由土顆粒骨架、孔隙水和孔隙氣三相構成的碎散材料。但三相如何分擔受外力作用后的總應力，他們之間如何相互轉化，對土體的變形和強度有何影響？

（二）分析問題

圖2是用圓鋁棒堆積層模擬土的模型試驗[6]，在圓鋁棒堆積層中加水，粒子間的孔隙中有水吸附。從圖2可以觀察到，粒子接點處積聚著水，形成了彎液面。受外力后，總應力分為三部分承擔：由土骨架承擔，并通過顆粒之間的接觸面進行應力的傳遞，稱之為粒間應力（σs）。由孔隙水來承擔，通過連通的孔隙水傳遞，為孔隙水壓力（uw）。由孔隙氣來承擔，通過連通的孔隙氣傳遞，為孔隙氣壓力（ua）。

在非飽和土中，土體的三相微觀分析如圖3所示。非飽和土體的孔隙中有水和氣，此時水多集中于顆粒間的縫隙處，稱為毛細水。由于毛細張力的作用，會形成如圖3（a）所示的彎液面。吸附于土顆粒表面的孔隙水會產生吸附力[7]，如圖3（b）所示。

為簡化示意總應力下非飽和土各分量的分擔情況，繪制如圖4所示的應力分量及其面積圖。其中a-a斷面為土顆粒接觸斷面。各應力分量及其代表符號如表1所示。由a-a斷面的豎向力平衡可得式（1）[8]，等式兩邊同除以土單元總截面積A可得式（2）。顆粒間所有接觸豎向力∑Psv與總面積A的比值即為有效應力σ'。使用表1中的面積比應力分量Aw/A=χ，Aa/A=[1-（α+χ）]分別替換式（2）選框中的參數。土顆粒間的接觸面積α約為0.03左右，如果忽略α，即α=0，則空氣面積比可由（1-χ）替代[9]，此時得到式（3）。經過轉換可得出Bishop[10]所提的非飽和土有效應力原理公式如式（4）所示。

表1中， A為土單元的斷面積， As為顆粒接觸點的面積， Aw為孔隙水的斷面積， Aa為孔隙氣的斷面積， A=As+Aw+Aa， σ為土單元總應力， σs為顆粒接觸點的應力。

（三）解決問題

關于非飽和土有效應力原理的分類：對于飽和土，Aw/A=χ=1。此時推導出Terzaghi所提的飽和土有效應力原理表達式如式（5）所示。作用在飽和土體上的總應力，由作用在土骨架上的有效應力和作用在孔隙水上的孔隙水壓力兩部分組成。人行走于飽和黏土上時如圖1（a），瞬時總應力和孔隙水壓力同時增加，有效應力等于零，因而人就會滑倒[11]。如果走在粗粒土路面上時如圖1（c），瞬時總應力和孔隙水壓力增加，但是其滲透系數較大，孔隙水壓力可以及時消散，使其有效應力較快增加，因而人就不易滑倒。

在非常干燥的情況下，Aw/A=χ=0。此時有效應力原理表達式變為公式（6）。作用在極干土體上的總應力，由作用在土骨架上的有效應力和作用在孔隙氣上的孔隙氣壓力兩部分組成。如果行人走在干土路面上時如圖1（b），瞬時總應力增加，而孔隙氣壓力基本不變（以大氣壓為基準），使其有效應力增加明顯，因而人就不易滑倒。又如：把干土試樣裝入氣球內，給氣球內部施加10kPa的壓力，則氣球會膨脹;為了給干土樣施加50kPa的凈應力，則需施加的總應力為60kPa。

對于非飽和土，0

三、與時俱進的創新元素引入思政教學過程

非飽和土有效應力公式隨著諸多學者的研究而不斷更新發展。在探究如何闡明非飽和土有效應力物理意義的過程中，Wheeler等[16]提出非飽和土的性質受到飽和度等因素的影響，將吸力有關的增強項與飽和度建立關系，并用飽和度（Sr）代替有效應力參數（χ），如式（7）所示。Lu Ning等[17]認為殘余飽和度對有效應力的貢獻可以忽略，提出可以用有效飽和度（Se）代替有效應力參數（χ），如式（8）所示。正如習近平總書記所言：惟創新者進，惟創新者強，惟創新者勝。只有在前人的基礎上不斷發現問題，分析問題，解決問題，才能夠將創新應用于理論發展、學科教學和工程應用當中。

四、教學效果

通過近五年對地質工程、土木工程和水利水電工程專業本科生的教授，學生反映強烈，效果良好。在啟發式教學下，學生在了解三相組成的基礎上，明白了三相對于總應力的分擔情況以及各自之間的相互轉化。經過非飽和有效應力原理的學習，學生看到了有效應力原理的全貌。這種由一般到特殊的講解方式符合馬克思主義認識論，能夠讓學生從本質認識土體的有效應力原理。通過學習有效應力原理表達式的更新發展，能夠讓學生明白知識的創新性和進步性，進而有效提高自身的創新意識。這種創新意識的培養，為其學生開展大學生創新試驗項目打下了堅實的基礎。已經先后有多名學生申請到與土力學相關的大學生創新項目，如：廣吸力范圍內黃土直剪或殘余剪試驗研究（郭云濤，2021省創）、不同制樣方法對非飽和膨脹土微觀結構和力學性質的影響（劉曉峰，2020省創）和豫西黃土控制吸力的滲透實驗研究（戴淼，2020校創）等。通過創新項目的鍛煉，學生不僅提高了科研創新能力，并且取得了相關的研究成果。從就業角度來看，全面掌握有效應力原理能夠為學生解決工程實際問題提供堅實的理論基礎。

五、結論

創新意識是工程從業者不可或缺的優秀素養，也是新時期創新型人才發展的關注內容。該論文以有效應力原理的授課內容為例，將非飽和土的概念引入其中，采用啟發式教學加深學生對有效應力原理的理解。在逐步更新的有效應力表達式學習中，與時俱進的創新元素被引入課程思政教學里。上述由一般到特殊的啟發式教學形式，相關知識點容易被學生接受，使學生深刻理解了有效應力原理，不僅提高了學生認識事物和解決問題能力，還有效地培養了學生的創新意識。這樣的創新與探索意識培養為學生開展大學生創新試驗項目打下了堅實的基礎，有助于提高學生未來解決實際工程問題的能力。

創新意識的培養是一個循序漸進的過程。只有教師在實踐中不斷完善，結合學生反饋進行反思和總結，才能更有效地提高創新意識的培養效果。

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