廖紅建　郝東瑞　熊甜甜??

摘要：

根據(jù)土力學(xué)課程的特點(diǎn)，就如何發(fā)展土力學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，加強(qiáng)土力學(xué)教學(xué)實(shí)踐，從而提高土力學(xué)教學(xué)質(zhì)量提出一些初步想法。在土力學(xué)教學(xué)中，一個(gè)好的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)應(yīng)具有可操作性，基本概念清晰，工程應(yīng)用背景強(qiáng)，能激發(fā)學(xué)生興趣，具有創(chuàng)新和發(fā)展性的特點(diǎn)，從而完善理論教學(xué)效果，提高學(xué)生主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)創(chuàng)新思維和綜合解決問(wèn)題的能力。文章結(jié)合案例分析得出，一個(gè)好的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)，能使學(xué)生對(duì)土力學(xué)學(xué)科有全面宏觀的認(rèn)識(shí)，并順應(yīng)科學(xué)研究過(guò)程，這對(duì)培養(yǎng)土建類、水利類、交通運(yùn)輸類、地礦類、地質(zhì)學(xué)類等專業(yè)學(xué)生的思維能力，提高科研素質(zhì)的綜合能力具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：土力學(xué)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；實(shí)踐環(huán)節(jié)；綜合素質(zhì)

中圖分類號(hào)：G6420；TU43-4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：

10052909（2017）01014404

土力學(xué)作為土木工程、水利工程、交通工程、采礦工程、地質(zhì)工程等眾多專業(yè)大學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)主干課程，是認(rèn)知土的工程力學(xué)性質(zhì)的一門(mén)技術(shù)核心課程。由于土力學(xué)課程的特殊地位和作用，土力學(xué)的教學(xué)如何適應(yīng)新形勢(shì)，順應(yīng)改革發(fā)展的要求，是每一位土力學(xué)教師必須思考的問(wèn)題[1]。隨著各建設(shè)項(xiàng)目向大型化、復(fù)雜化發(fā)展，建筑行業(yè)對(duì)相關(guān)專業(yè)人才的綜合素養(yǎng)提出更高的要求。國(guó)家提倡進(jìn)行大土木教學(xué)改革，旨在提高本科生的綜合專業(yè)素養(yǎng)、學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新思維。

2011年高等學(xué)校土木工程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)《高等學(xué)校土木工程本科指導(dǎo)性專業(yè)規(guī)范》中指出[2]，以行業(yè)企業(yè)需求為導(dǎo)向，以工程實(shí)際為背景，以工程技術(shù)為主線，著力提升學(xué)生的工程素質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力、工程設(shè)計(jì)能力和工程創(chuàng)新能力。

但是目前在土力學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)過(guò)程中，出現(xiàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)和理論教學(xué)脫軌的現(xiàn)象，比如實(shí)踐環(huán)節(jié)不能很好地激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)相關(guān)理論知識(shí)的興趣，學(xué)生也不懂得如何理論聯(lián)系實(shí)踐，從而沒(méi)能很好地對(duì)相關(guān)理論知識(shí)進(jìn)行理解，學(xué)到的知識(shí)形如散沙，學(xué)習(xí)效果并不理想。

因此，文章結(jié)合教育部“卓越工程師計(jì)劃”，重基礎(chǔ)平臺(tái)、寬口徑、突出專業(yè)

特色，針對(duì)土力學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的拓展、教學(xué)實(shí)踐等方面，結(jié)合實(shí)際訓(xùn)練談一些體會(huì)和感悟，探討土力學(xué)教學(xué)中實(shí)踐環(huán)節(jié)指導(dǎo)理論教學(xué)的可行性，以求通過(guò)實(shí)踐環(huán)節(jié)使學(xué)生對(duì)土力學(xué)學(xué)科知識(shí)有整體宏觀的認(rèn)知，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和獨(dú)立思考的能力。

一、土力學(xué)的工程特性

土力學(xué)是工程力學(xué)的一個(gè)分支，是以土為研究對(duì)象的學(xué)科。它是一門(mén)實(shí)踐性、應(yīng)用性強(qiáng)的課程[3]。土是巖石風(fēng)化以后，產(chǎn)生崩解、破碎、變質(zhì)，又經(jīng)過(guò)各種自然力搬運(yùn)，在新環(huán)境堆積或沉降下來(lái)的顆粒狀松散物質(zhì)。土力學(xué)是以力學(xué)和工程地質(zhì)學(xué)知識(shí)為基礎(chǔ)，運(yùn)用力學(xué)原理和土工試驗(yàn)技術(shù)，來(lái)研究與工程建設(shè)有關(guān)的土和土體在荷載、水、溫度等外界因素作用下的應(yīng)力、應(yīng)變、強(qiáng)度和穩(wěn)定性等特性的一門(mén)學(xué)科，是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的工程技術(shù)科學(xué)。在工程建設(shè)中，常會(huì)遇到各種有關(guān)土的工程問(wèn)題，包括建筑物地基、路堤、邊坡和各種土工構(gòu)筑物，以及以土作為建筑材料、建筑環(huán)境等，都需要應(yīng)用土力學(xué)的理論和方法去解決。同時(shí)，為各類建設(shè)工程的穩(wěn)定和安全提供科學(xué)的對(duì)策，包括土體加固和地基處理等。

土的利用可以追溯至古代，遠(yuǎn)在古代人們就懂得利用土進(jìn)行工程建設(shè)。如我國(guó)西安市半坡村新石器時(shí)代遺址，就發(fā)現(xiàn)當(dāng)時(shí)人們已經(jīng)能利用土臺(tái)階及石基礎(chǔ)為簡(jiǎn)陋的房屋考慮地基基礎(chǔ)的穩(wěn)定性問(wèn)題[4]。以后如秦代用壓實(shí)法修筑馳道，隋朝用木樁，唐代用灰土基礎(chǔ)造塔等。我國(guó)東漢時(shí)的鄭玄在注釋?xiě)?zhàn)國(guó)時(shí)的《考工記》時(shí)，就認(rèn)知到了作用力和變形之間的彈性定律，這比胡克（Hooke）定律要早1 500多年，但直到18世紀(jì)，基本還處于感性認(rèn)識(shí)階段。歐洲產(chǎn)業(yè)革命時(shí)期，隨著大型建筑物、鐵路、公路的興建和科學(xué)的發(fā)展，建立了零星的土力學(xué)理論。如1773年法國(guó)的庫(kù)倫（C. A. Coulomb）通過(guò)試驗(yàn)研究提出了砂土的抗剪強(qiáng)度公式和設(shè)計(jì)擋土墻的土壓力滑楔理論，1857年英國(guó)的朗肯（W. J. Rankine）又從不同的途徑提出了土壓力理論。這兩種土壓力理論至今仍被廣泛應(yīng)用。1869年卡爾洛維奇（Карлович）發(fā)表了世界上第一本地基與基礎(chǔ)著作。1885年布西涅斯克（J. Boussinesq）根據(jù)彈性理論求出了在集中力作用下地基中的三維應(yīng)力解析解。1900年莫爾（Mohr）提出了土的強(qiáng)度理論。20世紀(jì)初，人們?cè)诠こ虒?shí)踐中積累了大量的經(jīng)驗(yàn)和資料，對(duì)土的強(qiáng)度、變形和滲透性質(zhì)進(jìn)行了理論探討，土力學(xué)逐漸形成了一門(mén)獨(dú)立學(xué)科。20世紀(jì)20年代普朗特（Prandtl）發(fā)表了地基承載力理論，這一時(shí)期在邊坡理論方面也有很大發(fā)展，費(fèi)倫紐斯（W. Fellenius）完善了邊坡圓弧滑動(dòng)法。經(jīng)過(guò)一個(gè)多世紀(jì)的實(shí)踐和理論研究，1925年美國(guó)的太沙基（K. Terzaghi）歸納出版了第一本《土力學(xué)》專著，1929年又與其他學(xué)者共同編寫(xiě)了《工程地質(zhì)學(xué)》。從此，土力學(xué)、工程地質(zhì)學(xué)、地基與基礎(chǔ)作為獨(dú)立學(xué)科不斷發(fā)展。1936年在美國(guó)召開(kāi)第一屆國(guó)際土力學(xué)與基礎(chǔ)工程會(huì)議，到2013年已舉辦

18次，在會(huì)議上，世界各地學(xué)者對(duì)本學(xué)科的研究進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)交流。

因此，土力學(xué)是把土作為建筑物地基、建筑材料或建筑物周圍介質(zhì)（環(huán)境）來(lái)研究的一門(mén)學(xué)科，主要研究土的工程性質(zhì)以及土在荷載作用下的應(yīng)力、變形和強(qiáng)度問(wèn)題，為工程設(shè)計(jì)與施工提供力學(xué)指標(biāo)、評(píng)價(jià)方法以及分析計(jì)算原理，是土木、水利工程等專業(yè)重要的技術(shù)基礎(chǔ)課，具有很強(qiáng)的工程應(yīng)用背景和工程特性。

二、土力學(xué)課程實(shí)踐環(huán)節(jié)

由于土力學(xué)學(xué)科的特殊性和復(fù)雜性，知識(shí)點(diǎn)廣，涉及面寬，從土的基本物理性質(zhì)和工程分類、土的滲透性、地基土中的應(yīng)力分布、土的壓縮性再到土的抗剪強(qiáng)度、地基承載力、土壓力計(jì)算、邊坡穩(wěn)定性分析等。從內(nèi)容來(lái)看，主要包含基礎(chǔ)理論與基本概念、工程實(shí)際運(yùn)用部分、試驗(yàn)與測(cè)試部分[1]。由于各章知識(shí)點(diǎn)的相對(duì)獨(dú)立性，筆者將土力學(xué)的學(xué)習(xí)過(guò)程比喻為橋梁建設(shè)，而各個(gè)章節(jié)的學(xué)習(xí)如同各個(gè)橋墩的建立過(guò)程，只有把每個(gè)橋墩都建扎實(shí)了，將橋面鋪裝好，橋梁才能發(fā)揮其作用。在這里每章的基礎(chǔ)理論就如橋墩，土力學(xué)的實(shí)踐環(huán)節(jié)就如同橋面鋪裝過(guò)程，將各個(gè)知識(shí)點(diǎn)貫穿起來(lái)。因此，如何設(shè)立合理的實(shí)踐環(huán)節(jié)充分調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和對(duì)學(xué)科的宏觀把握至關(guān)重要。而土壓力計(jì)算、擋土墻設(shè)計(jì)和邊坡穩(wěn)定性分析等都可提供實(shí)踐環(huán)節(jié)，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)基本理論后，進(jìn)行實(shí)際操作訓(xùn)練。

目前本科土力學(xué)教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)中大多只設(shè)立了四個(gè)基本的常規(guī)試驗(yàn)，測(cè)定土的液、塑限，通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)繪制土的擊實(shí)曲線，還有壓縮試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)。四個(gè)試驗(yàn)代表著土的不同物理力學(xué)特性，是測(cè)定最基本的參數(shù)指標(biāo)。通過(guò)調(diào)研，學(xué)生普遍反映，如果沒(méi)有一個(gè)工程背景作為支撐，他們較難理解這幾個(gè)常規(guī)試驗(yàn)的意義和重要性，更多的是被動(dòng)完成，而不是主動(dòng)設(shè)計(jì)。故參與試驗(yàn)準(zhǔn)備、操作和進(jìn)行結(jié)果分析的主觀能動(dòng)性不強(qiáng)，沒(méi)能充分達(dá)到調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性并發(fā)揮創(chuàng)造力的目的。

加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)課和適當(dāng)進(jìn)行實(shí)踐性環(huán)節(jié)的改革對(duì)提高教學(xué)質(zhì)量非常有效。對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果要進(jìn)行合理的分析，勤于思考，善于總結(jié)，才能有所發(fā)現(xiàn)，有所進(jìn)步[5]。通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，加深對(duì)土力學(xué)基礎(chǔ)理論知識(shí)的理解，這樣大大提高了土力學(xué)的教學(xué)質(zhì)量和學(xué)習(xí)效果[6]。因此，在教學(xué)環(huán)節(jié)中，我們嘗試了一些開(kāi)放性的實(shí)踐環(huán)節(jié)，在學(xué)習(xí)土力學(xué)的基本知識(shí)后，除了完成常規(guī)試驗(yàn)，還要參與一些競(jìng)賽，開(kāi)展開(kāi)放性的設(shè)計(jì)課題，讓學(xué)生自主搜集資料，自己設(shè)計(jì)解決問(wèn)題的技術(shù)路線，自己進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)。目前已經(jīng)開(kāi)展了加筋擋墻設(shè)計(jì)、邊坡失穩(wěn)試驗(yàn)等多種趣味性強(qiáng)的實(shí)踐環(huán)節(jié)，收獲頗豐。下面將結(jié)合加筋擋墻設(shè)計(jì)的課題談?wù)剬W(xué)生在這次實(shí)踐環(huán)節(jié)中的完成過(guò)程和理論聯(lián)系實(shí)踐的訓(xùn)練。

三、案例分析

為了實(shí)踐實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)對(duì)學(xué)生所起的作用，通過(guò)組織學(xué)生參加加筋擋土墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽，為土力學(xué)的實(shí)踐性環(huán)節(jié)提供了很好的機(jī)會(huì)。該課題合理之處在于其可以充分利用土力學(xué)各章理論知識(shí)，提高學(xué)生解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力，使學(xué)生了解土壓力計(jì)算、擋墻設(shè)計(jì)和土坡穩(wěn)定計(jì)算等理論知識(shí)在解決加筋擋墻設(shè)計(jì)中的重要性，調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣。加筋擋墻設(shè)計(jì)優(yōu)化作為一個(gè)開(kāi)放的課題，其答案的多樣性，可充分引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行大膽想象，充分表達(dá)個(gè)人想法并愿意為自己的想法付出實(shí)踐。下面是在設(shè)計(jì)過(guò)程中的體會(huì)。

（1）剛開(kāi)始給學(xué)生布置該課題時(shí)，學(xué)生不知道該如何突破和入手。我的建議是要充分理解擋墻設(shè)計(jì)的核心，即通過(guò)合理的錨桿布置（實(shí)驗(yàn)中用筋帶進(jìn)行模擬）平衡擋墻土壓力，從而使擋墻處于穩(wěn)定狀態(tài)。因此，學(xué)生先結(jié)合本科土力學(xué)中土壓力的計(jì)算部分，還有擋土墻的設(shè)計(jì)和土坡穩(wěn)定分析的相關(guān)理論知識(shí)，進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。

（2）接著為了完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)，

根據(jù)大賽要求制作模型箱，并為保證模型箱拆卸方便，構(gòu)思了多種模型箱設(shè)計(jì)方案

，最后各側(cè)板之間通過(guò)錨栓連接，底板上安裝固定銷釘，各側(cè)板底部打孔，直接插入底板。在模型箱設(shè)計(jì)過(guò)程中，學(xué)生充分聯(lián)想了日常物品的連接方式，從而順利完成模型箱制作。接著為了完成本次實(shí)驗(yàn)，學(xué)生也聯(lián)系了相應(yīng)砂子生產(chǎn)廠家，了解中粗砂的規(guī)格，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生自主參與的積極性。

（3）根據(jù)設(shè)計(jì)要求，需要學(xué)生自主完成多個(gè)常規(guī)試驗(yàn)，為進(jìn)行本次加筋擋墻設(shè)計(jì)提供材料參數(shù)。比如，對(duì)砂樣進(jìn)行基本的物理性質(zhì)參數(shù)測(cè)定，包括篩分試驗(yàn)、密度測(cè)定等。力學(xué)強(qiáng)度測(cè)定包括砂土的直剪試驗(yàn)、確定內(nèi)摩擦角，以及筋材的抗拉強(qiáng)度測(cè)定等。

（4）在理論計(jì)算方面，學(xué)生自主查閱TB 100025—2006《鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)技術(shù)設(shè)計(jì)規(guī)范》等多個(gè)規(guī)范，進(jìn)行加筋土擋土墻土壓力計(jì)算、下滑力和抗滑力計(jì)算、全墻抗拔穩(wěn)定驗(yàn)算等，能結(jié)合自己提出的布筋方案，建立布筋優(yōu)化方案的目標(biāo)函數(shù)，從而為整個(gè)課題的完成提供扎實(shí)的技術(shù)路線支持。

（5）在實(shí)驗(yàn)方面，為了觀察砂樣擋墻在不加筋帶下的自穩(wěn)定狀況，學(xué)生首先做了無(wú)筋帶下砂土的滑裂面分析和砂土自然休止角的測(cè)定，直觀上認(rèn)識(shí)了無(wú)粘性土滑坡的過(guò)程。通過(guò)強(qiáng)度較低的紙板作為擋墻，也直觀上看到了墻后土體的土壓力分布狀況，以及不同深度的變形狀況。

（6）隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，學(xué)生興趣越來(lái)越高，查閱了相關(guān)加筋土工方面的文獻(xiàn)資料，了解了加筋土加固機(jī)理。讓學(xué)生初步嘗試布置直線型的筋帶進(jìn)行試驗(yàn)，模擬加筋擋墻過(guò)程，不斷調(diào)整筋帶總層數(shù)和各層筋帶的數(shù)目、尺寸等，通過(guò)豎向加載直至擋墻破壞，從擋墻后砂土的破壞類型以及筋帶的破壞來(lái)判斷筋帶布置的合理性。

（7）通過(guò)大膽嘗試，學(xué)生提出了多種筋帶類型和布置方案，比如采用筋帶末端彎起成U形或V形，末端采用擴(kuò)大頭的加筋布置等，體會(huì)了加筋復(fù)合體的作用。在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生能聯(lián)系工程實(shí)際，考慮筋帶布置時(shí)的經(jīng)濟(jì)合理性，培養(yǎng)學(xué)生全面理解問(wèn)題能力，提高其抓住問(wèn)題癥結(jié)并各個(gè)擊破的能力。

（8）最后通過(guò)完成一個(gè)完整的計(jì)算書(shū)來(lái)表達(dá)自己的設(shè)計(jì)思路和方案，鍛煉學(xué)生組織整理實(shí)驗(yàn)課題報(bào)告的能力。在此過(guò)程中學(xué)生對(duì)本科土力學(xué)的基本理論知識(shí)有了更全面和系統(tǒng)的理解。

在加筋土擋墻設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，若不考慮筋帶，通過(guò)設(shè)置擋墻面板的位移狀態(tài)，可以來(lái)模擬邊坡失穩(wěn)的主動(dòng)狀態(tài)和被動(dòng)狀態(tài)，從而使學(xué)生結(jié)合課本知識(shí)，直觀了解邊坡失穩(wěn)過(guò)程以及滑裂面的形成。

在此開(kāi)放性試驗(yàn)中采取4人一組，利用的是課外學(xué)時(shí)，加筋土擋墻設(shè)計(jì)為4學(xué)時(shí)（包括計(jì)算和操作的整個(gè)過(guò)程），邊坡失穩(wěn)試驗(yàn)為2個(gè)學(xué)時(shí)（主要是操作環(huán)節(jié)）。上述結(jié)合土力學(xué)課程開(kāi)展的實(shí)踐環(huán)節(jié)，學(xué)生反映學(xué)習(xí)效果很好，提高了學(xué)生的探索和創(chuàng)新能力，并為本科生的畢業(yè)設(shè)計(jì)和論文研究打下了良好的基礎(chǔ)。

四、結(jié)語(yǔ)

教學(xué)中通過(guò)不斷嘗試和學(xué)生的反饋，我們看到實(shí)踐環(huán)節(jié)的合理性可以大大促進(jìn)理論教學(xué)部分的成效。更可喜的是，雖然開(kāi)放實(shí)踐課題結(jié)束了，但是學(xué)生總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的熱情不減，仍然能認(rèn)真分析實(shí)驗(yàn)各個(gè)環(huán)節(jié)和數(shù)據(jù)結(jié)果，加深了對(duì)土性質(zhì)的認(rèn)識(shí)，增強(qiáng)了對(duì)巖土工程的興趣，為培養(yǎng)巖土工程專業(yè)的研究生和巖土工程的從業(yè)者打下了基礎(chǔ)。土力學(xué)是一門(mén)實(shí)踐性非常強(qiáng)的基礎(chǔ)課程，理論知識(shí)為主，但通過(guò)能力培養(yǎng)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新思維，對(duì)理論知識(shí)有整體宏觀的認(rèn)知和運(yùn)用才是人才培養(yǎng)的根本。教學(xué)中重視實(shí)踐環(huán)節(jié)課題的設(shè)置，使課題具有可操作性、工程性、趣味性和發(fā)展性，這樣才能真正使學(xué)生成為課程學(xué)習(xí)的主角，充分調(diào)動(dòng)他們對(duì)學(xué)科理論知識(shí)學(xué)習(xí)的積極性。作為教師，在整個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)中，應(yīng)該起到指導(dǎo)作用，授之以漁，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維方法，這樣土力學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)才能真正發(fā)揮其作用。參考文獻(xiàn)：

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[6]繆林昌，經(jīng)緋，邵俐.大土木工程類土力學(xué)教學(xué)改革思考與實(shí)踐[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)：哲學(xué)社會(huì)科學(xué)版，2009，11（6）：255-257.

Abstract：

According to the characteristics of soil mechanics course， this paper discussed some preliminary ideas on how to develop soil mechanics experiments， strengthen the teaching practice and further more to improve the teaching quality. A good experimental training should be operable with clear basic conception，should have an engineering application background， can stimulate the studentsmotivation， and should have the characteristics of innovation and development. So as to improve the theory teaching effect， improve the students initiative， and students innovative thinking and problem solving ability.Combined with case analysis， this paper presented that a good experimental training can make the students have comprehensive understanding of the basic theories and master the scientific research process， which is of great significance in fostering students thinking and comprehensive ability in civil engineering， water conservancy， transportation， mining， geology and other professional fields.

Keywords： soil mechanics； experimental teaching； practice； comprehensive quality

（編輯周沫）