土工離心機(jī)在巖土工程教學(xué)中的應(yīng)用

孔令剛， 蔡海強(qiáng)， 衡慈文， 藺 港

(浙江大學(xué)軟弱土與環(huán)境土工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州310058)

0 引言

在巖土工程領(lǐng)域，離心機(jī)模型試驗(yàn)是開展科學(xué)研究和解決工程問(wèn)題的有力手段［1-5］。土工離心機(jī)試驗(yàn)的基本原理是將土工模型置于高速旋轉(zhuǎn)的離心機(jī)中，模型受到高于重力加速度的離心加速度作用，來(lái)補(bǔ)償因模型尺寸縮小而導(dǎo)致的土體自重?fù)p失，使模型土體能夠復(fù)制原形土體的應(yīng)力狀態(tài)［5-8］。離心機(jī)模型試驗(yàn)可以在減少模型尺寸、縮短試驗(yàn)時(shí)間的條件下模擬各種工程情況。

國(guó)外對(duì)土工離心機(jī)在巖土工程學(xué)科教學(xué)中的嘗試早在上世紀(jì)70年代就已經(jīng)開展。Craig［9］采用有效半徑300 mm、最大加速度500 g的微型離心機(jī)演示了邊坡失穩(wěn)、邊坡與基礎(chǔ)相互作用和隧道失穩(wěn)等問(wèn)題。Mitchell［10］采用半徑為2．25m的離心機(jī)用于非飽和土力學(xué)和污染物運(yùn)移的教學(xué)活動(dòng)，發(fā)現(xiàn)物理模型試驗(yàn)?zāi)軌虼蟠蠹ぐl(fā)學(xué)生對(duì)巖土工程科學(xué)的興趣。Caicedo［11］介紹了一個(gè)以“l(fā)earning by doing”思想為指導(dǎo)的創(chuàng)新型課程，該課程中學(xué)生團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)整套試驗(yàn)，并開展離心試驗(yàn)，收到良好教學(xué)效果。Madabhushi等［12］嘗試將鼓式離心機(jī)用于教學(xué)活動(dòng)中。2002年，加拿大召開的“International Conference on Physical modeling in Geotechnics”國(guó)際會(huì)議上專門開設(shè)“物理模擬在教育中應(yīng)用”專場(chǎng)研討會(huì)［13］，此次會(huì)議推動(dòng)物理模型試驗(yàn)(主要是離心模擬)在高等教育中的應(yīng)用。2006年，Wartman［14］提出了基于Kolb學(xué)習(xí)理論的整套巖土物理模型試驗(yàn)教學(xué)方法;Airey等［15］則采用Wartman提出的方法開展教學(xué)實(shí)踐，取得了良好效果。

近年來(lái)，許多高校建立土工離心機(jī)，使采用土工離心機(jī)開展教育教學(xué)工作成為可能。本文總結(jié)我國(guó)傳統(tǒng)教學(xué)模式存在的不足和物理模型試驗(yàn)教學(xué)所具有的優(yōu)勢(shì)，報(bào)道作者通過(guò)SRTP項(xiàng)目開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的初步嘗試，為今后物理模擬與課堂教學(xué)活動(dòng)相結(jié)合的新型教學(xué)方式提借鑒和資料。

1 傳統(tǒng)教學(xué)模式的不足

巖土工程教學(xué)中土力學(xué)是具有重要地位的專業(yè)基礎(chǔ)課，現(xiàn)以土力學(xué)為例分析傳統(tǒng)教學(xué)模式存在的不足。實(shí)際中，土具有顆粒離散性并由三相物質(zhì)組成，宏觀上表現(xiàn)為一定的連續(xù)性。土力學(xué)通過(guò)一定假設(shè)條件將彈性力學(xué)、水力學(xué)、塑性力學(xué)等理論和方法應(yīng)用到公式推演中，因此，土力學(xué)具有知識(shí)點(diǎn)多，內(nèi)容連續(xù)性差等特點(diǎn)。如采用單純的課堂教學(xué)手段向?qū)W生灌輸有關(guān)內(nèi)容，學(xué)生往往學(xué)得吃力，教學(xué)效果不理想。土力學(xué)是一門與工程實(shí)踐密切結(jié)合的應(yīng)用學(xué)科，采用課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合是該類課程教學(xué)的有效途徑。

近幾年，隨著教學(xué)條件不斷改善，試驗(yàn)(實(shí)踐)教學(xué)環(huán)節(jié)逐漸受到重視，但長(zhǎng)期的慣性思維，仍導(dǎo)致試驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)相對(duì)薄弱，培養(yǎng)出的學(xué)生高分低能、疏于動(dòng)手。筆者曾留心比較過(guò)國(guó)內(nèi)外學(xué)生的差異，發(fā)現(xiàn)我國(guó)學(xué)生巖土工程相關(guān)理論基礎(chǔ)扎實(shí)，但動(dòng)手能力與西方學(xué)生差異明顯。學(xué)生未對(duì)土的屬性有直觀認(rèn)識(shí)的情況下，先入為主地在頭腦中固化了各種似懂非懂的理論和經(jīng)驗(yàn)方法，這樣培養(yǎng)出來(lái)的學(xué)生其創(chuàng)新思維受到限制，也很難適應(yīng)實(shí)際工作的要求。

課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)脫節(jié)的現(xiàn)象也比較嚴(yán)重，沒(méi)有把理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)合起來(lái)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)以驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)為主，按照固定的套路進(jìn)行，缺乏對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，使學(xué)生技術(shù)化;而學(xué)生也缺乏對(duì)實(shí)驗(yàn)工作的興趣，學(xué)生不清楚實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，往往是機(jī)械地搬用書上的過(guò)程和步驟，對(duì)實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)過(guò)程沒(méi)有很好的認(rèn)識(shí)。

2 物理模型試驗(yàn)在教學(xué)中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?、綜合運(yùn)用知識(shí)能力、溝通能力和團(tuán)隊(duì)精神。開展物理模型試驗(yàn)除具有上述優(yōu)點(diǎn)外，還有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，Wartman［14］對(duì)這些優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié):

(1)物理模型能夠演示巖土體復(fù)雜、非線性的內(nèi)在機(jī)理和現(xiàn)象，而這些機(jī)理和現(xiàn)象對(duì)于學(xué)生來(lái)講是難以想象出來(lái)的;

(2)通過(guò)直接觀察縮尺巖土系統(tǒng)，可以培養(yǎng)學(xué)生對(duì)該系統(tǒng)內(nèi)在機(jī)理的直覺(jué);

(3)小尺寸物理模型試驗(yàn)可以讓學(xué)生直接觀察到土體破壞，而這些現(xiàn)象在傳統(tǒng)的土力學(xué)單元體試驗(yàn)中無(wú)法完成;

(4)通過(guò)對(duì)物理模型實(shí)驗(yàn)的反分析，學(xué)生可以直接評(píng)價(jià)巖土體實(shí)際表現(xiàn)與預(yù)期之間的差異。

研究也表明，將物理模擬同傳統(tǒng)教學(xué)手段相結(jié)合能夠顯著提高學(xué)生對(duì)知識(shí)的記憶力和理解力，能夠激發(fā)學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)的興趣。通過(guò)教學(xué)也可以使學(xué)生認(rèn)識(shí)通過(guò)離心機(jī)這個(gè)有用的解決工程問(wèn)題的工具，推動(dòng)土工離心機(jī)在工程設(shè)計(jì)和解決工程問(wèn)題中的應(yīng)用。

3 離心模型實(shí)驗(yàn)教學(xué)嘗試

結(jié)合在高校中開展的大學(xué)生科研訓(xùn)練計(jì)劃(SRTP)項(xiàng)目，進(jìn)行了離心模型實(shí)驗(yàn)教學(xué)的初步嘗試。模型試驗(yàn)采用的土工離心機(jī)為浙江大學(xué)軟弱土與環(huán)境土教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的ZJU-400多功能離心機(jī)［8］。試驗(yàn)內(nèi)容為:水位變化誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的離心和1 g模型對(duì)比試驗(yàn)。通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)工作使學(xué)生初步了解離心模擬原理和模型相似理論，認(rèn)識(shí)離心模型試實(shí)驗(yàn)在研究土工單體中的獨(dú)特能力;認(rèn)識(shí)模型實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)主動(dòng)性的作用，初步了解學(xué)習(xí)效果。

試驗(yàn)中采用的ZJU-400離心機(jī)有效旋轉(zhuǎn)半徑為4．5 m，采用對(duì)稱雙臂、雙籃形式，最大有效荷載容量為400 g/t，最大加速度為150 g。試驗(yàn)中用到的模型箱為1．0 m ×0．4 m ×1．0 m(長(zhǎng) × 寬 × 高)，模型箱側(cè)面設(shè)置有機(jī)玻璃窗口，試驗(yàn)過(guò)程中可以觀測(cè)土體側(cè)向變形情況。

原型邊坡試驗(yàn)是在浙江大學(xué)自主開發(fā)的15 m×5 m×6 m(長(zhǎng)×寬×高)的模型槽中進(jìn)行的［17］。邊坡高度為4 m，坡度為1∶1。試驗(yàn)土體為取自錢塘江邊的砂質(zhì)粉土，圖1給出了該原型試驗(yàn)后邊坡失穩(wěn)的照片。經(jīng)計(jì)算，離心縮尺模型的比尺選為20，即離心模型為原型尺寸的1/20，邊坡高度為200 mm，坡度為1∶1。離心模型總長(zhǎng)為1 000 mm，坡頂和坡底部分留有長(zhǎng)度均為400 mm。

圖1 水位驟降引致滑坡

實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)了整套控制水位升降的機(jī)載模擬裝置。入水管設(shè)置在模型邊坡上游，將水直接導(dǎo)入邊坡模型下鋪設(shè)的粗砂導(dǎo)水層;離心機(jī)自帶的供水系統(tǒng)提供水源，調(diào)節(jié)進(jìn)水閥控制進(jìn)水速度。排水管出水口位于邊坡下游，通過(guò)計(jì)算選擇合適的排水管內(nèi)直徑。實(shí)驗(yàn)中，首先用氣缸封住排水管頂部管口，利用進(jìn)水管緩慢注水使水位自下而上逐漸升高，當(dāng)水位到達(dá)邊坡上游高度后，啟動(dòng)氣缸，實(shí)現(xiàn)水位突降的功能。水釋放時(shí)，為避免直接排至離心機(jī)實(shí)驗(yàn)艙，設(shè)計(jì)了一個(gè)隔水機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)將模型箱分隔成上下兩層，采用密封圈壓緊邊縫防止?jié)B水，釋放的水直接排入模型箱下層。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，離心機(jī)達(dá)到試驗(yàn)設(shè)計(jì)加速度20 g后，等待模型穩(wěn)定，再對(duì)模型箱注水。注水過(guò)程模擬原型采用5次分級(jí)注入的方式，經(jīng)計(jì)算確定加水速度為1 L/min。每級(jí)停留觀察時(shí)間約為5 min。模型箱內(nèi)水位上升到坡頂后，通過(guò)氣缸拔開排水管塞子，箱內(nèi)水迅速排入底部隔層，實(shí)現(xiàn)水位驟降。試驗(yàn)過(guò)程中采用孔隙水壓力計(jì)監(jiān)測(cè)孔壓變化，采用圖像采集系統(tǒng)從有機(jī)玻璃面一側(cè)監(jiān)測(cè)土體變形。

圖2中給出離心試驗(yàn)中觀察到的邊坡失穩(wěn)情況，從圖中可以看出，水位驟降導(dǎo)致坡頂出現(xiàn)多條裂紋，其中有3條明顯的貫穿性的裂縫，與圖1中的原型試驗(yàn)結(jié)果相似。該滑坡形式屬于多重滑面的牽引式滑坡，變形由前緣向后緣發(fā)展。本次試驗(yàn)表明，離心模型試驗(yàn)?zāi)茌^好模擬巖土體大變形和破壞問(wèn)題，在解決巖土工程問(wèn)題中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

圖2 離心模型試驗(yàn)結(jié)果

本試驗(yàn)訓(xùn)練中，SRTP小組成員參與全過(guò)程的工作。在項(xiàng)目開始階段，小組成員參觀試驗(yàn)設(shè)備、了解原型試驗(yàn)過(guò)程。通過(guò)提供充足的輔助材料使同學(xué)主要通過(guò)自學(xué)的方式了解了離心機(jī)工作原理、模型相似理論等新知識(shí)，大部分同學(xué)能夠較快掌握土工離心機(jī)及初步的相似理論。實(shí)現(xiàn)了由被動(dòng)接受式學(xué)習(xí)到主動(dòng)學(xué)習(xí)的轉(zhuǎn)變。在模型設(shè)計(jì)中，同學(xué)能夠主動(dòng)思考，主動(dòng)發(fā)現(xiàn)和糾正錯(cuò)誤，提高了綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的能力，調(diào)動(dòng)同學(xué)的好奇心。在模型制作中自然而然地掌握了有關(guān)土性參數(shù)的測(cè)試技術(shù)，充分認(rèn)識(shí)土體的顆粒屬性、三相性及強(qiáng)非線性的力學(xué)特性。通過(guò)本項(xiàng)目，也培養(yǎng)了學(xué)生的嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)態(tài)度和團(tuán)隊(duì)合作精神，提高同學(xué)的科學(xué)素養(yǎng)和實(shí)踐能力。

4 結(jié)語(yǔ)

采用土工離心機(jī)進(jìn)行巖土工程課程的教學(xué)在我國(guó)尚處于起步階段。本文開展嘗試性工作，希望通過(guò)小范圍嘗試為將土工離心機(jī)應(yīng)用于我國(guó)的本科和研究生巖土工程課程教學(xué)積累經(jīng)驗(yàn)，使物理模型實(shí)驗(yàn)教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)方式相互融合。本次采用大型土工離心機(jī)開展水位變化誘發(fā)邊坡失穩(wěn)試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)收到較好效果，今后，仍結(jié)合SRTP項(xiàng)目開展工作以豐富和提高有關(guān)的認(rèn)識(shí)。在教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備改進(jìn)方面，浙江大學(xué)正著手建造一臺(tái)微型土工教學(xué)離心機(jī)，使離心模型實(shí)驗(yàn)教學(xué)常規(guī)化，擺脫大型離心機(jī)在經(jīng)費(fèi)和時(shí)間等方向?qū)虒W(xué)使用的制約。

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