土力學(xué)課程教學(xué)中平面試驗(yàn)臺(tái)的研制與應(yīng)用

商翔宇++王奇石++梁恒昌?í?

摘要：土力學(xué)課程具有理論與實(shí)踐并重的特點(diǎn)，其核心教學(xué)內(nèi)容譬如地基承載力理論通常采用與工程實(shí)際并不一致的假設(shè)。然而由于教學(xué)條件的限制，該課程類似教學(xué)內(nèi)容無(wú)法得以實(shí)踐，教學(xué)效果也就難以保證。為了彌補(bǔ)這一不足，文章介紹了適用于本科土力學(xué)課程教學(xué)的平面綜合試驗(yàn)臺(tái)的研制與應(yīng)用。利用該試驗(yàn)臺(tái)，可以完成對(duì)包括地基承載力、土壓力和邊坡等重要土力學(xué)問(wèn)題的模擬研究。實(shí)踐表明，該試驗(yàn)臺(tái)具有傳統(tǒng)教學(xué)無(wú)法替代的功能。

關(guān)鍵詞：土力學(xué)；實(shí)踐教學(xué)；綜合試驗(yàn)臺(tái)；平面應(yīng)變

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

10052909（2016）04014204

土力學(xué)課程是土木工程、水利水電工程以及地質(zhì)工程等多個(gè)本科專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程[1]。該課程既包括土的基本物理力學(xué)性質(zhì)，例如含水量、液塑限以及抗剪強(qiáng)度，也包括應(yīng)用此類基本性質(zhì)的經(jīng)典土力學(xué)問(wèn)題，例如地基承載力、土壓力和邊坡穩(wěn)定性?，F(xiàn)有的土力學(xué)課程本科教學(xué)通常涵蓋土的基本物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。但是，受教學(xué)條件的限制，地基承載力的平板載荷試驗(yàn)、分析土壓力的擋土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)以及邊坡試驗(yàn)等重要試驗(yàn)均無(wú)法得以開展。因?yàn)檎n程中相應(yīng)的理論，譬如地基承載力理論、土壓力理論均采用了便于分析的簡(jiǎn)化假設(shè)[1]；又如，眾所周知的Rankine土壓力理論假設(shè)擋墻背部與墻后填土無(wú)摩擦等，但在實(shí)際地基工程中能滿足此類理想假設(shè)的情況并不存在。如果能進(jìn)行有針對(duì)性的類似試驗(yàn)，學(xué)生便可以深入理解土力學(xué)基本理論與工程實(shí)際的聯(lián)系與區(qū)別[2]。因此，有必要對(duì)目前土力學(xué)課程中的土力學(xué)試驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)，以有利于創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)[3-4]。但是，目前相關(guān)文獻(xiàn)尚不多見關(guān)于在該課程中展開上述類似綜合試驗(yàn)的研究[5]，因此有必要進(jìn)行適合土力學(xué)課程本科教學(xué)的上述試驗(yàn)的應(yīng)用研究，以達(dá)到改善課程教學(xué)效果的目的。

由于受到教學(xué)成本和學(xué)時(shí)的限制，在土力學(xué)課程教學(xué)中開展足尺度的平板載荷試驗(yàn)以及擋土墻試驗(yàn)等，目前還不現(xiàn)實(shí)，也沒(méi)有太大的必要性，而模型試驗(yàn)為解決上述問(wèn)題提供了可能的合理途徑[6-7]。上文提及的經(jīng)典土力學(xué)問(wèn)題

一般可視為平面應(yīng)變問(wèn)題，因此，設(shè)計(jì)研制能夠開展平板載荷試驗(yàn)、擋土墻和邊坡穩(wěn)定模擬實(shí)驗(yàn)的平面應(yīng)變綜合試驗(yàn)臺(tái)，不僅成本較小，而且其模型尺寸適合本科實(shí)踐教學(xué)，是本文研究的核心內(nèi)容。

一、土力學(xué)課程平面應(yīng)變綜合試驗(yàn)臺(tái)的研制

針對(duì)土力學(xué)課程的三大經(jīng)典土力學(xué)問(wèn)題：地基承載力、土壓力和邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)，首先需要滿足能夠進(jìn)行上述三類平面應(yīng)變?cè)囼?yàn)?zāi)M的要求；其次，試驗(yàn)臺(tái)要能夠便于教學(xué)應(yīng)用，這主要體現(xiàn)在較小的試驗(yàn)尺度和試驗(yàn)過(guò)程的直觀性上?；谏鲜隹紤]，本文主要介紹平面應(yīng)變綜合試驗(yàn)臺(tái)的研制，包括試驗(yàn)臺(tái)主體、加載裝置和變形量測(cè)裝置。

（一）試驗(yàn)臺(tái)主體

試驗(yàn)臺(tái)主體是一個(gè)用于放入土樣來(lái)模擬地基土、擋土墻后填土和天然邊坡土的容器。考慮到便于教學(xué)的試驗(yàn)臺(tái)體輕量化的要求、容器的剛度需要承受內(nèi)部土壓力載荷的要求，以及滿足盡量減小內(nèi)部土體與容器側(cè)壁摩擦的要求，試驗(yàn)臺(tái)底座采用厚20 mm、寬90 mm、長(zhǎng)500 mm的1060系列精制鋁合金板，垂直于試驗(yàn)臺(tái)體長(zhǎng)度方向的兩塊正面板采用厚20 mm、寬50 mm、長(zhǎng)295 mm的相同的精制鋁合金板，平行于試驗(yàn)臺(tái)體長(zhǎng)度方向的兩塊側(cè)板則采用厚8 mm、寬300 mm、長(zhǎng)500mm的鋼化玻璃板，方便學(xué)生直觀觀察試驗(yàn)過(guò)程。其中正面板的鋼化玻璃與側(cè)板的鋁合金板由10根直徑為10 mm有效長(zhǎng)度為20 mm的6.8級(jí)螺栓連接，側(cè)板的鋁合金板與底座鋁合金板由4根直徑為8 mm有效長(zhǎng)度為30 mm的6.8級(jí)螺栓連接。在鋼化玻璃、鋁板之間的接縫處，均采用膠黏劑將其彼此密封粘結(jié)，以加強(qiáng)不同部分之間的穩(wěn)定連接，也可以防止土顆粒的漏出。整個(gè)模型重量為5.93 Kg，試驗(yàn)臺(tái)主體實(shí)物圖見圖1（a）。

為了實(shí)現(xiàn)模型試驗(yàn)中豎向和水平向的加載功能，設(shè)計(jì)了兩套杠桿來(lái)實(shí)現(xiàn)豎向和水平向的逐級(jí)加載。此外為測(cè)量土體變形，通過(guò)固定在側(cè)向板上的位移百分表來(lái)測(cè)量土體的豎向和水平向位移， 見圖1（b）（c ）。

（二）試驗(yàn)臺(tái)功能

利用上述綜合平面試驗(yàn)臺(tái)，可以按要求在其容器內(nèi)裝入土樣來(lái)模擬地層、墻后填土以及簡(jiǎn)單邊坡等，然后通過(guò)在其上面施加豎向載荷或水平載荷，分別模擬地基承載力、擋墻土壓力以及邊坡穩(wěn)定性等土力學(xué)課程中的重要試驗(yàn)。在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，試驗(yàn)者可以透過(guò)玻璃板直觀觀測(cè)土體的變形或破壞情況，還可以通過(guò)分析測(cè)量獲得力—位移數(shù)值，繪制相應(yīng)的試驗(yàn)曲線。

二、綜合試驗(yàn)臺(tái)的應(yīng)用與效果

（一）地基承載力等試驗(yàn)應(yīng)用

如前所述，利用本文介紹的平面試驗(yàn)臺(tái)可以進(jìn)行平面應(yīng)變模型的地基承載力、擋墻土壓力以及邊坡穩(wěn)定等試驗(yàn)?zāi)M。限于篇幅，這里重點(diǎn)對(duì)條形基礎(chǔ)下的地基承載力試驗(yàn)進(jìn)行介紹，其余兩種試驗(yàn)過(guò)程類似，不再進(jìn)行詳細(xì)描述。

1.實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)所用的土樣選用標(biāo)準(zhǔn)砂，其原因一是便于試驗(yàn)操作的方便；二是已經(jīng)事先得到了所用標(biāo)準(zhǔn)砂的基本力學(xué)性質(zhì)，譬如不同初始密度情況的內(nèi)摩擦角，因此試驗(yàn)結(jié)果便于與相應(yīng)理論進(jìn)行對(duì)比研究。本試驗(yàn)選用的初始密度為1.7g/cm3的標(biāo)準(zhǔn)砂。按照設(shè)計(jì)好的模型尺寸（土樣高度為23.5cm）和密度，分多層（5層）逐次裝入計(jì)算質(zhì)量對(duì)應(yīng)的土樣（總重為7 590g）。實(shí)驗(yàn)前應(yīng)準(zhǔn)備好足夠的上述標(biāo)準(zhǔn)砂。為了便于觀察土樣的變形過(guò)程，在土樣中每隔一定高度放置一根紅色柔軟細(xì)線；與本實(shí)驗(yàn)中上部土體變形相對(duì)應(yīng)，其布置原則為下部間隔大于上部布置間隔，上部間隔為3～4cm，下部為5～6cm。條形基礎(chǔ)對(duì)應(yīng)用有機(jī)玻璃板來(lái)模擬，將其放置在地基土體中央頂部。在該板上施加代表上部建筑重量的豎向載荷，并使該板頂面與百分表的測(cè)桿接觸，以測(cè)量地基的豎向變形。

2. 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

通過(guò)在杠桿上逐級(jí)增加砝碼實(shí)現(xiàn)逐級(jí)施加豎直載荷，每隔一段時(shí)間間隔記錄豎向變形量，待其變形達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行下級(jí)載荷施加；根據(jù)砝碼重量和百分表讀數(shù)，繪制相應(yīng)的荷載—位移曲線，即p-s曲線。試驗(yàn)的結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)為承壓板周圍的土體被明顯側(cè)向擠出，或者p-s曲線出現(xiàn)陡降段。由于試驗(yàn)選用的是干的標(biāo)準(zhǔn)砂，因此每級(jí)載荷下的地基變形穩(wěn)定能在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到（15分鐘左右），因此方便在實(shí)際教學(xué)中應(yīng)用。

另外，在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，可以通過(guò)智能手機(jī)或相機(jī)拍攝照片或錄制視頻，觀察地基土體隨施加豎向載荷增大的變化過(guò)程。

3.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后處理

本次試驗(yàn)研究了不同基礎(chǔ)寬度對(duì)地基承載力的影響，所獲得的p-s曲線如圖2所示。圖3則給出了實(shí)驗(yàn)過(guò)程中獲得的地基土體的變形情況，可以看到基礎(chǔ)兩側(cè)的土體隆起和基礎(chǔ)底部土體向下的運(yùn)動(dòng)。結(jié)合圖2中的具有明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn)的荷載—沉降曲線，可以認(rèn)為該地基發(fā)生了整體剪切破壞。

如圖4所示給出邊坡試驗(yàn)和擋墻被動(dòng)土壓力試驗(yàn)獲得的土體破壞時(shí)的變形情況，其具體試驗(yàn)過(guò)程不再贅述。圖中的黑線為后續(xù)處理時(shí)標(biāo)出的破壞面位置。

（二）教學(xué)效果

筆者在課堂教學(xué)中按照自愿原則選出部分學(xué)生，應(yīng)用本文介紹的試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了上述三種模型試驗(yàn)，并錄制了相應(yīng)視頻資料供后續(xù)教學(xué)應(yīng)用。此次教學(xué)實(shí)踐表明，本科生進(jìn)行上述綜合試驗(yàn)，能獲得如下常規(guī)課堂教學(xué)無(wú)法達(dá)到的多層次教學(xué)效果。

一是，學(xué)生對(duì)書本上講解的試驗(yàn)現(xiàn)象有了更直觀和深刻的認(rèn)識(shí)。譬如上述地基承載力試驗(yàn)中地基土體的變形模式，以及最后的破壞剪切模式；擋墻后填土在被動(dòng)土壓力極限狀態(tài)時(shí)，土體中破裂面形成過(guò)程，以及其形狀和角度。

二是，學(xué)生對(duì)課本相應(yīng)理論的影響因素有了更為深入的認(rèn)識(shí)。以地基承載力試驗(yàn)為例，通過(guò)改變基礎(chǔ)寬度和地基土的密度以改變其相應(yīng)內(nèi)摩擦角，從而研究這些因素對(duì)于試驗(yàn)獲得的地基極限承載力的具體影響和作用；通過(guò)試驗(yàn)明顯增強(qiáng)了學(xué)生的試驗(yàn)設(shè)計(jì)能力，以及對(duì)試驗(yàn)細(xì)節(jié)的把握程度。

三是，通過(guò)對(duì)比獲得的試驗(yàn)結(jié)果與相應(yīng)的土力學(xué)理論，有助于學(xué)生深入理解與認(rèn)識(shí)理論和實(shí)踐之間的關(guān)系。譬如學(xué)生發(fā)現(xiàn)獲得的試驗(yàn)地基極限承載力明顯大于由太沙基理論計(jì)算的地基極限承載力，在分析了各種試驗(yàn)因素后，認(rèn)為這應(yīng)歸因于實(shí)驗(yàn)中側(cè)板對(duì)土的摩擦力。后來(lái)通過(guò)在側(cè)板與土樣之間添加減摩層（青稞紙）試驗(yàn)驗(yàn)證了分析結(jié)論。此外，學(xué)生還發(fā)現(xiàn)擋墻后破裂面角度與基于Rankine土壓力理論的理想角度十分接近。通過(guò)上述實(shí)踐過(guò)程的研究，不僅可以加深學(xué)生對(duì)土力學(xué)理論的理解，而且提高了學(xué)生的動(dòng)手能力以及分析、解決問(wèn)題的能力。

四是，通過(guò)此類研究，極大地激發(fā)了學(xué)生的研究興趣。書本中相對(duì)復(fù)雜的知識(shí)點(diǎn)，譬如邊坡的穩(wěn)定性分析技術(shù)，平時(shí)學(xué)生對(duì)動(dòng)手計(jì)算有畏難情緒

。但是，獲得了試驗(yàn)結(jié)果后，學(xué)生能夠主動(dòng)去計(jì)算，迫切希望能夠算出結(jié)果與試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比。另外，有的學(xué)生還能進(jìn)一步設(shè)計(jì)出新的試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證對(duì)比。譬如，他們提出由p-s曲線的直線段推算出變形模量，與由固結(jié)試驗(yàn)獲得的壓縮指數(shù)進(jìn)行對(duì)比研究，并與筆者開發(fā)的土力學(xué)有限元仿真軟件模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比[8]。

五是，除了上述較直接的教學(xué)效果外，基于上述研究拍攝剪輯的視頻資料，已準(zhǔn)備在國(guó)內(nèi)開放資源平臺(tái)向?qū)W生開放，預(yù)期能取得更為可觀的效益。

三、結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種適用于土力學(xué)課程本科教學(xué)的平面應(yīng)變綜合試驗(yàn)臺(tái)。有了此試驗(yàn)臺(tái)可以進(jìn)行土力學(xué)課程中地基承載力、擋墻土壓力以及邊坡穩(wěn)定性等問(wèn)題的模型試驗(yàn)研究。實(shí)踐表明，該試驗(yàn)臺(tái)能夠達(dá)到完成上述三種平面應(yīng)變問(wèn)題試驗(yàn)的目的，并能使學(xué)生深入掌握土力學(xué)理論，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，

切實(shí)提高學(xué)生的動(dòng)手和分析、解決問(wèn)題的能力。該綜合試驗(yàn)臺(tái)客觀上改進(jìn)了現(xiàn)有土力學(xué)課程的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，成為必要的實(shí)踐教學(xué)資源，具有一定的推廣價(jià)值。參考文獻(xiàn)：

[1] 陳仲頤， 周景星，王洪瑾. 土力學(xué)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社， 1994.

[2] 賀瑞霞，張國(guó)強(qiáng). 土力學(xué)課程特點(diǎn)及其教學(xué)方法的探討[J].高等建筑教育，2007，16（2）：92-94.

[3] 王俊杰. 工程類專業(yè)土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[J].高等建筑教育，2009，18（6）：110-114.

[4] 廖原. 土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革探討[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2013，16（6）：81-83.

[5] 姬鳳玲. 土力學(xué)試驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目改革探析[J].中國(guó)建設(shè)教育，2015（1）：17-19.

[6] 沈楊，葛冬冬，陶明安，杜文漢. 土力學(xué)原理可視化演示模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研究[J].力學(xué)與實(shí)踐，2014，36（5）：662-666.

[7] 謝定義，陳存禮，胡再?gòu)?qiáng). 試驗(yàn)土工學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2011.

[8] 商翔宇，鄭秀忠，梁恒昌. 土力學(xué)本科教學(xué)有限元仿真軟件的開發(fā)與應(yīng)用[J].高等建筑教育，2014，23（2）：136-139.