土力學(xué)教學(xué)中學(xué)生科研能力訓(xùn)練探索

盧萌盟　劉志強　王博??

摘要：

土力學(xué)是一門理論性較強的課程，其教學(xué)內(nèi)容無論從深度還是廣度來講都非常適合用來訓(xùn)練學(xué)生的探索性思維能力。文章以講授土層的應(yīng)力歷史為例，對土力學(xué)面向研究的教學(xué)方法進行探索。教師在授課時可圍繞知識點設(shè)置一系列的問題來引導(dǎo)學(xué)生主動思考，通過解決問題的方式來理解知識點。在理解知識點的前提下，教師進一步就該問題進行拓展，引導(dǎo)學(xué)生進入更廣闊的層面深入思考，使學(xué)生了解目前的研究概況，以及與知識點相關(guān)的科學(xué)研究前沿問題。通過教師引導(dǎo)、學(xué)生主動思考的教學(xué)方式既使學(xué)生更加深刻理解知識點，又能使學(xué)生的科研創(chuàng)新能力得以啟蒙，從而達到良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：土力學(xué)；教學(xué)改革；科研訓(xùn)練；應(yīng)力歷史

中圖分類號：G642；TU43文獻標志碼：A文章編號：

10052909（2017）01008904

目前，各高校在本科教育階段都非常注重對創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，而科研訓(xùn)練是推動創(chuàng)新人才成長的驅(qū)動力，因此，通過選擇合適的課程對學(xué)生進行一定的科研訓(xùn)練無疑對人才培養(yǎng)的質(zhì)量起著重要的促進作用。

土力學(xué)是研究土體的應(yīng)力、變形、強度、滲流及長期穩(wěn)定性的一門學(xué)科。其很多課程內(nèi)容和研究方法均借鑒于其他的力學(xué)學(xué)科。例如，土中應(yīng)力計算來源于彈性力學(xué)中的布辛奈斯克（Boussinesq）解，土中的滲流計算源于流體力學(xué)，土中的應(yīng)力狀態(tài)和擋土墻土壓力計算來自于材料力學(xué)中的強度理論，地基的極限承載力計算源于塑性力學(xué)中的滑移線理論。因此，通過對土力學(xué)的學(xué)習(xí)，學(xué)生除了可以更加深入地理解相關(guān)力學(xué)知識外，還可以學(xué)會如何用一般的力學(xué)原理來解決實際工程問題。

另外，除了具有深厚的理論背景外，土力學(xué)還是一門實踐性較強的課程。事實上，作為土力學(xué)的研究對象，土是一種非均質(zhì)、非彈性、多孔的三相介質(zhì)，與以往的各種力學(xué)學(xué)科所研究的對象有著本質(zhì)的區(qū)別。因此，在沿用以往力學(xué)知

識的同時，須借助于配套的參數(shù)獲取方法和工程經(jīng)驗的輔助，才能使以往建立在理想介質(zhì)基礎(chǔ)上的力學(xué)知識適用于土這種復(fù)雜的多孔介質(zhì)。因此，土力學(xué)是一門理論結(jié)合實踐的綜合性課程，非常適合用來訓(xùn)練和培養(yǎng)學(xué)生的科研能力。

因此，土力學(xué)一直是高校教師進行教學(xué)改革嘗試的熱點課程，也取得了顯著的教學(xué)效果[1-3]。文章以土力學(xué)中應(yīng)力歷史知識點的授課為例，通過采用設(shè)置問題的方法幫助學(xué)生理解知識，同時在掌握知識的基礎(chǔ)上，通過對知識點的引申，使學(xué)生了解與所學(xué)知識點相關(guān)的學(xué)科前沿動態(tài)，對學(xué)生的科研素質(zhì)進行啟蒙，以達到科研訓(xùn)練的目的。

一、設(shè)置問題掌握知識點

土層的應(yīng)力歷史指土層在沉積過程中（即歷史上）的受力情況，可通過土層先期固結(jié)壓力pc與現(xiàn)有的覆蓋土重p1之比OCR來加以描述。根據(jù)應(yīng)力歷史可將土分為正常固結(jié)土、超固結(jié)土和欠固結(jié)土三種。對于應(yīng)力歷史的學(xué)習(xí)，其首要問題是確定土層的先期固結(jié)壓力pc，只有確定了先期固結(jié)壓力才能描述土層目前所處的狀態(tài)。

先期固結(jié)壓力是土力學(xué)中一個重要概念，是衡量土體結(jié)構(gòu)性的參數(shù)之一。教師在講授先期固結(jié)壓力時，可按照學(xué)生的思維習(xí)慣，將想要講授的內(nèi)容設(shè)置成一系列由淺入深的問題，教師以問題為導(dǎo)向，通過解答問題來幫助學(xué)生理解先期固結(jié)壓力。在教學(xué)中筆者按照圖1所示的講解思路，講授先期固結(jié)壓力時所設(shè)置的問題和解答如下。

（1）對學(xué)生來講，當(dāng)接觸一個新的知識點時，其第一反應(yīng)就是知識點概念的探知，即講的是什么，因此教師的首要任務(wù)是幫助學(xué)生了解概念。因此，教師首先給出先期固結(jié)壓力的定義，即先期固結(jié)壓力是天然土層在地質(zhì)歷史上所經(jīng)受過的最大有效應(yīng)力或者固結(jié)壓力。教師要指出該定義所隱含的更為深層的意義，即先期固結(jié)壓力是土層在地質(zhì)歷史上所經(jīng)受過的最大壓力；在該壓力下土層的固結(jié)已經(jīng)結(jié)束，因此，先期固結(jié)壓力也稱土層在地質(zhì)歷史上所受到的最大豎向有效應(yīng)力。

（2）介紹完先期固結(jié)壓力的概念，學(xué)生緊接著會問：為什么要學(xué)習(xí)先期固結(jié)壓力？學(xué)習(xí)這個概念有什么作用？教師應(yīng)該講述學(xué)習(xí)先期固結(jié)壓力的意義，讓學(xué)生明白了學(xué)習(xí)這個知識點的意義，學(xué)生才能對其概念有更為深刻的認識。

教師可按如下講述：首先，先期固結(jié)壓力是反映土層原始應(yīng)力狀態(tài)的一個指標。通過先期固結(jié)壓力pc與現(xiàn)有的覆蓋土重p1之比可以判斷土體屬于超固結(jié)土、正常固結(jié)土還是欠固結(jié)土。一般來說，同一深度處，超固結(jié)土壓縮性較低，正常固結(jié)土次之，欠固結(jié)土壓縮性最高，所以說，通過先期固結(jié)壓力能大概判斷出土體的壓縮性大小。

另外，土體在超固結(jié)段和正常固結(jié)段的壓縮性不同，所以在計算土層的沉降時，必須首先確定土層的先期固結(jié)壓力，以此來確定土體在不同的壓力范圍段內(nèi)處于何種狀態(tài)。以超固結(jié)土為例，超固結(jié)土的壓縮曲線在先期固結(jié)壓力前、后分別處于超固結(jié)狀態(tài)和正常固結(jié)狀態(tài)，兩種狀態(tài)采用不同的壓縮性指標來計算土層沉降。因此，先期固結(jié)壓力的確定是計算土層沉降的先決條件。

（3）緊接著給出下面的問題：既然在土體的壓縮曲線上存在超固結(jié)段和正常固結(jié)段，那這兩段如何區(qū)分？也就是如何確定先期固結(jié)壓力？

教師解答如下：以四校合編的《土力學(xué)》教材為例[4]，各類教材都推薦采用如圖2所示的Cassagrande經(jīng)驗作圖法來確定先期固結(jié)壓力，首先找出e-lgp曲線上曲率半徑最小的一點A；然后過A點作水平線A1和切線A3；最后過A點作∠1A3的平分線交曲線后半段的直線段于B點，B點對應(yīng)的壓力即為先期固結(jié)壓力pc。

（4）上述問題在教科書上已經(jīng)講解清楚，教師可進一步引導(dǎo)學(xué)生深入思考：Cassagrande作圖法雖然是一種經(jīng)驗作圖法，其背后有沒有理論依據(jù)？如何理解該法？

對于上述問題，可以讓學(xué)生在課后思考，待下節(jié)課上課之前解答。教師最后可以給出如下解答：Cassagrande法是在研究了許多試驗曲線后歸納總結(jié)的一種經(jīng)驗作圖法。對于擾動較小的土樣，用Cassagrande法得到的先期固結(jié)壓力比較準確。目前，各類教科書上均沒有解釋其背后的理論依據(jù)。實際上，Cassagrande作圖法雖然是一種經(jīng)驗方法，但也是基于大量的試驗數(shù)據(jù)而成，是對客觀試驗現(xiàn)象的總結(jié)，其背后也存在著一定的理論依據(jù)。

首先，向?qū)W生說明為什么室內(nèi)壓縮曲線存在曲線段。實驗室中的土樣一般均為現(xiàn)場采樣，土樣在采集過程中，之前作用在土樣上的壓力得以卸除，所以土樣在加載初期實際上是處于一種超固結(jié)狀態(tài)，在重新加載時必然存在一個由超固結(jié)狀態(tài)向正常固結(jié)狀態(tài)轉(zhuǎn)變的過程。理論上講，如果土樣在采集、運輸及試驗過程中不受到擾動影響，土體的壓縮曲線應(yīng)該是兩個直線段，分別對應(yīng)土樣的超固結(jié)段和正常固結(jié)段，兩直線段的交點即為先期固結(jié)壓力。然而，試驗土樣難免會受到不同程度的擾動，因此土樣由超固結(jié)狀態(tài)向正常固結(jié)狀態(tài)轉(zhuǎn)變時在壓縮曲線上表現(xiàn)為曲線上的彎曲段。

Cassagrande法第一步所確定的A點是壓縮曲線上曲率半徑最小的點，可以認為A點是土的壓縮特性發(fā)生變化的轉(zhuǎn)折點，Cassagrande認為先期固結(jié)壓力就在該點附近，通過A點分別作水平線A1和切線A3。水平線A1代表轉(zhuǎn)折點處的孔隙比，與直線段（即壓縮曲線后半段）的交點橫坐標代表土樣處于正常固結(jié)狀態(tài)時壓縮至該孔隙比對應(yīng)的壓力；切線A3代表轉(zhuǎn)折點處的回彈再壓縮指數(shù)（因為處于回彈再壓縮過程中），與直線段的交點橫坐標代表土樣由超固結(jié)狀態(tài)壓縮至正常固結(jié)段時對應(yīng)的壓力。理論上講，直線段與A1和A3的交點橫坐標均為先期固結(jié)壓力，因此Cassagrande采用折中的方法，取兩交點橫坐標的平均值，即∠1A3的角平分線A2與直線段交點的橫坐標作為先期固結(jié)壓力。所以說，Cassagrande經(jīng)驗作圖法是有一定理論依據(jù)的。

最后向?qū)W生指出，Cassagrande經(jīng)驗作圖法對土樣和作圖的比例尺均有嚴格的要求。首先，要求盡可能避免在土樣的采集、運輸及試驗過程中產(chǎn)生大的擾動，事實上，只要土樣受到的擾動效應(yīng)較小，采用Cassagrande經(jīng)驗作圖法確定的先期固結(jié)壓力一般均比較準確。另外，采用Cassagrande經(jīng)驗作圖法時要注意繪圖比例尺的選擇，否則會出現(xiàn)A點很難確定，甚至A點位置隨繪圖比例尺而改變的問題。因此，在確定先期固結(jié)壓力時，一般還需結(jié)合場地地形和地貌等地質(zhì)資料加以判斷。

二、知識點的引申

講完應(yīng)力歷史的概念，引導(dǎo)學(xué)生思考為什么土體在超固結(jié)段和正常固結(jié)段具有不同的壓縮特性？

土體的應(yīng)力歷史和結(jié)構(gòu)性以及土體的壓縮性關(guān)系如圖3所示。廣義上講，所有的天然土體都具有結(jié)構(gòu)性，土的結(jié)構(gòu)性是指土體顆粒和孔隙的性狀和排列形式，以及顆粒間的相互作用。土的結(jié)構(gòu)性產(chǎn)生于土體的沉積過程中，與上覆土層的壓力大小直接相關(guān)，是土體在形成過程中所產(chǎn)生的固有屬性。土的結(jié)構(gòu)性使土體表現(xiàn)出具有記憶的特性，土體可以將歷史上曾經(jīng)受過的固結(jié)壓力，通過結(jié)構(gòu)性保持下來[5]。

土體的變形包含可以恢復(fù)的彈性變形和不可恢復(fù)的塑性變形。當(dāng)土體經(jīng)歷卸荷作用時，土體產(chǎn)生回彈變形，回彈變形不包含塑性變形，因此回彈曲線將會偏離壓縮曲線。當(dāng)對土體進行再加載時，由于土體結(jié)構(gòu)性的記憶特征，土體的再壓縮曲線會逐漸向正常壓縮曲線靠攏，因此，在回歸到正常壓縮曲線之前和之后處于兩種不同的壓縮曲線上，導(dǎo)致土體在超固結(jié)段和正常固結(jié)段壓縮特性不同。

介紹完土體結(jié)構(gòu)性的概念，可以將目前學(xué)術(shù)界對

土體結(jié)構(gòu)性的研究內(nèi)容和采用的研究方法

向?qū)W生作簡單介紹，以開闊學(xué)生的科研視野，起到科研訓(xùn)練的啟蒙作用。

三、結(jié)語

以應(yīng)力歷史知識點的講授為例，結(jié)合筆者多年的授課經(jīng)驗，闡述了在土力學(xué)授課中如何對學(xué)生的科研素質(zhì)進行訓(xùn)練。提出了以問題為導(dǎo)向的知識傳授方法，并在傳授知識的基礎(chǔ)上，進一步將知識點進行引申，使學(xué)生了解知識點相關(guān)的學(xué)科前沿動態(tài)，從而起到對學(xué)生的科研意識進行啟蒙的作用。文中給出的教學(xué)方法對土木工程專業(yè)的其他課程有一定的借鑒作用。參考文獻：

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[4]東南大學(xué)，浙江大學(xué)，湖南大學(xué)，蘇州科技學(xué)院合編.土力學(xué)[M].3版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[5]高大釗.土力學(xué)與巖土工程師[M].北京：人民交通出版社，2008.

Abstract：

Soil mechanics is a course with sound theoretical basis. The content of this course， from both its scope and depth， is very suitable for students to practice their exploratory thinking ability. Taking the teaching of stress history as an example， this paper explored the teaching methods facing scientific research in teaching of soil mechanics. Teachers can guide students to think actively by proposing a series of questions regarding the teaching content， and then students can understand the teaching content by solving these questions. Based on this， teachers can extend the teaching content and introduce students to think in a more open sight. This makes students know related frontier problems and new developments regarding the teaching content. By guiding students in active thinking，this teaching method can achieve a good effect by helping students both in understanding the content more profoundly， and in enlightening their scientific research abilities.

Keywords： soil mechanics； teaching reform； training of scientific research； stress history

（編輯梁遠華）