巖土工程專業(yè)競賽在創(chuàng)新型與實踐型人才培養(yǎng)中的作用

高磊+沈揚(yáng)+龔云皓

摘要：巖土工程專業(yè)競賽對培養(yǎng)適應(yīng)時代要求的土木工程專業(yè)創(chuàng)新和實踐型人才具有重要的作用。本文通過具體賽例分析，詳細(xì)闡述了巖土工程競賽對培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新能力和實踐能力產(chǎn)生的作用；同時巖土工程專業(yè)競賽與實際工程的緊密結(jié)合，能夠提升大學(xué)生基本專業(yè)素質(zhì)與專業(yè)技能，培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新意識與合作精神，鍛煉大學(xué)生實踐能力與創(chuàng)新設(shè)計能力，從而對大學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)起到積極作用。

關(guān)鍵詞：巖土工程競賽；創(chuàng)新意識；實踐能力；綜合素養(yǎng)

中圖分類號：G642；TU45 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：10052909（2017）02001705

近年來，伴隨著土木工程類大學(xué)生專業(yè)競賽在全國范圍內(nèi)如火如荼地開展，巖土工程專業(yè)大學(xué)生競賽在高校間悄然興起。2015年，由高等學(xué)校土木工程學(xué)科教學(xué)指導(dǎo)委員會和中國土木工程學(xué)會主辦了第一屆全國大學(xué)生巖土工程競賽，包括同濟(jì)大學(xué)、清華大學(xué)、河海大學(xué)等在內(nèi)的全國16所土木名校代表隊受邀參加了比賽。2016年國內(nèi)浙江大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、河海大學(xué)受邀參加了由美國土木工程師學(xué)會舉辦的土木工程大學(xué)生競賽太平洋賽區(qū)比賽（ASCE Mid-Pacific Student Conference）。作為土木工程類專業(yè)競賽，巖土工程專業(yè)競賽與結(jié)構(gòu)設(shè)計專業(yè)競賽在競賽方式、內(nèi)容、側(cè)重點等方面有所差異[1-4]。筆者結(jié)合第一屆全國大學(xué)生巖土工程競賽（簡稱“全國賽”）和2016 ASCE Mid-Pacific Student Conference（簡稱“美國賽”）的比賽情況，論述巖土工程競賽對學(xué)生基本專業(yè)素養(yǎng)的提高、創(chuàng)新思維和實踐能力的培養(yǎng)以及綜合能力的提升所產(chǎn)生的作用。

一、巖土工程競賽賽題緊密集合實際工程

巖土工程專業(yè)大學(xué)生競賽作為土木工程專業(yè)類競賽之一，其賽題設(shè)計與實際工程緊密結(jié)合。

（1）競賽模型來源于實際工程的合理簡化，具有很強(qiáng)的工程背景和實用價值。本次全國賽的賽題是在一個15×40×40cm的空間內(nèi)，用給定材料建造一個紙質(zhì)擋土墻，用來承受墻后的土壓力及上部靜荷載。其實際背景是，公路兩側(cè)邊坡出于安全考慮需要進(jìn)行加固，考慮到邊坡的三維空間分布，擋土墻的建造尺寸受到限制。美國賽的賽題是建造一個三面加筋擋土墻，并且用硬木樁和結(jié)構(gòu)來給墻體施加偏心荷載，其實際應(yīng)用是將加筋擋土墻作為橋臺的基礎(chǔ)。

（2）競賽模型的建造在實際工程的基礎(chǔ)上進(jìn)行發(fā)展和創(chuàng)新，一定程度上依托實際工程而又有獨創(chuàng)性，考慮了特殊的結(jié)構(gòu)形式對巖土工程體的影響。一方面，競賽模型的建造是以實際工程為參照對象，比如全國賽中由于沒有限制擋土墻的類型，參賽隊伍的擋土墻模型很多都是實際工程中常見的擋土墻類型，如重力式、懸臂式、扶壁式、錨桿式、加筋式等；另一方面，參賽模型并不局限于實際工程，不少高校的作品都是兩種甚至三種以上的混合式擋土墻，如重力錨桿式擋土墻、扶壁加筋式擋土墻等，均是在實際工程基礎(chǔ)上的發(fā)展和創(chuàng)新。同時，相比于實際工程，模型建造快捷方便，可以在建造和加載過程中不斷改變模型參數(shù)以提高模型力學(xué)性能，最終設(shè)計出結(jié)構(gòu)簡單、受力合理的結(jié)構(gòu)。這些極具創(chuàng)新精神的結(jié)構(gòu)設(shè)計，對學(xué)生的創(chuàng)新思維和動手能力有所提升，同時可以對實際工程起到一定的借鑒作用，促進(jìn)了實際工程建設(shè)角度和思路的擴(kuò)展。

（3）競賽模型的設(shè)計原則、方法與實際工程相似。在實際工程中，擋土墻的整體穩(wěn)定性驗算包括抗滑移驗算、抗傾覆驗算和地基承載力驗算，局部穩(wěn)定性驗算包括構(gòu)件性能驗算和節(jié)點強(qiáng)度驗算。在模型設(shè)計中，由于一般是將擋土墻放置在模型槽或箱體中，所以無需進(jìn)行地基承載力驗算，除此之外其他方面的驗算都與實際工程相同。設(shè)計時都以安全系數(shù)來判定擋土墻結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定程度，相同點在于，材料用量都是影響安全系數(shù)的重要因素；不同點在于，實際工程中出于工程安全的考慮，一般將安全系數(shù)設(shè)得較高，而模型制作中出于作品競爭力的考慮，一般會盡量減少比賽用材，將安全系數(shù)取得較低。

參賽學(xué)生通過對賽題的研究和模型的設(shè)計，能清楚地知曉模型的實際工程背景，了解實際工程的設(shè)計原則和施工工藝，這對學(xué)生將來的工作和學(xué)習(xí)非常有益。同時，學(xué)生們能通過模型的設(shè)計和制作，比較競賽模型與實際工程的異同點，在此基礎(chǔ)上對模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行發(fā)展和創(chuàng)新，并能夠?qū)崿F(xiàn)實際工程與模型緊密結(jié)合，這對選手們的辯證思維能力和創(chuàng)新能力是一個很好的鍛煉，而且有助于提高選手們科學(xué)設(shè)計、合理創(chuàng)新的積極性與主動性。

二、巖土工程競賽對學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)的提高

巖土工程競賽作為一項融合了多學(xué)科知識的實踐型、創(chuàng)新型的新興土木工程專業(yè)競賽，其對參賽學(xué)生的基本專業(yè)素養(yǎng)有一定要求。在學(xué)院和學(xué)校的層層選拔、長期的比賽準(zhǔn)備以及最終的正式比賽中，選手們的基本專業(yè)素養(yǎng)會得到進(jìn)一步提高。

（一）扎實的專業(yè)基礎(chǔ)

巖土工程競賽是綜合運用土力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、理論力學(xué)、材料力學(xué)、工程力學(xué)、土動力學(xué)等眾多學(xué)科知識的綜合性學(xué)科專業(yè)競賽，從選型、設(shè)計、計算、制作、加載、改進(jìn)到最后正式參賽，每一步都需要靈活運用所學(xué)的專業(yè)知識。專業(yè)基礎(chǔ)不扎實，很難實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的科學(xué)設(shè)計與合理優(yōu)化。在美國賽中，要求制作的是一個三面加筋擋土墻，在校內(nèi)選拔的設(shè)計書中，有的參賽隊伍只計算了擋土墻正面的土壓力，有的參賽隊伍計算了正面和側(cè)面土壓力，但都用了主動土壓力系數(shù)。正確的做法是，在進(jìn)行擋土墻設(shè)計時，擋土墻正面和側(cè)面的土壓力都要計算，但正面土壓力應(yīng)采用主動土壓力系數(shù)Ka，而側(cè)面土壓力應(yīng)采用靜止土壓力系數(shù)K0。其次，在土壓力計算公式的選擇中，不少學(xué)生選擇了庫倫土壓力公式，這是錯誤的，結(jié)合競賽模型的實際情況，比較兩種土壓力公式的適用條件可知，朗肯土壓力公式的計算結(jié)果更為準(zhǔn)確，也更接近模型的實際情況。

（二）熟練的軟件操作

對結(jié)構(gòu)的理論分析中，計算與模擬必不可少，雖然由于參數(shù)的選擇和實際操作中的人工誤差，模擬結(jié)果和實際加載的結(jié)果并不十分貼合，但它為結(jié)構(gòu)改進(jìn)與優(yōu)化提供了方向。熟練運用專業(yè)軟件能明確結(jié)構(gòu)的受力特點，找出結(jié)構(gòu)的受力薄弱面，據(jù)此在實際制作中才能有目的地進(jìn)行設(shè)計和加固，從而避免盲目地調(diào)試結(jié)構(gòu)參數(shù)。在全國賽中，部分參賽隊伍運用有限元數(shù)值分析軟件對設(shè)計的結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力和變形分析，根據(jù)分析結(jié)果在應(yīng)力較小的部位減少材料用量，在薄弱界面和危險界面進(jìn)行重點加固，同時根據(jù)構(gòu)件在理想狀態(tài)下的受力和構(gòu)件本身的強(qiáng)度，優(yōu)化構(gòu)件的尺寸和質(zhì)量。這樣有針對性的調(diào)整和加固，使得模型的設(shè)計更加科學(xué)化、效率化和簡單化，大大提高了模型設(shè)計的成功率。

（三）明晰的結(jié)構(gòu)概念

本科教學(xué)注重訓(xùn)練學(xué)生對單一構(gòu)件的受力分析，學(xué)生對巖土工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計和分析接觸較少，導(dǎo)致很多學(xué)生對結(jié)構(gòu)的類型和模型的整體受力分析不夠清晰。在美國賽中，賽題要求是“用海報紙制作一個三面的加筋擋土墻”。校內(nèi)選拔時，有參賽組用三面海報紙、兩面牛皮紙做成了一個擋土墻，并在擋土墻內(nèi)部進(jìn)行加筋，這是典型的概念不清，加筋擋土墻的受力特點是利用加筋體在土體中的摩擦使擋土墻保持穩(wěn)定，而上述擋土墻表面上雖符合競賽要求，但它實質(zhì)上是一個重力式擋土墻，說明學(xué)生對賽題的認(rèn)識存在一定的偏差。

扎實的專業(yè)基礎(chǔ)、熟練的軟件操作和明晰的結(jié)構(gòu)概念是對參賽選手專業(yè)素養(yǎng)的基本要求，在參賽過程中，學(xué)生通過模型構(gòu)思、模型制作、報告編寫等環(huán)節(jié)的考驗，較大地提升了選手們的專業(yè)素養(yǎng)。

特別需要指出的是，巖土工程競賽由于涉及知識面廣，與實際工程聯(lián)系緊密，實踐操作難度大，參賽者在競賽過程中需要專業(yè)指導(dǎo)教師的思路指引和實踐指導(dǎo)。由于巖土工程競賽的特殊性，要求指導(dǎo)老師既要有深厚的理論基礎(chǔ)，又要有豐富的工程實踐經(jīng)驗，并且能引導(dǎo)、啟發(fā)學(xué)生對模型制作與實際工程之間關(guān)系的深入思考，以能力培養(yǎng)為導(dǎo)向，以挖掘潛力為目標(biāo)，在競賽過程中注重提升參賽學(xué)生的綜合素質(zhì)；要鼓勵和引導(dǎo)學(xué)生享受競賽過程，在過程中獲得成長與提升，而不能過于功利化，過分關(guān)注最終的競賽成績。

三、巖土工程競賽對學(xué)生創(chuàng)新思維和實踐能力的培養(yǎng)

從本質(zhì)而言，巖土工程競賽是一種推動學(xué)生專業(yè)素質(zhì)提高的活動，代表專業(yè)性和體現(xiàn)實踐性，屬于難度較大的比賽活動。面對相同的賽題，選手們由于理解角度和自身對專業(yè)知識掌握程度的不同，設(shè)計出的作品往往各具特色，這種個性化的設(shè)計本身就體現(xiàn)著對巖土工程結(jié)構(gòu)概念的發(fā)展和創(chuàng)新。在設(shè)計確定后，實體模型從無到有、從粗到精，在長期制作和加載過程中不斷總結(jié)、不斷改進(jìn)、不斷完善，選手們的實踐能力在此過程中得到培養(yǎng)和提高。

在巖土工程競賽中，創(chuàng)新無處不在。創(chuàng)新可以是參賽選手根據(jù)比賽規(guī)則，靈活運用專業(yè)知識，創(chuàng)造出前所未有的結(jié)構(gòu)形式。實際工程中擋土墻的材料多是鋼筋混凝土，而競賽中為了便于制作，通常以硬卡紙、牛皮紙等紙質(zhì)材料作為原料，材料的不同造成了制作工藝的不同。模型制作中，需要在實際工程的基礎(chǔ)上對傳統(tǒng)工藝進(jìn)行創(chuàng)新和發(fā)展。在全國賽中，因為沒有規(guī)定結(jié)構(gòu)類型，所以參賽選手們充分發(fā)揮聰明才智，設(shè)計出許多結(jié)構(gòu)精美、受力合理但在實際工程中不常見的擋土墻，如重力錨桿式擋土墻、扶壁加筋式擋土墻等。這充分體現(xiàn)了參賽選手對實際工程結(jié)構(gòu)特點的熟練掌握，以及在此基礎(chǔ)上進(jìn)行科學(xué)發(fā)展、合理組合的創(chuàng)新意識。

創(chuàng)新也可以是參照工程實際實現(xiàn)局部構(gòu)件的發(fā)展和突破。在實際工程中，結(jié)構(gòu)和構(gòu)件多以受壓為主，以求充分發(fā)揮混凝土的高抗壓能力。在模型制作中，紙質(zhì)材料的抗拉強(qiáng)度明顯大于抗壓強(qiáng)度，這就需要在設(shè)計中實現(xiàn)構(gòu)件受力方式的轉(zhuǎn)變。在全國賽中，有的參賽隊伍將硬卡紙裁剪折疊做成“拉鎖”，連接擋土墻的上部和底部（如圖1所示），一方面充分發(fā)揮硬卡紙受拉能力強(qiáng)的特點，另一方面“拉鎖”拉住擋土墻的頂部可以防止擋土墻發(fā)生傾覆破壞。在“拉鎖”與擋土墻面板的連接處，在面板上開槽，將“拉鎖”穿過面板，在面板正面折疊粘貼（如圖2所示），這樣做可將節(jié)點處的受力模式從受拉改為受剪，充分發(fā)揮雙面膠的抗剪能力。

創(chuàng)新還可以是制作工具的開發(fā)和施工工藝的改進(jìn)。在美國賽中，因為主辦方?jīng)]有限制比賽的輔助工具，所以每個參賽隊伍都依據(jù)自身需要進(jìn)行了工具的準(zhǔn)備和施工工藝的制定，根據(jù)比賽需要自制了壓實工具，并在壓實時采取實際工程中分層擊實的方法。有參賽隊伍則使用橡皮錘進(jìn)行壓實，利用橡皮錘在擊打時的彈性波擴(kuò)大壓實范圍；同時也有參賽隊伍是將砂全部加入砂箱中，然后擊打砂箱側(cè)面，利用砂箱的振動使砂達(dá)到密實狀態(tài)。伯克利大學(xué)代表隊則是將砂加滿后在砂箱上放置一塊木板，然后隊員站在木板上跳動，利用重力對砂進(jìn)行壓實。這些不拘一格的工具使用和施工工藝的改進(jìn)充分體現(xiàn)了參賽選手的創(chuàng)新理念。

在巖土工程競賽的準(zhǔn)備過程中，對參賽學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)貫穿始終。首先是材料和構(gòu)件物理力學(xué)性能參數(shù)的確定。材料和構(gòu)件的力學(xué)性能對模型最終的承載能力至關(guān)重要，由于巖土工程競賽所采用的材料并非一般的工程材料，其物理力學(xué)性能參數(shù)不能直接從相關(guān)規(guī)范中獲得，所以在設(shè)計之前應(yīng)先設(shè)計實驗方案，測定所用材料、構(gòu)件的物理力學(xué)性能。圖3為用萬能試驗機(jī)測試牛皮紙的抗拉強(qiáng)度，圖4為測試海報紙與砂箱的摩察系數(shù)。參賽選手根據(jù)計算需要設(shè)計試驗、操作試驗機(jī)、采集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)，最終得到材料和構(gòu)件的物理力學(xué)性能參數(shù)，在此過程中，學(xué)生的動手能力得到鍛煉，對基本試驗的認(rèn)識得到強(qiáng)化，對材料和構(gòu)件物理力學(xué)性質(zhì)的認(rèn)識得到加強(qiáng)。

其次是模型的制作。模型制作相當(dāng)于實際工程中的施工過程，科學(xué)合理的設(shè)計需要相應(yīng)成熟的施工技術(shù)進(jìn)行實施。在模型制作中，想盡可能地實現(xiàn)設(shè)計方案，需要全面考慮模型構(gòu)件的精工細(xì)作，包括節(jié)點的加固處理、膠水的均勻使用、構(gòu)件的精準(zhǔn)裁剪等，力求盡可能減少或避免制作誤差。有時候為了減少構(gòu)件的質(zhì)量，會對部分構(gòu)件進(jìn)行打磨、刮毛等處理。由于模型是紙質(zhì)材料，易折斷，所以處理時需非常小心，但正式比賽時模型制作又有時間限制，所以處理時還需要有一定的速度。參賽學(xué)生在平時練習(xí)時，注意力需要高度集中，做到耐心、細(xì)致，學(xué)生們的專注程度和細(xì)心程度在此過程中會得到很大提升。

最后是模型結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和改進(jìn)。理論計算、數(shù)值模擬等手段只是針對理想狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行受力分析，其分析結(jié)果只能作為一個重要參考，真正決定結(jié)構(gòu)是否合理的是模型的加載表現(xiàn)。模型的加載表現(xiàn)是結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)的主要依據(jù)。在加載時，應(yīng)仔細(xì)觀察模型在每一級荷載下的撓度、位移和變形，對變化明顯或者出現(xiàn)破壞面的地方進(jìn)行重點加固。在加固完成后進(jìn)行再次加載，確保模型能夠加載成功，在加載成功的基礎(chǔ)上考慮減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，以獲得更高的競爭力。模型結(jié)構(gòu)到后期就是一個不斷改進(jìn)、不斷優(yōu)化的過程，在此過程中，學(xué)生的觀察能力和發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力會得到顯著提高。

四、巖土工程競賽對學(xué)生綜合能力的提升

（一）流利的專業(yè)語言表達(dá)

語言表達(dá)能力是現(xiàn)代人才必備的基本素質(zhì)之一。在現(xiàn)代社會，由于經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，人們之間的交往日益頻繁，語言表達(dá)能力的重要性也日益增強(qiáng)，語言表達(dá)能力越來越被認(rèn)為是現(xiàn)代人所應(yīng)具有的必備能力。作為巖土工程專業(yè)的學(xué)生，選手們不僅要有新的思想和見解，還要在觀眾面前很好地表達(dá)出來。流利的專業(yè)語言表達(dá)能將巖土工程參賽作品的設(shè)計思路、制作過程、優(yōu)化方法等清晰地向評委展示出來，同時對自己的交流能力也是一種提升。在美國賽中，正式加載前有一個“Presentation”環(huán)節(jié)，每個隊伍有五分鐘的時間結(jié)合設(shè)計海報向大賽評委介紹自己的作品，包括材料參數(shù)的獲得、計算公式的選用、模型構(gòu)建的優(yōu)化等，展示結(jié)束后特地設(shè)置了評委提問環(huán)節(jié)，可見大賽主辦方對參賽選手專業(yè)語言表達(dá)能力的重視。

（二）默契的團(tuán)隊合作

默契的團(tuán)隊合作能培養(yǎng)團(tuán)隊成員之間的親和力，推動團(tuán)隊運作和發(fā)展，有利于提高組織整體效能。在團(tuán)隊精神的作用下，團(tuán)隊成員產(chǎn)生了互相關(guān)心、互相幫助的交互行為，顯示出關(guān)心團(tuán)隊的主人翁責(zé)任感，并自覺以團(tuán)隊的聲譽(yù)為重以約束自己的行為，從而激發(fā)主動性，通過發(fā)揚(yáng)團(tuán)隊精神取得更好的成績。在全國賽準(zhǔn)備過程中，由于制作時間緊張、制作工序繁多，很多工序需要兩個人配合才能完成。針對這種情況，選手們通過分解制作步驟，科學(xué)組合搭配，注意人員的站位和制作工具的擺放，在經(jīng)過合理的安排和長時間的訓(xùn)練后，團(tuán)隊成員在制作過程中無需語言交流，憑借彼此間的默契在比賽現(xiàn)場圓滿完成了制作任務(wù)。

（三）良好的心理素質(zhì)

競賽是一個需要耐心、毅力和長時間辛苦付出的創(chuàng)新實踐性活動，無論是全國賽還是美國賽，從賽題發(fā)布開始準(zhǔn)備到最終奔赴舉辦地正式參加比賽，都?xì)v時小半年，加上高年級本科生的課業(yè)負(fù)擔(dān)很重，所以能否在長期艱苦的模型設(shè)計、模型制作中堅持下來，能否在競賽和課業(yè)之間找到平衡本身就是對參賽學(xué)生心理的一個考驗；其次，在平時設(shè)計和制作中遇到的困難、制作結(jié)果與設(shè)計結(jié)果相差太大等問題會困擾參賽學(xué)生，特別是面對一次次加載失敗的情況，學(xué)生容易產(chǎn)生氣餒心理；再者，比賽現(xiàn)場材料性能的不同、制作環(huán)境（溫度、濕度）的差異會使參賽選手產(chǎn)生恐慌、被動和焦慮心理。上述問題和情況都是對參賽學(xué)生心理素質(zhì)和承壓能力的重大考驗，在困難和突發(fā)狀況面前擁有過硬的心理素質(zhì)和良好的應(yīng)變能力，并始終保持清醒的頭腦，冷靜地分析問題，才能最終克服困難，取得成功。

五、結(jié)語

文章通過全國賽和美國賽的賽題分析，結(jié)合制作實例和比賽經(jīng)歷，闡述了巖土工程競賽與實際工程的密切關(guān)聯(lián)，指出競賽有利于學(xué)生在基礎(chǔ)知識、軟件操作、概念設(shè)計等專業(yè)素養(yǎng)方面的提高，有利于學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，有利于實踐能力的鍛煉以及在語言交流、團(tuán)隊合作、心理素質(zhì)等綜合能力方面的提升，說明巖土工程競賽在培養(yǎng)土木工程創(chuàng)新型和實踐型人才中起到至關(guān)重要的作用。

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Abstract：The professional competition of geotechnical engineering plays an important role in innovative and practical talents of civil engineering. In this paper， through the competition example， the geotechnical engineering competition for training innovation ability and practice ability of students are detailed described， the geotechnical engineering professional competition is closely with engineering practice. The competition can enhance the basic professional quality and professional skills of college student， it can cultivate the innovation consciousness， the spirit of cooperation， exercise their practice ability and innovation ability of students， it plays a positive role to cultivate the comprehensive quality of college students.

Keywords： geotechnical engineering competition； innovative consciousness； practical ability； comprehensive quality

（編輯 胡 玥）