“土的特點(diǎn)”講解方法探討

候新平

摘要：文章通過(guò)列舉乒乓球等生動(dòng)實(shí)例，介紹了土的“碎散性、多相性和天然性”等特點(diǎn)的講解方法，結(jié)合實(shí)際課堂教學(xué)效果得出，教學(xué)中一些恰當(dāng)?shù)淖h論、比喻或穿插小故事將加深學(xué)生的理解和記憶，活躍課堂氣氛，增強(qiáng)教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：土的特點(diǎn)；生動(dòng)實(shí)例；增強(qiáng)教學(xué)效果

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

10052909（2017）05004703

自然界中的土是土力學(xué)的具體研究對(duì)象，也是一種不同于其他建筑材料的研究對(duì)象。土木工程及相關(guān)專業(yè)學(xué)生，在土力學(xué)之前的專業(yè)基礎(chǔ)課程學(xué)習(xí)階段，特別是所學(xué)的經(jīng)典數(shù)學(xué)和力學(xué)中，研究對(duì)象都被高度理想化，與真實(shí)事物距離很遠(yuǎn)[1]。這些經(jīng)典理論往往容易讓學(xué)生誤以為公式和計(jì)算手段可以精確解決一切問(wèn)題，因而學(xué)生在最初接受和理解復(fù)雜事物和規(guī)律時(shí)，常常會(huì)茫然無(wú)措。為此，在土力學(xué)教學(xué)時(shí)，首先，應(yīng)強(qiáng)調(diào)“土”這個(gè)具體研究對(duì)象的特殊性——碎散性、多相性和天然性，從具體工程問(wèn)題的實(shí)際出發(fā)，避開(kāi)純數(shù)學(xué)、力學(xué)的觀點(diǎn)分析，通過(guò)不同角度建立假設(shè)講解，避免其中的枯燥與乏味。

一、“碎散性”的講解

土雖然是巖石風(fēng)化的產(chǎn)物，卻有別于巖石的特性，即土的“碎散性”，該特性由土的形成過(guò)程決定。巖石經(jīng)過(guò)物理風(fēng)化和化學(xué)風(fēng)化等地質(zhì)作用后形成一個(gè)個(gè)小碎塊，碎塊堆積在一起形成了土的“碎散性”。該特點(diǎn)可引出“土受力以后容易變形，體積變化主要是孔隙變化，變形主要由顆粒相對(duì)位移引起，強(qiáng)度低”等性質(zhì)。

實(shí)際教學(xué)中，如單純將這幾個(gè)性質(zhì)告訴學(xué)生，比較枯燥，也難于理解。相反，如果將土體假設(shè)為一堆乒乓球再來(lái)講解，會(huì)更加形象生動(dòng)并能引起學(xué)生興趣。

土顆粒大小不均，粗至巨礫，細(xì)至黏粒，都被稱為“土”，不妨假設(shè)每個(gè)土顆粒都如乒乓球一樣大，土體可以近似看作是一堆乒乓球（圖1a）。僅僅用一個(gè)微小的力，乒乓球堆中的任一球便隨機(jī)亂蹦，說(shuō)明土體強(qiáng)度低，受力以

后容易發(fā)生變形。不難發(fā)現(xiàn)，乒乓球堆的變形實(shí)際只是體積變化，由乒乓球之間的相對(duì)位移引起，單個(gè)球本身沒(méi)有發(fā)生任何變形（圖1b），對(duì)應(yīng)到土體上，“受力以后容易變形，體積變化主要是孔隙變化，變形主要由顆粒相對(duì)位移引起，強(qiáng)度低”等性質(zhì)便不難理解了。如果能把該假設(shè)做成一個(gè)flash或現(xiàn)場(chǎng)利用一堆乒乓球來(lái)演示，效果更佳，學(xué)生也更易接受。在此，筆者建議無(wú)論是動(dòng)畫還是現(xiàn)場(chǎng)演示，給乒乓球或土體的外力最好是壓力，以便于解釋土“壓縮性較強(qiáng)”的性質(zhì)。

圖1受壓力前后的土體（假設(shè)土顆粒如乒乓球一樣大）

清華大學(xué)李廣信教授曾經(jīng)舉過(guò)這樣一個(gè)例子：砂土常被稱為“一盤散沙”，而黏性土的黏聚力與巖石晶粒之間的鍵連結(jié)相比很微弱，所以我們用石塊打人會(huì)打破頭，而用土塊打人頂多起個(gè)包[2]。這一例子能比較形象地解釋土的“強(qiáng)度低”，當(dāng)然“石塊”指土顆粒，“土塊”指土體，正是由于土體的強(qiáng)度低，所以用“土塊”打人只能起個(gè)包，不能將對(duì)方打得頭破血流。

二、“三相性”的講解

天然狀態(tài)下，自然界中的土是由固體顆粒、水和氣體組成的三相體系，該特點(diǎn)是土區(qū)別于一般建筑材料的重要特點(diǎn)之一。具體講解時(shí)，應(yīng)讓學(xué)生擯棄自以為是的“土是固體”的想法，筆者建議結(jié)合“碎散性”做成三相示意圖（圖2）或是現(xiàn)場(chǎng)選取一些土講解，印象會(huì)更深刻。

圖2土的三相性

由“三相性”得到如下性質(zhì)：受力后，土骨架、孔隙介質(zhì)共同來(lái)承擔(dān)外力，各相之間存在復(fù)雜的相互作用，孔隙內(nèi)流體流動(dòng)。

理解了土是三相性介質(zhì)，由此得出的第一個(gè)性質(zhì)就十分容易理解——各成分肯定是集體來(lái)承擔(dān)外力，因此不必多作解釋。

第二個(gè)性質(zhì)，可以舉如下例子：在施工現(xiàn)場(chǎng)大家經(jīng)常見(jiàn)到稍濕狀態(tài)的砂性地基可開(kāi)挖成一定深度的直立坑壁，就是因?yàn)樯傲ｉg存在著作用力的緣故，這個(gè)作用力被稱為“假黏聚力”[3]。原因在于：干的砂土與飽和砂土是沒(méi)有黏聚力的，而潮濕的砂土中砂粒間有水，水氣表面的毛細(xì)力將砂?！梆そ印痹谝黄穑纬伞凹兖ぞ哿Α盵2]。日常生活中，這樣的例子還有很多，比如：我們將濕手插入干砂，拔出手后，手上會(huì)“粘”有許多砂粒；再比如，大家在河（海）砂灘的干燥部分和水下部分，是無(wú)法豎直挖洞的，而在潮濕部分，我們可以垂直挖一個(gè)小豎井而不垮，這就源于顆粒間的作用力——“假黏聚力”。當(dāng)然，還可以列舉固相和液相之間的滲透力以及其他相關(guān)的例子來(lái)解釋“各相之間存在復(fù)雜的相互作用”這個(gè)性質(zhì)。

第三個(gè)性質(zhì)——“孔隙內(nèi)流體流動(dòng)”。不妨將該性質(zhì)引申一下，舉滲透力的例子，滲透力是孔隙中一種流體。水對(duì)于土顆粒的拖曳力，正如小溪中流水對(duì)河床中卵石的拖曳力一樣，會(huì)拖拽土顆粒移動(dòng)。另外，地下水的上升與下降也充分說(shuō)明了該性質(zhì)。當(dāng)然，各位教師還可以展開(kāi)簡(jiǎn)述一下“流砂”“管涌”等現(xiàn)象，既讓學(xué)生理解“孔隙內(nèi)流體流動(dòng)”這一性質(zhì)，又充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生積極性，可謂一舉兩得。

三、“天然性”的講解

“天然性”也是土區(qū)別于一般建筑材料的重要特點(diǎn)。土是在漫長(zhǎng)地質(zhì)年代里形成的自然地質(zhì)體，由天然性可以得出“土的非均勻性、各向異性、時(shí)空變異性”等性質(zhì)。

其中，非均勻性是指受土形成過(guò)程的影響，成分、結(jié)構(gòu)和空間分布等都存在很大差別，土顆粒大小不一，形狀各異，該性質(zhì)很容易理解，不必多解釋。當(dāng)然，如果學(xué)生有地質(zhì)實(shí)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，這一點(diǎn)便更好理解。

關(guān)于

各向異性，由于該專業(yè)學(xué)生具有一定力學(xué)基礎(chǔ)，因此只需要告訴學(xué)生實(shí)際中土在鉛直方向和水平方向的變形模量不同，并且有的差異較大即可。

時(shí)空變異性是指隨著外界條件的變化，土的性質(zhì)也隨之發(fā)生變化。比如下雨天踩在土上與干旱天踩在土上是兩種截然不同的感覺(jué)，是軟與硬的變化，同時(shí)也是密與松的變化，再比如上海等軟土地區(qū)與四川等山區(qū)的土也是兩種截然不同的概念。

四、結(jié)語(yǔ)

以上是筆者講課過(guò)程中總結(jié)“土的特點(diǎn)”的講解方法，經(jīng)過(guò)幾年的實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，列舉生動(dòng)恰當(dāng)?shù)膶?shí)例有利于基本原理講解，課堂氣氛較好，學(xué)生也樂(lè)于接受。在課堂效果調(diào)查中，學(xué)生普遍反映印象深刻，理解容易，逐漸對(duì)土力學(xué)產(chǎn)生興趣。其他內(nèi)容的講解，也應(yīng)進(jìn)行一些恰當(dāng)?shù)淖h論、比喻或穿插小故事?？傊灰膫湔n，生動(dòng)授課，必定能幫助學(xué)生將枯燥的課程學(xué)習(xí)變?yōu)橛腥さ目茖W(xué)探索，進(jìn)而增強(qiáng)教學(xué)效果。參考文獻(xiàn)：

[1] 姚笑青.土力學(xué)課程特點(diǎn)與課程教學(xué)方法探討[J].高等建筑教育，2007，16（4）：81-85.

[2] 李廣信.奇談怪論土力學(xué)[J] .巖土工程界，2003，6（8）：24-26.

[3] 張力霆.土力學(xué)與地基基礎(chǔ) [M].2版.北京：高等教育出版社，2002：12.

Abstract： Based on vivid examples of table tennis and so on， this paper introduced the method of explaining the characteristics of the soil， which is “broken， multiphase and natural”. Combined with the actual effect of classroom teaching， the author summarized that some proper discussions， metaphors， or small stories in the teaching would deepen students understanding and memory， active classroom atmosphere， and enhance the teaching effect.

Keywords： characteristics of the soil； vivid instances； enhance the teaching effect

（編輯周沫）endprint