土木工程專業(yè)建筑工程方向基礎(chǔ)工程課程教學(xué)體會

孫建琴+劉廷濱+丁小軍

摘要：基礎(chǔ)工程是土木工程專業(yè)建筑方向的一門重要專業(yè)課，根據(jù)課程的特點，結(jié)合自身的教學(xué)經(jīng)驗和工程實踐經(jīng)歷，對教學(xué)過程中出現(xiàn)的重點難點進行了深入分析，

通過剖析工程案例，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情，認識到基礎(chǔ)工程的重要性，通過各種渠道提高教師的專業(yè)素養(yǎng)，加強實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，旨在培養(yǎng)學(xué)生工程意識，為設(shè)計單位、施工單位輸送具有扎實基礎(chǔ)知識、較強綜合能力和社會意識的工程人員。

關(guān)鍵詞：基礎(chǔ)工程；工程案例；課程教學(xué)

中圖分類號：G642；TU753 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1005-2909（2017）04-0056-04

基礎(chǔ)工程是土木工程專業(yè)建筑工程方向的一門重要專業(yè)課程[1]，在土木工程專業(yè)知識體系中有著相當(dāng)重要的地位。該課程不同于混凝土、鋼結(jié)構(gòu)等課程，涉及的理論和專業(yè)知識較多，

與工程實踐聯(lián)系緊密，具有綜合性、實踐性強的特點。

目前，蘭州交通大學(xué)土木工程專業(yè)基礎(chǔ)工程課程有32學(xué)時，存在內(nèi)容多、零散而課時少的矛盾突出。學(xué)校土木工程專業(yè)實踐教學(xué)環(huán)節(jié)相對較少，在學(xué)習(xí)該課程之前，進行了生產(chǎn)施工實習(xí)，學(xué)生對建筑工程有了初步認識，但工程實踐和應(yīng)用能力嚴重不足，工程意識薄弱。

針對課程的特點及存在的問題，結(jié)合多年的教學(xué)經(jīng)驗，對學(xué)生在學(xué)習(xí)中不容易掌握的重要內(nèi)容和教學(xué)中的關(guān)鍵問題進行了探討。通過對國內(nèi)外因地基基礎(chǔ)引發(fā)事故案例的討論，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。從提高教師的工程意識和專業(yè)素養(yǎng)，加強實踐教學(xué)兩個方面，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識，使學(xué)生具有獨立思考工程問題，善于抓住主要矛盾

解決實際工程問題的能力，最終為工程單位輸送更多的、合格的工程技術(shù)人才。

一、教學(xué)中的幾個關(guān)鍵問題

（一）概念設(shè)計的重要性

作為建筑物載體的地基土具有三相性、碎散性（非連續(xù)介質(zhì)）和天然變異性（非均勻性、各向異性、結(jié)構(gòu)性、時空變異性）的特征，加之上部結(jié)構(gòu)的多樣性、巖土參數(shù)的不確定性，導(dǎo)致地基基礎(chǔ)問題相當(dāng)復(fù)雜且具有不確定性，因此，概念設(shè)

計是確保地基基礎(chǔ)安全必不可少的重要途徑。地基基礎(chǔ)的概念設(shè)計就是將土力學(xué)的概念、結(jié)構(gòu)力學(xué)概念、巖土性質(zhì)的基本概念、地質(zhì)演化的科學(xué)規(guī)律、地下水的影響、各種施工工藝的特點、各種結(jié)構(gòu)體系的特點、基礎(chǔ)與地基相互作用、當(dāng)?shù)亟?jīng)驗、經(jīng)濟水平等影響因素綜合應(yīng)用于地基基礎(chǔ)的設(shè)計之中。

概念設(shè)計貫穿于基礎(chǔ)地基設(shè)計的全過程。陜西西安大雁塔的建造體現(xiàn)了古人利用簡單的概念解決復(fù)雜問題的智慧。例如：古人采用“堆土”的方式建塔，相對于現(xiàn)在的堆載預(yù)壓地基處理方法，堆土的荷載和范圍遠大于塔重，土清除后，經(jīng)過預(yù)壓，地基的承載力和變形一般能滿足要求。塔的基礎(chǔ)采用半圓形式，類似于 “不倒翁”的底座，具有一定自動糾偏的功能，體現(xiàn)了人類的智慧。

雅典六個石柱的設(shè)計利用概念完善方案，將柱子的形狀雕成亭亭玉立的少女。柱頂采用少女頭頂花籃的做法，花籃既起到柱帽的作用，也實現(xiàn)了美化功能。柱子在截面小的部位即人體的頸部采用披肩發(fā)將荷載傳遞到軀干，既增加了美感又避免了剛度突變。柱下部通過少女著長裙且腿部彎曲使裙外撐，既增大了柱截面面積，又增加了穩(wěn)定性。正是由于古人利用概念設(shè)計，將美學(xué)和力學(xué)概念巧妙地結(jié)合在一起，使該建筑屹立千年而不倒。利用基本概念指導(dǎo)地基基礎(chǔ)的具體計算，了解數(shù)學(xué)模型的適用條件，了解假設(shè)條件與實際工程的符合程度，了解計算方法的局限性和可能產(chǎn)生的偏差。利用基本概念和經(jīng)驗對計算結(jié)果進行分析判斷。計算結(jié)果的合理判斷對工程的安全至關(guān)重要，比如建筑的沉降計算問題，影響沉降的因素非常多，有些因素如荷載、上部結(jié)構(gòu)剛度可以較準(zhǔn)確考慮。有些因素如地基剛度、土的性質(zhì)考慮不太準(zhǔn)確，有些因素如施工周期、施工工藝、施工順序等不易考慮。計算結(jié)果的合理性和準(zhǔn)確程度依賴于綜合概念和經(jīng)驗，利用概念判斷沉降分布形態(tài)、沉降差的大小是否合理，利用已有的工程經(jīng)驗判斷計算數(shù)值的準(zhǔn)確程度等。

教師通過對大雁塔和古希臘石柱典型工程概念設(shè)計的詳細講述，引導(dǎo)學(xué)生領(lǐng)會基礎(chǔ)工程設(shè)計的特點，不盲目相信計算，意識到準(zhǔn)確的基本概念和豐富的工程經(jīng)驗對于基礎(chǔ)工程設(shè)計的重要性。

（二）天然地基承載力的特點

地基土為大變形材料，當(dāng)荷載增加時，隨著地基變形的相應(yīng)增加，地基土的密實度提高，當(dāng)變形穩(wěn)定后，地基土內(nèi)摩擦角、粘聚力和重度等都有不同程度的提高，地基承載力也逐漸加大，很難界定出一個真正的“極限值”；另一方面，建筑物的使用有功能要求，常常是地基承載力還有潛力可挖，而變形已經(jīng)達到或超過正常使用的限值，因此，地基設(shè)計采用正常使用極限狀態(tài)這一原則，即按變形控制設(shè)計[2]。

地基承載力是可以提高的。對于混凝土或鋼筋，每一強度等級都有確定的標(biāo)準(zhǔn)值和設(shè)計值，而地基土的承載力并非土的工程特性指標(biāo)，各種指標(biāo)相同的地基土，承載力可能差異很大。影響地基土承載力的因素很多，不僅與土質(zhì)、土層埋藏順序有關(guān)，而且與基礎(chǔ)底面的形狀、大小、埋深、荷載情況、上部結(jié)構(gòu)對變形的適應(yīng)程度、地下水位的升降和地區(qū)經(jīng)驗息息相關(guān)。地基承載力隨埋深增加而增大，承載力可以進行深度修正。地基承載力隨基底寬度增加，隨土質(zhì)的不同而不同。飽和軟土，增大基底尺寸不可能提高地基的承載力，而對于砂土，內(nèi)摩擦角不為零，增大基底寬度提高地基的承載力，此時，承載力可以進行寬度修正。

通過課堂對比分析，使學(xué)生對地基承載力的概念有了透徹理解，為地基基礎(chǔ)的設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。

（三）地基基礎(chǔ)方案的選擇

地基基礎(chǔ)方案對建筑工程的安全、造價和施工有決定性影響，地基基礎(chǔ)方案的確定是一門復(fù)雜技術(shù)，需要全面分析、綜合判斷。首先，需了解場地周圍的環(huán)境和場地的穩(wěn)定性，因為場地一旦出現(xiàn)問題，對建筑物的破壞是毀滅性的。其次，需了解地基土的分布和工程性質(zhì)，調(diào)研場地周圍既有建筑和設(shè)備管線情況，調(diào)研當(dāng)?shù)仡愃乒こ藤Y料，考慮地震因素如砂土液化造成的地基土整體失穩(wěn)、軟土地基的震陷等。最后，分析與基礎(chǔ)工程密切相關(guān)的地下水情況、地下水位的變化，以及有地下結(jié)構(gòu)物的建筑工程對地基基礎(chǔ)安全造成的影響。地下水的腐蝕性影響混凝土的耐久性，使地基土的強度受到破壞，形成土洞，致使地表塌陷，影響建筑場地的穩(wěn)定；地下水中的承壓水沖毀基坑，破壞地基，可能會給工程造成很大損失；在高寒地區(qū)，季節(jié)性凍土致使地基土出現(xiàn)凍脹和融陷現(xiàn)象，危及建筑物的安全和正常使用。地基基礎(chǔ)是整個上部結(jié)構(gòu)的載體，是為上部結(jié)構(gòu)服務(wù)的，地基基礎(chǔ)的方案確定應(yīng)考慮上部結(jié)構(gòu)的形式、荷載特征和剛度特點等，考慮當(dāng)?shù)氐氖┕顩r，經(jīng)過綜合的經(jīng)濟對比，最終確定地基處理方法、變形關(guān)鍵控制點及基礎(chǔ)形式，讓學(xué)生懂得地基基礎(chǔ)方案確定的重要性及復(fù)雜性，讓學(xué)生意識到只有優(yōu)秀的方案才有可能成為優(yōu)秀的設(shè)計。endprint

二、工程實例剖析

案例一

意大利比薩斜塔建于1173年，當(dāng)建至約29 m時，因發(fā)生明顯傾斜而停工。歷經(jīng)94年后復(fù)工，經(jīng)6年時間完工，高達48 m。1360年再度復(fù)工，歷時10年于1370年竣工，共8層，塔高55 m。目前，北側(cè)沉降1 m多，南側(cè)下沉近3 m，南北端沉降差1.80 m，塔頂中心偏離中心線5.27 m，傾斜5.50。該工程是典型的地基不均勻沉降引起建筑物傾斜的實例。

案例二

加拿大特朗斯康谷倉，平面尺寸23.5 m×59.4 m，高31 m，容積為36 500 m3，基礎(chǔ)為鋼筋混凝土筏基，厚0.6 m，埋深3.6 m，地基為厚達16 m的軟粘土層，1911年開工，1913年秋完工。當(dāng)谷倉裝谷子達87.7%額定容積時，發(fā)現(xiàn)谷倉下沉，24小時內(nèi)，西段下沉8.8 m，而東端上抬1.5 m，傾斜近270，上部谷倉保持完整。

案例三

上海工業(yè)展覽館中央大廳為框架結(jié)構(gòu)，采用箱形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深7.27 m，兩翼展覽館為條形基礎(chǔ)，地基為高壓縮性淤泥質(zhì)粘土。展覽館于1954年開工，當(dāng)年年底實測地基平均沉降量為60 cm。1957年中央大廳四周的沉降量最大處達到146.55 cm。

授課時討論了這三類地基的性質(zhì)及導(dǎo)致這三種地基事故的原因和相應(yīng)的處理方法。講到比薩塔傾斜情況時，學(xué)生情緒高漲，提出了比薩塔為什么會傾斜，是否會繼續(xù)下沉，如何處理等一系列問題。分析傾斜原因，地基持力層為粉砂，下面為粉土和粘土層，地基壓縮層不均勻，造成傾斜?，F(xiàn)在每年下沉1 mm。處理措施：1838—1839年挖環(huán)形基坑卸載；1933—1935年基坑防水處理，基礎(chǔ)環(huán)灌漿加固；1992年7月加固塔身，用壓重法和取土法進行地基處理，對幾種處理方法做了歸納。案例二的事故原因，地基實際承載力小于破壞時的基底壓力，谷倉地基因超載發(fā)生強度破壞而滑動。處理方法：在谷倉下面增加70多個支撐基巖的混凝土墩，使用388個50 t千斤頂以及支撐系統(tǒng)，將倉體逐漸糾正。案例三是由于軟土的壓縮性大導(dǎo)致。由于地基變形過大嚴重影響結(jié)構(gòu)物的正常使用。經(jīng)蘇聯(lián)專家及清華大學(xué)陳希哲教授、陳梁生教授的觀察分析，認為裂縫修補后可以繼續(xù)使用。1979年9月中央大廳的累計平均沉降量達160 cm。1957—1979年22年間僅沉降20 cm左右，說明沉降已趨于穩(wěn)定。但由于地基嚴重下沉，室外散水倒坡，建筑物內(nèi)外連接的水、電、暖管道破裂。

此外，從生活中的點滴入手，調(diào)動學(xué)生對課程的學(xué)習(xí)興趣。比如講到基礎(chǔ)“架越”作用時，通過沼澤地（淤泥或淤泥質(zhì)土），直接步行或鋪一層草袋不太容易通過，而放一塊厚木板就可迎刃而解。為什么會出現(xiàn)這樣的結(jié)果？提出問題，讓學(xué)生討論，再分析總結(jié)。

通過上述引導(dǎo)，讓學(xué)生體會到基礎(chǔ)工程的重要性，很自然地把地基問題歸結(jié)為強度與變形兩大問題。從實際工程出發(fā)，提出問題，采用啟發(fā)式教學(xué)，啟發(fā)學(xué)生獨立自主地去思考探索，讓學(xué)生尋求答案，注重培養(yǎng)學(xué)生獨立思考能力，掌握解決基礎(chǔ)工程實際問題的基本方法和思維規(guī)律，建立一套適合自己的邏輯思維方法和思考問題的方式，進而變“被動接受”為“主動學(xué)習(xí)”，提高學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力和分析解決問題的能力。

三、工程意識的培養(yǎng)

（一）提高教師的工程意識和專業(yè)素養(yǎng)

基礎(chǔ)工程的理論性與實踐性均很強，教師在課堂上要注重理論聯(lián)系實際。一方面，要求教師要有深厚的基礎(chǔ)理論知識和專業(yè)知識，另一方面，要求任課教師必須有工程實踐經(jīng)驗，否則教學(xué)過程只能是照本宣科，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性差，教學(xué)效果不佳。

為此，學(xué)校土木工程學(xué)院教師還在以下幾方面展開了嘗試和努力。（1）青年教師參加國家留學(xué)基金管理委員會與美國加州大學(xué)圣地亞哥分校（UCSD）合作開展的“高校專業(yè)課程教師出國研修項目”，通過半年英語語言能力、專業(yè)課程教學(xué)及課堂活動和專業(yè)教學(xué)研究等方面的培訓(xùn)學(xué)習(xí)，吸收多元文化，借鑒發(fā)達國家的最新科技成果，加強業(yè)務(wù)能力和語言能力，推進西部地區(qū)高教改革進程，提高西部地區(qū)教育與世界接軌的能力。（2）要求年輕的在讀博士和剛畢業(yè)博士必須到實驗室工作一年，參與實驗室的教學(xué)和科研工作，強化青年教師的實踐能力。（3）在暑假期間，輪流選派青年教師到工程局的項目部進行實地訓(xùn)練，提升教師的工程實踐能力。（4）學(xué)院建筑工程系50%的教師通過了全國一級注冊結(jié)構(gòu)工程師考試，通過復(fù)習(xí)全面熟悉國家、行業(yè)乃至地區(qū)相關(guān)規(guī)范

，以便于在教學(xué)中融會貫通。取得資格證書的教師，一般為企業(yè)的技術(shù)顧問，在合作的同時也培養(yǎng)和提升了自身的實踐能力。此外，年輕教師積極參與工程的勘察、設(shè)計和施工，進一步提高了教師的工程素養(yǎng)，逐漸形成了教育理念先進、專業(yè)知識扎實、工程經(jīng)驗豐富的教師隊伍，確保了在教學(xué)的各個環(huán)節(jié)中培養(yǎng)學(xué)生的工程意識。

在教學(xué)過程中，適當(dāng)引入國家關(guān)于“巖土工程師”“結(jié)構(gòu)工程師”等從業(yè)人員試題庫中有關(guān)實踐的部分內(nèi)容，通過課堂分析和講解，使枯燥的課程學(xué)起來不至于乏味，可起到事半功倍的效果。

（二）加強實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識

相對穩(wěn)定的實習(xí)基地是落實實習(xí)內(nèi)容和確保實習(xí)效果的基礎(chǔ)，目前學(xué)校土木工程學(xué)院已經(jīng)與全國部分鐵路局、鐵道第一勘測設(shè)計院、中鐵集團部分工程局、甘肅省建筑工程總公司下屬各公司、蘭州中和房地產(chǎn)開發(fā)有限責(zé)任公司、中鐵一院集團甘肅勘察院和學(xué)校設(shè)計院、監(jiān)理公司等一大批企事業(yè)單位聯(lián)合建立了校內(nèi)外實習(xí)基地。此外，還鼓勵學(xué)生在確保安全與完成實習(xí)任務(wù)的前提下，自行聯(lián)系將要就業(yè)的單位進行生產(chǎn)實習(xí)。配合卓越工程師培養(yǎng)計劃的實施，與中鐵二十一局、中鐵西北研究院、蘭州鐵道設(shè)計院等單位簽訂共建國家級工程實踐教育中心的合作協(xié)議，

進一步擴充實踐基地。通過與教學(xué)實習(xí)基地密切配合，帶領(lǐng)學(xué)生參觀蘭州各種有代表性的工程，如：市區(qū)高層住宅的基坑開挖和基坑支護，設(shè)置數(shù)米長的支護樁、預(yù)應(yīng)力錨桿和土釘墻等；濕陷性黃土地基中采用土和灰土擠密樁消除地基土濕陷性的地基處理方法，讓工地的項目經(jīng)理在施工現(xiàn)場形成進行現(xiàn)場教學(xué)，介紹工程施工過程、施工中出現(xiàn)的問題和采取的應(yīng)對措施，使學(xué)生對基坑工程endprint

形成感性認識。在實地參觀各種淺基礎(chǔ)形式后，搞清基礎(chǔ)鋼筋與上部結(jié)構(gòu)的搭接方法，使學(xué)生對各種基礎(chǔ)的適用條件、基本構(gòu)造與配筋要求了然于胸。在樁基礎(chǔ)教學(xué)中，通過參觀打樁現(xiàn)場，了解樁的類型及特點、樁距、樁徑、適用范圍、打樁工序及樁身質(zhì)量檢測等。通過現(xiàn)場觀摩，增加了學(xué)生對課程的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生的工程意識，加深了學(xué)生對土木工程專業(yè)的理解。

自2012年以來，學(xué)校每年設(shè)立開放性實驗項目，學(xué)生參與踴躍，每組學(xué)生由一位教師帶隊指導(dǎo)，通過選題、查資料、制定試驗方案、試驗和計算分析等環(huán)節(jié)的實訓(xùn)，培養(yǎng)了學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力。

在基礎(chǔ)工程教學(xué)過程中，根據(jù)講課進度分別以“為墻下鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)設(shè)計”“柱下鋼筋混凝土獨立基礎(chǔ)的設(shè)計”和“樁基礎(chǔ)的設(shè)計”為題，給出設(shè)計框圖，根據(jù)給定的地質(zhì)條件，要求學(xué)生完成三種基礎(chǔ)的設(shè)計。此外，對掌握情況比較好的學(xué)生可進一步要求

學(xué)習(xí)PKPM、JCCAD等軟件，對手算結(jié)果進行對比分析。通過大作業(yè)的綜合訓(xùn)練，加強學(xué)生對書本知識的理解，熟練掌握典型的淺基礎(chǔ)和深基礎(chǔ)整個設(shè)計過程和相應(yīng)的構(gòu)造要求，使學(xué)生在設(shè)計過程中再次溫故而知新。

在多年的基礎(chǔ)工程教學(xué)中，通過對概念設(shè)計、地基承載力和地基基礎(chǔ)方案選擇幾個關(guān)鍵問題的論述，讓學(xué)生理清思路，掌握設(shè)計原則。通過工程案例的剖析，讓學(xué)生深切體會到基礎(chǔ)工程的重要性，掌握分析和解決基礎(chǔ)工程實際問題的基本方法和思維規(guī)律。通過促使

教師提高工程素養(yǎng)，確保在課內(nèi)外、校內(nèi)外各個環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生的現(xiàn)代工程意識。通過體驗、實訓(xùn)和綜合訓(xùn)練等實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，培養(yǎng)了學(xué)生的工程意識和實踐能力，用人單位滿意率顯著提高。

參考文獻：

[1]王月香，顧歡達.建筑工程方向基礎(chǔ)工程課程教學(xué)初探[J].高等建筑教育，2010，19（5）：90-93

[2]GB5007—2011建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社， 2011.

Abstract： Foundation engineering course is an important specialized course of civil engineering. According to the characteristics of the course， combined with own teaching experience and experience of engineering practice， the difficult problems in the teaching process have been carried on the thorough analysis to deepen the understanding of the basic concepts and to grasp the thread of the course.The engineering cases are analyed to stimulate students learning interest and enthusiasm， and to realize the importance of basic engineering. Teachers professional overall qualities are improved through various channels， and practice teaching links are strengthened to cultivate students engineering consciousness. Engineering personnels with solid basic knowledge，strong comprehensive abilities and social consciousness are received for the design and construction units.

Keywords： foundation engineering； engineering case； course teaching

（編輯 梁遠華）endprint