拓展土力學(xué)課程學(xué)習(xí)深度和廣度的教學(xué)探索

肖楊 陳萌 蔣翔 劉漢龍

摘要：作為巖土工程的專業(yè)必修課，土力學(xué)課程具有基礎(chǔ)性、時(shí)代性和實(shí)踐性的特點(diǎn)。研究生需求量及數(shù)量的增加，對(duì)土力學(xué)的理論性和專業(yè)性也提出了更高的要求。因此，在已有課程內(nèi)容的基礎(chǔ)上，有必要進(jìn)一步開展教學(xué)探索。參考已有土力學(xué)課程教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，聯(lián)系土力學(xué)中“土的抗剪強(qiáng)度”與高等土力學(xué)中“土的本構(gòu)關(guān)系”，以介紹土的臨界狀態(tài)為重點(diǎn)，補(bǔ)充必要的三軸試驗(yàn)和土的性質(zhì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。以砂土臨界狀態(tài)分析為例，輔以微生物加固鈣質(zhì)砂研究，介紹了如何擴(kuò)展土力學(xué)知識(shí)點(diǎn)，如何引入本學(xué)科的研究前沿，通過教學(xué)探索，幫助學(xué)生理解和鞏固基礎(chǔ)理論知識(shí)，激發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣和能力，為繼續(xù)深造創(chuàng)造良好的基礎(chǔ)條件。

關(guān)鍵詞：學(xué)習(xí)深度;學(xué)習(xí)廣度;土力學(xué);課程建設(shè);教學(xué)探索

中圖分類號(hào)：G6423;TU43 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? 文章編號(hào)：1005-2909（2021）06-0016-08

土力學(xué)是土木工程專業(yè)特別是巖土工程專業(yè)學(xué)生的專業(yè)必修課，是巖土工程學(xué)科系列課程中最重要的專業(yè)基礎(chǔ)課之一。由于該課程內(nèi)容的理論性較強(qiáng)，教育工作者探索了諸多方法來加強(qiáng)理論教學(xué)：對(duì)課程內(nèi)容構(gòu)建兩段遞進(jìn)式體系，開設(shè)室內(nèi)土工試驗(yàn)以加深學(xué)生對(duì)土力學(xué)基礎(chǔ)理論知識(shí)的理解[1];使用微課進(jìn)行課前預(yù)習(xí)，設(shè)置案例鞏固所學(xué)知識(shí)點(diǎn)，建設(shè)作業(yè)庫避免抄襲[2];補(bǔ)充課程相關(guān)教學(xué)內(nèi)容的最新研究進(jìn)展，并從中提出待解決的問題，啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行探索研究，撰寫論文等[3]。

現(xiàn)代社會(huì)對(duì)研究生的需求量急劇增大，有相當(dāng)大比例的本科生將繼續(xù)深造，因此，本科階段教學(xué)有必要考慮學(xué)生今后的研究需求，拓展學(xué)生知識(shí)面。結(jié)合土力學(xué)課程教學(xué)目標(biāo)，通過不同的方式進(jìn)行課堂、實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)，并從多方面考察學(xué)生的掌握情況，通過土力學(xué)課程教學(xué)中的部分實(shí)例，擴(kuò)展課程深度和廣度，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，促使學(xué)生自主探索和深入學(xué)習(xí)。

一、土力學(xué)課程教學(xué)

（一）土力學(xué)課程內(nèi)容及特點(diǎn)

土力學(xué)的研究對(duì)象主要是土，其主要研究的內(nèi)容是土的物理化學(xué)和力學(xué)性質(zhì)，以及外部作用下（水、溫度、荷載等）土體的工程性質(zhì)。土力學(xué)課程的基本教學(xué)內(nèi)容有土的性質(zhì)及工程分類、土中應(yīng)力計(jì)算、土的變形性質(zhì)及地基沉降計(jì)算、土的抗剪強(qiáng)度、土壓力、地基承載力和土坡穩(wěn)定，學(xué)習(xí)內(nèi)容主要包含基本概念、土工試驗(yàn)和工程實(shí)例。

土力學(xué)課程的特點(diǎn)為基礎(chǔ)性、時(shí)代性和實(shí)踐性[4]，課程理論性、專業(yè)性強(qiáng)[1]，教學(xué)過程中應(yīng)圍繞土力學(xué)課程特點(diǎn)有重點(diǎn)、有針對(duì)性地講授。

（二）土力學(xué)課程教學(xué)目標(biāo)及方式

作為巖土工程研究的前期必備基礎(chǔ)課程，土力學(xué)課程的教學(xué)目標(biāo)是：讓學(xué)生了解并理解土力學(xué)的基本概念和基礎(chǔ)理論，運(yùn)用所學(xué)知識(shí)計(jì)算地基沉降、土壓力、抗剪強(qiáng)度等，熟悉并掌握土工試驗(yàn)流程和要點(diǎn)，對(duì)實(shí)際工程有感性認(rèn)識(shí)和理性思考。

土力學(xué)課程教學(xué)方式包括課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)。課堂教學(xué)以教材知識(shí)點(diǎn)為骨架，運(yùn)用多種形式，如圖片、視頻和實(shí)物等，讓學(xué)生的理解更具體和立體;實(shí)驗(yàn)教學(xué)除必須完成的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)外，鼓勵(lì)學(xué)生自行選擇感興趣的實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出可信的結(jié)論;實(shí)踐教學(xué)可進(jìn)行工程實(shí)例講解、實(shí)例設(shè)計(jì)和建造模型等。

（三）土力學(xué)課程考核模式

根據(jù)土力學(xué)課程內(nèi)容及特點(diǎn)，考核模式由平時(shí)成績(jī)和期末考試成績(jī)組成。其中，平時(shí)成績(jī)占30%，期末考試成績(jī)占70%。平時(shí)成績(jī)由課堂出勤、作業(yè)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告三部分的成績(jī)組成，期末考試成績(jī)由課程論文和試卷成績(jī)組成。為激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性，適當(dāng)設(shè)置加分項(xiàng)，鼓勵(lì)學(xué)生獨(dú)立思考。

平時(shí)成績(jī)能反映學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的學(xué)習(xí)態(tài)度和知識(shí)掌握的大致情況，期末考試的答題情況則體現(xiàn)學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的應(yīng)用能力。課程論文可以讓學(xué)生選擇感興趣的部分，以擴(kuò)展課堂教學(xué)中有限的知識(shí)點(diǎn)，進(jìn)行更深入的學(xué)習(xí)和思考。

二、拓展土力學(xué)課程內(nèi)容

為拓寬學(xué)生視野，加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的理解，在已有教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上引入高等土力學(xué)的部分內(nèi)容，在課程教學(xué)完成之后，以專題報(bào)告的形式分享土力學(xué)相關(guān)前沿?zé)狳c(diǎn)。以重慶大學(xué)土木工程專業(yè)的土力學(xué)課程為例，將土力學(xué)中“土的抗剪強(qiáng)度”章節(jié)與高等土力學(xué)中“土的本構(gòu)關(guān)系”章節(jié)相關(guān)聯(lián)作簡(jiǎn)要介紹，在教學(xué)過程中分享課題組關(guān)于當(dāng)前研究熱點(diǎn)——“微生物加固鈣質(zhì)砂”的相關(guān)研究報(bào)告。

（一）“土的抗剪強(qiáng)度”向“土的本構(gòu)關(guān)系”延伸擴(kuò)展

土體的抗剪強(qiáng)度是影響土體穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，其與建筑地基失穩(wěn)破壞、邊坡失穩(wěn)以及擋土墻地基失穩(wěn)等息息相關(guān)。因此，了解土體在外部作用下的應(yīng)力狀態(tài)、土體剪切破壞的特點(diǎn)以及與土的抗剪強(qiáng)度之間的關(guān)系，對(duì)保證土體和地基穩(wěn)定是必要和重要的。本章節(jié)重點(diǎn)為莫爾-庫侖強(qiáng)度理論、土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的測(cè)定等，主要內(nèi)容為概念的理解和公式的運(yùn)用及實(shí)驗(yàn)原理等。作為知識(shí)的擴(kuò)展，適當(dāng)引入高等土力學(xué)中“土的本構(gòu)關(guān)系”概念和方法。其中，非常重要的部分是臨界狀態(tài)土力學(xué)的學(xué)習(xí)。

在本科階段土力學(xué)課程學(xué)習(xí)中，學(xué)生曾提出一些問題：為什么土的變形如沉降是塑性變形，但是土中應(yīng)力計(jì)算卻要使用彈性方法？工程上常用的簡(jiǎn)化和經(jīng)驗(yàn)公式是否科學(xué)合理？這些問題僅僅依靠當(dāng)前階段土力學(xué)所學(xué)知識(shí)是無法解決的。臨界狀態(tài)土力學(xué)的發(fā)展，彌補(bǔ)了很多經(jīng)典土力學(xué)中存在的矛盾和局限性。學(xué)習(xí)臨界狀態(tài)土力學(xué)，可以幫助學(xué)生更加全面深入地了解和理解土的性質(zhì)。

土力學(xué)課程的很多基本概念與三軸試驗(yàn)有密不可分的聯(lián)系，因此，需要對(duì)三軸試驗(yàn)的原理、操作和結(jié)果等有更詳細(xì)的學(xué)習(xí)。首先，需要對(duì)常見土工試驗(yàn)及測(cè)試有一定了解。土力學(xué)中抗剪強(qiáng)度的測(cè)試方法主要有直接剪切試驗(yàn)、三軸壓縮試驗(yàn)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和十字板剪切試驗(yàn)等，補(bǔ)充了解單剪試驗(yàn)、環(huán)剪試驗(yàn)和側(cè)限壓縮試驗(yàn)等。本科階段，學(xué)生對(duì)三軸試驗(yàn)的了解主要集中在儀器、實(shí)驗(yàn)步驟等內(nèi)容。作為學(xué)習(xí)本構(gòu)理論的前期準(zhǔn)備工作，拓展學(xué)習(xí)從圓柱體土樣出發(fā)，讓學(xué)生了解相關(guān)的應(yīng)力應(yīng)變概念，如軸向壓應(yīng)力、側(cè)向圍壓及其與主應(yīng)力的關(guān)系等。為鞏固學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)效果，帶領(lǐng)學(xué)生到實(shí)驗(yàn)室觀看三軸試驗(yàn)影像資料和正在進(jìn)行的三軸試驗(yàn)，將課堂知識(shí)點(diǎn)與試驗(yàn)過程對(duì)應(yīng)，加深印象。

在土力學(xué)中土的性質(zhì)作為最先接觸也是最重要的內(nèi)容之一，是貫穿學(xué)習(xí)整個(gè)過程的線索。在學(xué)生掌握土的三相組成、結(jié)構(gòu)和物理特性基礎(chǔ)上，介紹土的彈塑性、剪脹性和各向異性等，補(bǔ)充介紹經(jīng)典的彈塑性模型，如劍橋模型等。這一部分內(nèi)容理論性較強(qiáng)，由于學(xué)生基礎(chǔ)和學(xué)習(xí)能力差異性較大且拓展學(xué)習(xí)的重點(diǎn)不在于研究某一具體理論，因此，給學(xué)生推薦一些更加系統(tǒng)和詳細(xì)介紹的文獻(xiàn)和書目，待有興趣的學(xué)生課下自主學(xué)習(xí)。

在三軸試驗(yàn)和土的性質(zhì)等學(xué)習(xí)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，引入土的臨界狀態(tài)等基本概念。首先，了解臨界狀態(tài)的定義，主要從如何發(fā)現(xiàn)這一狀態(tài)和現(xiàn)象，該狀態(tài)對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如何理解分析該結(jié)果三方面入手。為加深理解，課后習(xí)題主要計(jì)算土體在臨界狀態(tài)時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變或一些重要參數(shù)?！芭R界狀態(tài)”這一專業(yè)術(shù)語對(duì)于學(xué)生來說非常陌生，解釋其含義時(shí)不能單純用土力學(xué)的術(shù)語定義，而要結(jié)合實(shí)際生活中對(duì)土的感性認(rèn)識(shí)來幫助學(xué)生理解關(guān)鍵點(diǎn)。例如，小時(shí)候幾乎都會(huì)玩的沙土，堆積的沙土本來是“一盤散沙”，但可以用手或其他工具擠壓成各種形狀。如果用力太大，就無法再改變其形狀，甚至可能破壞原來的形狀。土體在受到外力作用時(shí)，會(huì)改變初始形態(tài)，但這種改變不會(huì)永遠(yuǎn)發(fā)展下去，到某一階段，土體保持一定的穩(wěn)定狀態(tài)，即臨界狀態(tài)。結(jié)合該例，也可以讓學(xué)生總結(jié)土體臨界狀態(tài)的作用，再有針對(duì)性地進(jìn)行補(bǔ)充，加深學(xué)生對(duì)臨界狀態(tài)概念的理解。

土力學(xué)中土的工程分類包括砂土和黏土。在剪切強(qiáng)度中，黏性土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，以固結(jié)和排水條件來劃分。對(duì)于臨界狀態(tài)而言，其同時(shí)適用于黏土和砂土，兩種排水條件也同樣適用。砂土的相關(guān)學(xué)習(xí)可以參照黏性土進(jìn)行對(duì)比，比如，砂土達(dá)到臨界狀態(tài)所需的剪切變形比黏性土更大。除此之外，砂土試驗(yàn)中存在一些較為特殊的現(xiàn)象，如其存在相變狀態(tài)，要理解這一現(xiàn)象，需要先了解土體剪縮和剪脹的概念。

對(duì)砂土臨界狀態(tài)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)講解，首先，對(duì)涉及的“應(yīng)力路徑”概念進(jìn)行學(xué)習(xí)。土體的強(qiáng)度和變形不僅與當(dāng)前狀態(tài)有關(guān)，且與其應(yīng)力歷史和之后的作用情況相關(guān)。對(duì)于臨界狀態(tài)來說，不僅要了解臨界狀態(tài)的應(yīng)力應(yīng)變，也要考慮土體是如何達(dá)到臨界狀態(tài)及達(dá)到臨界狀態(tài)后的狀態(tài)改變和走向。用莫爾應(yīng)力圓表示常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)中σ3 不變而σ1增大的過程，依次連接莫爾應(yīng)力圓的頂點(diǎn)得到該實(shí)驗(yàn)的應(yīng)力路徑，如圖1所示[5]。引入有效應(yīng)力路徑，用平均應(yīng)力和偏應(yīng)力描述不同固結(jié)和排水情況下的應(yīng)力路徑，比較總應(yīng)力路徑與有效應(yīng)力路徑之間的關(guān)系，以此分析松砂和密砂在固結(jié)排水和固結(jié)不排水條件下的臨界狀態(tài)和應(yīng)力路徑[6]。

在圖2中，A和C代表密砂。密砂在排水固結(jié)時(shí)，軸向應(yīng)變?chǔ)臿增加，剪應(yīng)力或偏應(yīng)力先增加達(dá)到峰值后，逐漸降低并趨于穩(wěn)定值（臨界狀態(tài)），體積先減小后增大，即體積應(yīng)變先為正值，后逐漸變?yōu)樨?fù)值，具有剪脹性和軟化特性。B和D代表松砂。排水固結(jié)條件下，孔隙水不斷排出，偏應(yīng)力逐漸增大，達(dá)到穩(wěn)定值（臨界狀態(tài)），試樣體積減小，體變不斷增大，出現(xiàn)剪縮和硬化特性。在圖2（e）中，曲線A和曲線C在接近坐標(biāo)原點(diǎn)處有一個(gè)凸起頂點(diǎn)。曲線下降表示體積增大，曲線上升表示體積減小。此頂點(diǎn)則為前面所提到的砂土相變點(diǎn)，此時(shí)砂土沒有體積變化。

如圖3，砂的密實(shí)度從大到小排序分別為D、C和A、E、B（C與A初始孔隙比相同）。在不排水固結(jié)的條件下，很松散的砂B有體積收縮的趨勢(shì)，超孔隙水壓力增加，有效應(yīng)力下降，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系出現(xiàn)軟化現(xiàn)象;E為次松散砂，同樣出現(xiàn)軟化現(xiàn)象;C和A介于松砂和密砂之間，砂C的孔隙水壓力先短暫出現(xiàn)正值，隨后變?yōu)樨?fù)值且不斷增大，出現(xiàn)剪脹現(xiàn)象;D為密砂，孔隙水壓力同樣先為正值，后為負(fù)值并持續(xù)增大，且增幅遠(yuǎn)大于砂C，剪脹作用更強(qiáng)。值得注意的是，對(duì)于不排水試驗(yàn)，由于砂土體的總體積不變，無法直接通過體變來觀測(cè)砂土在何時(shí)發(fā)生相變，要從試驗(yàn)本身出發(fā)來分析理解。理論上來說，砂土受到剪應(yīng)力作用時(shí)，先發(fā)生剪縮。從圖3（b）中可以看到，曲線先向左，然后再向右延伸，說明砂土有效應(yīng)力先減小再增大。這一現(xiàn)象是因?yàn)橐３滞翗幼罱K體積不變，用有效應(yīng)力減小產(chǎn)生的體積增大抵消砂土在最初階段剪縮產(chǎn)生的體積減小。達(dá)到相變點(diǎn)后，砂土試樣出現(xiàn)剪脹現(xiàn)象，此時(shí)孔隙水壓力減小為負(fù)，總應(yīng)力不變的情況下，有效應(yīng)力不斷增大。

（二）“微生物加固鈣質(zhì)砂”等研究前沿介紹

近年來，人們對(duì)土力學(xué)的認(rèn)識(shí)進(jìn)一步加深，土力學(xué)的廣度和深度已經(jīng)超出傳統(tǒng)土力學(xué)的范疇，呈現(xiàn)出與其他學(xué)科交叉、新興研究方向不斷涌現(xiàn)的趨勢(shì)。因此，使用其他學(xué)科的材料和方法來研究土的性質(zhì)，符合巖土方面的研究趨勢(shì)。通過介紹微生物巖土方面的課題前沿，幫助學(xué)生開闊眼界，樹立多元化思考的意識(shí)，教學(xué)中層層遞進(jìn)，將方法融入其中。

（1）從微生物和巖土兩個(gè)看似毫不相關(guān)的領(lǐng)域?qū)ふ谊P(guān)聯(lián)，并介紹課題所用方法的原理，以及對(duì)土力學(xué)性質(zhì)的影響。土壤中的微生物與其環(huán)境相互作用，導(dǎo)致巖土體的組成與結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，形成一系列成分和形貌獨(dú)特的生物礦物，如深海錳結(jié)核、疊層石等。傳統(tǒng)的土力學(xué)研究并不考慮微生物的作用，忽視了微生物導(dǎo)致的土體力學(xué)特性改變。在傳統(tǒng)土力學(xué)基礎(chǔ)上考慮微生物作用形成的微生物巖土技術(shù)成為巖土領(lǐng)域的前沿課題和研究熱點(diǎn)。微生物巖土技術(shù)利用微生物的代謝或其與環(huán)境中某些物質(zhì)發(fā)生一系列生化反應(yīng)，轉(zhuǎn)化或降解環(huán)境中的這些物質(zhì)，以此達(dá)到凈化環(huán)境、改善土體工程性質(zhì)等目的，主要類型有微生物誘導(dǎo)生成碳酸鹽沉淀（MICP），反硝化菌在堿性缺氧條件下誘導(dǎo)生成碳酸鹽結(jié)晶，硫酸鹽還原菌在有機(jī)質(zhì)充足的缺氧環(huán)境中誘導(dǎo)生成碳酸鹽沉淀，鐵鹽還原菌氧化生成鐵鹽產(chǎn)物和土顆粒間的粘結(jié)物及藻類光合作用生成碳酸鹽沉淀，粘球菌等通過多糖類聚合物組成細(xì)胞生物膜等。微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀作用（MICP）利用某些細(xì)菌產(chǎn)脲酶分解尿素，生成銨根離子和碳酸根離子，環(huán)境中的鈣離子與碳酸根離子結(jié)合生成碳酸鈣沉淀，具有碳排放低、環(huán)境相容性好、施工能耗低的特點(diǎn)，是一種新型、環(huán)保、自然、低能源的加固技術(shù)。

微生物加固可以提升巖土體的工程特性，對(duì)土體和巖石的強(qiáng)度、變形、破碎和滲透等特性有一定影響。研究表明，微生物加固后的細(xì)粒土、粗粒土和礫石等多種巖土散粒體的無側(cè)限強(qiáng)度得到較大提升，且強(qiáng)度提升隨碳酸鈣含量的增加而增大，同時(shí)，土體剛度也逐漸增加。微生物誘導(dǎo)生成碳酸鈣沉淀處理后的土體，其抗液化性能得到顯著提升，且隨加固程度的加深而提高。

（2）從工程實(shí)際出發(fā)，為微生物加固尋找合適的工程應(yīng)用場(chǎng)景。雖然微生物加固具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但其適用性有限，一般而言，砂土加固效果較好，粉土、黏土、有機(jī)質(zhì)土等加固效果較差。在南海島礁建設(shè)過程中遇到的主要巖土體為鈣質(zhì)砂。鈣質(zhì)砂主要由死亡的珊瑚、貝殼碎屑形成，礦物組成主要是碳酸鈣和其他一些難溶鹽類。其特點(diǎn)是形狀不規(guī)則、顆粒間孔隙率大、易破碎。鈣質(zhì)砂的力學(xué)性能與一般陸源砂有很大的區(qū)別，常見地基處理方法對(duì)于海域條件并不適用，因此，鈣質(zhì)砂地基處理是南海島礁建設(shè)中的一項(xiàng)技術(shù)難題。

根據(jù)微生物技術(shù)的適用性，課題組考慮利用微生物技術(shù)解決南海諸島在開發(fā)建設(shè)中遇到的鈣質(zhì)砂地基問題，如鈣質(zhì)砂顆粒破碎問題、鈣質(zhì)砂地基變形問題等，基于此思路，課題組開展了微生物加固鈣質(zhì)砂的多尺度研究。

使用微流控技術(shù)探究微尺度下微生物加固鈣質(zhì)砂的動(dòng)態(tài)膠結(jié)過程和微觀機(jī)理[7]。微流控芯片技術(shù)是一種微觀尺度上的測(cè)試分析方法，可以在微小管道中實(shí)時(shí)觀察反應(yīng)的進(jìn)行。研究發(fā)現(xiàn)，MICP反應(yīng)先形成絮凝狀沉淀，再形成聚集的碳酸鈣沉淀。在時(shí)間和空間上呈不均勻分布，更易沉積在砂顆粒表面而不是吸附于管壁?？紫堕g的碳酸鈣沉淀增大較均勻，而砂顆粒間的碳酸鈣沉淀發(fā)展具有明顯的方向性。

單元尺度下，研究微生物膠結(jié)鈣質(zhì)砂的動(dòng)三軸試驗(yàn)結(jié)果。觀察分析鈣質(zhì)砂試樣孔隙水壓力的發(fā)展進(jìn)程及其與試樣強(qiáng)度、變形的關(guān)系。以SEM掃描電鏡觀察試樣，分析鈣質(zhì)砂試驗(yàn)前后表面的變化，對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行合理解釋[8]。

通過無側(cè)限抗壓試驗(yàn)、劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)和三軸試驗(yàn)等，研究微生物加固鈣質(zhì)砂的強(qiáng)度和變形特性，建立邊界面本構(gòu)模型，通過試驗(yàn)結(jié)果加以驗(yàn)證[9]。

從微米量級(jí)到單元尺度、模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的多尺度研究，證明了微生物加固技術(shù)可以在島礁地基加固[10]中應(yīng)用。此外，顆粒破碎量隨土體試樣的碳酸鈣含量增加而減少，微生物加固形成的碳酸鈣沉淀對(duì)顆粒破碎起到了抑制作用。微生物生成的碳酸鈣沉淀，在土體中發(fā)揮的作用主要有保護(hù)土顆粒表面防止其開裂，填充顆粒之間空隙，緩沖加載過程中的外力等。

（3）從微生物巖土技術(shù)存在的局限性，思考更加完善的新方法。雖然微生物巖土技術(shù)具有環(huán)境友好、擾動(dòng)小和高效等優(yōu)點(diǎn)，但依然存在一些問題，如成本較高、加固均勻性和效果不穩(wěn)定等，這些問題制約了該技術(shù)的大范圍應(yīng)用和推廣。目前已有許多利用微生物加固技術(shù)修復(fù)巖石裂隙的試驗(yàn)和應(yīng)用，修復(fù)后的巖土體結(jié)構(gòu)完整性和密封性顯著提升，且此處再次開裂破壞需要的壓力大于修復(fù)前造成開裂破壞的壓力。土壤的重金屬污染處理一直是重要但較為困難的問題。微生物誘導(dǎo)碳酸鹽沉淀技術(shù)可使土壤中一些金屬離子和放射性元素與碳酸根離子結(jié)合產(chǎn)生沉淀，固定這些金屬元素，阻止其再次擴(kuò)散，對(duì)重金屬的去除率達(dá)到50%～99%。由此可見，利用微生物加固技術(shù)對(duì)重金屬污染的土壤進(jìn)行處理是可行且有效的。

目前，課題組正在積極尋找微生物巖土加固的新思路。在微生物固化技術(shù)的基礎(chǔ)上，加入高嶺土作為膠結(jié)載體[11]。該種方法下加固的粗砂試樣強(qiáng)度大于普通微生物加固試樣強(qiáng)度，且試樣強(qiáng)度隨加入高嶺土的含量增加而增大。通過一種具有大小孔隙的概念化微流控芯片和圖像處理技術(shù)，對(duì)微生物礦化沉積過程進(jìn)行時(shí)間和空間上的識(shí)別和計(jì)算，得到碳酸鈣沉淀先快后慢的發(fā)展規(guī)律及空間上分布不均勻的生長(zhǎng)形式[12]。微生物加固技術(shù)不僅可用于島礁地基處理，也可用于堤壩加固[13]，其實(shí)驗(yàn)方法是噴灑微生物菌液及其需要的鹽類到堤壩模型表面，待其外表堅(jiān)硬后風(fēng)干，進(jìn)行水槽實(shí)驗(yàn)，結(jié)束后對(duì)加固的外表面測(cè)試物理力學(xué)性能。結(jié)果表明，微生物加固后堤壩抵抗沖刷侵蝕的能力強(qiáng)于未加固的堤壩試樣。

“土的本構(gòu)關(guān)系”涉及較多理論知識(shí)、知識(shí)面較廣，學(xué)生理解起來有一定難度，因此，以土體的臨界狀態(tài)為主題，在三軸試驗(yàn)和土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)延伸。學(xué)習(xí)重點(diǎn)依舊是理解基礎(chǔ)概念，如剪脹、剪縮和軟化、硬化的概念，結(jié)合三軸試驗(yàn)條件，輔以圖表講解。圖中曲線的變化則引入偏應(yīng)力、有效應(yīng)力、孔隙水壓力和相變點(diǎn)等概念，結(jié)合孔隙比、軸向應(yīng)變、總應(yīng)力與有效應(yīng)力和孔隙水壓力的關(guān)系等已有知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行理解。結(jié)合微生物土力學(xué)課題，以專題報(bào)告的形式從課題研究的背景到課題涉及的技術(shù)及應(yīng)用前景進(jìn)行詳細(xì)介紹，對(duì)進(jìn)一步的研究提出新的思考。

三、結(jié)語

以土力學(xué)課程教學(xué)為例，抓住重點(diǎn)難點(diǎn)問題，對(duì)土力學(xué)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行拓展，引入微生物巖土加固技術(shù)等相關(guān)學(xué)科前沿研究，幫助學(xué)生理解和鞏固基礎(chǔ)理論知識(shí)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和深入學(xué)習(xí)的興趣和習(xí)慣，為進(jìn)一步深造和學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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Abstract： Soil mechanics course has the characteristics of basic， epochal character and practicalness as a required course for geotechnical engineering. At present， the increasing demand and number of graduate students put forward higher requirements for theory and professionalism of soil mechanics. Therefore， it is necessary to carry out teaching exploration to expand the depth and breadth on the basis of the existing course content. Based on the teaching experience in soil mechanics， “shear strength of soil” in soil mechanics and “constitutive relation of soil” in advanced soil mechanics were connected. Focusing on introducing the critical state of soil， key points related to triaxial tests and soil properties were necessarily supplemented. The critical state analysis of sand soil was provided as an example， and the research on “microbial reinforced calcareous sand” was given as an aid. This paper introduced how to expand the study points of soil mechanics and how to introduce the subject frontiers. This helps the students understand and consolidate the basic theoretical knowledge， stimulate and cultivate students interest and ability in independent learning， and create good basic conditions for further study.

Key words： learning depth; learning breadth; soil mechanics; curriculum construction; teaching exploration

（責(zé)任編輯 周 沫）