新工科背景下城市地下空間工程專業(yè)土力學(xué)案例教學(xué)探索

劉璐 申志福 高洪梅 王志華 張?chǎng)卫?/p>

摘要：新時(shí)代背景下，我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施已轉(zhuǎn)型為新基建工程建設(shè)，對(duì)傳統(tǒng)工科專業(yè)教學(xué)和高校畢業(yè)生實(shí)際應(yīng)用能力提出了更高要求。在“兩性一度”的金課標(biāo)準(zhǔn)下，現(xiàn)階段城市地下空間工程專業(yè)土力學(xué)課堂教學(xué)案例與專業(yè)匹配度不高，且與學(xué)生生產(chǎn)實(shí)踐脫節(jié)，不利于學(xué)生專業(yè)能力培養(yǎng)和素養(yǎng)提升。以城市地下空間工程為依托，從復(fù)雜的工程實(shí)際出發(fā)，探索適用于城市地下空間工程專業(yè)教學(xué)案例，通過(guò)講解朗肯土壓力理論知識(shí)，挖掘教學(xué)案例實(shí)施方式，實(shí)現(xiàn)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，為高校畢業(yè)生實(shí)際工作能力提升奠定了良好的實(shí)踐基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：新工科;城市地下空間工程;土力學(xué);案例教學(xué)

中圖分類號(hào)：G6420;TU43 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? 文章編號(hào)：1005-2909（2021）06-0144-07

“一帶一路”國(guó)家戰(zhàn)略倡議自2013年實(shí)施至今，我國(guó)同沿線國(guó)家在城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面開(kāi)展了大量合作，為新時(shí)代城市化建設(shè)提供了眾多有益范本，對(duì)國(guó)內(nèi)高校的專業(yè)升級(jí)產(chǎn)生了重要影響。

2016年6月2日，中國(guó)正式成為《華盛頓協(xié)議》締約國(guó)，在打開(kāi)中國(guó)工程教育畢業(yè)生走向國(guó)際人才市場(chǎng)大門的同時(shí)，也考量了中國(guó)工程教育畢業(yè)生的綜合能力[1]。世界各國(guó)越來(lái)越重視實(shí)業(yè)生產(chǎn)和新經(jīng)濟(jì)、新業(yè)態(tài)、新技術(shù)的發(fā)展?，F(xiàn)階段，強(qiáng)調(diào)對(duì)具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力和跨界整合能力的新型工程科技人才培養(yǎng)，成為高等院校對(duì)傳統(tǒng)工科專業(yè)升級(jí)以及工程教育創(chuàng)新的重要使命。

面對(duì)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，新經(jīng)濟(jì)潮對(duì)傳統(tǒng)工科產(chǎn)生了巨大沖擊，我國(guó)以教育部領(lǐng)銜的“復(fù)旦共識(shí)”“天大行動(dòng)”和“北京指南”應(yīng)運(yùn)而生[2-3]。新工科背景下，城市地下空間工程專業(yè)發(fā)展迎來(lái)了重大機(jī)遇，同時(shí)也將面臨教學(xué)改革方面的挑戰(zhàn)。

南京作為“一帶一路”國(guó)家戰(zhàn)略交匯點(diǎn)的重要樞紐城市，正努力提升與首位度相匹配的城市能級(jí)，以國(guó)際化的理念推進(jìn)城市發(fā)展，在對(duì)老城有機(jī)更新和新城建設(shè)的同時(shí)，不斷探索城市地下空間工程建設(shè)的科學(xué)發(fā)展。

南京工業(yè)大學(xué)聚焦于國(guó)內(nèi)一流、國(guó)際知名創(chuàng)業(yè)型大學(xué)的辦學(xué)定位，其城市地下空間工程專業(yè)是江蘇省首開(kāi)、全國(guó)首批土木工程大類的特色專業(yè)，于2019年評(píng)選為教育部全國(guó)城市地下空間工程專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)組副組長(zhǎng)單位，并于2020年度入選國(guó)家級(jí)一流本科專業(yè)建設(shè)點(diǎn)，是新工科背景下學(xué)校學(xué)科建設(shè)的重點(diǎn)專業(yè)。

南京工業(yè)大學(xué)城市地下空間工程專業(yè)面向城市地下空間開(kāi)發(fā)利用的全產(chǎn)業(yè)鏈，立足學(xué)校完備的學(xué)科布局，構(gòu)建融合城市規(guī)劃、地質(zhì)工程、土木工程和交通工程等多學(xué)科交叉的人才培養(yǎng)模式;面向數(shù)字孿生城市，依托產(chǎn)學(xué)研融合平臺(tái)，協(xié)同行業(yè)標(biāo)桿企業(yè)，構(gòu)建以虛擬仿真、創(chuàng)新訓(xùn)練、工程實(shí)踐為特色的實(shí)踐教學(xué)體系。

土力學(xué)作為城市地下空間工程專業(yè)核心課程。在各高校的課堂教學(xué)中，現(xiàn)階段仍較多采用年代久遠(yuǎn)且離學(xué)生實(shí)際生活較遠(yuǎn)的工程案例，如1913年的加拿大特朗斯康谷倉(cāng)地基失穩(wěn)、意大利比薩斜塔、墨西哥城的地基沉降等。此類經(jīng)典工程案例雖然能夠作為土力學(xué)的教學(xué)素材，但卻是傳統(tǒng)土木工程專業(yè)中普遍沿用至今的案例。既沒(méi)有考慮到城市地下空間工程的專業(yè)性，也沒(méi)有結(jié)合新時(shí)代中國(guó)新基建特色，無(wú)法體現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的前沿性和時(shí)代性，在教學(xué)過(guò)程中難以與學(xué)生產(chǎn)生很好的專業(yè)共鳴。如何在土力學(xué)教學(xué)中，結(jié)合城市地下空間工程專業(yè)特點(diǎn)，讓學(xué)生有針對(duì)性地掌握知識(shí)點(diǎn)，并能將其應(yīng)用于城市地下空間的開(kāi)發(fā)建設(shè)，是專業(yè)課教學(xué)中急需解決的問(wèn)題。因此，新工科背景下，面向城市地下空間工程專業(yè)的土力學(xué)案例教學(xué)探索顯得尤為重要且迫在眉睫[5]。

一、新工科背景下土力學(xué)案例教學(xué)探索

（一） 教學(xué)案例引入

南京作為華東地區(qū)及長(zhǎng)三角地區(qū)的唯一特大城市，肩負(fù)著“一帶一路”國(guó)家戰(zhàn)略、長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶和長(zhǎng)三角一體化樞紐城市的重要使命。在新型城鎮(zhèn)化建設(shè)的過(guò)程中，南京市江北新區(qū)中央商務(wù)區(qū)地下空間項(xiàng)目作為新時(shí)代背景下的新基建工程，是新工科背景下的典型案例。

南京市江北新區(qū)中央商務(wù)區(qū)地下空間項(xiàng)目位于國(guó)家級(jí)南京市江北新區(qū)的核心區(qū)域，其地下空間剖面示意圖如圖1所示。地下空間總占地面積約62 hm2，最大挖深約48 m。項(xiàng)目總建筑面積約148萬(wàn)m2，主要內(nèi)容包括地下停車場(chǎng)約55萬(wàn)m2，地下配建商業(yè)約24萬(wàn)m2，兩個(gè)3線換乘軌道交通站廳及區(qū)間約5.14萬(wàn)m2，綜合管廊、地下環(huán)路及其他市政設(shè)施約18.7萬(wàn)m2，附屬設(shè)備約29.9 m2等。該項(xiàng)目為國(guó)內(nèi)現(xiàn)階段建設(shè)規(guī)模最大、集成度最高的城市地下空間。

該項(xiàng)目基坑距離長(zhǎng)江最近處僅僅700 m，地下水位平均埋深僅1.35 m，近江平均挖深約40 m，最大開(kāi)挖深度達(dá)48 m，地下連續(xù)墻平均深度達(dá)72 m。地勘報(bào)告顯示，場(chǎng)地主要為粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、夾薄層的粉土、粉砂等。為實(shí)現(xiàn)施工階段的擋土結(jié)構(gòu)物與地下空間投運(yùn)后的主體結(jié)構(gòu)復(fù)合設(shè)計(jì)，該項(xiàng)目在最深基坑處設(shè)計(jì)采用800 mm的地下連續(xù)墻，如圖2所示。

基坑工程歷來(lái)被認(rèn)為是實(shí)踐性很強(qiáng)的巖土工程問(wèn)題，是土力學(xué)中的重要課題，同時(shí)基坑工程又極具時(shí)代性。隨著城市地下空間的大力開(kāi)發(fā)，基坑規(guī)模越來(lái)越大，開(kāi)挖越來(lái)越深，周圍建筑越來(lái)越密集，地質(zhì)條件以及周邊情況越來(lái)越復(fù)雜，基坑工程已變成一個(gè)綜合性的巖土工程問(wèn)題。

南京市江北新區(qū)中央商務(wù)區(qū)地下空間項(xiàng)目，城市規(guī)劃定位高、城市要素高度集成、地質(zhì)水文復(fù)雜多變、巖土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)困難等，是新工科背景下城市地下空間工程專業(yè)土力學(xué)課程案例探索的最佳選擇。該工程案例的基坑設(shè)計(jì)和施工涵蓋了經(jīng)典土力學(xué)中的強(qiáng)度、變形、滲流三大問(wèn)題。

強(qiáng)度問(wèn)題主要體現(xiàn)在地下連續(xù)墻設(shè)計(jì)過(guò)程中，土壓力的計(jì)算、穩(wěn)定性驗(yàn)算等;變形問(wèn)題主要體現(xiàn)在開(kāi)挖過(guò)程中，基坑底部回彈、維護(hù)結(jié)構(gòu)后的地表沉降等;滲流問(wèn)題主要體現(xiàn)在基坑降水產(chǎn)生的基坑內(nèi)外水頭差，從而引起的潛在管涌風(fēng)險(xiǎn)等，都與土力學(xué)的教學(xué)內(nèi)容息息相關(guān)。本文以土壓力理論為例對(duì)其進(jìn)行教學(xué)探索，以期實(shí)現(xiàn)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，實(shí)現(xiàn)為高校畢業(yè)生實(shí)際工作能力提升奠定良好實(shí)踐基礎(chǔ)的目的。

（二）朗肯土壓力計(jì)算理論

土體的強(qiáng)度是土力學(xué)中三大主要問(wèn)題之一，土壓力計(jì)算是其主要知識(shí)點(diǎn)，是土力學(xué)專業(yè)課程中的重點(diǎn)授課內(nèi)容[5]。土壓力根據(jù)墻體位移條件可以分為靜止土壓力、主動(dòng)土壓力和被動(dòng)土壓力。

朗肯土壓力理論是依據(jù)半空間體的應(yīng)力狀態(tài)和土的極限平衡理論推出土壓力強(qiáng)度的計(jì)算方法，它的基本假定為墻背直立、光滑，墻后填土面水平。

將上述工程案例簡(jiǎn)化為典型的土壓力計(jì)算模型，如圖3所示。若擋土墻發(fā)生離開(kāi)填土方向移動(dòng)，直到墻后填土達(dá)到極限平衡狀態(tài)時(shí)，作用在擋土墻上的土壓力即為主動(dòng)土壓力。根據(jù)土的極限平衡條件，地面以下任一深度z處的主動(dòng)土壓力強(qiáng)度σa為：

（四）成層土的土壓力計(jì)算

南京市江北新區(qū)中央商務(wù)區(qū)，場(chǎng)地土層條件復(fù)雜，并非理想化的單一土層。在地下連續(xù)墻的工程設(shè)計(jì)中，土壓力的計(jì)算應(yīng)考慮土層性質(zhì)的不同（重度γ、黏聚力c、摩擦角）對(duì)土壓力的影響。

在計(jì)算成層土的土壓力時(shí)，需注意兩點(diǎn)：一是由于各土層的重度γ不同，土壓力分布會(huì)在土層分界面處出現(xiàn)轉(zhuǎn)折;二是由于各土層的黏聚力c和摩擦角，所以主動(dòng)土壓力系數(shù)Ka和被動(dòng)土壓力系數(shù)Kp不同，在計(jì)算各土層土壓力時(shí)，需采用對(duì)應(yīng)的黏聚力c和摩擦角。

二、基于“兩性一度”標(biāo)準(zhǔn)下的教學(xué)案例研討

土力學(xué)問(wèn)題的復(fù)雜性和不確定性一半以上都源于水[6]。南京市江北新區(qū)中央商務(wù)區(qū)場(chǎng)地地下水位平均埋深僅1.35 m，在計(jì)算土壓力時(shí)，必須考慮地下水位以下土體由于水的浮力作用，有效重度的減輕引起土壓力減小的問(wèn)題。因此，地下水位以下的土體在計(jì)算土壓力時(shí)必須采用浮重度γ′計(jì)算。作用在地下連續(xù)墻的土壓力還應(yīng)包括水壓力的作用，即地下連續(xù)墻上的總壓力包含了土壓力和水壓力兩部分。

南京市江北新區(qū)中央商務(wù)區(qū)地下空間工程項(xiàng)目，其地質(zhì)條件復(fù)雜。地下連續(xù)墻后的土層既有弱透水性的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，又有強(qiáng)透水性的含卵石礫砂，更有幾乎不透水的泥質(zhì)砂巖。如表1所示，作用于地下連續(xù)墻上的總壓力究竟應(yīng)該采用水土分算還是水土合算，要根據(jù)其適用的工況來(lái)確定[7]。

現(xiàn)階段，對(duì)于砂性粉土、砂土和碎石土等強(qiáng)透水性土質(zhì)，其土體顆粒是碎散的，孔隙水水力貫通。基于有效應(yīng)力原理，宜采用水土分算法[7-8]。對(duì)此，無(wú)論是學(xué)術(shù)界還是工程界均取得共識(shí)。

對(duì)于粉質(zhì)黏土、黏性土等弱透水性的土體，其土顆粒表面存在結(jié)合水，土體孔隙中的水并非完全水力貫通。若按靜水壓力模式計(jì)算土壓力體系中的孔隙水壓力的結(jié)果并不準(zhǔn)確，所以采用水土分算并不適宜，采用水土合算更為合理[7-9]。同樣對(duì)于巖石類特殊的不透水介質(zhì)，采用水土分算也并不適宜。雖然現(xiàn)階段對(duì)于弱透水性土體和巖石類特殊土體，其土壓力計(jì)算在學(xué)術(shù)界并無(wú)統(tǒng)一意見(jiàn)，但在實(shí)際工程應(yīng)用中，常采用水土分算的方式計(jì)算此類土體的土壓力。

引入南京市江北新區(qū)中央商務(wù)區(qū)地下空間項(xiàng)目作為教學(xué)案例，很好地體現(xiàn)了新工科背景下的時(shí)代性和創(chuàng)新性。通過(guò)開(kāi)展土水分算合算問(wèn)題的討論，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的土力學(xué)知識(shí)解決復(fù)雜工程問(wèn)題，更提升了課程的高階性和挑戰(zhàn)度。

三、案例教學(xué)實(shí)施

在課堂教學(xué)中，選取具有較強(qiáng)視覺(jué)沖擊力的視頻、圖片等素材，生動(dòng)形象地展示南京市江北新區(qū)中央商務(wù)區(qū)地下空間項(xiàng)目，能夠增強(qiáng)學(xué)生對(duì)地城市地下空間工程的感性認(rèn)知，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。通過(guò)案例引入開(kāi)展朗肯土壓力計(jì)算理論的教學(xué)，將實(shí)際工程案例簡(jiǎn)化為經(jīng)典的土壓力計(jì)算理論模型，使學(xué)生對(duì)土壓力的理解不再只是停留在表面，而是能夠真正將其應(yīng)用到實(shí)際的地下空間工程中?？紤]到實(shí)際場(chǎng)地土層條件的復(fù)雜性，以及在地下連續(xù)墻施工階段地面工作荷載的影響，講解成層土和有均布荷載的土壓力計(jì)算方法，逐步培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問(wèn)題的綜合能力和高階思維。

在“土水分算合算”研討課程設(shè)計(jì)中，在學(xué)生掌握了相關(guān)土壓力知識(shí)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，組織學(xué)生針對(duì)水—土壓力的計(jì)算究竟應(yīng)采用水土分算還是合算，以及各自的適用工況等問(wèn)題開(kāi)展研討，引導(dǎo)學(xué)生從已經(jīng)學(xué)過(guò)的有效應(yīng)力原理和不同三軸試驗(yàn)間的內(nèi)在聯(lián)系進(jìn)行深入思考分析，提升課程的挑戰(zhàn)度。

在課程考核中，為了能夠較好的評(píng)價(jià)課程教學(xué)效果和學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，針對(duì)案例教學(xué)中各環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)相應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)及權(quán)重值，加強(qiáng)學(xué)習(xí)過(guò)程的評(píng)價(jià)考核權(quán)重，減少期末考試成績(jī)的占比，對(duì)學(xué)生的理論基礎(chǔ)知識(shí)掌握情況、分析解決問(wèn)題的能力、自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力等方面進(jìn)行綜合考察評(píng)價(jià)。

四、結(jié)語(yǔ)

新工科背景下城市地下空間工程專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)，必須突出學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力。土力學(xué)是城市地下空間工程專業(yè)重要的專業(yè)課程，也是一門理論性、經(jīng)驗(yàn)性和實(shí)用性很強(qiáng)的學(xué)科，因此其教學(xué)案例更應(yīng)立足于與學(xué)生息息相關(guān)的實(shí)際工程實(shí)踐中。

在教授基本理論知識(shí)的同時(shí)，也應(yīng)注重拓展學(xué)生專業(yè)思維。如對(duì)于擋土結(jié)構(gòu)物后的黏性土，在現(xiàn)階段的學(xué)術(shù)界或工程界并未形成共識(shí)的水土分算合算問(wèn)題，針對(duì)本文所舉案例項(xiàng)目的復(fù)雜地層條件拓展性研究水土合算或水土分算的適用性，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生專業(yè)課程學(xué)習(xí)興趣，引發(fā)其專業(yè)共鳴，同時(shí)能夠使學(xué)生迅速適應(yīng)工程實(shí)際需求，掌握完備的理論基礎(chǔ)和提升專業(yè)思維能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]袁立群， 崔詩(shī)才， 趙慶雙.新工科背景下土力學(xué)案例教學(xué)研究[J].高等建筑教育， 2019， 28（2）：61-65.

[2] 胡波，馮輝，韓偉力，等.加快新工科建設(shè)，推進(jìn)工程教育改革創(chuàng)新——“綜合性高校工程教育發(fā)展戰(zhàn)略研討會(huì)”綜述[J].復(fù)旦教育論壇， 2017，15（2）：20-27.

[3] “新工科”建設(shè)復(fù)旦共識(shí)[J].高等工程教育研究，2017，162（1）：10-11.

[4] 王璐， 沈揚(yáng)， 劉云， 等.“新工科”視角下土木類大學(xué)生學(xué)習(xí)共同體構(gòu)建[J].高等建筑教育， 2020， 29（4）：1-7.

[5] 陳國(guó)興，樊良本，陳甦等.土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)[M].2版.北京：中國(guó)水利水電出版社， 2006.

[6] 沈揚(yáng).土力學(xué)原理十記[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2015.

[7] 王釗，鄒維列，李廣信.擋土結(jié)構(gòu)上的土壓力和水壓力[J].巖土力學(xué)， 2003， 24（2）：146-150.

[8] 李廣信. 基坑中土的應(yīng)力路徑與強(qiáng)度指標(biāo)以及關(guān)于水的一些問(wèn)題[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2012， 31（11）：2269-2275.

[9] 高彥斌，姚天驕，楊正園.飽和黏性土的總強(qiáng)度與基坑工程水土合算土壓力分析方法[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2020，48（9）：1296-1304.

Abstract： China’s infrastructure construction has been evolved into the new era， which puts forward higher requirements for the traditional teaching and the practical application ability of college graduates. The matching degree of teaching cases and specialty is not satisfactory in urban underground space engineering specialty， and it is dramatically inconsistent with students’ experiences and society actual under the standard of innovation， high order and challenge， this is unsuitable for cultivating students’ ability and quality. Based on urban underground space engineering， the paper explores the specific teaching case from a practical engineering. With Rankine’s earth pressure theory， discusses the implementation of teaching case， stimulates students’ initiative， and provides a good practical foundation for the practical application ability of college graduates.

Key words： emerging engineering education; urban underground space engineering; soil mechanics; case teaching

（責(zé)任編輯 崔守奎）

3596500589220