巖土工程原位測(cè)試教學(xué)初步研究

顏榮濤

（桂林理工大學(xué)，廣西 桂林541004）

對(duì)于巖土工程專業(yè)，土力學(xué)是基礎(chǔ)核心理論課程，幾乎所有的課程都是以土力學(xué)為理論基礎(chǔ)。土力學(xué)主要研究巖土體在各類環(huán)境和各種荷載作用下的變形、滲流和強(qiáng)度理論，并且還介紹了巖土體的基本的物理力學(xué)性質(zhì)和相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)的測(cè)試方法[1]。一般來(lái)講，測(cè)試巖土體的物理力學(xué)參數(shù)的方法主要包括室內(nèi)試驗(yàn)和原位測(cè)試兩種。對(duì)于室內(nèi)試驗(yàn)，土力學(xué)課程講解較為詳細(xì)，并且開(kāi)設(shè)了相關(guān)的試驗(yàn)課程進(jìn)行練習(xí)，因此學(xué)生對(duì)于室內(nèi)試驗(yàn)無(wú)論在理論上還是動(dòng)手操作上掌握的都較為熟練。而對(duì)于原位測(cè)試，很多地方高校并沒(méi)有足夠的重視，有的高校甚至沒(méi)有開(kāi)設(shè)相關(guān)課程，這對(duì)于地方高校培養(yǎng)應(yīng)用型技術(shù)人才的初衷是不相符的[2]。在此背景下，筆者結(jié)合所在高校從事原位測(cè)試的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)對(duì)原位測(cè)試教學(xué)的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了歸納分析，供相關(guān)同行參考。

1 原位測(cè)試的重要性

根據(jù)刑皓楓等人編著的《巖土工程原位測(cè)試》[3]，原位測(cè)試是以現(xiàn)場(chǎng)土體為測(cè)試對(duì)象，在不擾動(dòng)或是少擾動(dòng)的條件下對(duì)土體的物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試或檢測(cè)，是一種重要的巖土工程勘察技術(shù)和地基評(píng)價(jià)手段。主要包括靜力荷載試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、原位剪切試驗(yàn)、回彈試驗(yàn)、靜力觸探試驗(yàn)、扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)、動(dòng)力測(cè)試試驗(yàn)、旁壓試驗(yàn)、原位滲透試驗(yàn)、十字板剪切試驗(yàn)、點(diǎn)荷載試驗(yàn)等。室內(nèi)試驗(yàn)主要是通過(guò)鉆探等取樣手段從現(xiàn)場(chǎng)取回土樣后在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，在取樣過(guò)程中的應(yīng)力釋放或是運(yùn)輸過(guò)程中對(duì)試樣的干擾都會(huì)改變了試樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而影響室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果的可靠性；而原位測(cè)試試驗(yàn)則是在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)原位土體進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，所得參數(shù)更能真實(shí)地反應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的情況，為工程提供更為可靠有效的第一手資料。雖然原位測(cè)試中對(duì)試樣的應(yīng)力條件不明確，但其模擬了工程的施工條件和受荷條件，其結(jié)果也并不影響工程的設(shè)計(jì)過(guò)程。可以說(shuō)，原位測(cè)試能為設(shè)計(jì)過(guò)程提供最為可信的設(shè)計(jì)參數(shù)。因此，對(duì)于巖土工程專業(yè)學(xué)生，學(xué)習(xí)原位測(cè)試課程并且掌握原位測(cè)試的相關(guān)技術(shù)對(duì)于職業(yè)生涯的發(fā)展具有重要作用。

2 原位測(cè)試課程設(shè)置

原位測(cè)試課程設(shè)置一般包括兩部分，原位測(cè)試?yán)碚摻虒W(xué)部分和原位測(cè)試實(shí)踐教學(xué)部分。在理論教學(xué)部分中，學(xué)生主要學(xué)習(xí)各類原位測(cè)試的測(cè)試原理、設(shè)備結(jié)構(gòu)、試驗(yàn)操作步驟以及相應(yīng)的結(jié)果分析，理論教學(xué)課時(shí)為24個(gè)學(xué)時(shí)。原位測(cè)試實(shí)踐教學(xué)部分主要在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)演示、學(xué)生親自動(dòng)手操作來(lái)進(jìn)行訓(xùn)練。

巖土原位測(cè)試屬于專業(yè)性很強(qiáng)的課程，需要學(xué)生在進(jìn)行此類訓(xùn)練之前具有相應(yīng)的專業(yè)基礎(chǔ)，因此需要學(xué)生保證相應(yīng)的先修課程。根據(jù)筆者的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)識(shí)，巖土原位測(cè)試實(shí)踐環(huán)節(jié)應(yīng)該設(shè)置以下先修課程：土力學(xué)、巖土工程勘察、土質(zhì)學(xué)、工程地質(zhì)學(xué)、基礎(chǔ)工程等專業(yè)基礎(chǔ)課程。在這些課程中間，土力學(xué)、土質(zhì)學(xué)和巖土工程勘察尤為重要，必須在開(kāi)展巖土原位測(cè)試課程之前應(yīng)該完成。土質(zhì)學(xué)課程可以讓學(xué)生了解土體的基本物理特性，掌握土體的形成過(guò)程，以及對(duì)各種土體的識(shí)別和鑒別，并且初步的了解如何通過(guò)土體的顏色、形態(tài)和手感等性質(zhì)定性分析巖土體的工程力學(xué)性質(zhì)。

巖土工程勘察可以使學(xué)生掌握一些工程勘察的基本理論和方法，以及理解原位測(cè)試實(shí)踐環(huán)節(jié)在巖土工程勘察活動(dòng)中的位置；土力學(xué)課程是巖土工程中的基本理論課程，介紹土體的基本力學(xué)行為及描述土體行為的基本理論，先修土力學(xué)對(duì)于巖土原位測(cè)試課程的實(shí)施是非常必要的。

3 原位測(cè)試教學(xué)方法

原位測(cè)試?yán)碚摻虒W(xué)主要以課堂講授為主。與理論學(xué)習(xí)不同，實(shí)踐教學(xué)除了需要知道試驗(yàn)的相關(guān)理論外，還需要培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際操作儀器的能力，處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果的能力。因此，原位測(cè)試實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)方法以理論掌握為基礎(chǔ)，從實(shí)踐練習(xí)來(lái)開(kāi)展。筆者建議的流程如下：首先，現(xiàn)場(chǎng)復(fù)習(xí)巖土原位測(cè)試原理，是學(xué)生掌握儀器的測(cè)試目的、測(cè)試原理以及儀器設(shè)備的基本構(gòu)造；其次，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，過(guò)程中講解試驗(yàn)步驟及需要注意的問(wèn)題；最后，得出試驗(yàn)數(shù)據(jù)后，要求按照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行相關(guān)巖土力學(xué)性質(zhì)的處理計(jì)算。

為了進(jìn)一步說(shuō)明巖土原位測(cè)試實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)方法，下面以巖土原位測(cè)試試驗(yàn)中的旁壓試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。旁壓試驗(yàn)是一種用來(lái)測(cè)試土層模量以及地基承載力能土層性質(zhì)的原位試驗(yàn)。筆者在進(jìn)行旁壓試驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)時(shí)，以5～7位同學(xué)為一小組開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐教學(xué)。在試驗(yàn)之前，采用“為什么需要進(jìn)行旁壓試驗(yàn)”問(wèn)題進(jìn)行引導(dǎo)，向?qū)W生講述進(jìn)行旁壓試驗(yàn)的目的，讓學(xué)生知曉為了達(dá)到測(cè)試目的，必須要測(cè)試哪些土體參數(shù)。例如，旁壓試驗(yàn)主要測(cè)試土體的側(cè)向壓力以及土體的側(cè)向變形。圍繞測(cè)試這兩個(gè)參數(shù)，詳細(xì)介紹旁壓儀器的測(cè)試原理，并且基于原理，向?qū)W生講解設(shè)備的內(nèi)部構(gòu)造。如果有條件，可以在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)旁壓儀器進(jìn)行拆卸，使同學(xué)能夠深刻的理解旁壓儀器的內(nèi)部構(gòu)造和測(cè)試原理。在此之后，就應(yīng)該基于測(cè)試原理講解旁壓儀器的測(cè)試步驟，值得說(shuō)明的是，測(cè)試步驟的講解應(yīng)該結(jié)合旁壓測(cè)試的規(guī)范要求進(jìn)行，并且講解規(guī)范規(guī)定的每一步驟的操作需要注意的問(wèn)題。在旁壓試驗(yàn)測(cè)試中，有兩個(gè)重要的步驟，彈性膜約束力校正和儀器綜合變形校正，筆者在介紹這兩個(gè)步驟時(shí)就會(huì)結(jié)合測(cè)試原理進(jìn)行講解這兩個(gè)步驟的目的是什么，原理是什么，而不是單單介紹過(guò)程怎么操作。對(duì)于旁壓試驗(yàn)實(shí)踐，一般一組同學(xué)進(jìn)行一個(gè)點(diǎn)的測(cè)試試驗(yàn)。在獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)后，指導(dǎo)學(xué)生根據(jù)規(guī)范進(jìn)行最后的數(shù)據(jù)整理分析，計(jì)算出相應(yīng)的參數(shù)結(jié)果。經(jīng)歷過(guò)這樣一個(gè)流程的訓(xùn)練，學(xué)生對(duì)于旁壓試驗(yàn)的試驗(yàn)原理、試驗(yàn)過(guò)程以及后期數(shù)據(jù)處理分析等方面將會(huì)有一個(gè)全面的理解。

4 原位測(cè)試考核方法

這里主要對(duì)巖土原位測(cè)試實(shí)踐課程的考核進(jìn)行說(shuō)明。對(duì)于巖土原位測(cè)試實(shí)踐訓(xùn)練這類課程，筆者建議結(jié)合平時(shí)成績(jī)和期末成績(jī)進(jìn)行評(píng)定。其中，平時(shí)成績(jī)的評(píng)定主要參考試驗(yàn)過(guò)程中的參與度表現(xiàn)，回答教師提問(wèn)的積極程度和正確情況。在試驗(yàn)過(guò)程中，指導(dǎo)教師需要全程記錄同學(xué)的各方面表現(xiàn)，對(duì)教師與學(xué)生的全程互動(dòng)性要求較高。期末成績(jī)則主要以基于試驗(yàn)測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)編寫的實(shí)驗(yàn)報(bào)告來(lái)進(jìn)行評(píng)定，從報(bào)告完整程度、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性、數(shù)據(jù)處理的系統(tǒng)程度及分析深度等幾個(gè)方面給予評(píng)價(jià)。最后，筆者建議采用50%的平時(shí)成績(jī)和50%的期末成績(jī)來(lái)給予學(xué)生總評(píng)成績(jī)。

5 計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)在巖土原位測(cè)試實(shí)踐教學(xué)的應(yīng)用

在計(jì)算機(jī)信息化高速發(fā)展的今天，計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)已在高等教育中廣泛應(yīng)用，如虛擬仿真計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)在土木類教學(xué)中的各種應(yīng)用[4-5]。在巖土原位測(cè)試實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，可以引入各種虛擬仿真的計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，幫著學(xué)生理解各類原位測(cè)試試驗(yàn)的原理、儀器構(gòu)造以及試驗(yàn)過(guò)程，從而進(jìn)一步地加深巖土原位測(cè)試實(shí)踐課程的教學(xué)效果。

6 結(jié)語(yǔ)

目前巖土原位測(cè)試實(shí)踐課程的教學(xué)在大部分地方高校中沒(méi)有得到應(yīng)有的重視。然而，巖土原位測(cè)試在現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐中具有非常重要的地位，因此應(yīng)該保證巖土工程專業(yè)學(xué)生的原位測(cè)試的理論課程和實(shí)踐教學(xué)。本文從原位測(cè)試的重要性、課程設(shè)置、教學(xué)方法、考核方法以及計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)等方面進(jìn)行了分析討論，為巖土原位測(cè)試相關(guān)課程的開(kāi)設(shè)提供了相關(guān)的建議和參考。此外，本文分析的問(wèn)題對(duì)地方高校開(kāi)設(shè)巖土原位測(cè)試教學(xué)活動(dòng)具有一定的借鑒作用。