土力學(xué)教學(xué)過程中創(chuàng)新意識的培養(yǎng)

張俊然 姜彤 張昕 潘旭威 趙金玓

摘 ?要：目前土力學(xué)本科生教學(xué)過程中涉及的理論以飽和土為研究對象的較多，地球表面非飽和土普遍存在，忽視了土體非飽和狀態(tài)的存在，從而導(dǎo)致傳統(tǒng)飽和土的相關(guān)理論與實際工程之間存在較大的偏差。文章以有效應(yīng)力原理為例，首先更新和擴(kuò)展了有效應(yīng)力原理的內(nèi)容，采用“提出問題-分析問題-解決問題”啟發(fā)式教學(xué)方式，同時通過學(xué)習(xí)有效應(yīng)力原理表達(dá)式的更新過程，將與時俱進(jìn)的創(chuàng)新元素引入課程思政教學(xué)過程中。上述采用先介紹一般情況再介紹特殊情況的教學(xué)方式，降低了學(xué)生接受知識的難度，同時提高了學(xué)生認(rèn)識事物的能力和解決問題的創(chuàng)新意識。

關(guān)鍵詞：土力學(xué);有效應(yīng)力原理;非飽和;啟發(fā)式;課程思政

中圖分類號：C961 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2021）34-0040-04

Abstract： At present， the theories involved in the teaching process of soil mechanics for undergraduate students are mostly focused on saturated soil. The unsaturated soil on the earth surface is common， and the unsaturated state of soil is ignored. As a result， there is a large deviation between the traditional theory of saturated soil and the actual engineering. Taking the teaching content of effective stress principle as an example， the paper first updated and expanded the content of the effective stress principle， using "ask questions - analysis problem - problem solving" heuristic teaching methods. At the same time by learning principle of effective stress expression of the update process， the innovation elements to keep pace with the times is introduced into the course education in the teaching process. Adopting the above teaching method of first introducing the general situation and then introducing the special situation reduces the difficulty for students to accept knowledge， and at the same time， it improves the students' ability to understand things and the innovation consciousness to solve problems.

Keywords： Soil Mechanics; principle of effective stress; unsaturated soil; heuristic teaching; ideological and political education in all courses

土力學(xué)是地質(zhì)工程、土木工程和水利水電工程專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課之一。作為一門既古老又年輕的工程技術(shù)學(xué)科，土力學(xué)隨著時代的發(fā)展不斷進(jìn)步。習(xí)主席強(qiáng)調(diào)，“創(chuàng)新是發(fā)展的第一動力”，“自主創(chuàng)新是我們攀登世界科技高峰的必由之路”，“基礎(chǔ)研究是整個科學(xué)體系的源頭”[1]。在創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略下，結(jié)合時代要求進(jìn)行基礎(chǔ)研究的學(xué)科創(chuàng)新十分重要。在土力學(xué)教學(xué)過程中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新與探索意識，能夠充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，讓學(xué)生在探索中全面理解土力學(xué)的科學(xué)本質(zhì)，為學(xué)生解決工作中所遇的工程實際問題提供了一定的理論基礎(chǔ)。

一、傳統(tǒng)教學(xué)中的問題

有效應(yīng)力原理是土力學(xué)教學(xué)的靈魂所在[2]?！锻亮W(xué)》中指出，土是由固體顆粒、水和空氣三部分所組成的三相體系[3]。在本科生的教學(xué)中，主要介紹了研究對象為飽和土的太沙基Terzaghi有效應(yīng)力原理[4]，其僅僅考慮了土中的固相和液相，忽略了氣相的存在。這種只考慮特殊情況而忽略一般情況的講授方式并不符合馬克思主義認(rèn)識論。地球表面廣泛分布的天然地表沉積土大都處于低含水率狀態(tài)，經(jīng)過開挖夯實的土也大都屬于非飽和土，其性質(zhì)很難用飽和土力學(xué)來描述。這也導(dǎo)致了傳統(tǒng)的飽和土的相關(guān)理論與實際工程有較大的偏差。研究非飽和土理論對于解決工程問題，預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害和降低經(jīng)濟(jì)損失是十分重要的[5]。因此，在本科生土力學(xué)教學(xué)中添加非飽和土相關(guān)內(nèi)容的闡述，符合由一般到特殊的事物認(rèn)識規(guī)律，能夠讓學(xué)生從本質(zhì)上認(rèn)識土力學(xué)，使學(xué)生看到土力學(xué)的全貌，并為學(xué)生解決實際問題提供理論基礎(chǔ)。下文以有效應(yīng)力原理為案例來闡述如何采用啟發(fā)式教學(xué)引入非飽和土概念，以及如何將與時俱進(jìn)的創(chuàng)新元素引入到思政教學(xué)過程。

二、土體有效應(yīng)力原理

（一）提出問題

太沙基（Terzaghi）在下雨天走在泥濘的黏土路面上摔了一跤。于是他思考到，為什么人在飽和黏土上會滑倒，而在干土路面和粗粒土路面不會滑倒？不同路面如圖1所示。以此為靈感，太沙基于1921-1923年提出土的有效應(yīng)力原理和固結(jié)理論。其中指出，土體是由土顆粒骨架、孔隙水和孔隙氣三相構(gòu)成的碎散材料。但三相如何分擔(dān)受外力作用后的總應(yīng)力，他們之間如何相互轉(zhuǎn)化，對土體的變形和強(qiáng)度有何影響？

（二）分析問題

圖2是用圓鋁棒堆積層模擬土的模型試驗[6]，在圓鋁棒堆積層中加水，粒子間的孔隙中有水吸附。從圖2可以觀察到，粒子接點處積聚著水，形成了彎液面。受外力后，總應(yīng)力分為三部分承擔(dān)：由土骨架承擔(dān)，并通過顆粒之間的接觸面進(jìn)行應(yīng)力的傳遞，稱之為粒間應(yīng)力（σs）。由孔隙水來承擔(dān)，通過連通的孔隙水傳遞，為孔隙水壓力（uw）。由孔隙氣來承擔(dān)，通過連通的孔隙氣傳遞，為孔隙氣壓力（ua）。

在非飽和土中，土體的三相微觀分析如圖3所示。非飽和土體的孔隙中有水和氣，此時水多集中于顆粒間的縫隙處，稱為毛細(xì)水。由于毛細(xì)張力的作用，會形成如圖3（a）所示的彎液面。吸附于土顆粒表面的孔隙水會產(chǎn)生吸附力[7]，如圖3（b）所示。

為簡化示意總應(yīng)力下非飽和土各分量的分擔(dān)情況，繪制如圖4所示的應(yīng)力分量及其面積圖。其中a-a斷面為土顆粒接觸斷面。各應(yīng)力分量及其代表符號如表1所示。由a-a斷面的豎向力平衡可得式（1）[8]，等式兩邊同除以土單元總截面積A可得式（2）。顆粒間所有接觸豎向力∑Psv與總面積A的比值即為有效應(yīng)力σ'。使用表1中的面積比應(yīng)力分量Aw/A=χ，Aa/A=[1-（α+χ）]分別替換式（2）選框中的參數(shù)。土顆粒間的接觸面積α約為0.03左右，如果忽略α，即α=0，則空氣面積比可由（1-χ）替代[9]，此時得到式（3）。經(jīng)過轉(zhuǎn)換可得出Bishop[10]所提的非飽和土有效應(yīng)力原理公式如式（4）所示。

表1中， A為土單元的斷面積， As為顆粒接觸點的面積， Aw為孔隙水的斷面積， Aa為孔隙氣的斷面積， A=As+Aw+Aa， σ為土單元總應(yīng)力， σs為顆粒接觸點的應(yīng)力。

（三）解決問題

關(guān)于非飽和土有效應(yīng)力原理的分類：對于飽和土，Aw/A=χ=1。此時推導(dǎo)出Terzaghi所提的飽和土有效應(yīng)力原理表達(dá)式如式（5）所示。作用在飽和土體上的總應(yīng)力，由作用在土骨架上的有效應(yīng)力和作用在孔隙水上的孔隙水壓力兩部分組成。人行走于飽和黏土上時如圖1（a），瞬時總應(yīng)力和孔隙水壓力同時增加，有效應(yīng)力等于零，因而人就會滑倒[11]。如果走在粗粒土路面上時如圖1（c），瞬時總應(yīng)力和孔隙水壓力增加，但是其滲透系數(shù)較大，孔隙水壓力可以及時消散，使其有效應(yīng)力較快增加，因而人就不易滑倒。

在非常干燥的情況下，Aw/A=χ=0。此時有效應(yīng)力原理表達(dá)式變?yōu)楣剑?）。作用在極干土體上的總應(yīng)力，由作用在土骨架上的有效應(yīng)力和作用在孔隙氣上的孔隙氣壓力兩部分組成。如果行人走在干土路面上時如圖1（b），瞬時總應(yīng)力增加，而孔隙氣壓力基本不變（以大氣壓為基準(zhǔn)），使其有效應(yīng)力增加明顯，因而人就不易滑倒。又如：把干土試樣裝入氣球內(nèi)，給氣球內(nèi)部施加10kPa的壓力，則氣球會膨脹;為了給干土樣施加50kPa的凈應(yīng)力，則需施加的總應(yīng)力為60kPa。

對于非飽和土，0

三、與時俱進(jìn)的創(chuàng)新元素引入思政教學(xué)過程

非飽和土有效應(yīng)力公式隨著諸多學(xué)者的研究而不斷更新發(fā)展。在探究如何闡明非飽和土有效應(yīng)力物理意義的過程中，Wheeler等[16]提出非飽和土的性質(zhì)受到飽和度等因素的影響，將吸力有關(guān)的增強(qiáng)項與飽和度建立關(guān)系，并用飽和度（Sr）代替有效應(yīng)力參數(shù)（χ），如式（7）所示。Lu Ning等[17]認(rèn)為殘余飽和度對有效應(yīng)力的貢獻(xiàn)可以忽略，提出可以用有效飽和度（Se）代替有效應(yīng)力參數(shù)（χ），如式（8）所示。正如習(xí)近平總書記所言：惟創(chuàng)新者進(jìn)，惟創(chuàng)新者強(qiáng)，惟創(chuàng)新者勝。只有在前人的基礎(chǔ)上不斷發(fā)現(xiàn)問題，分析問題，解決問題，才能夠?qū)?chuàng)新應(yīng)用于理論發(fā)展、學(xué)科教學(xué)和工程應(yīng)用當(dāng)中。

四、教學(xué)效果

通過近五年對地質(zhì)工程、土木工程和水利水電工程專業(yè)本科生的教授，學(xué)生反映強(qiáng)烈，效果良好。在啟發(fā)式教學(xué)下，學(xué)生在了解三相組成的基礎(chǔ)上，明白了三相對于總應(yīng)力的分擔(dān)情況以及各自之間的相互轉(zhuǎn)化。經(jīng)過非飽和有效應(yīng)力原理的學(xué)習(xí)，學(xué)生看到了有效應(yīng)力原理的全貌。這種由一般到特殊的講解方式符合馬克思主義認(rèn)識論，能夠讓學(xué)生從本質(zhì)認(rèn)識土體的有效應(yīng)力原理。通過學(xué)習(xí)有效應(yīng)力原理表達(dá)式的更新發(fā)展，能夠讓學(xué)生明白知識的創(chuàng)新性和進(jìn)步性，進(jìn)而有效提高自身的創(chuàng)新意識。這種創(chuàng)新意識的培養(yǎng)，為其學(xué)生開展大學(xué)生創(chuàng)新試驗項目打下了堅實的基礎(chǔ)。已經(jīng)先后有多名學(xué)生申請到與土力學(xué)相關(guān)的大學(xué)生創(chuàng)新項目，如：廣吸力范圍內(nèi)黃土直剪或殘余剪試驗研究（郭云濤，2021省創(chuàng)）、不同制樣方法對非飽和膨脹土微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)的影響（劉曉峰，2020省創(chuàng)）和豫西黃土控制吸力的滲透實驗研究（戴淼，2020校創(chuàng)）等。通過創(chuàng)新項目的鍛煉，學(xué)生不僅提高了科研創(chuàng)新能力，并且取得了相關(guān)的研究成果。從就業(yè)角度來看，全面掌握有效應(yīng)力原理能夠為學(xué)生解決工程實際問題提供堅實的理論基礎(chǔ)。

五、結(jié)論

創(chuàng)新意識是工程從業(yè)者不可或缺的優(yōu)秀素養(yǎng)，也是新時期創(chuàng)新型人才發(fā)展的關(guān)注內(nèi)容。該論文以有效應(yīng)力原理的授課內(nèi)容為例，將非飽和土的概念引入其中，采用啟發(fā)式教學(xué)加深學(xué)生對有效應(yīng)力原理的理解。在逐步更新的有效應(yīng)力表達(dá)式學(xué)習(xí)中，與時俱進(jìn)的創(chuàng)新元素被引入課程思政教學(xué)里。上述由一般到特殊的啟發(fā)式教學(xué)形式，相關(guān)知識點容易被學(xué)生接受，使學(xué)生深刻理解了有效應(yīng)力原理，不僅提高了學(xué)生認(rèn)識事物和解決問題能力，還有效地培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識。這樣的創(chuàng)新與探索意識培養(yǎng)為學(xué)生開展大學(xué)生創(chuàng)新試驗項目打下了堅實的基礎(chǔ)，有助于提高學(xué)生未來解決實際工程問題的能力。

創(chuàng)新意識的培養(yǎng)是一個循序漸進(jìn)的過程。只有教師在實踐中不斷完善，結(jié)合學(xué)生反饋進(jìn)行反思和總結(jié)，才能更有效地提高創(chuàng)新意識的培養(yǎng)效果。

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