土工离心机在岩土工程教学中的应用

孔令刚， 蔡海强， 衡慈文， 蔺 港

(浙江大学软弱土与环境土工教育部重点实验室，浙江杭州310058)

0 引言

在岩土工程领域，离心机模型试验是开展科学研究和解决工程问题的有力手段［1-5］。土工离心机试验的基本原理是将土工模型置于高速旋转的离心机中，模型受到高于重力加速度的离心加速度作用，来补偿因模型尺寸缩小而导致的土体自重损失，使模型土体能够复制原形土体的应力状态［5-8］。离心机模型试验可以在减少模型尺寸、缩短试验时间的条件下模拟各种工程情况。

国外对土工离心机在岩土工程学科教学中的尝试早在上世纪70年代就已经开展。Craig［9］采用有效半径300 mm、最大加速度500 g的微型离心机演示了边坡失稳、边坡与基础相互作用和隧道失稳等问题。Mitchell［10］采用半径为2．25m的离心机用于非饱和土力学和污染物运移的教学活动，发现物理模型试验能够大大激发学生对岩土工程科学的兴趣。Caicedo［11］介绍了一个以“learning by doing”思想为指导的创新型课程，该课程中学生团队自主设计整套试验，并开展离心试验，收到良好教学效果。Madabhushi等［12］尝试将鼓式离心机用于教学活动中。2002年，加拿大召开的“International Conference on Physical modeling in Geotechnics”国际会议上专门开设“物理模拟在教育中应用”专场研讨会［13］，此次会议推动物理模型试验(主要是离心模拟)在高等教育中的应用。2006年，Wartman［14］提出了基于Kolb学习理论的整套岩土物理模型试验教学方法;Airey等［15］则采用Wartman提出的方法开展教学实践，取得了良好效果。

近年来，许多高校建立土工离心机，使采用土工离心机开展教育教学工作成为可能。本文总结我国传统教学模式存在的不足和物理模型试验教学所具有的优势，报道作者通过SRTP项目开展实验教学的初步尝试，为今后物理模拟与课堂教学活动相结合的新型教学方式提借鉴和资料。

1 传统教学模式的不足

岩土工程教学中土力学是具有重要地位的专业基础课，现以土力学为例分析传统教学模式存在的不足。实际中，土具有颗粒离散性并由三相物质组成，宏观上表现为一定的连续性。土力学通过一定假设条件将弹性力学、水力学、塑性力学等理论和方法应用到公式推演中，因此，土力学具有知识点多，内容连续性差等特点。如采用单纯的课堂教学手段向学生灌输有关内容，学生往往学得吃力，教学效果不理想。土力学是一门与工程实践密切结合的应用学科，采用课堂教学与实验教学相结合是该类课程教学的有效途径。

近几年，随着教学条件不断改善，试验(实践)教学环节逐渐受到重视，但长期的惯性思维，仍导致试验教学环节相对薄弱，培养出的学生高分低能、疏于动手。笔者曾留心比较过国内外学生的差异，发现我国学生岩土工程相关理论基础扎实，但动手能力与西方学生差异明显。学生未对土的属性有直观认识的情况下，先入为主地在头脑中固化了各种似懂非懂的理论和经验方法，这样培养出来的学生其创新思维受到限制，也很难适应实际工作的要求。

课堂教学和实验教学脱节的现象也比较严重，没有把理论教学和实验教学结合起来。实验教学以验证型实验为主，按照固定的套路进行，缺乏对学生创新能力的培养，使学生技术化;而学生也缺乏对实验工作的兴趣，学生不清楚实验目的，往往是机械地搬用书上的过程和步骤，对实验原理和实验过程没有很好的认识。

2 物理模型试验在教学中应用的优势

实验教学能够提高学生的实验能力、综合运用知识能力、沟通能力和团队精神。开展物理模型试验除具有上述优点外，还有其独特优势，Wartman［14］对这些优点进行了总结:

(1)物理模型能够演示岩土体复杂、非线性的内在机理和现象，而这些机理和现象对于学生来讲是难以想象出来的;

(2)通过直接观察缩尺岩土系统，可以培养学生对该系统内在机理的直觉;

(3)小尺寸物理模型试验可以让学生直接观察到土体破坏，而这些现象在传统的土力学单元体试验中无法完成;

(4)通过对物理模型实验的反分析，学生可以直接评价岩土体实际表现与预期之间的差异。

研究也表明，将物理模拟同传统教学手段相结合能够显著提高学生对知识的记忆力和理解力，能够激发学生对学习的兴趣。通过教学也可以使学生认识通过离心机这个有用的解决工程问题的工具，推动土工离心机在工程设计和解决工程问题中的应用。

3 离心模型实验教学尝试

结合在高校中开展的大学生科研训练计划(SRTP)项目，进行了离心模型实验教学的初步尝试。模型试验采用的土工离心机为浙江大学软弱土与环境土教育部重点实验室的ZJU-400多功能离心机［8］。试验内容为:水位变化诱发边坡失稳的离心和1 g模型对比试验。通过本次实验工作使学生初步了解离心模拟原理和模型相似理论，认识离心模型试实验在研究土工单体中的独特能力;认识模型实验教学对提高学生学习兴趣和学习主动性的作用，初步了解学习效果。

试验中采用的ZJU-400离心机有效旋转半径为4．5 m，采用对称双臂、双篮形式，最大有效荷载容量为400 g/t，最大加速度为150 g。试验中用到的模型箱为1．0 m ×0．4 m ×1．0 m(长 × 宽 × 高)，模型箱侧面设置有机玻璃窗口，试验过程中可以观测土体侧向变形情况。

原型边坡试验是在浙江大学自主开发的15 m×5 m×6 m(长×宽×高)的模型槽中进行的［17］。边坡高度为4 m，坡度为1∶1。试验土体为取自钱塘江边的砂质粉土，图1给出了该原型试验后边坡失稳的照片。经计算，离心缩尺模型的比尺选为20，即离心模型为原型尺寸的1/20，边坡高度为200 mm，坡度为1∶1。离心模型总长为1 000 mm，坡顶和坡底部分留有长度均为400 mm。

图1 水位骤降引致滑坡

实验中设计了整套控制水位升降的机载模拟装置。入水管设置在模型边坡上游，将水直接导入边坡模型下铺设的粗砂导水层;离心机自带的供水系统提供水源，调节进水阀控制进水速度。排水管出水口位于边坡下游，通过计算选择合适的排水管内直径。实验中，首先用气缸封住排水管顶部管口，利用进水管缓慢注水使水位自下而上逐渐升高，当水位到达边坡上游高度后，启动气缸，实现水位突降的功能。水释放时，为避免直接排至离心机实验舱，设计了一个隔水机构，该机构将模型箱分隔成上下两层，采用密封圈压紧边缝防止渗水，释放的水直接排入模型箱下层。

实验过程中，离心机达到试验设计加速度20 g后，等待模型稳定，再对模型箱注水。注水过程模拟原型采用5次分级注入的方式，经计算确定加水速度为1 L/min。每级停留观察时间约为5 min。模型箱内水位上升到坡顶后，通过气缸拔开排水管塞子，箱内水迅速排入底部隔层，实现水位骤降。试验过程中采用孔隙水压力计监测孔压变化，采用图像采集系统从有机玻璃面一侧监测土体变形。

图2中给出离心试验中观察到的边坡失稳情况，从图中可以看出，水位骤降导致坡顶出现多条裂纹，其中有3条明显的贯穿性的裂缝，与图1中的原型试验结果相似。该滑坡形式属于多重滑面的牵引式滑坡，变形由前缘向后缘发展。本次试验表明，离心模型试验能较好模拟岩土体大变形和破坏问题，在解决岩土工程问题中具有独特优势。

图2 离心模型试验结果

本试验训练中，SRTP小组成员参与全过程的工作。在项目开始阶段，小组成员参观试验设备、了解原型试验过程。通过提供充足的辅助材料使同学主要通过自学的方式了解了离心机工作原理、模型相似理论等新知识，大部分同学能够较快掌握土工离心机及初步的相似理论。实现了由被动接受式学习到主动学习的转变。在模型设计中，同学能够主动思考，主动发现和纠正错误，提高了综合运用所学知识的能力，调动同学的好奇心。在模型制作中自然而然地掌握了有关土性参数的测试技术，充分认识土体的颗粒属性、三相性及强非线性的力学特性。通过本项目，也培养了学生的严谨科学态度和团队合作精神，提高同学的科学素养和实践能力。

4 结语

采用土工离心机进行岩土工程课程的教学在我国尚处于起步阶段。本文开展尝试性工作，希望通过小范围尝试为将土工离心机应用于我国的本科和研究生岩土工程课程教学积累经验，使物理模型实验教学与传统教学方式相互融合。本次采用大型土工离心机开展水位变化诱发边坡失稳试验，实验教学收到较好效果，今后，仍结合SRTP项目开展工作以丰富和提高有关的认识。在教学实验设备改进方面，浙江大学正着手建造一台微型土工教学离心机，使离心模型实验教学常规化，摆脱大型离心机在经费和时间等方向对教学使用的制约。

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