土力学实验考核标准化研究

商翔宇， 王奇石, 周国庆, 鲁巨明

(1. 中国矿业大学 力学与土木工程学院， 江苏 徐州 221116； 2. 中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室， 江苏 徐州 221116)

实验教学研究

土力学实验考核标准化研究

商翔宇1,2， 王奇石1, 周国庆2, 鲁巨明1

(1. 中国矿业大学 力学与土木工程学院， 江苏 徐州 221116； 2. 中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室， 江苏 徐州 221116)

为了对土力学实验考核进行标准化研究，利用应变式直接剪切仪和三联固结仪，对标准砂、中砂进行大量的固结、直剪实验。通过对现有本科土力学实验流程以及实验数据进行统计分析，总结出一套标准化的实验流程和实验参考结果，方便对学生实验过程和实验结果进行考核。

土力学； 实验流程； 标准化； 离散性

通过土力学实验可以让学生深入掌握相关土力学理论，接受科研实验方法训练，提高其工程实践能力，为今后的科研与工程实践奠定坚实基础。目前土力学本科教学安排中实践环节占总学时的比重不足20%，其预期应该发挥的作用则超过该比重；但在实际教学中，实践环节发挥的教育功能却远低于20%[1]。譬如我校32学时的土力学课程，包含6学时的实验，主要实验内容有含水量、液塑限等基本物理指标实验与固结、直剪等基本力学指标实验，其中力学指标实验占4学时。但在教学实践中发现：由于实验存在制样、装样、加载、读数等不确定性环节，以及土体自身结构、物理性质、力学性质的变异性[2]，实验数据多呈离散状。学生所获实验结果甚至不符合基本土力学理论，因此容易使学生产生土力学学科本身不必严谨的错误认识[3]。相对而言，大学物理实验由于实验流程和结果的标准化，通常可引起学生足够重视[4]。鉴于此，本文针对固结与直接剪切2类主要实验,从实验材料、实验操作流程以及实验考核等方面进行标准化研究，培养学生认真的实验习惯与严谨的工程态度[5]。

1 目前实验环节的分析

1.1 固结、直剪实验方法简介

固结和直剪实验是土力学中2类基本力学指标实验，是我校本科实验教学的必做实验。固结与直剪实验环节主要包括制样、装样、设备调零、加载、剪切以及实验数据读取等。

固结实验在环刀内侧涂一层凡士林，刀口垂直向下切取土样；将修剪好的土样两端贴上滤纸，底部放置透水石，环刀刀口向下准确地放置于固结仪的固结容器中，顶部也放置透水石；将装有土样的固结容器放置于加荷横梁的中心。为保证试样与容器接触良好，施加1 kPa预压荷载，百分表调零，逐级加压，每级压力下记录规定时间的试样高度，直至稳定为止。

直剪实验采用与固结实验相同的方式制样、贴滤纸、放置透水石以及设备调零；将试样徐徐压入剪切盒底，移去环刀，放置加压盖和加压框架；调零竖向百分表，逐级加载稳定后，缓慢转动手轮，使上盒前端的钢珠恰与测力计接触，记录测力计读数；拔去固定销，以一定的剪切速率施加水平剪切位移，观察记录测力计读数，直至剪切位移达4 mm时停止，若无峰值出现，则剪切位移为6 mm时停机。

1.2 实验结果离散性分析

目前本科土力学教学中，学生所获实验数据多呈离散状，根据实验结果最终难以绘制出相应曲线，相关力学参数无法求得。根据多年的教学实践发现，离散的实验结果主要是由实验制样、装样、加载、设备调零、数据读取等操作环节未标准化造成的，分析如下：

(1) 试样制备过程中，同一批次土样的颗粒级配、含水量、干密度以及先期固结压力等缺乏控制、不尽相同，除此之外，由于通常采用一次装样，即使设计密度相同，也会存在内部状态明显不均的结果。

(2) 实验加载过程中添加、放置砝码的速度偏快会影响实验结果；直剪实验中第一阶段的竖向固结时间缺乏控制、不一致，使得有些实验实际上是快剪实验，而有些实验则是固结快剪，导致实验结果差异较大；

(3) 设备调试导致的误差包括加压盖的安装、加压横梁的螺栓松紧程度以及百分表的校准情况等。

(4) 直剪实验中剪切阶段，同一批次实验中，读数记录的时间因人而异，导致实验结果有偏差。

(5) 由于安排给学生的实验课学时有限，难以让学生有足够时间来掌握实验。例如供本科教学使用的固结仪只有5台，每台仪器都是由约5～6名学生共同操作，2个学时的时间很难完整地完成逐级加载固结的实验，尤其是实验中常用的不易于制样的粉质黏土等土类。结果是每级荷载稳定的时间由学生自定，所得的压缩曲线和压缩指标的合理性难以保证。

2 标准化实验研究

针对上述问题进行了实验的标准化研究。首先通过反复实验确定出合适的实验方法，对各主要步骤进行标准化，然后建立实验考核的标准“题库”，并制定考核评价标准体系，从而实现土力学实验过程与考核的标准化，达到预期的教学效果。

2.1 实验材料标准化

如前文所述，同批次实验的土样不一是造成实验结果离散的重要原因之一。为了减小由材料性质引起的误差，应选用均质、统一且性质不随环境而明显变化的材料，从而保证实验具有可重复性。鉴于此，选用福建厦门ISO标准砂和ISO中砂。这2种砂是实验专用砂，级配、密度均一[6]。同时，考虑到在固结和直剪实验中无法严格控制排水，因此选用干砂。

2.2 装样标准化

装样不均匀会导致土样下密上疏等问题，若每次装样随机则试样性质也必然不一，实验结果也将离散。装样标准化即是为了保证试样的初始密度相同以及试样内部的均匀性。实验过程中，容器的清理组装、试样的称量、倒装、压平都应采用统一且标准化的操作流程。本标准化实验使用2次装样，可以避免一次装样造成初始密度随机和试样不均匀的现象。根据大量实验结果，确定出砂样合适的初始密度范围，其中固结实验标准砂的初始密度取1.67～1.77 g/cm3，中砂取1.53～1.60 g/cm3；直剪实验标准砂和中砂的初始密度分别取1.7～1.9 g/cm3和1.67～1.87 g/cm3。

2.3 时间与测量标准化

时间与测量标准化是为了保证学生能在规定学时内完整地完成实验任务。其中，标准化的实验时间是由准备、装样、压缩、剪切等部分组成。而测量标准化主要指测量时间点的标准化。

(1) 固结实验。为保证在规定时间内能完成实验，采用100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa4级加载。图1给出了不同密度标准砂400 kPa一次加载压缩量随时间的变化曲线。由图1可看出， 3 min后压缩量趋于定值，拟合5 min到10 min区间的数据，斜率均小于0.01 mm/h，根据《土工实验方法标准》(GB/T 50123—1999)可知，10 min时实验已压缩稳定。类似地，400 kPa压力下中砂10 min时也已压缩稳定。由于随着固结压力增大固结稳定时间延长[7]，因此可将每级压缩稳定时间设定为10 min。由于0—3 min区间压缩量变化过快，需提高读数频率，读数时间设为0 s、 6 s、15 s、1 min、2 min15 s、3 min、5 min、7 min、10 min。整个实验过程40 min，再加上10 min左右实验准备时间，使学生能刚好在一节课的时间内完成实验，方便实际操作与考核。

图1 400 kPa标准砂固结压缩曲线

(2) 直剪实验。按要求需进行50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa 4个竖向载荷下的剪切实验。为保证每次实验中竖向加载后土样变形基本稳定，并减小由于竖向加载时间对剪切实验的影响。固结阶段中将竖向百分表安装在剪切盒上方，加载后每隔1 min记一次读数。图2给出不同密度标准砂300 kPa逐级固结压缩曲线。从图2中可以看出，每组试样在2 min后开始趋于稳定，5 min后标准砂已基本压缩稳定，中砂也存在同样现象。因此可将竖向加载时间确定为5 min。经过反复实验，发现直剪仪的手轮转动一圈的时间为20 s，转动一圈的剪切位移为0.2 mm，所以实验中改用每隔20 s读一次测力计读数，使实验记录更加精确。由于直剪实验相对复杂，实验准备时间设为10 min，4级加载、剪切所需总时间分别历时20 min和25 min，加上4次装卸样的时间，足以在规定学时内完成实验。

图2 300kPa标准砂压缩曲线

3 标准化实验效果的检验

3.1 固结实验标准化

为检验固结实验标准化的效果，针对初始密度为1.67 g/cm3的标准砂，将未采取标准化的实验结果与按照上述标准化流程进行的实验结果进行正态分布统计。图3给出未标准化与标准化后的试验所获压缩系数的正态分布对比图。由图3可知，标准化后所得压缩系数的最大概率密度比未标准化的高1倍有余，其压缩系数最大差值低至0.045，是均值的64.33%，而未标准化的压缩系数最大差值高达0.1，是均值的127.27%，即标准化后的压缩系数的标准差明显减小，这表明标准化的固结实验结果离散程度显著降低[8]。

综上所述，对固结实验过程的标准化能够有效减小实验结果误差，增加实验结果的可靠度。

图3 1.67 g/cm3压缩系数正态分布

3.2 直剪实验标准化

为检验直接剪切实验标准化的效果，对标准砂、中砂每个初始密度均进行6组实验，图4给出了初始密度1.7 g/cm3标准砂的正应力与剪切应力关系图。可直观看出，每组实验剪切应力与正应力之间均成直线关系，拟合度R2均大于0.99，且同种密度下的直线斜率大致相同，每条拟合直线几乎过原点。根据《土工实验方法标准》(GB/T 50123—1999)可知，直线斜率是内摩擦角φ的正切值tanφ，直线的截距是黏聚力c。直剪试验采用干砂，理论上没有黏聚力[9]，因此实验结果符合莫尔库伦强度准则。其他5个密度下的剪切实验得出相似的结论。

为进一步检验直剪实验标准化的实验效果，将3种不同初始密度标准砂的内摩擦角正态分布绘于图5中；按顺序进行1.7 g/cm3、1.8 g/cm3、1.9 g/cm3密度的实验，尤其是1.9 g/cm3的实验是实验者对标准化流程熟练掌握之后进行的。由图5可知，标准化后3个密度组的最大概率密度均大于40%，且每组实验内摩擦角最大差值分别是均值的7.11%、7.96%、4.74%。由此可见，标准化直剪实验比标准化固结实验的正态分布曲线还要窄，数据更为集中，直剪实验的标准化效果比固结实验更好。另外，图5还表明，随着实验者对标准化流程的熟练掌握，所获得的实验结果的最大概率密度和集中度也有明显提高。对中砂进行实验，也得到相似结论。

图4 1.7 g/cm3标准砂正应力与剪切应力关系

图5 标准砂内摩擦角正态分布

离散系数为标准差与平均值的比值，当离散系数小于0.1时，表明实验结果的离散性很小[9]。为直接检验标准化直剪实验的离散性，将内摩擦角离散系数按标准砂、中砂每组实验顺序绘于图6中。由图6可知，实验结果的离散系数最大值仅为0.03，远小于0.1，说明标准化直剪实验有效地减小了实验结果的离散性；而且内摩擦角离散系数随实验者操作熟练程度增加而减小。可能是由于中砂粒径比标准砂均匀，其剪切响应相对稳定，测力计指针左右摆动较小，读数比标准砂更为精确，故而中砂每个密度实验结果的离散系数均小于标准砂。

综上所述，对直剪实验的标准化能够解决未标准化实验数据离散性的问题，中砂的标准化效果比标准砂更佳，且操作熟练程度对实验结果离散性也有一定的影响。

图6 标准化直剪实验离散系数

4 标准化考核的实现

标准化实验考核是保证教学质量的重要环节，是调动学生参加实验课程积极性的重要手段。为了给土力学实验考核提供一个可靠的参考标准，利用固结、直剪实验正态分布曲线确定出概率超过95.4%的压缩系数、压缩指数以及内摩擦角的合理取值范围[μ-2σ,μ+2σ][9]，作为保密试题库。

根据前文研究结果编制了相应的实验指导书，拍摄了介绍实验各环节及注意事项的视频资料上传至网络平台[10]，为学生提供了便捷的学习途径，以此深化其对土力学实验和相应知识的理解，规范其操作。除此之外，还制定了随机命题程序与实验考核标准，以标准化的实验考核来提升实验教学效果。

针对新型的实验课程设置，也必须要有一套与之相适应的教学评估体系[11]。实验前，实验教师根据学生学号随机分组，并根据命题程序为每个小组布置实验任务；实验过程中，实验教师除了对学生的误操作进行必要的纠正外，主要负责为每位学生的操作环节打分；实验结束后，实验教师根据学生提交的实验结果与保密试题库提供结果偏差的大小，给出分数。最后，根据如下计算公式给出每位学生实验环节考试成绩，实验总分=实验准备×10%+实验操作×30%+实验结果准确性×60%。

5 结语

针对现有土力学实验教学中存在实验流程和考核缺乏控制、缺乏标准化的不足，利用标准砂、中砂进行大量的固结、直剪实验，通过对实验材料、装样、时间与测量的标准化，提出此2类实验的标准化实验流程和考核标准，达到了提升土力学实验教学效果的目标。

(1) 对实验材料的标准化可以克服同一批次实验土样不一，本文选用风干的ISO标准砂和中砂。

(2) 对实验流程的标准化，主要是对装样、实验时间和测量时间点的标准化，既提高了实验结果的可靠性和可重复性，也保证了实验能在规定学时内完整地完成。

(3) 标准化后的实验结果表明，标准化固结实验所获得的压缩系数和标准化直剪实验所获得的内摩擦角离散性较小，处于可控范围；相比于固结实验，直剪实验的标准化效果更好。

References)

[1] 李广信,吕禾,张建红.土力学课程中的实践教学[J].实验技术与管理,2006,23(12):13-14,23.

[2] 徐志伟,刘志强.土力学课程中实验结果与成果辨析[J].高等建筑教育,2008,17(1):112-113.

[3] 王俊杰.工程类专业土力学实验教学改革思考[J].高等建筑教育,2009,18(6):110-114.

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[5] 金正一,黄永春.改革实验教学方式,培养综合能力[J].实验技术与管理,2008,25(1):135-137.

[6] 陈磊. ISO标准砂鉴定试验体会[J].水泥工程,2011(1):66.

[7] 李帅.高氯盐细砂土流变模型的实验研究[D].兰州:兰州交通大学, 2015.

[8] 李广信.高等土力学[M].北京:清华大学出版社,2004.

[9] 高向阳.土工实验原理与操作[M].北京:北京大学出版社,2013.

[10] 童小东,黎冰.土力学[M].武汉:武汉大学出版社,2014.

[11] 留岚兰.实验课程设置与创新型人才培养[J].实验技术与管理,2007,24(1):123-125.

Study on assessment standardization of soil mechanics experiments

Shang Xiangyu1,2， Wang Qishi1， Zhou Guoqing2， Lu Juming1

(1. School of Mechanics and Civil Engineering, China University of Mining and Technology， Xuzhou 221116， China；2. State Key Laboratory for Deep Rock-Soil Mechanics and Underground Engineering，China University of Mining and Technology， Xuzhou 221116， China)

In order to carry out the study on the assessment standardization of soil mechanics experiment, and by means of the strain-type direct shear apparatus and the triple consolidation apparatus, a large number of the consolidation and direct shear experiments on the standard sand and medium sand are conducted. Through the statistical analysis of the experimental data and the existing procedure of the undergraduate soil mechanics experiments, a set of the standard experimental procedure and the experimental reference results are summarized, which is convenient to assess the students’ experimental process and experimental results.

soil mechanics; experimental procedure; standardization; discreteness

TU411；G642.0

A

1002-4956(2017)10-0149-04

10.16791/j.cnki.sjg.2017.10.037

2017-04-24修改日期2017-06-08

2013年度住房和城乡建设部“土木工程专业卓越计划专项”；中国矿业大学教学改革项目(2014SY02)

商翔宇(1977—)，男，江苏徐州，博士，副教授，主要研究方向为冻土力学与深部土力学.

E-mail：xyshang@cumt.edu.cn