土工模型试验在土力学教学中的应用实践

【摘要】土力学是对土的物理性质及在荷载作用下土体内部应力应变规律进行研究的一门学科，其研究对象是土与土体及与土体相关的构筑物，研究手段主要包括工程力学理论和土工试验方法，而土工试验是提高土木工程专业学生实践和创新能力的重要教学环节。以挡土墙综合性试验教学为例，阐述综合性试验教学的过程，培养学生的动手实践能力，进一步达到培养学生的创新能力。

【关键词】土力学 土工试验 实践与创新能力 挡土墙

【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2017）50-0252-01

一、前言

土力学是研究土的物理性质及其内部应力应变规律的一门学科，其研究对象是土与土体及与土体相关的构筑物。教学中可将传统的理论课程与试验课程相结合，理论联系实际，将抽象的土工试验具体化。本文基于此设想提出新型土工试验模型，并以土力学的一个综合试验——挡土墙综合性试验教学为例。挡土墙是阻止土体向下滑移并保持土体稳定性的结构物[1，2]，土力学课程中仅涉及了土压力基本理论，未涉及具体试验及应用问题，学生则感到土力学课程学习内容复杂，碰到实际情况难以下手。因此有必要对土木本科专业学生设置挡土墙试验及应用环节，探究试验过程，并由此探讨试验措施，调动学生动手参与试验的积极性，开拓学生钻研和探索的精神视野。

二、传统土工试验教学特点

传统的土工试验采用分散教学的方法，一般分散在理论教学的过程中内容主要包括密度、含水率、液塑限、固结、直剪试验等，一般为8个学时。传统的教学模式主要不足有：

1.内容零散缺乏连贯性。现阶段多数高校一般只开设必选的试验课，而限选课的试验课却基本不开设。在对我校自身的情况及其他高校调研分析体会到土力学试验课时严重不足，理论知识由理论课堂老师教授，试验内容则由试验室老师承担无法保证内容的连贯和完整性，传统的教学方式无法满足新一代的学生教育教学。

2.指导教师有限。传统的试验教学多采取大班化的模式，一个指导老师同时指导几十个学生一起做试验。这样直接导致很多学生在试验过程中遇到问题无法得到很好的解决。

3.学生参与试验的主观能动性低。多数学生只注重理论课程的考试而忽略试验课时的重要性，试验过程只是按照老师的操作而操作，试验过后没有进行总结和思考，试验报告也是机械的填写，甚至有些数据测得不准确也应付了事。试验过程有很大一部分同学没有亲自动手操作，更不用说创新思维的培养。

综上所述，土力学是一门实践性非常强的学科，传统土力学教学方法中，学生没有机会目睹课本中所涉及的工程现象（比如挡土墙失稳破坏）而对土体基本概念缺乏感性认知，学习效率低下，影响教学质量。而土工试验教学是一种促进学生学习及培养创造力的教学形式，需要学生主动探索发现，构建知识架构，且需要将已学理论知识与试验现象进行關联并思考。所以土工模型试验具备土力学理论教学无法具备的先天性优势，可促进学生学习及培养创造力，这就决定了它在高等院校实施创新教育中的重要地位。

三、新型综合挡土墙综合试验教学的特点

目前对挡土墙位移模式影响土压力分布规律尚少，测量土压力多数是把土压力盒埋置于土体之中，利用应变采集仪进行读书，但这种测量方式未考虑土压力盒表面的拱效应，将会影响土压力的准确值。所以本文可设计一种柔性薄膜装置埋设于土体之中[3]，土体位移通过导向支架进行控制，这样就避免了土体的架拱现象，因此土压力的测试值较为精确。这样一种挡土墙新型土工试验可激发学生对土体应力规律的思考，又可启发学生对试验仪器的创新思维，进而对静止土压力、主动土压力、被动土压力等抽象理论概念有了感性的认知，培养了学生动手实践、创新能力，起到事半功倍的效果。

1.将土工试验作为一门独立的必修课旨在引起学生的重视程度，土工试验是工科试验的基础，改变它为土力学课程的组成部分，改变学生先前固有的思想。土工试验即常规指标测试和综合性试验（如挡土墙模型试验）。采用视频演示和试验室操作等相结合的方式，让学生熟悉各常规指标的测试方法。对于指导老师不足的问题，则可以让研究生也参与试验的指导，分组试验，但是人数应控制在3～5人之间，每组都应有指导老师。

2.集中开展土工试验，每个班级开展试验时间为3～4周，如果试验较多的话可以适当延长周期，各个班级开展试验时应错开。以挡土墙试验为例，可按以下步骤开展：①试验前期应进行相关挡土墙理论知识、土体土拱效应机理、试验资料和试验规程的阅读，设计试验（柔性薄膜土压力测试装置），确定试验方案，并对试验仪器的操作进行集中熟悉；②开展试验，包括试验试样的准备，试验过程的实施，应变数据采集，位移读数；③试验后期，土压力及挡土墙位移数据的处理，参照土工试验规程和挡土墙基本理论进行分析整理，最终提交合格的土压力及挡土墙位移关系的试验报告。

3.利用“校企合作”关系让学生参与到工程实践中，体会试验室完成试验和工程实际试验的异同，加深学生对试验的理解，也有利于提高学生的动手能力。另外鼓励学生参与到老师的科研项目中学习，以扬州大学为例，我校每年都开展大学生科创项目，每个项目可以有3～5人，项目主持人必须为大二学生，意在从大二学年就开始培养学生的科研素养。通过综合性试验的开展，带动学生的积极性，提升学生的科研能力和创新能力为学生今后的毕业设计乃至走向社会工作奠定基础。

四、结语

在教学改革研究大背景下，鉴于我院土木工程本科土力学教学中所反映出的问题，结合教师的教学实践及教学效果评价，根据本专业学生的实际情况，进一步完善教学计划、教学方案并构建科学可行的教学质量评价体系，对于实现培养创新教学方法、确定专业特色、造就高素质复合型人才具有重要的现实意义。

参考文献：

[1]李广信，杜修力.土力学教学与实践[M].北京： 人民交通出版社， 2006：27-32.

[2]赵明华.土力学及基础工程[M].武汉：武汉理工大学出版社，第三版.2009：134-138.

[3]贺炜.具有柔性测试表面的土压力测试仪.中国，CN200910043418.X[P].2009-10-21.

作者简介：

朱小军（1987- ），男，江苏东台人，博士，讲师，研究方向：土力学研究。