基于工程应用和模拟技术的土力学教学探索★

徐美娟 蒋明杰

(1.工程防灾与结构安全教育部重点实验室，广西 南宁 530004；2.广西防灾减灾与工程安全重点实验室，广西 南宁 530004；3.广西大学土木建筑工程学院，广西 南宁 530004)

1 概述

土力学是一门研究土体变形、强度、渗透及其随时间变化的应用学科，是土木工程类专业重要的专业技术基础课，涉及到的专业有岩土工程、道路与桥梁工程以及水利工程等[1]。土体由固、液、气三相组成，这一多相颗粒体系决定了土力学的复杂性，对学生来说是一门比较难学的课程；另外，课程具有较强的实践性，仅靠教材理论的注入式教学很难提高学生的学习积极性，进而导致学习效率和学习效果相对较差。

随着现代教育技术的发展，很多学者在土力学的教学改革方面开展了非常多的研究和探索工作[2-5]，也取得了一些成果。数值模拟分析技术在教学科研中越来越多地被采用，笔者将结合自身的土力学教研工作，将数值模拟分析技术应用到土力学的教学中，采用有限元软件ABAQUS来模拟工程问题的动态过程，从而将抽象的理论知识形象化、直观化，达到激发学生的学习兴趣、提高教学效果的目的。

2 课程学习现状

土力学课程内容多，讲授包括土体的基本概念、强度、变形、渗流及其应用等多个方面。在规定的较少学时情况下，课程教师基本采用多媒体教学来完成课程教学任务，课堂上展现的信息量很大，学生很难在当堂消化吸收，久而久之，学生没有了学习兴趣，很难达到教学效果。

教学设计方面，理论知识往往与工程实际应用相脱节，单纯讲授基本概念、公式理论推导等，不注重结合工程问题。这样，学生既难以理解，又无法提高分析解决工程问题的能力，达不到学以致用的初衷。如何实现土力学的理论教学与工程问题有机融合，本文将以“土体的超孔隙水压力产生与消散”为例进行阐述。

3 基于工程问题设计教学

土体的孔隙水压力是土力学中的最基本概念之一，超孔隙水压力可以由渗流产生，也可以荷载作用(静或动)产生。对于稳定渗流，其超孔隙水压力不随时间变化，而后者将随时间变化，在具备排水的条件下，它将逐渐消散，土体的体积也将随之变化[6]。在教学时可以从工程中的预制管桩施工导入讲解，预制管桩属挤土桩，软土具有高含水率、高压缩性、高孔隙比、低渗透性以及低强度等不良特性。由于在土中压入大量体积的桩，破坏了土体的原有平衡，在不排水条件下，这部分与桩体积相等的土体将被向外挤出，使得桩周围土体的超孔隙水压力急剧增大，引起土体的水平和竖直位移，导致浮桩、偏位、断桩等[7,8]，如图1所示。这一工程问题的本质是土体中产生了未能及时消散的超孔隙水压力。

如何解决图1中的工程问题，就需要及时消散沉桩挤土产生的超孔隙水压力，如图2所示，在管桩本体上，沿轴向设置一定数量的贯通孔，沉桩挤土产生的超孔隙水可以经这些贯通孔消散入管桩内腔，使管桩成为有刚度的排水井，具有竖向承载与水平排水通道的功能。

4 采用模拟技术直观再现

随着数值模拟技术的发展，其在产学研中的应用愈来愈多。在土力学课程的教学中，采用数值模拟技术模拟工程实际的动态过程，可以有效地加强理论知识的理解、提高工程问题的分析解决能力。

以“土体的超孔隙水压力产生与消散”为例，基于有限元软件ABAQUS，建立透水管桩沉桩三维数值模型，直观形象地展现了沉桩过程中的超孔隙水压力随时间的变化规律。如图3所示，由于透水管桩桩身透水，紧靠桩侧土体中的超孔隙水压力能很快消散，超孔隙水压力近似成苹果核状分布，而不能及时消散的超孔隙水压力近似成同心球分布。

图4反映了桩的动态沉桩过程，从水平位移来看，对某一深度的土体，当桩尖接近时，土体开始位移，随后在较短的时间内达到最大值。伴随着桩的进一步下沉，水平位移近似保持不变或有所减小。从竖向位移来看，对于紧靠桩侧的土体单元，不同深度的土体均表现为向下沉降，其主要由于桩靴的向下挤压变形所引起的。

图5模拟了透水管桩沉桩过程中的水平应力，在沉桩过程中，当桩端到达某一深度之前，水平应力先略有减小；随着桩的进一步下沉，土体逐渐受到挤压，水平应力增加明显。

5 结语

本文针对土力学理论的注入式教学问题进行探索改革，在教学设计中考虑工程应用和模拟技术的多方面融合，选取“土体的超孔隙水压力产生与消散”内容进行阐述，通过还原工程问题的本质，将抽象的理论知识形象化、直观化，实现了学而有趣、学以致用的初衷。