土力学教学过程中创新意识的培养

张俊然 姜彤 张昕 潘旭威 赵金玓

摘  要：目前土力学本科生教学过程中涉及的理论以饱和土为研究对象的较多，地球表面非饱和土普遍存在，忽视了土体非饱和状态的存在，从而导致传统饱和土的相关理论与实际工程之间存在较大的偏差。文章以有效应力原理为例，首先更新和扩展了有效应力原理的内容，采用“提出问题-分析问题-解决问题”启发式教学方式，同时通过学习有效应力原理表达式的更新过程，将与时俱进的创新元素引入课程思政教学过程中。上述采用先介绍一般情况再介绍特殊情况的教学方式，降低了学生接受知识的难度，同时提高了学生认识事物的能力和解决问题的创新意识。

关键词：土力学;有效应力原理;非饱和;启发式;课程思政

中图分类号：C961       文献标志码：A          文章编号：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

土力学是地质工程、土木工程和水利水电工程专业重要的专业基础课之一。作为一门既古老又年轻的工程技术学科，土力学随着时代的发展不断进步。习主席强调，“创新是发展的第一动力”，“自主创新是我们攀登世界科技高峰的必由之路”，“基础研究是整个科学体系的源头”[1]。在创新驱动发展战略下，结合时代要求进行基础研究的学科创新十分重要。在土力学教学过程中培养学生的创新与探索意识，能够充分发挥学生的主观能动性，让学生在探索中全面理解土力学的科学本质，为学生解决工作中所遇的工程实际问题提供了一定的理论基础。

一、传统教学中的问题

有效应力原理是土力学教学的灵魂所在[2]。《土力学》中指出，土是由固体颗粒、水和空气三部分所组成的三相体系[3]。在本科生的教学中，主要介绍了研究对象为饱和土的太沙基Terzaghi有效应力原理[4]，其仅仅考虑了土中的固相和液相，忽略了气相的存在。这种只考虑特殊情况而忽略一般情况的讲授方式并不符合马克思主义认识论。地球表面广泛分布的天然地表沉积土大都处于低含水率状态，经过开挖夯實的土也大都属于非饱和土，其性质很难用饱和土力学来描述。这也导致了传统的饱和土的相关理论与实际工程有较大的偏差。研究非饱和土理论对于解决工程问题，预防地质灾害和降低经济损失是十分重要的[5]。因此，在本科生土力学教学中添加非饱和土相关内容的阐述，符合由一般到特殊的事物认识规律，能够让学生从本质上认识土力学，使学生看到土力学的全貌，并为学生解决实际问题提供理论基础。下文以有效应力原理为案例来阐述如何采用启发式教学引入非饱和土概念，以及如何将与时俱进的创新元素引入到思政教学过程。

二、土体有效应力原理

（一）提出问题

太沙基（Terzaghi）在下雨天走在泥泞的黏土路面上摔了一跤。于是他思考到，为什么人在饱和黏土上会滑倒，而在干土路面和粗粒土路面不会滑倒？不同路面如图1所示。以此为灵感，太沙基于1921-1923年提出土的有效应力原理和固结理论。其中指出，土体是由土颗粒骨架、孔隙水和孔隙气三相构成的碎散材料。但三相如何分担受外力作用后的总应力，他们之间如何相互转化，对土体的变形和强度有何影响？

（二）分析问题

图2是用圆铝棒堆积层模拟土的模型试验[6]，在圆铝棒堆积层中加水，粒子间的孔隙中有水吸附。从图2可以观察到，粒子接点处积聚着水，形成了弯液面。受外力后，总应力分为三部分承担：由土骨架承担，并通过颗粒之间的接触面进行应力的传递，称之为粒间应力（σs）。由孔隙水来承担，通过连通的孔隙水传递，为孔隙水压力（uw）。由孔隙气来承担，通过连通的孔隙气传递，为孔隙气压力（ua）。

在非饱和土中，土体的三相微观分析如图3所示。非饱和土体的孔隙中有水和气，此时水多集中于颗粒间的缝隙处，称为毛细水。由于毛细张力的作用，会形成如图3（a）所示的弯液面。吸附于土颗粒表面的孔隙水会产生吸附力[7]，如图3（b）所示。

为简化示意总应力下非饱和土各分量的分担情况，绘制如图4所示的应力分量及其面积图。其中a-a断面为土颗粒接触断面。各应力分量及其代表符号如表1所示。由a-a断面的竖向力平衡可得式（1）[8]，等式两边同除以土单元总截面积A可得式（2）。颗粒间所有接触竖向力∑Psv與总面积A的比值即为有效应力σ'。使用表1中的面积比应力分量Aw/A=χ，Aa/A=[1-（α+χ）]分别替换式（2）选框中的参数。土颗粒间的接触面积α约为0.03左右，如果忽略α，即α=0，则空气面积比可由（1-χ）替代[9]，此时得到式（3）。经过转换可得出Bishop[10]所提的非饱和土有效应力原理公式如式（4）所示。

表1中， A为土单元的断面积， As为颗粒接触点的面积， Aw为孔隙水的断面积， Aa为孔隙气的断面积， A=As+Aw+Aa， σ为土单元总应力， σs为颗粒接触点的应力。

（三）解决问题

关于非饱和土有效应力原理的分类：对于饱和土，Aw/A=χ=1。此时推导出Terzaghi所提的饱和土有效应力原理表达式如式（5）所示。作用在饱和土体上的总应力，由作用在土骨架上的有效应力和作用在孔隙水上的孔隙水压力两部分组成。人行走于饱和黏土上时如图1（a），瞬时总应力和孔隙水压力同时增加，有效应力等于零，因而人就会滑倒[11]。如果走在粗粒土路面上时如图1（c），瞬时总应力和孔隙水压力增加，但是其渗透系数较大，孔隙水压力可以及时消散，使其有效应力较快增加，因而人就不易滑倒。

在非常干燥的情况下，Aw/A=χ=0。此时有效应力原理表达式变为公式（6）。作用在极干土体上的总应力，由作用在土骨架上的有效应力和作用在孔隙气上的孔隙气压力两部分组成。如果行人走在干土路面上时如图1（b），瞬时总应力增加，而孔隙气压力基本不变（以大气压为基准），使其有效应力增加明显，因而人就不易滑倒。又如：把干土试样装入气球内，给气球内部施加10kPa的压力，则气球会膨胀;为了给干土样施加50kPa的净应力，则需施加的总应力为60kPa。

对于非饱和土，0

三、与时俱进的创新元素引入思政教学过程

非饱和土有效应力公式随着诸多学者的研究而不断更新发展。在探究如何阐明非饱和土有效应力物理意义的过程中，Wheeler等[16]提出非饱和土的性质受到饱和度等因素的影响，将吸力有关的增强项与饱和度建立关系，并用饱和度（Sr）代替有效应力参数（χ），如式（7）所示。Lu Ning等[17]认为残余饱和度对有效应力的贡献可以忽略，提出可以用有效饱和度（Se）代替有效应力参数（χ），如式（8）所示。正如习近平总书记所言：惟创新者进，惟创新者强，惟创新者胜。只有在前人的基础上不断发现问题，分析问题，解决问题，才能够将创新应用于理论发展、学科教学和工程应用当中。

四、教学效果

通过近五年对地质工程、土木工程和水利水电工程专业本科生的教授，学生反映强烈，效果良好。在启发式教学下，学生在了解三相组成的基础上，明白了三相对于总应力的分担情况以及各自之间的相互转化。经过非饱和有效应力原理的学习，学生看到了有效应力原理的全貌。这种由一般到特殊的讲解方式符合马克思主义认识论，能够让学生从本质认识土体的有效应力原理。通过学习有效应力原理表达式的更新发展，能够让学生明白知识的创新性和进步性，进而有效提高自身的创新意识。这种创新意识的培养，为其学生开展大学生创新试验项目打下了坚实的基础。已经先后有多名学生申请到与土力学相关的大学生创新项目，如：广吸力范围内黄土直剪或残余剪试验研究（郭云涛，2021省创）、不同制样方法对非饱和膨胀土微观结构和力学性质的影响（刘晓峰，2020省创）和豫西黄土控制吸力的渗透实验研究（戴淼，2020校创）等。通过创新项目的锻炼，学生不仅提高了科研创新能力，并且取得了相关的研究成果。从就业角度来看，全面掌握有效应力原理能够为学生解决工程实际问题提供坚实的理论基础。

五、结论

创新意识是工程从业者不可或缺的优秀素养，也是新时期创新型人才发展的关注内容。该论文以有效应力原理的授课内容为例，将非饱和土的概念引入其中，采用启发式教学加深学生对有效应力原理的理解。在逐步更新的有效应力表达式学习中，与时俱进的创新元素被引入课程思政教学里。上述由一般到特殊的启发式教学形式，相关知识点容易被学生接受，使学生深刻理解了有效应力原理，不仅提高了学生认识事物和解决问题能力，还有效地培养了学生的创新意识。这样的创新与探索意识培养为学生开展大学生创新试验项目打下了坚实的基础，有助于提高学生未来解决实际工程问题的能力。

创新意识的培养是一个循序渐进的过程。只有教师在实践中不断完善，结合学生反馈进行反思和总结，才能更有效地提高创新意识的培养效果。

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