新工科建设背景下土木类学生实践能力提升的探索与实践

王英杰 边亚东 惠 存

1.中原工学院建筑工程学院 河南郑州 450007；2.河南省环境岩土工程与地下工程灾害控制工程研究中心 河南郑州 450007

一、概述

项目教学法糅合了探究教学法、任务驱动教学法与案例教学法的特点，是一种基于建构主义学习理论的探究性学习模式[1]。项目教学法主张以实际的项目为对象，由教师及学生团体共同对实际项目进行考察、分析，然后以学生为主体对项目部分进行讨论、交流、写作，针对实际问题提出可行的解决方案，最后以项目完成情况对课程教学和学生学习情况进行评价。

项目教学法是工科类专业学生培养常用来夯实知识体系和提升创新实践能力的实践教学方法，能够帮助学生巩固理论知识，使其将理论知识有效吸收消化并转变为解决实际问题的能力。实践教学环节的改革与实践符合新工科建设的“学与教”的新探索[2-5]，是近年来各高校进行的一系列新工科建设研究与探索的重要内容[6-7]。

“土木工程材料”是土木工程专业学生的学科必修课程，土工合成材料是课程的重要内容，主要包括土工格栅、土工布、土工膜、土工防排水材料、土工防沙材料、土工网、土工保温材料及其相关土工复合材料等，在国际上被称为继钢材、水泥、木材之后的“第四大建筑材料”。

二、土工合成材料的典型应用

目前，土木合成材料已广泛应用于水利、港工、公路、铁路、机场、市政、建筑、环境、矿山和农业等国民经济建设领域，并取得了良好的社会效益、生态效益和经济效益。在实际工程应用中，土工合成材料的功能性体现在多个方面，如软土地基加固、旧路堤加宽、堤坝边坡加筋和加筋挡土墙等，有提高路基、路堤承载力、降低路基厚度、河流边坡防护、隔离防水防渗、集水排水以及延长基层结构使用寿命等作用。

一般的，土工合成材料可以单独铺设来发挥自身作用，但在有特殊要求或单独铺设无法满足工程需要时，多采用多种土工材料相互配合铺设。例如，人工湖、蓄水池、鱼塘、垃圾填埋场及医院等对防渗漏要求较高，单层土工布或土工膜无法阻止渗液进入地下，因此常采用“两布一膜”(即两层无纺布和中间的一层土工膜)的方法进行铺设，以塑料薄膜作为防渗基材，与无纺布复合而成的土工防渗材料，它的防渗性能主要取决于塑料薄膜的防渗性能。多种土工材料配合使用，既能达到防渗、防漏、防腐蚀的效果，又确保周边环境安全，并防止医疗、生活污水、废水等液体对地下水的污染。

近年来，我国汛期呈现出了偏早的特征，并且持续时间偏长。2022年，我国华南地区前汛期于3月24日开始，较常年偏早16天。过早、过久的汛期降水，给我国不同地区的地质情况带来了巨大隐患。2021年，河南中北部出现大暴雨，多个国家级气象观测站日雨量突破有气象记录以来历史极值，多地高速公路、普通干线公路、农村公路等发生损毁，河流等水域出现滑坡等情况，城市地面出现路面或护坡塌陷等险情。在各地抢险过程中，土工布、土工膜、土工模袋等材料与沙土、砂石等一起筑起了保护人命生命和财产安全的物理防线。

在铺设土工合成材料之前，必须进行科学合理的设计、施工方案规划。施工过程中，要严格遵守施工要点和质量检测点的规范要求。在施工完成后，需要采取技术措施检测土工材料的具体状况，确保防渗、防漏性能的最大程度发挥，提高铺设材料的可靠性。因此，在工程应用时，需要了解土工合成材料的功能、原理，合理选择，从而达到解决实际问题的目的。下面以边坡加固为例，对土工合成材料的原理、应用范围以及铺设方式进行详细说明。

三、土工合成材料的边坡加固原理

土工合成材料在各种类型的防护工程和大量的水利及堤防工程中都得到了应用。在滑坡治理中，土工合成材料能够提升边坡土体的一致性，增加土层间的摩阻力，进而限制土体的位移，有效降低再次发生滑坡的概率，对提高边坡稳定性有重要作用[8-9]。

在防水、防洪等边坡加固过程中，常采用土工格栅、土工网作为土体加筋材料，配合土工布、土工膜作为边坡防水固土材料，提升边坡整体性和防水能力。图2所示为土工合成材料配合使用时的边坡加固基本原理。

图2 土工合成材料的边坡滑坡加固方式

其中，每层筋材的强度均需经过验算再进行设置，以第i层筋材承受的水平拉力Ti的计算为例：

Ti=[(σvi+∑Δσvi)Ki+Δσhi]Svi/Ar

其中，σvi为验算层筋材所受土的垂直自重压力(kPa)；∑Δσvi为超载引起的垂直附加应力(kPa)；Δσhi为水平附加荷载(kPa)；Ar为筋材面积覆盖率，当满铺时取1。Shi为筋材水平间距(m)；Svi为筋材竖向垂直间距(m)；Ki为土压力系数。

四、土工织物在边坡治理中的应用

2021年，郑州市全年平均降水量1339.0毫米，较常年同期偏多122.3%。受此影响，我校景观湖周围道路多处发生滑坡、坍塌现象，部分道路路基发生较大沉降。为了尽快重塑校园环境、恢复正常教学秩序，决定对受损严重的路基、路面、边坡等采取重建的方式进行修复，对部分损害程度较低、滑坡土体较小或不具备开挖条件的边坡进行原址修整。

据此，在对校园景观湖周边滑坡现状进行充分调研、查勘的基础上，由课程教学团队、专业教研室教师、企业导师以及施工人员共同组成的“虚拟”教学组织对勘察结果进行分析、研判，选择具有典型代表性的景观湖修复点进行讲解和指导，并将学生按照边坡修复、坡面防护以及坡底加固三种类型进行分组，分别依据土工合成材料的特性及使用范围进行选择和方案设计。

最终，学生经过对解决方案的反复修改和完善，团队综合考虑施工周期、经济成本、修复效果及原材料购置等因素，确定土工合成材料中土工布、土工格栅、土工网及土工模袋的配合使用作为几处滑坡边坡的修复方案。选取的土工合成材料的技术参数指标如下表所示。

土工合成材料的技术参数指标表

最终确定的校园景观湖边坡修复整治方案如下：

(一)边坡土层采用土工格栅进行修复

由于发生坍塌的边坡大多位于校园道路、教学楼、实验楼附件，不具备大面积开挖条件，因此，修复方案采用土工格栅斜向摊铺的方式。在塌方位置进行表面修整之后，将土工格栅在与水平面成一定夹角的土层表面进行铺设并固定，根据滑坡土体严重情况分3～5层进行加筋材料布置。

由于土体的抗拉强度明显低于抗压和抗剪强度，在土体内铺设适当的加筋材料可以改善边坡土体的力学性能，筋材和土层形成的筋土复合体可以保持更加稳定的状态而不容易塌落。因此，在边坡土层采用土工格栅加固方法可以改善土体抗拉、抗剪性能，提高地基承载力，进而降低再次发生滑坡的概率。

(二)坡面采用土工布防护和植草固坡处理方法

坡面防护采用摊铺土工布固土护坡的方法，自下而上依次铺设土工布，上游布片搭在下游片之上，相邻土工布搭接宽度符合设计施工要求，土工合成材料摊铺层与土体做好锚固并与土层中的土工格栅形成有效连接，提高材料与土质边坡的一致性。土工布表面进行覆土处理，坡面植草并设置排水措施，减少雨水的渗透量和破坏。

坡面采用土工布与植草固坡处理方法，既增加边坡表面的水土保持程度，又为边坡表面植草的正常生长和根系固定提供稳定的土壤层，因此能极大提高边坡防水、防冲刷能力。

(三)坡底位置采用土工模袋压重加固

学校内景观湖边坡坍塌情况较为严重，尤其是经长时间雨水浸泡的边坡底部土体稳定性较差。因此，将土工模袋内充填混凝土或水泥砂浆，凝固后形成整体混凝土板，在坡底水面及以下位置进行压重加固，提高坡底地基持力层抗滑能力。土工模袋施工采用一次喷灌或装填成型，具有施工简便、速度快、机械化程度高等优点，能适应水下软弱地层，不需要进行排水、围堰等，护坡稳定性好，环境友好，不会对景观湖内的生态环境产生较大影响。

结语

在新工科建设背景下，此次土木类学生实践能力提升的探索对于培养应用型人才具有重要意义。同时，“虚拟”教学组织在项目教学法的实践过程中，注重课程目标与学生培养方案的一致性，使学生能够应用土木工程基本原理对复杂工程问题的关键因素进行分析、表达，并给出有效解决方案。

本课程的教学方法改革与实践可以提升学生分析与解决问题的创新能力，培养严谨求实的科学态度，具有很好的借鉴作用。