融入课程思政元素的“土力学”教育教学分析

周艳春，侯兴民

（1.泰山科技学院，山东 泰安 271000；2.烟台大学土木工程学院，山东 烟台 264005）

0 引言

新工科背景下，如何培养造就多样化和创新型的卓越工程科技人才，主动应对新一轮科技革命和产业变革，为国家提供创新驱动和人才支撑，成为工科院校亟待解决的问题[1]。课程思政应运而生，它与思政课程并存，共同承担起新工科建设综合素质培养的重担。思政课程由来已久，由专门的思政老师授课，是显性思政；而课程思政则是在专业基础课程中融入思想政治教育，在讲授专业基础知识的同时，引导学生把握正确的人生观、世界观和价值观，是隐形思政[2]。

“土力学”是土木工程方向的一门专业基础课程，它以土作为研究对象，是一门研究土的基本物理性质及土体受力后其应力、变形、强度和稳定性的科学。“土力学”的研究对象复杂多变，研究内容涉及学科广泛，“土力学”中的公式和计算绝大多数都是半理论和半经验的，是一门实践性很强的科学[3]。对于工学类专业课程，课程思政要注重强化学生的工程伦理教育，培养学生精益求精的大国工匠精神，激发学生科技报国的家国情怀和使命担当[4]。本文结合“土力学”教材内容（土的三相组成、抗剪强度、地基承载力与压缩性、土坡稳定）真实案例，深入分析思政元素的融入点，实现专业基础课程与思政元素有机融合，达到润物无声的效果。

1 土的三相组成（认清本质、中国凝聚力）

地球表面的整体岩石，在大气中经风化、剥蚀、搬运、沉积，形成的由固体矿物颗粒、水、气体三种成分的集合体就是土[5]。土的三相就是指土的固相（土中固体颗粒）、液相（土中水）与气相（土中气）。依据土粒大小、粒组的土粒含量或者土的塑性指数，可以把土分为岩石、碎石土、砂土、粉土和黏性土五大类，不同类别的土，物理力学性质迥然不同。在特定的地理环境或者人为条件下，还会形成具有特殊性质的土，包含黄土、膨胀土、红黏土、冻土等。例如，同样都是黄土，湿陷性黄土与非湿陷性黄土在浸水前，均具有较高的承载力和较低的压缩性，而一旦浸水，湿陷性黄土的结构会迅速发生破坏，强度显著降低并产生明显的附加下沉。亦或碎石土与淤泥质土，前者具有较高的承载能力和压缩模量，而后者承载能力低且压缩性高。在外力作用或自重应力的作用下，土体会产生相应的强度问题和沉降变形问题，虽同为土体，皆由土中固体颗粒、土中水、土中气三相组成，但仍千差万别。需要立足于本质，从本质出发，剖析土体的区别。

土体由固、液、气三相组成，三者相对含量不同，则对应的土体物理力学性质也不相同。譬如水分的多少会影响土体的含水量及饱和度，亦会影响土体击实所能达到的干密度值。即便三者相对含量相同，也会有所区别：①土中固体矿物颗粒有原生矿物（石英、长石、云母等）和次生矿物（高岭石、伊利石、蒙脱石等）之分，不同的矿物物理力学性质不同，主要取决于该矿物的晶体结构。晶体结构决定了矿物的电分子引力及亲水性。原生矿物性质稳定、透水性强，而次生矿物性质活泼、亲水性强。②土中固体颗粒的大小与级配同样会有影响，粒径范围越宽，颗粒越不均匀，则孔隙越少，级配越好。③土中水分为吸着水和自由水，吸着水是指吸附于晶体电场范围内的水，不传递静水压力。自由水与吸着水性质不同，相对含量的不同亦会引起土体性质改变。④土中气体分为封闭气体和非封闭气体，非封闭气体受到外力作用会从土体逸出，加快土体的固结沉降过程，而非封闭气体则无法逸出，堵塞孔隙。

土体受到外力作用所表现出的强度问题、变形问题这些宏观力学行为，均是由于固相、液相、气相三者微观要素所决定的[6]。人亦如此，国家亦如此，要学会透过现象看本质，治标需治本。同时需要注意，集体中的每一个小分子都有不可或缺的作用，即便是颗螺丝钉，也有属于自己的位置，只有每个人都心向祖国，甘于奉献，才能充分发挥中国凝聚力，心往一处想，劲往一处使。三年的抗疫生涯（短时间内迅速反应迅速建设完成的功能齐全的各类方舱医院、全国各地的医护人员、食品药品支援），让学生充分了解到了什么叫中国速度。

2 土的抗剪强度（压力阈值、工程伦理）

土的抗剪强度是指土体抵抗剪切破坏的极限能力。结合莫尔应力圆和土体抗剪强度线，如图1 所示，可以给出土体所处状态：A 圆与强度线处于相离的状态，则土体安全；B 圆与强度线处于相切状态，则土体极限平衡；C 圆与土体处于相割状态，则土体破坏。结合极限平衡状态，给出了莫尔—库仑破坏准则，以此去判断土体所处状态。

图1 图解确定某一土中单元体所处的状态

1992 年广东海康县7 层旅店大楼在无异常天气的情况下，发生倒塌，事故主要原因是因为剪应力超过了土体抗剪强度所造成的的地基破坏。

抗剪强度对于人们日常工作和生活同样适用。A 圆、B 圆、C 圆就像是生活中遇到的外界挑战，而抗剪强度线则是人们可以承担的压力阈值，对于每个人来说，成长经历不同，压力阈值不同。同样的外界挑战，每个人会有不同的心态反应。外界挑战，就是敌对关系，敌强我弱则是C 圆与强度线，必然会影响到正常的工作与生活；而敌弱我强则是A 圆与强度线，外界挑战在可处理的范围内，必然不会对工作与生活造成过大干扰。当生活中遇到超出压力阈值，无法解决的问题的时候，应该强大自己，提高自己的阈值；同时也应该积极寻求心理疏导，借助外界力量，与之抗衡。

抗剪强度线也像是规范，在规范范围内（即相离和相切两种状态）的构造和计算，都可以保证建筑的安全性，而超过规范范围（即相割状态）的，则无法保证建筑安全。所以不管是在设计还是施工过程中，要牢守规范，遵纪守法，循规做事，承担社会责任。尤其是工科从业人员在面对科研与工程时，一定要牢守工程伦理，依规做事，切不可偷奸耍滑，偷工减料，做违背工程安全的事情。

3 地基承载力与土的压缩性（精益求精，学会选择）

对于土层来说，需要满足两方面要求才可作为建筑物地基：一是可承担建筑物的基底压力，即地基承载力符合要求；二是不产生过大的沉降量或沉降差，即变形符合要求。

对于地基承载力来说，加拿大特朗斯康谷仓是个很好的例子[7-8]。该谷仓南北长59.44m，东西宽23.47m，高31.00m，共65 个圆筒仓。谷仓施工完成装载谷物后，1h 竖向沉降高达30.5cm，后发生倾斜破坏，整个过程中，上部筒仓完好无损。事后调查发现，该建筑物并未进行地基勘察，而是盲目采取临近建筑物的地基承载力作为设计值，而实际该地地基承载力远小于临近建筑物的地基承载力，导致基底压力超过地基承载力而发生强度破坏。虽其后采用支撑系统对谷仓进行了处理和纠偏，使得谷仓可以继续使用，但经济投入远比预期要多得多。对于土体来说，因大部分埋于地下，隐蔽、复杂，无法直接凭借肉眼识别，因此，要更加强调地基勘察的重要性。可以采用钻探、掘探、触探等勘探方法，划分土层、测定物理性质指标、估算地基承载力、判定地下水位变化等。只有全方位了解地基，才能更好地使用地基作为建筑物的持力层。

对于未知的事物，同样如此，不能凭空想象，更不能随意复刻，要真实地去考察、去衡量，才能得到最准确的结果，而不是一味地去猜想，要实干，要培养学生精益求精的大国工匠精神。

土层分布会受到形成历史、周围环境等的影响，导致土层性质千差万别，承载力高、压缩性低的天然土层固然是最佳持力层，但很多情况下，无法选择或者选择受到限制时，也只能在软弱地基或特殊土地基上进行建筑。譬如日本大阪的关西国际机场，建设在海上填筑的人工岛上，这个机场自施工完成开始就在下沉，后期需要巨大财政支出去修补沉降以及解决问题。概念设计是远远优于计算设计的，初期优化场址的选择会大大节省后期的计算及后续施工流程。当无法选择承载力高、压缩性低的天然土层时，也可以采取置换、预压、灌入固化物、加筋等地基处理手段对土层进行加固处理，提高地基承载力，并减少沉降量。

4 土坡稳定（敬畏自然、文化自信）

无论是天然土坡还是人工土坡，都存在稳定性的问题，对于土坡来说，滑坡问题是需要特别重视的。土坡出现滑坡现象，本质是土体内部薄弱面上剪应力达到了土体的抗剪强度。不管是外荷载的增加，还是土体本身性质减弱所导致的土坡滑坡现象，它的危害都是巨大的。

1972 年香港宝城大厦滑坡、2001年萨尔瓦多山体滑坡、2014 年阿富汗巴达赫尚省阿布巴里克村山体滑坡等，无一不造成了重大的人员伤亡和财产损失。因此应该敬畏自然界的力量，使学生意识到环境保护的重要性，实现人与自然的和谐相处。同时还需要引导学生对基坑支护或边坡支护工程的重要性产生共鸣，需要意识到工程安全的关键性。在后续工作过程中，要避免施工过程中投机取巧，严格按照设计图纸进行施工，确保工程的安全性。

结合河海大学编制的SLP 程序[5]，让学生认识到可以借助软件进行土坡稳定分析，把繁琐的计算交给计算机，而把时间留给更深入的问题。同时还有商丘师范学院的“互联网+”土工实验室工坊[9]，实现网络平台共享。古有战国“相土”、夏代“柱础”[10]，今有曾国熙、黄文熙、卢肇钧教授等人，均对“土力学”的发展作出了重要贡献。古有都江堰、万里长城、赵州桥，今有港珠澳大桥、三峡大坝、大兴国际机场等重大工程；借由这些案例，提升学生的文化自信。

5 结束语

本文以“土力学”课程为例，探讨如何将课程思政元素有机融入到教学过程中，做到学生不反感，达到春风化雨的效果。主要结合教材内容，土的三相组成、抗剪强度、地基承载力与土的压缩性、土坡稳定四个方面的内容，并结合具体案例进行课程思政元素的深入分析，引出了要认清事物本质、提升中国凝聚力；要提升压力阈值，牢守工程伦理；要精益求精，学会选择；要敬畏自然，有文化自信。作为知识的组织者、传播者，课程思政对教师提出了更高的要求，因此需要广泛涉猎知识，充分备课，将教学内容与思政教学紧密结合，做好课堂教学设计与实践，更好地为国家培养一批技术过关、综合素质优秀的大学生。