“虚实结合”在土力学教学中的探索与实践

土力学是一门实践性学科。传统课堂理论教学存在知识点繁多、内容体系复杂、与实际脱节等问题,而实验教学也有课时、场地、设备等时间、空间和资源等方面的限制和约束,导致整体教学效果欠佳。中山大学土力学教学团队秉持“虚实结合”的教学理念和方法,开展土力学教学改革探索。一方面,在课堂理论教学中引入实体教学模型,强化学生对理论模型、抽象概念以及工程实际的理解和认识;另一方面,通过虚拟现实技术建设仿真实验平台,克服传统实验教学的时空局限性和资源约束。基于“虚实结合”的教学手段,可激发学生学习的主动性和积极性,培养学生的创新思维,提升土力学课程的教学质量和效果。     

纤维纱加筋黄土一维蠕变特性试验研究

将纺织废旧布料经过开松、分梳、切断制成纤维纱,在黄土中掺入一定比例及长度的纤维纱,制备成纤维纱加筋黄土,利用一维蠕变仪研究在不同竖向荷载作用下,纤维纱加筋黄土的一维蠕变变形特性。试验结果表明：在不同竖向荷载作用下,纤维纱加筋黄土的蠕变应变均小于素黄土的蠕变应变,纤维纱加筋对于抑制黄土的蠕变变形具有积极作用;当竖向荷载大于400k Pa时,纤维纱加筋黄土达到稳定蠕变的时间相较于素黄土更长;随着纤维纱掺加比例及纤维纱掺加长度的增大,纤维纱加筋黄土的蠕变应变呈现出先减小后增大的变化趋势;纤维纱最佳掺加比例为0.3%,纤维纱最佳掺加长度为30 mm。构建可以反映土体进入蠕变阶段后,长期强度稳定性能的蠕变指数表达式,当竖向荷载在400～800 kPa时,蠕变指数增长显著,当竖向荷载大于800 kPa时,蠕变指数随竖向荷载的增大逐渐趋于稳定。结合一维蠕变试验数据,建立了考虑纤维纱掺加比例及纤维纱掺加长度影响的纤维纱加筋黄土一维蠕变经验模型。     

脱湿路径下考虑干湿循环和体变影响的膨胀土土水特征

为了研究干湿循环和体积变化对膨胀土土水特征曲线的影响,利用改进的非饱和土真三轴仪,对经历不同干湿循环后的弱膨胀土进行脱湿试验,测得每级脱湿稳定后的质量含水率和孔隙比。试验结果表明：干湿循环次数越大,饱和后的孔隙比越大,而脱湿后的孔隙比越小。干湿循环后膨胀土的含水率和孔隙比随着吸力的增大而减小;在基质吸力的增大作用下,质量含水率–吸力关系曲线、饱和度–吸力关系曲线出现交叉现象,孔隙比–吸力关系曲线出现交叉聚拢现象;干湿循环次数越大,脱湿完成后膨胀土的体积含水率和饱和度越小,体现了干湿循环后膨胀土的土水特征与体变特性的耦合效应。以Fredlund-Xing模型为基础,构建以质量含水率表达的考虑干湿循环影响的SWCC方程,再建立考虑干湿循环影响的膨胀土的体变方程,最后得出以饱和度表达的考虑干湿循环和体积变化影响的SWCC方程,这3个模型均能够很好地描述不同干湿循环后膨胀土的质量含水率、孔隙比和饱和度的变化规律。     

含盐量对硫酸钠盐渍土–混凝土界面剪切特性的影响研究

为了探究不同地区盐渍土–混凝土界面的强度及变形差异,自制硫酸钠盐渍土与混凝土试样,将盐渍土在不同含盐量、初始干密度及法向应力条件下与混凝土进行一系列单调直剪试验。通过试验研究不同因素对界面抗剪强度的影响,并分析在不同含盐量下界面抗剪强度参数及剪胀性的变化规律。研究结果表明：含盐量对界面抗剪强度起到劣化作用,其劣化程度在土体孔隙溶液处于非饱和状态时随含盐量增大而减弱,而孔隙溶液饱和结晶时,劣化作用增强;盐渍土抑制了初始干密度对界面抗剪强度的增强作用;不同竖向应力下,含盐量为1%～4%的盐渍土对应界面的平均破坏剪应力是素土的0.71,0.75,0.86和0.77倍,界面盐蚀折减系数在0.68～0.88范围内变化;界面黏聚力随着含盐量的增加而增大,内摩擦角表现出与抗剪强度相同的变化趋势,并且界面黏聚力受含盐量影响效果更显著;在较低法向应力和较高含盐量下,界面出现剪胀现象,其余情况均表现为剪缩,剪缩量随法向应力递增,在含盐量为3%时取得最小值。界面剪胀角在含盐量0%～3%范围内随含盐量增加显著提升。此外较高法向应力对界面剪胀角存在抑制作用,并弱化含盐量对剪胀角的影响。     

土体冻融特性试验研究现状与思考

冻融试验是获取冻土物理力学参数、评估冻土工程特性的重要手段。从冻土水热参数、力学参数、冻胀机制和融沉机制4个方面对土体冻融特性试验研究进行综述,对主要水热力参数的试验方法和试验设备进行汇总说明,对理论模型的发展过程及试验验证进行归纳整理。试验装置的变温控制性能是影响冻土试验数据质量的重要因素,但当前高精度冷却液循环控温设备的国产化程度较低,高性能冻融试验系统仍主要依赖进口。因此在开展冻土试验和理论研究的同时,对于试验设备的研发工作同样需引起重视。由神经网络–PID算法和热电制冷模块组成的固态控温系统可以解决试验装置的变温控制问题。固态控温系统的高变温控制性能具备模拟复杂冻结过程的能力。将其与新型传感技术结合,如光纤压力传感技术、线阵CCD扫描成像技术,可以为冻土研究提供新的试验方案,以此促进土体冻融机制研究,为我国寒区工程建设提供参考。     

钢管冻土协同结构冻结壁边界发展过程的模型试验

钢管冻土协同结构是有效控制冻胀融沉影响的新冻结模式,冻结过程中控制冻结壁边界的发展是抑制冻胀融沉环境影响的关键。以上海地铁18号线江浦路站冻结加固工程为背景,基于相似理论设计进行了钢管冻土协同结构冻结壁边界发展过程的模型试验,分析钢管和循环水对协同结构冻结壁边界发展过程的影响规律,获得以下结论：冻结壁边界位置的钢管不仅可以抑制冻土向外发展,而且会明显增大冻结壁边界位置的温度梯度,使形成的冻结壁更均匀,冻结32d时单排和双排钢管内、外侧温差分别可达到11.2℃和7.6℃,而钢管外侧冻土的温度较冻结管下部对应位置偏高6.7℃和10.7℃。冻土边界位置4℃的循环水可有效控制冻土边界向外扩展,进一步提升冻结壁的均匀性,冻结32d时冻土边界位置钢管内外侧温差达到18.3℃,钢管外侧冻土的温度较冻结管下部对应位置偏高16.9℃。研究结果表明,冻结壁边界位置布设的钢管或4℃的循环水均可有效控制冻土边界的扩展,提高形成冻结壁的均匀性,显著削弱冻结过程中冻胀对周围环境的影响,而边界位置4℃循环水的控制效果更好。     

以提高学生综合素质为目标的土力学课程教学改革

对学生综合素质的培养是教育改革的重要目标,工科大学教师课堂教学不仅要提高学生的理论知识水平,培养学生的专业技能,而且应恰当地将价值观念、职业道德观念、专业法律观念等渗透到教学的每一个环节。以土力学课程为例,结合当地工程项目,通过选用身边的案例使学生参与其中,启发学生在工程现象中找到理论支撑,将土力学的理论知识应用于解决工程实际问题过程,从而深刻理解有关计算方法中所做假设的理论基础,体会工程问题与科学问题之间的本质联系;充分发挥教师科研优势,将数值模拟方法引入课堂,将复杂的土体透明化,能够观察内部应力、变形和渗流的发展过程,增强理论知识直观性和生动性;通过建立合适的数值分析模型,加强课本中知识点之间的联系,使学生将前后知识融会贯通,不仅知其果,还能知其因,在学生参与的案例教学中发掘课堂思政元素,培养学生专业自豪感、社会责任感和科学求实精神,从多方面培养专业素质高、实践能力强、有责任、有担当的综合型人才。     

任务驱动式教学法在土力学课程中的实践

土力学是一门重要的土木工程专业基础课程。文章分析了土力学课程教学的现状,指出该课程教学存在的主要问题是知识内容体系落后于人才培养的要求,以及课时少与内容多之间的矛盾;认为将任务驱动式教学法运用于该课程教学中,可以有效提升学生学习的兴趣和课堂效率。文章还介绍了任务驱动式教学法的基本原理,从设计任务、分析布置任务、辅导完成任务、评价任务四个方面阐述了任务驱动法的实施过程。     

基于实践能力培养的土力学课程教学改革探讨

针对地方建筑类高校土力学课程存在的问题,从优化课程内容、提高教师工程实践能力、改革传统实验教学、优化课程考核机制、改革教学方法、鼓励学生参与科研及采取跟踪调查并反馈于教学等方面进行了土力学课程教学改革的研究和探讨。     

土体冻胀敏感性评价

假定冻胀是由冻土内冰透镜体的生长引起的;冰透镜体的生长由热力学Clapeyron方程控制,并且依赖于已冻结区与未冻结区之间冻结缘是否存在。未冻水和冰共存于冻结缘的孔隙中;冰水交界面处的吸力使水产生流动,并为冰透镜体的生长补给水分。同时,通过定义1个新的简单的"有效应力"的概念,来判断是否会萌生新的冰透镜体,并提出1个简单的冻胀模型。该模型仅通过几个简单的土的参数,就可以计算土体冻胀量及冻结深度。在此基础上,利用所建立的模型对不同土的冻胀敏感性进行分析。土的冻胀敏感性必须结合环境条件来评估,如上覆压力、温度梯度、降温速率及地下水位埋深等;而某些土在传统的分类中属于弱冻胀土,但在一定环境条件下,仍会产生显著的冻胀量或冻胀压力。