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土建类《土力学及地基基础》课程是高等学校土建类本科专业的主干课程之一,是技术基础课和专业课的综合。该课程基本内容分为土力学和基础工程学两大块,前者是力学的一个分枝,属该专业的技术基础范畴,内容的核心是研究土的应力、应变、强度、变形及稳定性问题;后者基础工程学属专业课程之一。土力学是基础工程学的理论基础,而基础工程学则是运用土力学理论,解决基础工程问题。因此,《土力学及地基基础》课程的组成结构是具有双重性的属性不同的两大块内容。在逻辑上其前因后果关系密切,作为一个整体来学习是十分合理的,也反映了通材教育的教学特征。
《土力学与地基基础》课程的自学教材以文献[1]为主,其特点是内容覆盖自考大纲[2],程度深、浅适易,但存在的问题是内容的结构特征不明显,重点不突出。目前较普遍采用的教学参考书还有文献[3,4,5]。
一、《土力学及地基基础》的内容组成结构特征
《土力学及地基基础》课程内容属性上具有双重性。因此,在自学的过程当中,掌握内容的组成结构是至关重要的。笔者将《土力学及地基基础》归纳成结构组成图1。(图一)
由结构组成图可以看出,土力学的内容在组成上,各部分的前因后果的逻辑关系比较明显,是一个渐次深入的结构组成,其中土力学基本问题的解答是一个承上启下的连接环节,其作用是将逐次深入的土力学基础理论引入到并行排列的组成结构——基础工程学当中。而基础工程学的组成结构相对简单且独立性较强,但与土力学的基本问题解答密切相关。因此,无论从内容的组成结构的地位及重要性,还是该内容本身的份量,土力学在《土力学与地基基础》课程占理论基础的主导地位,学好土力学是进一步学习基础工程学的必要条件。
综上所述,笔者将土力学的内容结构组成进一步细划,见图2。可以看出,土力学作为力学的一个分枝,具有一般力学课程的特点,即内容组成的结构性特征明显。在“教”与“学”的过程中,掌握和理解土力学的这种组成上的结构特征,对各部分内容的融会贯通,灵活应用及承上启下是十分重要的。(图二)
二、土力学的难点分析
2.1 地基的沉降历时规律——太沙基一维固结理论
地基饱和土的太沙基一维固结理论,是课程的难点之一,但也是必须掌握的基本内容。一维固结方程的建立采用了土的压缩规律、土中水的渗透规律以及饱和土的水——弹簧模型(有效应力与孔隙水压力的分担转换)。方程的建立运用了高等数学偏微分方程的手段,而方程求解则采用了数理方程的方法。求出的孔隙水压力与时间和深度的函数,应用于固结度的概念,通过积分得到了固结度的表达式。上述过程简单可归纳为:
一维固结方程建立数理方程求解u(z,t)推导固结度表达式U(a,T v)的计算方法及应用,对于数理方程解答,则可以简单了解其前因后果的过程即可。因此,熟练掌握和理解固结度的概念,在公式已知条件下,灵活应用U(a,T v)是学习饱和土一维固结理论的核心。
U(a,Tv)为饱和粘性土层的平均固结度,是a=和时间因素T v的函数。这一函数的表达一般采用:
①图或表的形式描述
②U(a,t)=f(a,T v)的显式表达式;
而上述的函数,无论是实际问题,还是试题,一般均为已知条件,学习的重点是灵活应用,而勿需死记硬 背公式,这一点是十分重要。而固结的问题无外乎是:
①已知时间t,求解相应固结度U t及固结沉降s t;即tT vU ts t=Ut·s∞
②已知固结度U t(或固结沉降S t ),求解达到该值所需时间t
即:s tU t=s t/s∞T vt
因此,对上述有了全面理解之后,再来学习一维固结理论,则是一个查表或查图式按计算器的问题了,当然理解固结系数c v和时间因素T v及掌握其相应表达式仍是十分重要的。
2.2 地基极限承载力P u的理论计算
地基的极限承载力P u的理论计算是地基承载力确定的主要方法之一,其理论推导中弹性力学知识要求较高,推导过程亦较复杂。学生在学习中,特别是自学时往往无从下手。地基极限承载力的理论推导有两种类型,一是完全的极限平衡理论——Vesic公式,二是半经验的极限平衡理论——太沙基公式,根据目前国家强调“通材”教育的基本点出发,分清理论解答的属性是很重要的,各类极限平衡理论得到的解答均可简单地归纳为:
P u=γ·b·N γ+q·N q+c·N c
上式中,c·N c是极限承载力理论解的基础项,是地基土强度产生的承载力;q·N q是在基本项基础上考虑了基础底面两侧超载q的承载力提高,超载q最一般的即为基础埋深内土的自重应力,即q=D,又称为基础埋深的承载力提高;γ.b.Nγ是在基本项的基础上考虑地基重度的承载力提高,外在表现为基础宽度b对承载力的提高。准确理解表达式(1)的各项的含义及概念是十分重要的,而分项系数N γ. N q. N c则不同公式有不同的表达式,但它们均是地基土内摩角的函数,解决问题时均作为已知条件,不必硬记。
极限承载力理论计算的应用也较简单,一般用作浅基础的地基承载力验算,但值得一提的是r. bN r项的承载力提高是以基础沉降变形为代价的,其使用应有限度。而另一重要的参数,安全系数K的选择,在试题中一般均为已知条件,而在解决实际问题时应慎重选择。
三、基础工程学的学习要点
基础工程学的内容组成结构是一种相对独立的并列结构,如前所述,基础工程学的理论基础之一是土力学,除此之外,还有结构设计原理,工程力学等。例如浅基础中包括了地基承载力验算及沉降分析,这与土力学直接相关;而浅基础的结构设计,则与结构设计原理密切相关。在《土力学与地基基础》课程的教学中,重点是与土力学相关的内容,如上述浅基础内容中,浅基础的承载力验算和沉降分析是本课的核心内容。
因此,在基础工程的学习中,应特别重视与土力学相关内容,换言之,基础结构设计部分,严格意义上应属于结构设计原理的范畴,而不是《土力学与地基基础》的主要教学内容,这一点在“教”与“学”的过程同样应区分清楚。
四、自学考试中关于计算题的分析
一般自考试卷,计算题所占比例约为60—70%,计算题的解题能力是应试中最重要的环节。根据历年的试卷的批阅情况,笔者按出现的概率大小,统计了六大类计算题,即:
①三相比例指标换算;
②强度与土压力计算;
③压缩规律与沉降计算;
④桩基与桩基承载力;
⑤浅基础与地基承载力;
⑥最常见软基处理方法与承载力验算。
笔者认为,针对上述六类问题,选择适当量的习题,则可以基本达到应试要求。解题能力的提高首先是基本知识和理论掌握得要好,其次是适当数量的练习或仔细阅读例题。理解掌握本课程的内容组成结构,对灵活求解计算题是十分有利的。
五、综合结语
通过上述论述,可得出如下基本意见:
1、《土力学与地基基础》课程的“教”与“学”应强调内容的组成结构;
2、土力学是该课程的理论基础和核心,理解其内容组成结构的逐次深入特点,对掌握和灵活应用十分重要。
3、难点内容的学习,应当学会掌握问题的核心或实质。
4、计算题的解题能力是应试成功重要环节,应有所侧重,熟练掌握基础知识,灵活应用基本理论及解答,学会综合解决问题的能力。
参考文献
1、吴湘兴主编,《土力学及地基基础》全国高等教育自学考试教材,武汉大学出版社,第二版,1992.10。
2、华南理工大学、东南大学等4校合编,《地基及基础》高等学校教学用书,中国建筑工业出版社。
3、陈希哲编著,《土力学地基基础》,清华大学出版社第二版,1998.8。
4、洪毓康主编,《土质学与土力学》,人民交通出版社,第二版,1982。
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