直剪試驗(yàn)課程的教學(xué)與實(shí)踐

1、直剪試驗(yàn)課程的教學(xué)與實(shí)踐隨著現(xiàn)代試驗(yàn)方法和試驗(yàn)手段的快速變革， 土的性質(zhì)的測(cè)定 涌現(xiàn)出各種各樣的新方法和新技術(shù) 1-3 。由于土的力學(xué)性質(zhì)復(fù) 雜多變，不同土工試驗(yàn)方法并不能完全測(cè)定土的所有物理力學(xué)性 質(zhì)，因此也就無(wú)法反應(yīng)土的性質(zhì)的全貌。 土力學(xué)是以分散土為研 究對(duì)象的學(xué)科，主要研究土體的應(yīng)力、變形、強(qiáng)度、滲流及長(zhǎng)期 穩(wěn)定性。 其中強(qiáng)度是影響土的性質(zhì)的一個(gè)極其重要的方面， 強(qiáng)度 可歸結(jié)為土的力學(xué)性質(zhì)。 庫(kù)倫根據(jù)砂土和粘性土的剪切試驗(yàn)提出 土抗剪強(qiáng)度的表達(dá)式， 包含兩個(gè)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。 該試驗(yàn)即直剪試 驗(yàn)，通常將直剪試驗(yàn)與室內(nèi)三軸試驗(yàn)相比較，得到其優(yōu)缺點(diǎn)。本 文以直剪試驗(yàn)為研究對(duì)象，介紹了教學(xué)與實(shí)踐

2、過(guò)程中常見(jiàn)的問(wèn) 題，淺談一下教學(xué)內(nèi)容和方法的拓展與創(chuàng)新。一、理論教學(xué)應(yīng)注意原理闡述和演示方法1. 明確直剪試驗(yàn)中研究對(duì)象土的特殊性。 土是地殼表層 的巖石經(jīng)受風(fēng)化作用后形成的松散堆積體， 不同的風(fēng)化作用形成 不同的礦物成分， 不同的搬運(yùn)、 沉積以及硬化成巖過(guò)程導(dǎo)致土體 產(chǎn)生不同的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造。 因此土體是大自然中長(zhǎng)期地質(zhì)歷史的產(chǎn) 物，土的性質(zhì)與成因有關(guān)。土是人類(lèi)生存的主要環(huán)境，包括建筑 物的地基、城市地鐵隧道、公路隧道、公路的路基等等，而土的 性質(zhì)復(fù)雜多變?cè)斐闪送恋难芯咳匀惶幱诔醪诫A段， 很難有一套完 整的理論適用于各種土體。 因此， 土的研究和教學(xué)具有一定的復(fù)雜性和特殊性。2. 明確土工試驗(yàn)的

3、重要性和直剪試驗(yàn)的特點(diǎn)。 土工試驗(yàn)常見(jiàn) 的有室內(nèi)試驗(yàn)和原位試驗(yàn)等， 為了節(jié)省成本和重復(fù)性試驗(yàn)還有模 型試驗(yàn)，為了對(duì)土的性質(zhì)的宏觀響應(yīng)進(jìn)行分析， 進(jìn)行原位監(jiān)測(cè)等。 土是松散堆積體， 粒徑有較大的分布范圍， 因此應(yīng)根據(jù)需要從宏 觀或微觀尺度進(jìn)行試驗(yàn)或測(cè)試， 微觀分析往往是認(rèn)識(shí)土的力學(xué)性 質(zhì)和相關(guān)機(jī)理的一個(gè)重要方法 4 。土工試驗(yàn)是深入認(rèn)識(shí)土的形 狀和完善相關(guān)理論的切實(shí)途徑， 為各種理論提供參數(shù)， 對(duì)理論的 合理性進(jìn)行驗(yàn)證。 直剪試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是： 儀器構(gòu)造簡(jiǎn)單， 操作方便， 適合本科土力學(xué)教學(xué)； 直剪儀也是實(shí)際工程中常用的便攜式的儀 器；直剪儀制樣方法簡(jiǎn)便， 試驗(yàn)條件允許下采用原狀土或重塑土 進(jìn)行試驗(yàn)

4、。直剪試驗(yàn)的缺點(diǎn)是：土樣尺寸較小，土樣盒剛性大， 導(dǎo)致剪應(yīng)力分布不均勻， 上下盒接頭處產(chǎn)生應(yīng)力集中， 剪切破壞 先從此處開(kāi)始， 而非沿著土樣最薄弱面剪切破壞， 也并非完全沿 著上下盒之間的平面， 在試樣內(nèi)部應(yīng)力非常復(fù)雜， 這可以從離散 元細(xì)觀分析來(lái)演示說(shuō)明。 同時(shí)， 抗剪強(qiáng)度的計(jì)算通常按土樣的原 始截面面積進(jìn)行計(jì)算， 與實(shí)際剪切面不斷縮小相矛盾。 試驗(yàn)過(guò)程 中不能有效地控制排水條件，也無(wú)法測(cè)定孔隙水壓力變化情況。3. 多角度演示直剪試驗(yàn)過(guò)程。 理論教學(xué)中， 為了增強(qiáng)學(xué)生的 學(xué)習(xí)興趣，可通過(guò)多種手段多角度展示直剪試驗(yàn)過(guò)程和試驗(yàn)原 理。常用的教學(xué)方法有 PPT展示，PPT動(dòng)畫(huà)或flash動(dòng)畫(huà)演示儀

5、 器結(jié)構(gòu)和操作流程， 也可以采用視頻教學(xué)或指導(dǎo)教師直接在儀器上進(jìn)行演示。 目前本人已展開(kāi)用顆粒流離散元法分析演示直剪試 驗(yàn)，對(duì)直剪試驗(yàn)的土體顆粒流動(dòng)有了更好的展示， 可以更好地解 釋直剪試驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)，如儀器上下盒剛度的影響、應(yīng)力集中現(xiàn)、 剪切面不完全是一個(gè)平面等現(xiàn)象。 學(xué)生對(duì)這種方法的展示表現(xiàn)出 極大的興趣，試驗(yàn)實(shí)踐也更為積極。二、實(shí)踐教學(xué)注意知識(shí)點(diǎn)的交融和研究素質(zhì)的培養(yǎng) 直剪試驗(yàn)需要確定土的密度、含水率、土的分類(lèi)，所以要注 意知識(shí)點(diǎn)的交融， 溫故知新。 直剪試驗(yàn)又是對(duì)強(qiáng)度指標(biāo)， 不同土、 含水率、密度和壓力，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系各異，試驗(yàn)現(xiàn)象也不同， 數(shù)據(jù)篩選和整理都體現(xiàn)出研究素質(zhì)的重要性， 因此

6、開(kāi)展直剪試驗(yàn) 也是培養(yǎng)學(xué)生研究素質(zhì)的重要手段。1. 試驗(yàn)的前期準(zhǔn)備和試驗(yàn)進(jìn)行。 開(kāi)展直剪試驗(yàn)前需制定試驗(yàn) 方案和工作計(jì)劃， 確定試驗(yàn)步驟。 直剪試驗(yàn)之前需掌握密度試驗(yàn)、 含水率試驗(yàn)等。一般一組數(shù)據(jù)是否存在較大的誤差無(wú)法直接判 別，需開(kāi)展34組平行試驗(yàn)，平行試驗(yàn)應(yīng)由同一組人在同一臺(tái) 儀器上進(jìn)行， 盡量保證人為造成的誤差降至最低。 試驗(yàn)最少由兩 個(gè)人同時(shí)進(jìn)行， 一個(gè)負(fù)責(zé)搖手輪， 另一個(gè)人負(fù)責(zé)記錄數(shù)據(jù)量力環(huán) 讀數(shù)，可以采取先對(duì)百分表拍照后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理的辦法。 平行 試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)如有較大的誤差， 指導(dǎo)老師和試驗(yàn)的同學(xué)應(yīng)參與 討論，對(duì)數(shù)據(jù)誤差較大的應(yīng)剔除或者補(bǔ)充試驗(yàn)再次進(jìn)行比較分 析。2. 試驗(yàn)現(xiàn)象

7、的細(xì)致分析和總結(jié)。 直剪試驗(yàn)由于儀器簡(jiǎn)單， 無(wú) 法控制排水條件， 無(wú)法測(cè)定孔隙水壓力。 但是指導(dǎo)老師應(yīng)培養(yǎng)學(xué) 生觀察和記錄現(xiàn)象的能力， 并對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析。 觀察分試樣 準(zhǔn)備，試樣裝入、試驗(yàn)過(guò)程和拆樣比較。試驗(yàn)前觀察土樣的表面 是否平整， 各處是否干濕均勻， 輔助測(cè)定試樣上各個(gè)位置點(diǎn)的含 水率。裝樣時(shí)觀察試樣是否有溢出和壓平。 試驗(yàn)過(guò)程觀察是否接 觸良好， 剪切過(guò)程中讀數(shù)是否平穩(wěn)變化。 拆樣后觀察剪切面是否 平整光滑，裂紋發(fā)展情況，試驗(yàn)與剪切盒間的接觸關(guān)系、試樣前 端和后端的高差等等。 對(duì)平行試驗(yàn)和不同壓力下的現(xiàn)象進(jìn)行比較 分析，找到數(shù)據(jù)變化可能的原因。3. 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理和結(jié)果分析。 直剪

8、試驗(yàn)三種類(lèi)型得到不同 的強(qiáng)度指標(biāo)，需要根據(jù)規(guī)范要求處理數(shù)據(jù)，以快剪試驗(yàn)為例，應(yīng) 將剪切速度、 圈數(shù)、量力環(huán)百分表讀數(shù)、 測(cè)力環(huán)系數(shù)記錄在 excel 中，繪制出不同壓力下剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線。 一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn) 由剪切速度乘以圈數(shù)再減去量力環(huán)讀數(shù)得到， 避免直接以剪切速 度乘以圈數(shù)來(lái)確定剪切位移。 實(shí)踐操作中指導(dǎo)老師應(yīng)給予指導(dǎo)和 解釋。一般一組數(shù)據(jù)是否存在較大的誤差無(wú)法判別，需開(kāi)展3-4組平行試驗(yàn)，不能盲目取其中一條或者取多條的平均值來(lái)確定， 而應(yīng)對(duì)其合理性進(jìn)行分析， 對(duì)值的大小和試樣制備和試驗(yàn)過(guò)程發(fā) 生的情況進(jìn)行比較分析， 鍛煉學(xué)生的分析思考能力。 這部分實(shí)踐 教學(xué)對(duì)學(xué)生查閱規(guī)范、處理數(shù)據(jù)、 excel 繪圖和公式計(jì)算等都有 較大的幫助。直剪試驗(yàn)是土力學(xué)中一個(gè)重要的試驗(yàn)課程， 是對(duì)前面開(kāi)展的 密度試驗(yàn)、含水率試驗(yàn)等的繼續(xù)