土体结构状态研究方法及其教学实践

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1、土体结构状态研究方法及其教学实践基金项目：贵州省教育厅自然科学基金资助项目(黔教科2007023)作者简介：周远忠(1970-),男，贵州师范大学材料与建筑工程学院副教授，博士生，主要从事岩土工程、建筑工程等领域研究，(E-mail)monkey592@126.com0摘要：为了快速分析和判断土体的力学状态，以及解决实际工程问题的需要，文中将土体视为特殊的复杂系统，根据系统的结构与状态之间的内在联系，提出了结构状态分析方法。根据工程土体力学条件的变化及其对土体微观结构产生损伤的特点来分析土体的工程力学

2、状态，预测土体工程力学行为。文中将土力学课程的教学方案设计成结构状态分析、教学组织和工程问题分析3个模块，并以贵州红粘土教学为例进行实践和探索，取得了良好的教学效果。关键词：结构状态；系统；土力学；红粘土；教学实践中图分类号：TU13；G642文献标志码：A文章编号：1005-2909(2012)01-0087-04土力学是土木建筑类专业重要的专业基础课程，土力学知识在建筑、公路、铁路、市政等工程建设，地基处理，基础设计和工程边坡灾害防治等方面具有重要作用。由于土体内部的物质成分和结构特征十分复杂，土

3、体存在较强的散体性、多相性、变异性和随机性，因此，只有根据土体微观结构力学状态之间的特殊关系，结合工程实际，才能快速、科学地分析和预测土体的工程力学状态，提出解决实际工程问题的具体措施。如何结合不同地区的工程条件和学校具体教学条件，探索科学的教学方法，设计合理的教学方案，培养学生探究性思维，引导学生对土力学工程问题进行探索性思考，对学生创新思维能力的培养和工程实践能力的提高具有重要的现实意义。一、结构状态分析方法（一）方法的提出系统是“相互作用的多种元素的复合体”[1],具有多元性、相关性、开放性和整

4、体性等特点。系统可以无限大，也可以无限小，其内部结构（子系统）与状态之间具有特殊的对应关系[2],这是"不变”之处；系统不断地与"环境”进行物质、信息、能量交换，其存在状态和运动形式也随之变化，这是随时在“变”之处。“变”是永恒不变的真理，“变”与“不变”的矛盾是事物向前发展、不断运动变化的根本原因[3]。可见，系统特殊的物质结构对应着特殊的物质状态如力学状态，这就是系统的结构状态原理。土体因岩石风化而成，是由土中固体颗粒、水和气体组成的多孔隙物质系统，具有不同于岩石的微观结构、物理力学性质和宏观材料

5、功能。不同的系统有不同的内部物质组成和结构构造特点，系统的内部因素与外部因素共同作用使系统发生各种物质、能量、信息、状态变化并以各种特殊形式运动［4］。土体微观结构特点与宏观力学状态之间存在特殊内在关系，土体的力学状态变化将对土体微观结构产生不同程度的影响。根据工程土体的力学条件变化及其对土体微观结构可能产生损伤的特点分析土体的工程力学状态，预测土体工程力学行为［5］,这就是土力学的结构状态原理。根据土力学的结构状态原理设计教学方案组织教学，形成土力学的结构状态教学方法。（二）教学方案设计按照产、学、

6、研一体化的教学改革思路，应用系统物质结构功能原理，以培养具有一定创新能力、较强工程技术应用能力的复合应用型土木工程专业技术人才为教学目标设计教学方案。教学方案包括结构状态分析模块、教学组织模块和工程问题分析模块。1•结构状态分析模块结构状态分析模块从地质成因、物质成分、微观结构、微观构造4个方面探寻土的物理性质、水理性质、力学性质和剖面特性，进一步分析土的强度、变形等宏观工程物理力学特性，从而架起微观与宏观、物质结构与工程力学状态之间的桥梁。2•教学组织模块教学组织模块把教学视为由教师与学生共同组成的

7、系统，该系统受学校、社会等外部因素的影响。从教师、学生、外部环境等3个方面构建整体教学系统：教师系统包括理论教学、思维教学和实践教学等3个环节；学生系统由问题、听课，复习、总结，作业、讨论，现场参观，室内实验，工程分析等6个环节组成。整体教学系统将教与学、内部与外部、理论与实践、继承与创新结合，形成有机的教学组织模式，其最终目标是形成工程应用能力和创新能力，逻辑关系如图1所示。3.工程问题分析模块工程问题分析模块总体上由定性分析和定量分析组成：定性分析包括地质力学分析、工程控制分析、系统科学分析、非线

8、性分析、不确定分析和信息技术分析等6种定性分析思想和理论；定量分析包括室内试验、现场测试、模型试验、数值模拟、反演分析和智能计算等6种定量计算与分析方法。定性分析和定量分析都是围绕工程问题，按照工程勘察、问题机理分析和解决工程问题的工程方案等4个环节展开。整体分析系统将定性与定量、勘察与设计、分析与计算、问题与方法结合，形成特殊的工程问题分析模式，其最终目标是形成解决勘察、设计、施工、管理等工程问题的工程方法。工程问题分析模块重点培养学生的工程问题意识，