新工科背景下巖土工程本研協同的實踐型教學：以微型三軸儀的研發為例

顧曉強， 劉文倩， 王 琛， 劉 芳， 康 臻

（同濟大學 a.土木工程學院；b.巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海 200092）

當今社會正處于技術飛速發展、產業不斷變革的時代，充滿了機遇與挑戰，為高等院校的人才培養提出了更高要求。為了主動迎接這一輪科技革命及隨之而來的產業升級，教育部積極推進新工科建設工作，先后形成了“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”［1-3］，致力于探索能夠領跑全球工程教育的中國模式、中國經驗和中國方案，助力強國建設，打造世界工程創新中心和人才高地。我國現階段高等教育階段的人才培養體系中，本科教育是基礎，研究生教育是發展，二者應主動與新工科建設的要求相結合，在堅持守正創新的同時更要注重實踐運用。傳統工科應在此基礎上借鑒新興學科的技術優勢，在學科間形成交叉融合、共同發展的局面。

隨著土木工程領域的不斷發展和創新，行業對于科技人員的專業知識和創新實踐能力要求越來越高，各高校積極實施“卓越工程師培養計劃”，強調將課程教學鏈與實踐培養鏈有機融合，注重對學生創新實踐能力的培養［4-6］。試驗是土木工程學科課程中極其重要的教學環節，為加深理解、鞏固能力，虛擬試驗教學平臺也被陸續引入課堂，并取得了一定的效果［7-9］。土力學是土木工程學科的核心專業基礎課，由于土體的復雜性和獨特性，土工試驗是土力學不可或缺的重要組成部分，土工試驗不僅是認識和揭示土的性質、發展和驗證理論模型的可靠方法，也是確定具體設計參數的有效手段。目前，土力學基本采用課堂理論教學為主、實驗課教學為輔的模式，盡管在課堂中利用PPT 等多媒體形式對試驗內容進行展示，但對學生有效掌握相關土力學原理仍構成極大的挑戰［10-13］。此外，土工試驗在研究生熟練運用土工試驗設備、深入分析室內測試結果、準確把握巖土力學規律等科研工作過程中發揮著重要作用，是開展巖土方向科研創新工作的主要方面。因此，本科和研究生階段對該試驗的基礎知識、設備原理、理論內涵均應有不同程度的掌握，高校教師也應對這部分內容的重要程度、教授方式、實際效果有充分的認識。

作為土力學教學中最重要的土工試驗之一，常規三軸壓縮試驗（簡稱“三軸試驗”）內容對學生掌握土的強度理論和有效應力原理至關重要［14，15］。在土力學課程學習過程中，針對土工試驗內容，首先在理論教學環節對試驗設備及原理進行介紹，具體操作與實踐內容將在試驗教學環節完成，并輔以實踐操作以便加深理解。然而，實際中所用的三軸儀體積大、重量重、結構復雜、操作繁瑣，大多數高校由于設備和場地有限，土力學實驗課中三軸試驗通常僅作為演示實驗，導致學生對該試驗的參與感不強，無法有效掌握三軸儀的實驗原理及操作方法，導致學生難以直觀地理解有效應力與土的強度、變形特性等重要概念。與此同時，筆者在對研究生的指導過程中發現，部分碩士研究生對該試驗部分知識的理解還不夠深入，對試驗設備及其工作原理的認識還有待提升，給其開展科研工作帶來一定困難。

對此，筆者組織土工測試相關科研方向的研究生和正在學習三軸試驗相關知識的本科生，通過本研結合的實踐型教學模式，共同研發了一種手提式微型土工三軸儀教具，以便能夠在課堂教學中講解和演示三軸試驗，讓學生直觀地了解試樣制備、加壓固結、加載剪切和排水條件控制等過程，更好地理解不固結不排水、固結不排水和固結排水三軸試驗的異同。通過對不同有效應力條件下砂土試樣的軟硬程度和抗剪強度進行對比，學生能直觀地理解有效應力決定土體強度和變形特性這一重要概念，幫助學生更好地理解和掌握有效應力原理［16，17］。此外，在研發過程中，通過本、碩階段學生在該知識點的聯動互通，明確并厘清了本科生在課程學習中的困難，鞏固并提升了研究生對設備及測試過程的認識和理解。如圖1所示，以教學環節促進技能實踐，以開發應用促進課題研究，打通本科和研究生階段的專業知識銜接通道，通過儀器研制和課堂反饋夯實專業理論知識，最終形成實踐型教學的培養模式。

圖1 三軸試驗實踐型教學模式執行框架關系

一、明確問題：傳統三軸試驗教學的局限性

常規三軸壓縮試驗是一種室內測定土的抗剪強度的重要手段，也是巖土工程本科教學階段的重點內容。掌握三軸試驗相關的知識點對于學生的專業課程理解、工程實踐認識及從事相關工作有著深遠的影響。測試時通常采用3-4個圓柱形試樣，分別設置不同的周圍壓力，得到土樣的抗剪強度，再通過莫爾-庫倫破壞準則確定土的抗剪強度參數。試驗過程中，土樣首先受到設備施加的周圍壓力σ3，并使其保持不變，再施加豎向壓力并逐漸增大，直至試件受剪破壞。當試件上施加的豎向壓應力（也稱偏應力）為Δσ1時，試件上的小主應力即σ3，大主應力為：

根據土的極限平衡條件，達到極限平衡狀態時，大主應力與小主應力的關系為：

根據試驗在固結和剪切過程中的排水條件，三軸試驗可以分為以下三種：（1）不固結不排水剪（UU）試驗，即在施加固結圍壓和偏應力的過程中均不允許排水，孔隙水壓力無法消散，可以測得總應力抗剪強度指標cu，φu；（2）固結不排水剪（CU）試驗，即施加周圍壓力時允許試樣充分排水，在受剪過程中同時測定試樣中的孔隙水壓力，可以得到土的總應力抗剪強度指標ccu，φcu，以及有效應力抗剪強度指標c’，φ’；（3）固結排水剪（CD）試驗，即施加周圍壓力和施加偏應力的過程中均將試驗的排水閥門打開，使試樣中的孔隙水壓力充分消散，可以測得有效應力抗剪強度指標cd，φd。試驗結果可以表示為：

式中，c為總應力法表示的黏聚力，φ為總應力法表示的內摩擦角，二者統稱為總應力抗剪強度指標。

根據有效應力原理，土中某點的總應力σ等于有效應力σ’與孔隙水壓力u之和，即：

因此，試驗結果采用有效應力表示時為：

可以看出，上述不同過程涉及的概念較多，操作過程存在差別，測試結果表征的物理含義也存在區別，使得在理論教學過程中容易造成學生概念混淆、過程不明和認識模糊。試驗中所使用的土工三軸儀主要由壓力室、圍壓加載系統、軸壓加載系統、測量系統等部分組成［14］，相比直剪試驗、無側限壓縮試驗，三軸試驗可以嚴格控制排水條件，在準確測定有效應力抗剪強度指標方面具有顯著優勢［18］。然而，基于傳統三軸試驗儀的教學環節仍存在以下三方面局限［7］：

（1）三軸儀價格昂貴，占地空間大。高校實驗室的三軸儀一般數量有限，且主要用于開展科研工作，難以滿足教學過程中眾多學生實踐操作的需求，且任課教師難以對學生的學習掌握情況進行考核。

（2）三軸儀的體積較大、自身較重，不便于攜帶。教師無法將三軸儀帶入土力學理論教學課堂，加上設備結構復雜，導致課堂理論教學與實驗教學割裂，教學效果較差。

（3）三軸試驗操作復雜，試驗周期長。土力學課程課時有限，學生只能通過教師試驗操作演示來進行粗淺的觀察和學習，且無法親自操作三軸儀。教學內容較枯燥，學生學習積極性較低。

以上問題導致了學生無法有效掌握三軸試驗的原理、操作及其運行過程，難以理解有效應力原理。課程考核結果表明，學生對三軸試驗原理的學習效果較差，不利于對其后續土力學相關的知識學習和科學研究。

二、確定對象：微型土工三軸儀

為提升常規三軸壓縮試驗的教學效果，使任課教師在土力學理論教學課堂中能較為形象地演示三軸試驗過程，筆者針對土力學的教學需要，嘗試將傳統土工三軸儀進行縮尺和簡化，通過指導課題組研究生參與設備研發的實踐環節，研制出一款手提式微型土工三軸儀，其基本構造及連接方式如圖2 所示。該三軸儀的荷載架、底板和活動橫梁通過固定螺旋連接，組成反力架?；顒訖M梁中部連接帶有外置式數顯壓力計的活動加載頭，外置式數顯壓力計可讀取土樣所受的豎向力。底板由手輪控制的蝸輪蝸桿箱固定，通過轉動手輪可控制蝸輪蝸桿箱頂桿的升降，可對土樣施加軸向荷載。與此同時，外置式數顯壓力計所顯示的力即為土樣的偏應力。設備底部活動連接上有樣品安裝座，土樣可放置在樣品安裝座上，其側面套有乳膠膜，且上下兩端均可放置透水石和濾紙。

圖2 手提式微型土工三軸儀教具的基本構造

蝸輪蝸桿箱和活動加載頭之間為壓力室（圖3）。壓力室由圍壓罩和底部活動連接組成，底部活動連接外側設有連接樣品安裝座的下排水通道和帶刻度的孔壓測量管，其水壓值能夠實時顯示土樣內的孔隙水壓力。底部活動連接上安裝有3個球閥，其中球閥1控制圍壓的開關，球閥2控制下排水通道和孔壓量測管的開關，球閥3控制上排水通道的開關，通過對球閥1、2、3的不同組合，可以控制土樣固結和剪切時的排水條件。壓力控制泵（圖2右側）配置有壓力表、壓力控制閥和壓力管，通過導管與土樣室連通，可以控制作用在試樣上的圍壓。同時，也可以通過真空泵抽氣對試樣施加負壓，即有效圍壓。該微型土工三軸儀能夠實現傳統土工三軸儀的基本功能，操作步驟也與傳統土工三軸儀基本一致，可模擬施加0～80 kPa 圍壓條件的土工三軸試驗，孔隙水壓力傳感器量程為1.0 MPa，荷載傳感器量程為1 kN，可以滿足教學展示各環節的需求。圖4 為研發的手提式微型土工三軸儀實物圖，并將該儀器命名為TJ-MTX-1型微型土工三軸儀（以下簡稱TJ-MTX-1三軸儀）。該裝置高35 cm，重5 kg 左右，可放入手提箱中，用于開展直徑約38 mm、高約76 mm 土樣的模擬試驗，教師可方便攜帶進教室開展課堂教學與演示。

圖3 壓力室的剖面結構示意圖

圖4 手提式微型土工三軸儀實物圖

三、研發實踐：攻克微型化設備的技術難點

在教具微型化設計的過程中存在諸多難題，既要完成傳統三軸儀的大幅縮放，又應保留其完備的試驗和演示功能。從事巖土工程測試方向的碩士研究生在回顧本科知識點的基礎上，結合自身開展測試研究的經驗，確定了以壓力室作為主要的研發對象。在設備開發過程中，研究生與本科生保持密切溝通，確保對微型三軸儀的各環節展示清晰易懂，同時也強化了本科生對設備細節、測試原理的認識。最終開發完成的三軸儀可開展三軸不固結不排水（UU）、固結不排水（CU）、固結排水（CD）等試驗的模擬演示。以固結排水試驗為例，該裝置使用的主要操作步驟如下：

（1）土樣制備。將土樣套好橡皮膜、橡皮圈等部件，打開壓力室并放置土樣、透水石、濾紙，完成裝樣過程。

（2）施加圍壓，固結排水。打開球閥1，向壓力室充入壓縮氣體或液體，打開壓力控制泵對土樣施加圍壓，同時打開球閥2和3，即土樣固結排水過程（若關閉球閥2和3，即可模擬不排水條件）。

（3）施加軸壓。土樣固結完成后，緩慢轉動手輪，抬升底座，對試樣施加軸壓。其中，外置式數顯壓力計所顯示的力，則為土樣的偏應力。

（4）改變圍壓。調整施加的圍壓值，重復上述步驟（1）—（3），即可得到不同圍壓下土樣破壞時所施加的最大豎向軸力值。

（5）繪制曲線。根據不同圍壓值對應的最大偏應力，繪制莫爾應力圓曲線，可得到土的抗剪強度指標。

特別要指出的是：在課程教學環節中借助TJ-MTX-1 三軸儀在課程教學環節中還可以讓學生直觀地感受有效應力原理的重要意義，即有效應力決定了土體的強度和變形特性。具體實施過程為：

（1）采用砂土試樣，關閉球閥2，利用微型真空泵通過球閥3 向試樣分階段施加負壓（即有效應力）10 kPa、40 kPa和80 kPa。

（2）學生可用手指感受不同有效應力下試樣的軟硬程度（試樣的軟硬程度可定性地反映土樣的強度和模量大?。?，學生可切身體會到有效應力對土體強度和變形特性的作用。

（3）進一步開展不用有效應力作用下的固結排水三軸試驗，以真實展示三軸試驗中試樣的破壞面和不同有效應力下的抗剪強度。

四、教學實踐：回歸土力學教學的課程需求

經過課堂實驗演示，微型土工三軸儀能完整模擬土工三軸試驗中制樣、固結、剪切等關鍵步驟，并能讓學生直接動手模擬不同類型的三軸試驗。對班級52 名學生進行課堂效果問卷調查，具體分析結果見圖5。從問卷結果及與學生交流中不難發現，多數學生認為對三軸試驗和有效應力原理內容學習存在難度。相比傳統課堂教學中采用PPT、板書等手段，結合微型三軸儀，則對學生該部分內容的理解和學習效果提升有很大幫助。課堂氛圍提升方面，該教學環節不僅活躍了課堂氣氛，還提升了土力學三軸試驗的課堂教學效果。在參與教學設備的研發環節，能夠讓本科階段學生認識到該知識點在工程實踐和科學研究中的重要性，并與研究生建立了較好的交流平臺，對自身的學習生活和以后職業發展規劃有了更深理解。學生通過積極參與教學型實踐活動，普遍對類似教具的研發及教學環節充滿期待，對本科階段教學及學生興趣培養起到了良好啟發作用。

圖5 微型土工三軸儀對課堂教學效果

五、結語

針對土力學課程中關于土工測試這一重要環節存在的問題，自主研發了微型三軸儀，開展了本研協同的實踐型教學活動。從多個角度聯動了土力學關于三軸試驗這部分內容的教學、試驗與實踐環節，優化了教學模式、加強了課堂互動，讓學生更好地掌握三軸試驗的測試方法和流程，更加直觀形象地理解有效應力原理，加深了對土力學課程內涵的理解。從試驗效果來看，TJ-MTX-1 三軸儀設計合理，能很好地實現不固結不排水（UU）、固結不排水（CU）、固結排水（CD）三軸試驗的模擬演示，可應用于土力學課程中三軸試驗相關的教學工作。與傳統土工三軸儀相比，TJ-MTX-1 三軸儀體積小、重量輕、操作簡便，可方便攜帶進入教室，配合課堂三軸試驗的教學，能直觀模擬和演示各類三軸試驗，使學生能夠現場了解三軸試驗的原理及過程，提升學生課堂參與感和動手實踐能力。該三軸儀能讓學生親身感受到不同有效應力條件下土樣的軟硬程度，直觀體會有效應力對土的強度和變形特性的影響，加強學生對有效應力原理的掌握和理解，有效地提升了課堂教學效果。未來將進一步針對課程教學中存在的問題，持續開發一系列土工教學儀器，加強理論學習與試驗實踐之間的密切聯系，以加深理論與實踐培養、提升學生綜合素質為目標，滿足新工科建設的培養要求，為卓越工程師的培養打下良好基礎。