直剪試驗課程的教學與實踐

1、直剪試驗課程的教學與實踐隨著現代試驗方法和試驗手段的快速變革， 土的性質的測定 涌現出各種各樣的新方法和新技術 1-3 。由于土的力學性質復 雜多變，不同土工試驗方法并不能完全測定土的所有物理力學性 質，因此也就無法反應土的性質的全貌。 土力學是以分散土為研 究對象的學科，主要研究土體的應力、變形、強度、滲流及長期 穩(wěn)定性。 其中強度是影響土的性質的一個極其重要的方面， 強度 可歸結為土的力學性質。 庫倫根據砂土和粘性土的剪切試驗提出 土抗剪強度的表達式， 包含兩個抗剪強度指標。 該試驗即直剪試 驗，通常將直剪試驗與室內三軸試驗相比較，得到其優(yōu)缺點。本 文以直剪試驗為研究對象，介紹了教學與實踐

2、過程中常見的問 題，淺談一下教學內容和方法的拓展與創(chuàng)新。一、理論教學應注意原理闡述和演示方法1. 明確直剪試驗中研究對象土的特殊性。 土是地殼表層 的巖石經受風化作用后形成的松散堆積體， 不同的風化作用形成 不同的礦物成分， 不同的搬運、 沉積以及硬化成巖過程導致土體 產生不同的結構和構造。 因此土體是大自然中長期地質歷史的產 物，土的性質與成因有關。土是人類生存的主要環(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 性質復雜多變造成了土的研究仍然處于初步階段， 很難有一套完 整的理論適用于各種土體。 因此， 土的研究和教學具有一定的復雜性和特殊性。2. 明確土工試驗的

3、重要性和直剪試驗的特點。 土工試驗常見 的有室內試驗和原位試驗等， 為了節(jié)省成本和重復性試驗還有模 型試驗，為了對土的性質的宏觀響應進行分析， 進行原位監(jiān)測等。 土是松散堆積體， 粒徑有較大的分布范圍， 因此應根據需要從宏 觀或微觀尺度進行試驗或測試， 微觀分析往往是認識土的力學性 質和相關機理的一個重要方法 4 。土工試驗是深入認識土的形 狀和完善相關理論的切實途徑， 為各種理論提供參數， 對理論的 合理性進行驗證。 直剪試驗的優(yōu)點是： 儀器構造簡單， 操作方便， 適合本科土力學教學； 直剪儀也是實際工程中常用的便攜式的儀 器；直剪儀制樣方法簡便， 試驗條件允許下采用原狀土或重塑土 進行試驗

4、。直剪試驗的缺點是：土樣尺寸較小，土樣盒剛性大， 導致剪應力分布不均勻， 上下盒接頭處產生應力集中， 剪切破壞 先從此處開始， 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， 在試樣內部應力非常復雜， 這可以從離散 元細觀分析來演示說明。 同時， 抗剪強度的計算通常按土樣的原 始截面面積進行計算， 與實際剪切面不斷縮小相矛盾。 試驗過程 中不能有效地控制排水條件，也無法測定孔隙水壓力變化情況。3. 多角度演示直剪試驗過程。 理論教學中， 為了增強學生的 學習興趣，可通過多種手段多角度展示直剪試驗過程和試驗原 理。常用的教學方法有 PPT展示，PPT動畫或flash動畫演示儀

5、 器結構和操作流程， 也可以采用視頻教學或指導教師直接在儀器上進行演示。 目前本人已展開用顆粒流離散元法分析演示直剪試 驗，對直剪試驗的土體顆粒流動有了更好的展示， 可以更好地解 釋直剪試驗的優(yōu)缺點，如儀器上下盒剛度的影響、應力集中現、 剪切面不完全是一個平面等現象。 學生對這種方法的展示表現出 極大的興趣，試驗實踐也更為積極。二、實踐教學注意知識點的交融和研究素質的培養(yǎng) 直剪試驗需要確定土的密度、含水率、土的分類，所以要注 意知識點的交融， 溫故知新。 直剪試驗又是對強度指標， 不同土、 含水率、密度和壓力，其應力應變關系各異，試驗現象也不同， 數據篩選和整理都體現出研究素質的重要性， 因此

6、開展直剪試驗 也是培養(yǎng)學生研究素質的重要手段。1. 試驗的前期準備和試驗進行。 開展直剪試驗前需制定試驗 方案和工作計劃， 確定試驗步驟。 直剪試驗之前需掌握密度試驗、 含水率試驗等。一般一組數據是否存在較大的誤差無法直接判 別，需開展34組平行試驗，平行試驗應由同一組人在同一臺 儀器上進行， 盡量保證人為造成的誤差降至最低。 試驗最少由兩 個人同時進行， 一個負責搖手輪， 另一個人負責記錄數據量力環(huán) 讀數，可以采取先對百分表拍照后對數據進行整理的辦法。 平行 試驗得到的數據如有較大的誤差， 指導老師和試驗的同學應參與 討論，對數據誤差較大的應剔除或者補充試驗再次進行比較分 析。2. 試驗現象

7、的細致分析和總結。 直剪試驗由于儀器簡單， 無 法控制排水條件， 無法測定孔隙水壓力。 但是指導老師應培養(yǎng)學 生觀察和記錄現象的能力， 并對試驗現象進行分析。 觀察分試樣 準備，試樣裝入、試驗過程和拆樣比較。試驗前觀察土樣的表面 是否平整， 各處是否干濕均勻， 輔助測定試樣上各個位置點的含 水率。裝樣時觀察試樣是否有溢出和壓平。 試驗過程觀察是否接 觸良好， 剪切過程中讀數是否平穩(wěn)變化。 拆樣后觀察剪切面是否 平整光滑，裂紋發(fā)展情況，試驗與剪切盒間的接觸關系、試樣前 端和后端的高差等等。 對平行試驗和不同壓力下的現象進行比較 分析，找到數據變化可能的原因。3. 試驗數據的整理和結果分析。 直剪

8、試驗三種類型得到不同 的強度指標，需要根據規(guī)范要求處理數據，以快剪試驗為例，應 將剪切速度、 圈數、量力環(huán)百分表讀數、 測力環(huán)系數記錄在 excel 中，繪制出不同壓力下剪應力與剪切位移關系曲線。 一個數據點 由剪切速度乘以圈數再減去量力環(huán)讀數得到， 避免直接以剪切速 度乘以圈數來確定剪切位移。 實踐操作中指導老師應給予指導和 解釋。一般一組數據是否存在較大的誤差無法判別，需開展3-4組平行試驗，不能盲目取其中一條或者取多條的平均值來確定， 而應對其合理性進行分析， 對值的大小和試樣制備和試驗過程發(fā) 生的情況進行比較分析， 鍛煉學生的分析思考能力。 這部分實踐 教學對學生查閱規(guī)范、處理數據、 excel 繪圖和公式計算等都有 較大的幫助。直剪試驗是土力學中一個重要的試驗課程， 是對前面開展的 密度試驗、含水率試驗等的繼續(xù)