張陽陽 杜明慶 時偉 郝一夫 李君燁

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2011-5640-1883

摘 要：城市地下空間工程是一門與巖土工程、城市規(guī)劃、結(jié)構(gòu)工程等緊密相關(guān)的綜合性專業(yè)，具有較強(qiáng)的工程相關(guān)性，且課程體系復(fù)雜，極易造成學(xué)生對專業(yè)知識的理解不深刻甚至是不準(zhǔn)確。為了提高學(xué)生的綜合理解能力，作者結(jié)合自身學(xué)習(xí)及授課經(jīng)驗，將模型試驗引入到城市地下空間工程的教學(xué)當(dāng)中，讓學(xué)生直觀地感受地下工程受力變形的全過程，既提高了課堂教學(xué)質(zhì)量，又提高了學(xué)生技能水平。

關(guān)鍵詞：城市地下空間工程? 模型試驗? 教學(xué)改革? 教學(xué)效果

中圖分類號：G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）01（c）-0193-04

Application of Model Test in the Teaching of Urban Underground Space Engineering under the Background of New Engineering

ZHANG Yangyang? DU Mingqing*? SHI Wei? HAO Yifu? LI Junye

（School of Civil Engineering， Qingdao University of Technology， Qingdao， Shandong Province， 266033 China）

Abstract： Urban underground space engineering is a comprehensive major closely related to geotechnical engineering， urban planning， structural engineering， etc. It has strong engineering relevance， and the curriculum system is complex， which can easily cause students to not have a deep understanding of professional knowledge or even Is not accurate. In order to improve students' comprehensive understanding ability， the author combines his own learning and teaching experience to introduce model tests into the teaching of urban underground space engineering， so that students can intuitively feel the whole process of the deformation of underground engineering， which improves the quality of classroom teaching. It also improves the skill level of students.

Key Words： Urban underground space engineering; Model test; Teaching reform; Teaching effect

新工科在2016年被正式提出來，2017年形成“復(fù)旦共識”、“天大行動”和“北京指南”，實現(xiàn)了新工科建設(shè)從概念到內(nèi)涵、行動、方向等多個方面的體系化，新工科建設(shè)也成為了我國新時期高等工程教育改革的指導(dǎo)方針。新工科建設(shè)是在“卓越計劃”已取得的工程教育改革成果的基礎(chǔ)上，調(diào)整和轉(zhuǎn)變學(xué)科專業(yè)建設(shè)思路，從適應(yīng)產(chǎn)業(yè)需要轉(zhuǎn)向滿足產(chǎn)業(yè)需要和引領(lǐng)未來發(fā)展并重，拓展和提升工程教育改革內(nèi)涵，將工程教育改革拓展到多學(xué)科交叉領(lǐng)域、提升到國家戰(zhàn)略和未來發(fā)展的高度。

城市地下空間工程涉及的知識點較廣，涵蓋地質(zhì)勘察、結(jié)構(gòu)設(shè)計以及運(yùn)營維護(hù)等整個工程周期，導(dǎo)致城市地下空間工程專業(yè)的課程體系較為繁雜，學(xué)生在學(xué)習(xí)理論知識時，往往難以理解現(xiàn)象背后的機(jī)理，更難以理解地下工程的實際情況，只是知其然不知其所以然，久而久之，學(xué)生便失去了學(xué)習(xí)的興趣。興趣是學(xué)習(xí)的源泉，因此在教學(xué)中亟需提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。如何提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣是每個教育工作者需要思考和解決的問題，對于城市地下工程專業(yè)的學(xué)生來說，在教學(xué)中增加模型試驗無疑是最好的選擇之一，學(xué)生通過實際操作可以加深對專業(yè)知識及工程實踐的理解[1]。

教育部在《關(guān)于推薦新工科研究與實踐項目的通知》里將“新工科”歸納為“五個新”：工程教育的新理念;學(xué)科專業(yè)的新結(jié)構(gòu);人才培養(yǎng)的新模式;教育教學(xué)的新質(zhì)量;分類發(fā)展的新體系。這就對課堂教學(xué)提出了新的更高的要求，傳統(tǒng)的課堂教學(xué)往往只注重理論教學(xué)，缺乏面對面的實踐操作，導(dǎo)致學(xué)生不能正確地理解和處理工程問題，因此將模型試驗搬進(jìn)課堂，讓學(xué)生自己親身操作，在實踐中加深對理論知識的理解，在試驗中利用所學(xué)理論知識解決工程問題。

1? 教學(xué)思路

模型試驗是指在工程現(xiàn)場測試不方便時，通過比例縮小對工程現(xiàn)象進(jìn)行研究，縮小后的試驗體具有原型結(jié)構(gòu)的全部或部分特征，從而將工程中發(fā)生的現(xiàn)象在實驗室中再現(xiàn)出來。模型試驗需遵循一定的相似比例，即試驗體和工程原型按一定的幾何條件及物理關(guān)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換[2-4]。城市地下空間工程中隧道工程的受力和變形是學(xué)生學(xué)習(xí)的重點內(nèi)容，為使學(xué)生能對隧道有更準(zhǔn)確的認(rèn)識，在教學(xué)中將隧道模型試驗的設(shè)計和加載引入教學(xué)中，并制定了詳細(xì)系統(tǒng)的模型試驗教學(xué)策劃方案。模型設(shè)計、制作、加載全過程完全由學(xué)生主導(dǎo)[5]，具體如下：（1）模型的設(shè)計。學(xué)生根據(jù)原型隧道尺寸和相似比例關(guān)系，確定試驗體中隧道的尺寸并制作隧道模型（圖1（a））。（2）監(jiān)測傳感器布置。學(xué)生根據(jù)所學(xué)理論知識，確定隧道受力薄弱位置，并按一定間隔布置傳感器（圖1（b））。（3）模型加載及數(shù)據(jù)采集。主要是引導(dǎo)學(xué)生正確地確定加載大小及加載速度。（4）寫出隧道模型設(shè)計的相關(guān)計算書。

2? 實施步驟

2.1 相似比

將學(xué)生按4～6人進(jìn)行分組，以團(tuán)隊的形式完成各組任務(wù)。首先，要求學(xué)生確定模型試驗相似比，確定相似比之前，需準(zhǔn)確地量測模型箱的尺寸，提供給學(xué)生米尺，由學(xué)生自主測量模型箱的長寬高等尺寸。為提高臺架的整體剛度，臺架中設(shè)置有數(shù)個鋼架及槽鋼。為不影響試驗中對試驗現(xiàn)象的觀測，臺架正面設(shè)置有機(jī)玻璃板，其余各面均為鋼板。臺架主要有電液伺服系統(tǒng)、加載控制系統(tǒng)、臺架支承系統(tǒng)三部分組成。試驗臺架結(jié)構(gòu)材料承壓大于0.5MPa，最大壓力作用下變形不超過0.3mm，完全滿足模型試驗要求。其次，要求學(xué)生根據(jù)已學(xué)的相似理論知識及模型箱尺寸，確定幾何相似比、容重相似比、彈性模量相似比、粘聚力相似比、內(nèi)摩擦角相似比、泊松比相似比等，為方便模型制作及試驗的進(jìn)行，可建議學(xué)生選擇的相似比在1：70～1：50之間。

2.2 模型制作

模型制作要求學(xué)生利用高強(qiáng)石膏制作隧道襯砌模型，模型的模具及高強(qiáng)石膏由實驗室老師提供，學(xué)生根據(jù)高強(qiáng)石膏和水比例的不同配比，制作不同強(qiáng)度的隧道襯砌，制作完成的隧道襯砌中不能有空洞。襯砌中無需配筋，但必須使用烘箱將模型烘干，并成功從模具中取出模型。對于圍巖的制作，實驗室提供重晶石、石英砂以及凡士林三種材料，并提示當(dāng)重晶石、石英砂、凡士林配制比例為12：4.9：1時，所制備的圍巖材料相當(dāng)于四級圍巖，其物理力學(xué)參數(shù)如下：重度為20 kN/m3、彈性模量為43MPa、泊松比為0.31、內(nèi)摩擦角為29.2°、粘聚力為6.76kPa，學(xué)生可參考此比例，增加或減少重晶石和石英砂的用量，來調(diào)節(jié)圍巖級別，三種材料的具體配比由學(xué)生自主確定，要求學(xué)生確定配比后能夠在計算說明書中注明所制備的材料性質(zhì)是比四級圍巖堅硬還是比四級圍巖軟弱，并能說明原因。

2.3 傳感器布置

這一部分首先要求學(xué)生根據(jù)所學(xué)理論知識，確定傳感器布置位置，隧道襯砌一周的傳感器數(shù)量控制在10個以內(nèi)，要求學(xué)生正確測定隧道襯砌的受力分布，使用薄膜壓力傳感器，薄膜壓力傳感器厚度為0.5mm，僅為普通壓力盒的3%左右，可極大地減小傳感器本身對襯砌結(jié)構(gòu)和測試數(shù)據(jù)的影響。傳感器粘貼到隧道襯砌模型上面之前，要求隧道襯砌模型表面光滑，不允許粘貼在凹凸不平的位置上。傳感器布置過程中要求學(xué)生設(shè)置合理的接線位置和走線路徑，不允許出現(xiàn)線路相互干擾或相互纏繞的現(xiàn)象。要求學(xué)生在模型試驗之前采取適當(dāng)?shù)拇胧p少試驗臺架對試驗體的摩擦，實驗室提供反光紙和凡士林等輔助材料。

2.4 模型加載

加載方案共有4種，每組學(xué)生可從4種加載方案中任意選擇一種，四種方案分別為模型的上部及側(cè)面加載、上部及下部加載、僅上部加載、僅側(cè)面加載。其中，上部及側(cè)面加載主要是模擬中厚層圍巖下隧道襯砌模型在側(cè)向加壓下的剪切破壞;上部及下部加載主要是模擬隧道襯砌模型在高埋深時的拱頂及仰拱拉壓破壞;僅上部加載主要是模擬隧道襯砌模型在埋深較淺但上覆荷載較大的情況;僅側(cè)面加載主要是模型隧道襯砌模型受較大側(cè)向壓力的情況。以上的4種方案基本涵蓋了隧道受力的主要形式，為節(jié)約試驗時間，學(xué)生在模型試驗中只需任選其中的一種加載模式進(jìn)行試驗。加載方案確定后需要確定荷載大小，要求學(xué)生自主確定加載大小、加載幅度及加載速度，并能正確分析加載速度對隧道襯砌受力的影響。荷載施加的大小直接決定了隧道襯砌模型的受力，加載速度若是過快，則后期的數(shù)據(jù)采集中，可能無法采集到足夠多的數(shù)據(jù)，加載數(shù)據(jù)若是過慢，則需要很長的時間才能完成試驗，且后期采集的數(shù)據(jù)量將增大，采集到大量的重復(fù)數(shù)據(jù)，也會影響數(shù)據(jù)處理的效率。因此，此部分要求學(xué)生在回顧理論知識的前提下，完成計算書中的受力計算后，再來確定加載的速度和幅度。

2.5 數(shù)據(jù)采集及處理

數(shù)據(jù)采集使用實驗室提供的MFF（Multiple Flexi Force）多點薄膜壓力測試系統(tǒng)，要求學(xué)生正確設(shè)置系統(tǒng)頻率參數(shù)，按照自己設(shè)定的時間間隔采集數(shù)據(jù)，要求此處采集數(shù)據(jù)的時間間隔與上一步中加載速度相對應(yīng)，每一級加載至少對應(yīng)5個受力數(shù)據(jù)。要求學(xué)生對采集到的數(shù)據(jù)能夠進(jìn)行簡單的處理，剔除明顯不正確的數(shù)據(jù)、剔除時間間隔較近或重復(fù)的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合，并正確繪制隧道襯砌受力圖。

2.6 模型計算書

模型計算書每組提交一份，要求內(nèi)容詳實，能夠解釋選擇參數(shù)的依據(jù)及具體試驗現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。內(nèi)容應(yīng)包括模型試驗相似比例確定過程、隧道模型制作的方法、傳感器布置位置確定的依據(jù)、加載方案選擇的依據(jù)、加載幅度及速度、數(shù)據(jù)采集頻率確定依據(jù)、隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力計算、模型試驗中的風(fēng)險及相應(yīng)對策。其中，相似比的確定要結(jié)合理論知識和模型臺架尺寸綜合確定。隧道模型的制作方法要求分條分段詳細(xì)完整地描述整個過程，并說明高強(qiáng)石膏與水混合后的漿液中排出氣泡的方法。傳感器的布置要求根據(jù)理論知識確定隧道模型的受力較大的幾個點，需要給出計算過程。另外，要求學(xué)生提前預(yù)判一下試驗中有可能遇到的困難及風(fēng)險有哪些，對相應(yīng)的困難及風(fēng)險做好對應(yīng)處理方案。

3? 考核方法

激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)和動手操作的動力，改革過去只重視理論考核，忽視實踐考核;只重視階段考核，忽視過程考核的觀念和模式。增加過程考核成績比重，注重在學(xué)習(xí)和實踐中考核學(xué)生，在分組試驗中，從分析問題能力、解決問題能力、模型設(shè)計方案、溝通協(xié)調(diào)能力等多方面對學(xué)生進(jìn)行打分[6，7]?？偡?00分，其中，理論知識15分，主要對各組隧道基礎(chǔ)知識以及相似比例的選取進(jìn)行評價;模型制作25分，對隧道襯砌模型制作的質(zhì)量、美觀性以及上交的準(zhǔn)時性等進(jìn)行評價;傳感器布置15分，對傳感器布置位置是否包含所有受力薄弱點進(jìn)行評價;加載方案和數(shù)據(jù)采集25分，對其加載大小、幅度及速度的合理性進(jìn)行評價;計算書20分，根據(jù)計算書的內(nèi)容完整性、計算的正確性和排版的規(guī)范性等進(jìn)行評價[8-9]。

4? 結(jié)語

通過模型試驗的設(shè)計和制作，對城市地下空間工程課程教學(xué)改革具有較大的積極意義。

（1）提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。讓學(xué)生從枯燥的理論知識中脫離，通過動手實踐將所學(xué)的理論知識進(jìn)行應(yīng)用。在同學(xué)之間的討論協(xié)調(diào)之中共同完成模型試驗，鍛煉了學(xué)生的設(shè)計能力、創(chuàng)新能力、溝通能力、協(xié)調(diào)能力、動手能力，形成了良好的學(xué)習(xí)氛圍。

（2）提高了課堂教學(xué)質(zhì)量。建筑工程類學(xué)科不能將具體工程實物直接搬到課堂上，導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)時只能通過圖片或視頻了解具體工程，難以對工程形成深入的感性認(rèn)識，進(jìn)而出現(xiàn)理解困難的現(xiàn)象。模型試驗將具體工程縮小后，直接搬到了學(xué)生面前，學(xué)生不僅可近距離地觀察和學(xué)習(xí)，而且可以自己動手對工程進(jìn)行設(shè)計和加載，極大地增加了學(xué)生對工程設(shè)計、施工的理解，也可以進(jìn)一步鞏固和驗證所學(xué)的理論知識。

（3）模型試驗將工程實踐和理論教學(xué)緊密地結(jié)合在一起，相輔相成，相互促進(jìn)，使得教學(xué)效果得到了極大的提高。

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