許端端，孫澤杰

(湖北工業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430068)

1 引言

《土力學(xué)與基礎(chǔ)工程》是土木工程專(zhuān)業(yè)本科教學(xué)中的專(zhuān)業(yè)核心課程之一，內(nèi)容主要包括土力學(xué)與地基基礎(chǔ)兩大部分。其中土力學(xué)部分為理論基礎(chǔ)，基礎(chǔ)工程是土力學(xué)部分的后續(xù)內(nèi)容，同時(shí)還涉及結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料力學(xué)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，具有較強(qiáng)的綜合性、實(shí)踐性和經(jīng)驗(yàn)性[1～3]。PKPM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件是一套集建筑、結(jié)構(gòu)、施工、概預(yù)算為一體的綜合性高效電算軟件，因此 “PKPM軟件”這門(mén)課程在高校土木工程專(zhuān)業(yè)中作為專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程而被廣為開(kāi)設(shè)[4～6]。該軟件所涉及到的理論知識(shí)，相關(guān)課程主要包括《房屋建筑學(xué)》《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》《結(jié)構(gòu)力學(xué)》《高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》《建筑抗震設(shè)計(jì)》《工程結(jié)構(gòu)荷載與可靠度設(shè)計(jì)原理》《土力學(xué)與基礎(chǔ)工程》等[7]。目前，在土木工程專(zhuān)業(yè)所開(kāi)設(shè)的《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》《鋼結(jié)構(gòu)》等專(zhuān)業(yè)核心課程中，均會(huì)引入PKPM軟件輔助教學(xué)，一方面，能有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)效率；另一方面，能使學(xué)生掌握最基本的工程設(shè)計(jì)方法，起到連接課堂教學(xué)和工程實(shí)踐的紐帶作用[8]。而PKPM軟件本身除了具有混凝土、砌體、鋼結(jié)構(gòu)等上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析功能，其所包括的JCCAD模塊也能對(duì)各種類(lèi)型的基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。在此基礎(chǔ)上，本文將結(jié)合實(shí)例，探討PKPM軟件在《土力學(xué)與基礎(chǔ)工程》實(shí)踐教學(xué)中的具體應(yīng)用，以供參考。

2 PKPM地質(zhì)模型輸入與土力學(xué)基本物理力學(xué)指標(biāo)認(rèn)知

《土力學(xué)與基礎(chǔ)工程》課程中的土力學(xué)部分是基于理論力學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、彈性力學(xué)及流體力學(xué)等相關(guān)力學(xué)理論知識(shí)而開(kāi)設(shè)的課程，包含眾多的理論和假設(shè)[9]。在教學(xué)中，一直存在一個(gè)難點(diǎn)即：作為建筑物載體的地基土具有三相性、碎散性及天然變異性的特征[10]，土的物理性質(zhì)不僅由三相體系的性質(zhì)決定，而且土的三相比例關(guān)系也是一個(gè)重要的影響因素[11]。導(dǎo)致用來(lái)描述其性狀的物理指標(biāo)較為繁多雜亂，且對(duì)土力學(xué)意義較為重大的“孔隙比e”“比重ds”“飽和度Sr”等物理指標(biāo)與之前在《材料力學(xué)》《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》《鋼結(jié)構(gòu)》等課程中所涉及到的物理指標(biāo)相關(guān)性不強(qiáng)。此外，土的抗剪強(qiáng)度與土木工程專(zhuān)業(yè)其它課程中所涉及到的材料不同，它并不是一個(gè)常數(shù)，而是一個(gè)隨著正應(yīng)力σ值變化而線性增長(zhǎng)的變量，在土力學(xué)中一般采用抗剪強(qiáng)度指標(biāo)內(nèi)摩擦角ψ及粘聚力c來(lái)表征土的強(qiáng)度。初學(xué)者在理解這些物理力學(xué)參數(shù)的時(shí)候，往往會(huì)存在一定的困難。此時(shí)，在教學(xué)中引入PKPM軟件的JCCAD模塊地質(zhì)模型部分(圖1)輔助教學(xué)，通過(guò)軟件自帶的默認(rèn)巖土參數(shù)表讓學(xué)生了解在工程實(shí)踐中常見(jiàn)的巖土種類(lèi)有哪些，其參數(shù)的大致取值范圍如何。再讓學(xué)生根據(jù)老師提供的地質(zhì)勘查報(bào)告輸入孔點(diǎn)參數(shù)(圖2)并進(jìn)行編輯，繪制土剖面圖及等高線等，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到如何將課本上所學(xué)到的零散的參數(shù)指標(biāo)在工程實(shí)踐中加以應(yīng)用，以加深學(xué)生對(duì)《土力學(xué)與基礎(chǔ)工程中》課程中相關(guān)物理力學(xué)指標(biāo)的認(rèn)知，提高其實(shí)踐能力。

圖1 PKPM軟件JCCAD模塊地質(zhì)模型部分示意

圖2 孔點(diǎn)參數(shù)輸入示意

3 PKPM基礎(chǔ)模型與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

在土木工程專(zhuān)業(yè)課程體系中，上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)工程往往是割裂開(kāi)來(lái)進(jìn)行教學(xué)。實(shí)則在建筑的地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)過(guò)程中，除了受地面土質(zhì)結(jié)構(gòu)和地下的巖土成分等外部基本條件影響外，還受到包括建筑本身的高度、地下室層數(shù)和建筑的內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)地基的壓縮等因素的影響[12]。在學(xué)習(xí)中，若不能將這兩部分知識(shí)有效融合，會(huì)使學(xué)生不能形成綜合的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，影響其理論知識(shí)的掌握和實(shí)踐能力的獲得。在PKPM軟件中，JCCAD模塊中基礎(chǔ)模型的荷載直接讀取上部結(jié)構(gòu)模型經(jīng)SATWE分析計(jì)算后所得的荷載(圖3)，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)須在上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算完成后方可進(jìn)行。因此在《土力學(xué)與基礎(chǔ)工程》教學(xué)中引入PKPM軟件輔助教學(xué)，能使該課程與先前所學(xué)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》《結(jié)構(gòu)抗震》《多層與高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》等課程相銜接[13]。在課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，與安排在上學(xué)期的《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)形成聯(lián)動(dòng)，讓學(xué)生為之前完成的混凝土框架結(jié)構(gòu)或剪力墻結(jié)構(gòu)選擇合適的基礎(chǔ)形式并進(jìn)行結(jié)構(gòu)配筋計(jì)算，將手算結(jié)果與PKPM軟件計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析兩種算法誤差產(chǎn)生的原因，應(yīng)用PKPM接力程序完成施工圖的繪制[14]。通過(guò)這種模式，可使《土力學(xué)與基礎(chǔ)課程》與土木工程專(zhuān)業(yè)其它核心課程緊密聯(lián)系，加深學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)工程綜合性、實(shí)踐性的理解。

圖3 基礎(chǔ)模型荷載讀取示意

PKPM軟件JCCAD模塊的建筑模型菜單如圖4所示，該軟件對(duì)目前在工程實(shí)踐中常用到的獨(dú)立基礎(chǔ)、地基梁、筏板基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)等基礎(chǔ)類(lèi)型均能進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。以湖北工業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院所開(kāi)設(shè)的《土力學(xué)與基礎(chǔ)工程》課程為例，該課程理論課時(shí)為56學(xué)時(shí)，其中土力學(xué)理論部分包括32學(xué)時(shí)，基礎(chǔ)工程僅為24學(xué)時(shí)。由于學(xué)時(shí)所限，在授課過(guò)程中只能選擇對(duì)柱下獨(dú)立基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)等常用且設(shè)計(jì)過(guò)程比較有代表性的基礎(chǔ)形式的設(shè)計(jì)流程和計(jì)算方法進(jìn)行詳細(xì)講解，而較為復(fù)雜的基礎(chǔ)形式如地基梁、筏板基礎(chǔ)等則由學(xué)生自學(xué)完成。這種教學(xué)模式會(huì)導(dǎo)致一部分自主學(xué)習(xí)能力不強(qiáng)的同學(xué)學(xué)習(xí)效果達(dá)不到預(yù)期。在這部分內(nèi)容的教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用PKPM軟件JCCAD模塊結(jié)合課本內(nèi)容對(duì)該類(lèi)復(fù)雜基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使得教學(xué)過(guò)程既不需要像講解手算過(guò)程那樣耗費(fèi)大量的時(shí)間，又能使學(xué)生在動(dòng)手過(guò)程中了解在工程實(shí)踐中此類(lèi)基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)流程，以保證學(xué)習(xí)效果，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力。

圖4 基礎(chǔ)模型菜單示意

雖然現(xiàn)代土力學(xué)理論發(fā)展了土的本構(gòu)模型和現(xiàn)代數(shù)值計(jì)算方法，解決了非線性等復(fù)雜的計(jì)算難題，但目前確定地基承載力的方法采用的仍是傳統(tǒng)的半理論半經(jīng)驗(yàn)的方法[15]，不同的理論分析方法導(dǎo)致地基承載力的確定方法種類(lèi)繁多，每種方法有其不同的適用情況，學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中比較容易對(duì)此產(chǎn)生混淆。在PKPM軟件中，提供了包括綜合法、國(guó)標(biāo)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)法、靜樁試驗(yàn)法、上海地區(qū)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)法、北京地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)勘察設(shè)計(jì)規(guī)范法等5種不同的地基承載力確定方法(圖5)，在授課過(guò)程中將課本相關(guān)內(nèi)容與軟件中對(duì)應(yīng)的方法結(jié)合起來(lái)，引導(dǎo)學(xué)生去了解每種計(jì)算方法所需的參數(shù)如何獲取及各修正系數(shù)應(yīng)在何范圍內(nèi)取值，并分析比較使用不同方法確定的地基承載力對(duì)基礎(chǔ)最終的設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果所產(chǎn)生的影響，加深學(xué)生對(duì)此部分知識(shí)的認(rèn)識(shí)和理解，提高其分析問(wèn)題解決問(wèn)題的能力。

圖5 PKPM中地基承載力的確定

在PKPM中，除了以平面圖的形式顯示基礎(chǔ)的布置，還有三維線框模式及三維著色模式可供選擇(圖6)，可以非常直觀地讓學(xué)生看到不同的設(shè)計(jì)所對(duì)應(yīng)基礎(chǔ)的表現(xiàn)形式。由于基礎(chǔ)形式太過(guò)多樣，課本中不可能對(duì)每一類(lèi)基礎(chǔ)特征及形態(tài)都進(jìn)行詳細(xì)描述?？梢龑?dǎo)學(xué)生對(duì)所設(shè)計(jì)基礎(chǔ)選擇三維模式進(jìn)行觀察，使學(xué)生能自主發(fā)現(xiàn)獨(dú)立基礎(chǔ)中錐形基礎(chǔ)和階梯型基礎(chǔ)的異同點(diǎn)、筏形基礎(chǔ)與地基梁的表現(xiàn)形式、獨(dú)立基礎(chǔ)之間拉梁如何設(shè)置等課本中沒(méi)有詳細(xì)敘述的內(nèi)容，補(bǔ)充教學(xué)拓展學(xué)生的眼界。

圖6 三維著色模式表示基礎(chǔ)

4 結(jié)論

《土力學(xué)與基礎(chǔ)工程》是一門(mén)綜合性、實(shí)踐性和經(jīng)驗(yàn)性都較強(qiáng)的學(xué)科，在教學(xué)中僅依賴?yán)碚撜n程講授難以取得理想的教學(xué)效果。在教學(xué)過(guò)程中，引入PKPM設(shè)計(jì)軟件中的JCCAD模塊，輔助《土力學(xué)與基礎(chǔ)工程》課程教學(xué)，一方面，能夠加深學(xué)生對(duì)土力學(xué)中常見(jiàn)物理力學(xué)指標(biāo)的認(rèn)識(shí)；另一方面，可將基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)與上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)課程內(nèi)容緊密相連，使學(xué)生構(gòu)建土木工程專(zhuān)業(yè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)類(lèi)知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，了解結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的全過(guò)程，形成完整的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知識(shí)體系；除此之外，還能借由PKPM軟件的三維顯示功能讓學(xué)生直觀了解各類(lèi)基礎(chǔ)的形式及特點(diǎn)，最終達(dá)到提高《土力學(xué)與基礎(chǔ)工程》課程教學(xué)質(zhì)量，提升學(xué)生學(xué)習(xí)效果及實(shí)踐能力的目的。