鄧聲君，劉 恒，萬志輝，高洪梅，許 琳

（1.南京工業(yè)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，江蘇 南京 211816；2.南京工業(yè)大學(xué)團(tuán)委，江蘇 南京 211816）

0 引言

隨著來華留學(xué)生日益增多，涉及土木工程學(xué)科的英文專業(yè)課教學(xué)也面臨著挑戰(zhàn)，這與以往面向中國學(xué)生的雙語教學(xué)有本質(zhì)的不同[1-4]，主要體現(xiàn)在文化背景與思維方式上，中文教材與英文教材的編排模式差異較大，從教學(xué)方法上也應(yīng)有所區(qū)別。中國礦業(yè)大學(xué)土力學(xué)全英文教學(xué)團(tuán)隊(duì)通過問卷調(diào)查、出勤情況、“雨課堂”隨堂測試、課程成績等方式綜合評(píng)價(jià)英文專業(yè)課教學(xué)效果，分析了課程目標(biāo)達(dá)成度，以此對(duì)土力學(xué)英文課程提出了相關(guān)改進(jìn)措施[5]。長安大學(xué)教學(xué)團(tuán)隊(duì)以《高等土力學(xué)》為例，增加了教材選用與課程思政環(huán)節(jié)，充實(shí)了專業(yè)英文教學(xué)方法[6]，鄭州大學(xué)教學(xué)團(tuán)隊(duì)考慮留學(xué)生性格特點(diǎn)與學(xué)習(xí)習(xí)慣，提出了相關(guān)教學(xué)改革方法和課時(shí)分配方案[7]，案例教學(xué)法由來已久，但大多存在于中文課程的應(yīng)用型教學(xué)中，目前尚未出現(xiàn)針對(duì)英文專業(yè)課的案例教學(xué)討論，因此本文以留學(xué)生土力學(xué)課程中的知識(shí)點(diǎn)作為對(duì)象，進(jìn)行案例教學(xué)模式的展示和探討。

有效應(yīng)力原理是卡爾太沙基（K.Terzaghi）于1923年提出的，它是土力學(xué)有別于其他力學(xué)課程的一個(gè)重要原理，既是課程重點(diǎn)，也是教學(xué)難點(diǎn)。本文以該知識(shí)點(diǎn)講解為例，提出一種問題+概念+推導(dǎo)+案例的教學(xué)模式，首先以工程中涉及該知識(shí)點(diǎn)的工程現(xiàn)象為引，拋出問題展開思考，其次對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行基本概念介紹，根據(jù)理論模型推導(dǎo)基本的計(jì)算方法，最后通過計(jì)算案例掌握計(jì)算流程，同時(shí)回應(yīng)課程開始提出的問題，形成知識(shí)點(diǎn)講解閉環(huán)。

知識(shí)點(diǎn)講解前，以“地下水位變化引起地表沉降的原因”為問題勾起同學(xué)們的思考，帶著問題引出本課程主題。案例課程的框架分為三大塊，一是有效應(yīng)力原理知識(shí)點(diǎn)概念，二是土中應(yīng)力計(jì)算方法，三是案例講解。

1 知識(shí)點(diǎn)概念

2 土中應(yīng)力計(jì)算方法

提供一個(gè)土中應(yīng)力計(jì)算簡單案例，如圖1所示，給定已知條件：假設(shè)研究對(duì)象為土體中深度為z的某一點(diǎn)，土的飽和重度為，水位線位于地表。則可得到：

圖1 土中應(yīng)力計(jì)算示意圖

根據(jù)土的有效應(yīng)力原理，可知土的有效應(yīng)力為總應(yīng)力與孔隙水壓力之差，記為：

總結(jié)計(jì)算土的有效應(yīng)力的步驟分為四步：（1）確定各層土體計(jì)算點(diǎn)的深度，（2）計(jì)算各層土體總應(yīng)力，（3）計(jì)算各層孔隙水壓力，（4）計(jì)算各層土的有效應(yīng)力。

3 計(jì)算案例

案例一的已知條件：土體共分為三層，第一層為砂層，重度為17kN/m3，第二層為飽和砂層，重度為20kN/m3，第三層為粘土層，重度為19kN/m3，地下水位處于砂層和飽和砂層之間，試描繪土的總應(yīng)力和有效應(yīng)力隨著深度變化曲線。

按照第三部分土中應(yīng)力計(jì)算方法中的四步解法：首先確定如圖2（a）中所示的四個(gè)計(jì)算點(diǎn)，其次計(jì)算土的總應(yīng)力，再計(jì)算孔隙水壓力，最后計(jì)算土的有效應(yīng)力即為總應(yīng)力與孔隙水壓力之差，各層土體具體計(jì)算過程見表1，以色彩區(qū)分各類型應(yīng)力，第一個(gè)點(diǎn)位于地表，各應(yīng)力均為0，第二個(gè)點(diǎn)位于2m深度處，土的總應(yīng)力為2m×17kN/m3=34kN/m2，其中2m為深度，17kN/m3為重度，由于此時(shí)水位線未超過計(jì)算深度，孔隙水壓為0，因此有效應(yīng)力為34kN/m2-0=34kN/m2，第三個(gè)點(diǎn)位于4m深度處，土的總應(yīng)力計(jì)算為上兩層疊加，即 2m×17kN/m3與 2m×20kN/m3兩部分，共 74kN/m2，此時(shí)孔隙水壓力為2m×9.8kN/m3=19.6kN/m2，有效應(yīng)力為兩者之差，即74-19.6=54.4kN/m2，第四個(gè)點(diǎn)位于模型最底部，埋深10m，計(jì)算方法類似，可得有效應(yīng)力為109.6kN/m2；根據(jù)表1中各層土體計(jì)算結(jié)果，繪制圖2（a）所示的變化曲線，其中總應(yīng)力與有效應(yīng)力的差值為孔隙水壓力，即圖中綠色面積。

表1 各埋深處的土中應(yīng)力計(jì)算過程（案例一）

圖2 土中應(yīng)力分布圖

案例二的已知條件與案例一僅地下水位線處于地表不同，其他條件相同，具體如下：土體分為三層，第一層為砂層，重度為17kN/m3，第二層為飽和砂層，重度為20kN/m3，第三層為粘土層，重度為19kN/m3，地下水位處于地表，試描繪土的總應(yīng)力和有效應(yīng)力隨著深度變化曲線。通過相同的計(jì)算方法，將案例二作為隨堂練習(xí)，讓學(xué)生先進(jìn)行計(jì)算，留學(xué)生在計(jì)算能力方面較欠缺，習(xí)慣使用計(jì)算器，因此計(jì)算時(shí)培養(yǎng)先列計(jì)算公式后計(jì)算的習(xí)慣，易于檢查計(jì)算過程，檢查學(xué)生的計(jì)算結(jié)果后，再次講解計(jì)算流程，給出計(jì)算結(jié)果，得到如圖2（b）所示土中應(yīng)力分布圖，土中應(yīng)力計(jì)算過程見表2。

表2 各埋深處的土中應(yīng)力計(jì)算過程（案例二）

綜合上述兩個(gè)計(jì)算案例，從案例一狀態(tài)到案例二狀態(tài)對(duì)應(yīng)于水位線上升的過程。由圖3（P213）可知，案例一狀態(tài)變換到案例二狀態(tài)，總應(yīng)力保持不變，孔隙水壓力由78.4kPa增加至98kPa，有效應(yīng)力由109.6kPa降至90kPa，土體承載能力下降，而有效應(yīng)力是土體產(chǎn)生變形的主要原因，因此在某些極端條件下，可能引發(fā)課程開始的地表局部沉降甚至產(chǎn)生裂縫現(xiàn)象。

圖3 水位上升過程土中應(yīng)力變化

4 結(jié)論

本文以《土力學(xué)》中重要知識(shí)點(diǎn)有效應(yīng)力原理為例，介紹了針對(duì)留學(xué)生英文教學(xué)的工程案例教學(xué)法，按照工程現(xiàn)象、理論概念、計(jì)算方法、案例講解的邏輯順序一一講解，有助于獨(dú)立完整地講解一個(gè)課程知識(shí)點(diǎn)，并讓學(xué)生學(xué)會(huì)簡單應(yīng)用和思考，案例來源于工程實(shí)際，計(jì)算步驟簡單清晰，可配合課堂練習(xí)，培養(yǎng)計(jì)算能力和應(yīng)用能力，有利于初學(xué)者對(duì)土力學(xué)基本概念的把握，也符合學(xué)以致用的工程思維模式，以此拋磚引玉，探索土力學(xué)英文教學(xué)新模式。