朱劍鋒，陶燕麗，楊建輝，陳其志，郭小東

（浙江科技學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院，浙江杭州 310023）

《工程地質(zhì)》是將地質(zhì)學(xué)的原理應(yīng)用于解決工程場地穩(wěn)定性問題的一門課程，通過工程地質(zhì)勘查，研究建筑場地的地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、巖土工程特性以及水文地質(zhì)和地表地質(zhì)作用等工程地質(zhì)條件，論證和預(yù)測有關(guān)工程地質(zhì)問題發(fā)生的可能性，并采取必要的防治措施，以確保建筑物安全穩(wěn)定和正常運(yùn)行。通過該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以了解和掌握地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)知識，包括礦物、巖石、特殊性土、地質(zhì)構(gòu)造、水的地質(zhì)作用、不良地質(zhì)現(xiàn)象和工程地質(zhì)問題，具備礦物和巖石的鑒別能力，提高野外地質(zhì)現(xiàn)象識別的能力，能夠運(yùn)用工程地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)知識對土木工程復(fù)雜問題進(jìn)行分析[1-2]。同時(shí)，掌握工程地質(zhì)勘查的內(nèi)容、要求及方式等，會正確布置勘查任務(wù)，會閱讀工程地質(zhì)勘查報(bào)告，能夠合理利用勘查成果資料對工程場地進(jìn)行系統(tǒng)分析。

為了實(shí)現(xiàn)《工程地質(zhì)》課程的教學(xué)目標(biāo)，更好地培養(yǎng)工科生的科研思維能力以及創(chuàng)新意識，引入特定問題，通過以問題為中心的PBL教學(xué)法，全方位創(chuàng)新課程設(shè)計(jì)，可以有效促進(jìn)科學(xué)研究與教學(xué)的緊密結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的科研思維、創(chuàng)新意識以及自主學(xué)習(xí)能力。本文即以《工程地質(zhì)》課程中滑坡教學(xué)點(diǎn)為例，通過設(shè)置滑坡的概念基本要素與形成條件等問題，引導(dǎo)學(xué)生制定分析解決問題策略，最后提出知識點(diǎn)拓展和引申問題，加深學(xué)生認(rèn)識，以探討基于PBL教學(xué)法的教學(xué)設(shè)計(jì)。

1 PBL教學(xué)法概述

PBL的全稱是“Problem-Based Leaning”，于1969年由美國的神經(jīng)病學(xué)教授Barrows在加拿大的麥克馬斯特大學(xué)首創(chuàng)[3-4]，目前已成為在國內(nèi)外、各學(xué)科均非常流行的一種教學(xué)方法。

PBL教學(xué)法通常以問題為導(dǎo)向，以學(xué)生為主體，通過教師的引導(dǎo)，就特定問題進(jìn)行深入探究，在研究其解決方案的過程中實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。一般過程為確定學(xué)生需要掌握的重要問題，通過自主學(xué)習(xí)、教學(xué)實(shí)踐、小組討論、課堂點(diǎn)評等環(huán)節(jié)，理論與實(shí)踐相結(jié)合，以培養(yǎng)學(xué)生探究精神、科學(xué)素養(yǎng)與自主學(xué)習(xí)能力。

2 基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)的問題

2.1 滑坡概念

滑坡是斜坡土體和巖體在重力作用下失去原有的穩(wěn)定狀態(tài)，沿著斜坡內(nèi)某些滑動面(或滑動帶)作整體向下滑動的現(xiàn)象。與此同時(shí)，通過滑坡視頻來給學(xué)生展示實(shí)際工程中發(fā)生的滑坡現(xiàn)象，從而讓學(xué)生對滑坡有個(gè)基本的認(rèn)識。

2.2 滑坡要素

結(jié)合實(shí)際的滑坡案例給學(xué)生介紹滑坡要素：滑坡體、滑坡壁、滑動面、滑動帶等要素。向?qū)W生講授實(shí)際的滑坡是三維的，但為了簡化將三維滑動體簡化為二維滑動面，同時(shí)提出兩個(gè)問題：（1）如何評價(jià)一個(gè)給定滑動面的穩(wěn)定性？（2）潛在的滑動面有無數(shù)個(gè)，如何判定哪個(gè)是最危險(xiǎn)的滑動面？

2.3 滑坡形成的條件

根據(jù)已有的研究成果，滑坡形成條件如下：

（1）巖性。

滑坡主要發(fā)生在易親水軟化的土層中和一些變異性強(qiáng)的軟巖中。

（2）構(gòu)造。

斜坡內(nèi)的一些層面、節(jié)理、斷層、片理等軟弱面容易失穩(wěn)成為滑坡。

（3）斜坡外形。

斜坡的存在，使滑動面能在斜坡前緣臨空出露。

（4）水。

水的作用可使巖土軟化、強(qiáng)度降低，可使巖土體加速風(fēng)化。

（5）地震。

地震可誘發(fā)滑坡發(fā)生，此現(xiàn)象在山區(qū)非常普遍。

（6）人為因素。

人為地破壞表層覆蓋物，引起地表水下滲作用的增強(qiáng)，或破壞自然排水系統(tǒng)，泄水?dāng)嗝娲笮〔缓侠矶鹋潘粫常鐏y流，使坡體水量增加。在興建土建工程時(shí)，由于切坡不當(dāng)、斜坡的支撐被破壞等都會破壞原來斜坡的穩(wěn)定條件。

此時(shí)給學(xué)生介紹每一個(gè)條件造成滑坡實(shí)際工程實(shí)例，比如：夏季下雨時(shí)，天氣預(yù)報(bào)總會提醒人們要注意發(fā)生滑坡概率加大了。汶川地震時(shí)發(fā)生了多處山體滑坡，而且還會產(chǎn)生堰塞湖，形成二次地質(zhì)災(zāi)害——山洪。又如為什么現(xiàn)在國家提倡在山區(qū)合理砍伐樹木以及實(shí)際工程中因切坡不當(dāng)而引起的工程滑坡事故，從而將滑坡主要的形成條件與實(shí)際工程對應(yīng)起來，方便學(xué)生理解。與此同時(shí)，提出作為一名巖土工程師，在設(shè)計(jì)計(jì)算中如何考慮上述邊坡形成條件？

3 小組討論分析的問題

通過問題的自主學(xué)習(xí)，學(xué)生具備了基本的分析問題能力，通過小組成員間的溝通與分享，互通有無，針對特定問題提出切實(shí)可行的解決方案。

3.1 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算

目前實(shí)際工程中通常采用極限平衡法（條分法）來計(jì)算邊坡的穩(wěn)定性，當(dāng)邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)Fs≥1時(shí)，邊坡穩(wěn)定；當(dāng)Fs＜1時(shí)，邊坡失穩(wěn)。假定滑動面上任何一點(diǎn)的剪應(yīng)力均等于土體的剪切強(qiáng)度并滿足Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則，然后將邊坡離散化成n個(gè)土條，對每一條塊進(jìn)行受力分析，整個(gè)邊坡合計(jì)共包括6n-2個(gè)未知量。而可建立的方程共計(jì)4n個(gè)，由于n＞1，因此，方程組無唯一解。如果要求解該方程組需要增加方程個(gè)數(shù)或者減少未知量的數(shù)目。工程中，通常通過人為引入條間力作用力的位置和大小假定來使得方程有解。于是演繹出了許多條分法。以圖1瑞典條分法為例，不考慮土條兩側(cè)的作用力（Ei和Xi的合力與Ei+1和Xi+1的合力相抵消），對圓心取矩有

圖1 瑞典條分法

鑒于已經(jīng)修習(xí)《工程地質(zhì)》的通常為大二學(xué)生，此時(shí)已經(jīng)掌握《高等數(shù)學(xué)》《材料力學(xué)》的專業(yè)知識，完全可以理解基于條分法邊坡穩(wěn)定性計(jì)算原理，從而可以探討下一步講解具體的邊坡穩(wěn)定性計(jì)算方法。

3.2 邊坡最危險(xiǎn)滑動面的確定

在確定邊坡安全系數(shù)計(jì)算方法之后，下一步工作最小安全系數(shù)及相應(yīng)的滑面為目標(biāo)函數(shù)，建立如式（2）所示最優(yōu)化模型：

式中，F(xiàn)S(X)可以是某滑面的穩(wěn)定性安全系數(shù)表達(dá)式（見式（1））。X=[x1,x2,…，xn]為與安全系數(shù)表達(dá)式對應(yīng)的滑動面控制變量（以圓弧滑面為例，則n=3，x1,x2,x3可分別對應(yīng)圓心的x坐標(biāo)和y坐標(biāo)以及半徑），Ω為可行域。于是上述邊坡最危險(xiǎn)滑面確定這一實(shí)際工程問題就轉(zhuǎn)化成了數(shù)學(xué)中的最優(yōu)化問題，可以通過“遺傳算法”“禁忌算法”及其混合策略進(jìn)行求解[5-6]。雖然學(xué)生可能對優(yōu)化問題接觸不多，但此處可以結(jié)合具體的實(shí)際例子比如“黃金分割”“達(dá)爾文進(jìn)化論”等進(jìn)行補(bǔ)充說明，從而使學(xué)生對優(yōu)化原理有一個(gè)基本概念。

3.3 邊坡形成條件影響

如何在具體的計(jì)算中考慮邊坡的條件是巖土工作者必須考慮的問題。對于巖性，比如存在軟弱夾層，則滑動面無須搜索即可確定必須通過該夾層；對巖土變異性比較顯著的邊坡，可結(jié)合實(shí)際勘查資料和經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，開展邊坡的可靠性分析，確定邊坡滑動的概率及相應(yīng)的最危險(xiǎn)滑動面；根據(jù)巖體中節(jié)理數(shù)目和形態(tài)，來修正巖體完整性參數(shù)，從而確定對應(yīng)的巖體Hoek-Brown參數(shù)m和s；斜坡外形對穩(wěn)定性的影響通常用邊坡坡度來考慮；水的影響可以通過有效應(yīng)力原理以及滲流理論來考慮；地震的影響可通過對邊坡施加水平或豎向地震作用力來考慮；最后人為因素的影響則通過構(gòu)造措施來考慮。通過上述分析和講解，學(xué)生則會對提出的計(jì)算模型有充分的自信并且有想掌握該計(jì)算模型的學(xué)習(xí)欲望。

3.4 邊坡加固與監(jiān)測

在確定了邊坡危險(xiǎn)滑動面及相應(yīng)的最小安全系數(shù)之后，可以采用“排水”“錨桿加固”“抗滑樁加固”以及“錨拉抗滑樁加固”對邊坡進(jìn)行處理，使其滿足規(guī)范要求的穩(wěn)定程度，同時(shí)對滑坡位移、地下水位、支擋結(jié)構(gòu)內(nèi)力與位移進(jìn)行長期監(jiān)測。結(jié)合相關(guān)實(shí)際工程案例，向?qū)W生介紹邊坡加固的原理、設(shè)計(jì)流程、加固處理措施及監(jiān)測結(jié)果，從而使學(xué)生加深對滑坡的認(rèn)識，形成滑坡起因、穩(wěn)定性分析、加固處理到長期監(jiān)測這一系統(tǒng)性設(shè)計(jì)思維。

4 課堂點(diǎn)評提出的問題

教師課堂點(diǎn)評階段，需要提出具有爭議的疑難問題，具有研究價(jià)值的探索性問題，使學(xué)生既看到學(xué)習(xí)的成果又能感受到成長的空間。

上述邊坡穩(wěn)定性計(jì)算方法、最危險(xiǎn)滑動面搜索方法以及考慮邊坡形成條件的方法均是基礎(chǔ)性的。實(shí)際工程中的邊坡影響因素眾多，時(shí)至今日，滑坡事故時(shí)有發(fā)生，滑坡的準(zhǔn)確預(yù)測仍然是一個(gè)世界性難題，因此需要巖土工作者開拓創(chuàng)新，可以提出的問題包括：

（1）目前邊坡滑動面通常假定為二維，且二維條分法的研究已基本成熟。但如圖1所示，實(shí)際工程中的滑坡通常呈三維特征，三維邊坡條分法的研究有待開展[4]。

（2）極限平衡法只能給出一個(gè)邊坡穩(wěn)定的綜合安全系數(shù)，無法計(jì)算邊坡位置處的變形，亟待開展有限元、離散元等數(shù)值方法的研究，同時(shí)確定邊坡的安全系數(shù)和變形，更好地為邊坡設(shè)計(jì)和運(yùn)營服務(wù)。

（3）水是影響邊坡穩(wěn)定性的一個(gè)重要因素，然而水對邊坡穩(wěn)定性影響機(jī)理的研究尚未成熟，從而導(dǎo)致降雨條件下邊坡容易滑動，相關(guān)研究亟待開展。

（4）邊坡工程的加固成本與邊坡支擋的設(shè)計(jì)密切相關(guān)，如何在保證邊坡穩(wěn)定的前提下，實(shí)現(xiàn)邊坡支擋設(shè)計(jì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)將是一個(gè)值得研究的課題。

通過提出上述問題，讓學(xué)生對未來邊坡穩(wěn)定性分析及加固設(shè)計(jì)有一個(gè)清晰的認(rèn)識，參觀現(xiàn)場天然邊坡及人工邊坡的加固工程，同時(shí)通過布置諸如“試介紹一種三維邊坡穩(wěn)定性計(jì)算方法”“試介紹一種邊坡加固方案”“降雨為什么引起滑坡”等課后大作業(yè)的形式，激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的能動性，調(diào)動其發(fā)散思維和解決實(shí)際問題的能力，對其后續(xù)開展科學(xué)研究奠定良好的基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

PBL教學(xué)法要求教師能夠提出有價(jià)值的問題，成為學(xué)習(xí)過程的導(dǎo)師；學(xué)生能夠積極主動學(xué)習(xí)，努力探索解決問題。PBL教學(xué)法對教師與學(xué)生的素質(zhì)都提出了高要求，但是合理運(yùn)用確實(shí)有助于知識的融會貫通與學(xué)生綜合能力的提升。本文以《工程地質(zhì)》教學(xué)中的滑坡為例，結(jié)合筆者多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，提出了教學(xué)各環(huán)節(jié)的一系列問題，其基本的教學(xué)理念與教學(xué)內(nèi)容可供相關(guān)課堂借鑒參考。