《地下建筑结构》理论部分教学中的关键点探讨

《地下建筑结构》理论部分教学中的关键点探讨摘要:作为高等院校土木工程类专业的重要专业课程,目前的《地下建筑结构》课程如何达到新世纪专业人才的培养目标和适应社会发展对地下建筑类人才的需求,已成为教师十分关心的课题。本文针对该课程理论部分的特点并结合教学实践,提出在课堂教学中应当注意的几个方面。

关键词:土木工程地下结构教学重点

1 课程特点和理论教学侧重点

地下建筑是在地层(土层或岩层)中修建的,结构和岩土的相互作用是地下建筑物区别于地上建筑物的一个显著特点[1]。强调这一特点,对学生掌握地下工程设计基本概念、计算方法和设计程序是十分有益的。

一般而言,在学习该课程时,学生已经具备建筑结构设计等基础知识,因此地下工程设计程序和内容对学生而言不难掌握。但是,地层应力对于大多数地下工程而言,是至关重要的荷载。一方面地层应力往往成为地下结构设计计算控制性指标;另一方面底层应力的计算具有复杂和不确定性。这是尤其值得我们向学生强调的一点。

地层应力计算复杂主要由岩土材料基本特性所确定。众所周知,人们对建筑工程中常用金属材料的物理力学性质了解的比较清楚,而

对地质材料而言,目前人们还无法对整体岩土材料分布信息准确掌握,只能选取代表性的样品进行实验分析,因而岩土材料的基本物理力学性质也只能以代表性岩样的结果作为参考。这是值得我们强调的第二点。

岩土是由多相组成的孔隙介质材料。孔隙水压力在地下建筑设计中非常重要不可忽视。因此要求学生复习回忆在土力学中所学的土的有效应力原理,以水土分算和水土合算为例,强调计算土压力时使用的是土浮容重还是土的饱和容重。强调经典土压力理论的基本假设和适用条件;要求学生理解掌握围岩压力的基本概念,特别强调控制岩体稳定性的关键因素之一即岩体结构面的类型和特征。

初始地应力的确定不是一件容易的事情。在重要的地下建筑物设计时,一般要对相应场址的地质资料进行调查分析并对地应力场进行测定。地下开挖所导致的荷载释放,目前可用有限元法进行计算。适当介绍有限元在地下开挖工程中的应用成果,对于激发学生深入岩土工程研究领域的兴趣是十分有益的,这可借用很短的动画演示来提高教学效果,但要控制在半分钟内,以避免偏离教学主题内容。

在地下建筑结构中,弹性地基梁和普通梁的主要区别可用两张图清楚的告诉学生。无限超静定特点和支座的变形特点要在弹性地基梁图中清晰标明。通过对图的观察并借助在结构力学中学到的知识,学生会用非常简洁的语言把弹性地基梁的基本特征描述出来。另外要向学生强调,岩土是弹塑性材料,弹性地基梁模型没有考虑岩土的塑形不

可逆变形性态这一重要特征,这是该模型的根本缺陷。

地下建筑结构的设计目前还不能完全依赖于计算。原因很简单,人们既不能完全理解认识岩土介质的物理力学性质,亦不能全面掌握地下岩层分布信息。所以理论计算结果常常与实际情况有较大的出入,很难用作确切的设计依据。目前在进行地下建筑结构设计时仍需依据经验和实践。但是,随着计算机技术和计算方法的飞速发展,以连续介质力学理论为基础建立的地层与地下结构相互作用模型正逐步取得成果。

传统地下建筑设计采用的是确定性设计方法。事实上其中的荷载、计算模型、岩土参数、环境条件等均是不确定性的。即这些地下建筑结构中不确定因素主要体现在其周围地层介质特性、结构力学计算模型假设、施工因素以及环境因素等。地下建筑结构的这些不确定因素以及特点,确定了概率论、数理统计等特别适用于分析这些不确定因素对地下结构计算的影响,以及判断这些不确定因素对地下建筑结构设计和施工的安全可靠程度。地下结构可靠度分析的核心,是计算结构失效概率。需要传达的一个基本理念是,可靠性结构设计的目标是要保障结构失效概率足够小,从而提高地下结构的安全可靠性。

我们认为,理论和计算模型学习中有一个非常重要的观点要介绍给学生:在使用理论和计算模型时,一定先要把其基本假设了解清楚。只有很好的理解了理论和计算模型的基本假设及其适用范围,学生将来才能在设计、施工和科学研究中灵活运用和改进发展模型,和现场

实测结果进行对比,考察理论计算模型的可靠性和适用性,并可能进一步提出对理论模型中基本假设的修正,提高它的可靠程度和扩大模型适用范围等。同时强调,计算理论等知识,必须通过课下作业练习才能很好掌握。

2 教学认识

针对该课程理论部分特点,笔者经过多年的教学实践,有以下几点认识。21世纪要求高校培养的大学生应具有两个显著特点即竞争意识和创新能力。我们认为,竞争意识培养固然重要,但对于专业人才创新能力的培养其实更为迫切。靠什么进行创新呢？当然是坚实的基础理论,没有基本理论作支持在空中楼阁进行的所谓创新只能是巷间笑饼。所以要想让学生将来在地下建筑结构工程方面有可能做出创新性的工作,必须引导他们在学习该课程时,首先把相关的基本概念、基本理论和计算方法等学精学透。这样在进一步学习土层、岩层地下建筑结构等方方面面的地下结构形式的内容时会显得轻车熟路,从而也使学生具备了从事科研和设计、施工等工作的基本技能。

地下建筑结构设计基本理论的教学中,明确地下建筑结构和地层之间具有相互作用的基本特点。把基本理论和计算模型中所做的基本假设的重要性传达给学生,使学生在运用基本理论进行计算分析时,做到心中有数,并能正确判断所用模型计算结果的合理性及适用性。实

践表明,对于理论性较强的课程,在堂教学中不宜播放过多的动画信息,动画可以调动学生关注点,但对有关方程公式内涵的理解却常常起到干扰削弱作用。在教学过程中,不能只限于书本上的内容,可以适当补充一些本领域的新方法和新理论(不宜太多,过多的新知识会降低消化基础知识的能力)。使学生了解地下结构工程技术的最新进展,开拓视野,培养学生学习兴趣。

3 结语

地下建筑结构设计理论部分的教学侧重点,应当强调基本概念和基本假设。以便学生将来进入工作岗位后,能够正确应用所学的扎实理论知识进行地下建筑结构的设计和施工工作,并有可能结合地下建筑工程实际情况进行创新性探索。

我们并不反对在理论性较强的课程教学过程中适当使用多媒体等现代教学工具。但是如果忽视严谨翔实的数理公式推演过程,仅仅依赖于图文动画课件来授课,那被传授的多半不过是一个知识的空壳框架,并将导致学生数理演绎基本功和能力的极度退化或丧失。

向学生们传授地下建筑结构理论知识和基本原理的过程中,需遵循人脑的认知规律。让学生们理解复杂物理原理所基于的数学公式并作详细推演和讨论时,传统的教学工具:黑板、纸和笔仍不失其在知识传播过程中的简洁性和有效性,而且事实上用这种方法已经培育了无