土三轴剪切实训“六步教学法”教学设计

土三轴剪切实训“六步教学法”资讯实训基地：土工实训室实训准备：SJ-1A.G三轴仪实训设备是否完好，实训耗材是足够，实训安全工作是否到位，土三轴实训步骤说明实训视频：土三轴剪切实训视频学生在未上课前首先对本次实训的实训步骤进行预习，首先对会将实训步骤教给学生，视频通过网络传给学生，让学生可以学习。要让学生根据实训步骤进行学习，对本次试训进行初步讲解，这也是本次试训的一个前导，可以让学生很好地了解本次课的重点内容。根据土三轴剪切实训的特点，将学生进行分组，方便学生之间的讨论及老师对整体实训的控制。对本次课的目的进行讲解，让学生了解土三轴实训需要掌握的内容，这是本次实训的讲解是否具有一定的目的性至关重要。这个要让学生知道本次试训需要掌握实训的基本操作方法。（5分钟）本次实训的目的：1）、了解三轴剪切试训的基本原理；2）、掌握三轴剪切试训的基本操作方法；3）、了解三轴剪切试训不同排水条件的控制方法和孔隙压力的测量原理；4）、进一步巩固抗剪强度的基本理论。2.计划原理学习：三轴剪切试训是用来测定土样试件在某一固定周围压力下的抗剪强度，然后根据三个以上试件，在不同周围压力下测得的抗剪强度，利用摩尔-库仑破坏准则确定土体的抗剪强度参数。一般认为，土体的破坏条件用摩尔-库仑破坏准则表示比较符合实际情况。即土体在各向主应力的作用下，作用在某一应力面上的剪应力与法向应力之比达到某一比值，土体将沿该面发生剪切破坏，而与作用的各向主应力的大小无关。常规三轴试训是取3-4个圆柱体试样，分别在其四周施加不同的恒定周围压力（小主应力），随后逐渐增加轴向压力（大主应力）直至破坏为止。 说明：对该原理的讲解不能只停留在理论层面，最好采用以前的实训数据，并采用数据进行分析，让学生提前进行数据处理，在数据的处理中理解土三轴实训的理论。对三轴剪切实训的基本原理进行讲解，这是做实训前的主要内容，首先讲解该实训依据的原理，重点讲解摩尔-库仑破坏准则的摩尔圆，时间大约控制在10分钟，期间需要了解学生是否听懂，并同时进行一下课堂提问，这个只进行一个到两个学生的提问，采用随机抽取的方法，提问问题为：我们需要在实训中测得什么数据。（15分钟）SJ-1A.G三轴仪工作原理：把经试样制备工具制备好的试样，用橡皮膜包裹安放在压力室试样座上，使其与测量系统连接，周围压力的大小由电机自动调节。试训时试训机经齿轮传动系统，使压力室以一定的速率上升，从而使试样在活塞作用下产生轴向压缩应变。根据测力计的变形量，即可确定对试样施加轴向荷重的大小。试样内部孔隙压力发生变化，则通过孔隙压力测量单元测读其变化值。同时经体变管可测体积变化量，直至试样剪损破坏为止。说明：按照SJ-1A.G三轴仪进行工作原理的讲解，让学生对整个机器有一个大致了解，这个时间可以稍短，不作为该实训的重点部分。（5分钟） SJ-1A.G三轴仪主要组成部分1）。试训机 试训机由变速箱、三相异步电机、压力机(包括立柱、横梁)、离合器、手轮、机架和测力计组成。主要技术指标如下： 最大出力：30kN。压力机升降范围：0－90mm。变速箱变速范围：0.0022mm/min－4.14mm/min，共15种速度。排挡12345I0.00220.01100.05500.27601.3800II0.00660.03300.16600.82804.1400III0.00290.01500.07300.36801.8400eq\o\ac(○,1)．变速箱用正齿轮有级变速方式，可变15种速度，由A06324型三相异步电动机驱动。eq\o\ac(○,2)．压力机传动经链条链轮传至压力机，当调节柄“细”字向上，齿爪离合器接合，旋转前面手轮，即推动升降柱和压力室座向上移动，以完成对试样旋加轴向荷重。当调节柄“粗”字向上，离合器脱开，旋转右面手轮作手动快速升降。旋转滚花并帽，可使横梁在两根立柱上作平行上下移动，至调整所需位置。横梁中间安放测力计。eq\o\ac(○,3)．机架机架下部安放变速箱，上部台面安放压力机。变速箱与压力机通过链条连接。eq\o\ac(○,4)．测力计测力计供测定试样承受轴向荷重之用。测力计在轴向荷重作用下，产生变形，其变形量由百分表测读，可间接地求出轴向荷重大小。2）。压力室压力室是承放试样的压力容器，要求耐压1MPa不漏水。压力室由底座、底圈、有机玻璃筒、上盖、活塞环、橡胶密封圈等零件组成。活塞杆与活塞套为一对精密偶件配合。上盖之螺塞用以排气，底座上三个接头分别与孔隙压力测量单元、周围压力控制单元及反压力控制单元相连。3）。测控系统压力测控柜主要功能是控制试训电机启动、设定周围压力、反压力并自动稳压、测孔隙压力、测体变。4）。试样制备工具eq\o\ac(○,1)．饱和器供试样饱和用。将试样放入饱和器内，可作毛细管饱和或抽气饱和用。它由上盖、底座、透水石、三开筒组成。eq\o\ac(○,2)．击实器击实器供制备扰动试样用。将一定重量及含水量的土放入筒内，分层击实，使之达到规定的容量和尺寸，以便进行试训。eq\o\ac(○,3)．对开膜对开膜可装在压力室上制备砂土试样，它由两瓣半圆形膜筒用紧箍箍紧，筒壁上之气嘴用于连接抽气设备。eq\o\ac(○,4)．承膜筒承膜筒是支撑橡皮膜以便套在度样上的工具。eq\o\ac(○,5)．切土器切土器为制备试样之用。说明：这是本次课的重点部分讲解是将较长，在老师讲解前，可以先让一部分学生根据实训步骤试着进行机器各个部件的试学习，在学生自学完成后老师再根据不同的实训部分进行讲解。在讲解之前，先让学生根据说明书对测量范围进行记录，对不同实训机结构进行讲解，这是讲解的主要内容，讲解方法采用互动的方式，学生可以边操作边讲解，也可以老师配合试训机进行讲解。具体讲解内容如下。（20分钟）实训方案的制定：说明：在实训前，给学生的实训步骤中并未有给出实际的参数计算公式，通过前面的理论学习，让学生以小组的形式进行讨论，对所采取的公式进行讨论，看是否符合现场实际以及各个计算参数是否能够很好的反应所需参数的计算。本步骤这是学生自己操作的环节，也是采用现场教学法的实际展现，高职教育的目的是让学生会操作，如何才能在有限的时间段内让学生对此次试训进行多遍掌握是本次教学的目的。现在教学前的时候进行第一遍复述，理论掌握的时候再一次进行试训操作，在实训操作的时候又一次进行试训操作，而且后期学生还可以单独做实训，多次的实训可以有效提高学生学习的效率。（30分钟）学生参与设计实训步骤是对学生的一个很好考训，学生以小组讨论的形式进行，在讨论过程中要有小组记录，对采用的制备试样所需的加水量、制样所需的湿土量、轴向应变公式、试样面积的校正公式、主应力差公式进行讨论，并对每一个参数表示的意义进行解释，通过公式让学生列出需要掌控的主要实训参数及实训所需要记录的数据。通过讨论老师掌握学生对实训知识的掌握情况，这主要通过学生讨论后所做的总结进行评估，最后根据学生讨论结果对结论进行总结。通过多次教学发现，学生容易出问题的地方主要有轴向应变公式、试样面积的校正公式的学习，要多次进行讲解，并根据以前类似参数进行详解，以此加深学生对实训步骤的掌握。3决策实训人员决策：以小组为单位进行实训，并将试样制作、仪器操作、数据记录、设备维护、现场卫生清理项目进行责任人员制定。实训步骤制定：根据学生的讨论，将实训的步骤进行完善，完善方面包括计算公式的制定，数据记录表的制定等。实训步骤：1）.试样制备扰动土试样的制样，应按下列步骤进行：eq\o\ac(○,1)试样的数量视试训项目而定，应有备用试样3～4个。eq\o\ac(○,2)将碾散的风干土样通过孔径2mm或5mm的筛，取筛下足够试训eq\o\ac(○,3)根据试训所需的土量与含水率，制备试样所需的加水量应按下式计算：式中：——制备试样所需要的加水量(g)；——湿土(或风干土)质量(g)；——湿土(或风干土)含水率(％)；——制样要求的含水率(％)。eq\o\ac(○,4)称取过筛的风干土样平铺于搪瓷盘内，将水均匀喷洒于土样上，充分拌匀后装入盛土容器内盖紧，润湿一昼夜，砂土的润湿时间可酌减。eq\o\ac(○,5)测定润湿土样不同位置处的含水率，不应少于两点，含水率差值应不大于1%。eq\o\ac(○,6)根据环刀容积及所需的干密度，制样所需的湿土量应按下式计算：式中：——试样的干密度(g/cm3)；V——试样体积(环刀容积)(cm3)。2）.装土。先把乳胶薄膜装在承膜筒内，用吸耳球从气嘴中吸气，使乳胶薄膜贴紧筒壁，然后套在制备好试件外面，放在压力室的底座上(在之前应首先将压力室底座的透水石与管路系统以及孔隙水测定装置均需充分饱和并放上一张滤纸)，翻下乳胶膜的下端与底座用橡皮筋扎紧，翻开乳胶膜的上端与土样帽用橡皮筋扎紧，最后装上压力筒拧紧密封螺帽，并使传压活塞与上样帽接触；3).施加周围压力。周围压力大小根据土样埋深或应力历史来决定，若土样为正常压密状态，则3-4个土样的周围压力，应在自重应力附近选择，不宜过大以免扰动土的结构；4).在不排水条件下测定试件的孔隙水压力；5).调整测量轴骸形的位移计和轴向压力测力环百分表的初始“零点”读数；6).施加轴向压力，按剪切应变速率取每分钟0.5％~1.0％启动电动机，当试样每产生轴向应变为0.2％或0.5％时，测计测力环变形和孔隙水压力，直至土样破坏或应变量进行到20％为止；7).试训结束即停机，卸除周围压力并拆除试样，描述试样破坏时形状；8).计算及绘图轴向应变应按下式计算：式中，轴向应变(％)；剪切过程中试样的高度变化(mm)；试样初始高度(mm)。试样面积的校正应按下式计算：式中，试样的校正断面积()；试样的初始断面积()。主应力差应按下式计算：式中，主应力差(kPa)；大总主应力(kPa)；小总主应力(kPa)；C测力计率定系数(N／0.01mm或N／mV)；R——测力计读数(0.01mm)；10单位换算系数。以主应力差为纵坐标，轴向应变为横坐标；绘制主应力差与轴向应变关系曲线取曲线上主应力差的峰值作为破坏点，无峰值时，取15％轴向应变时的主应力差值作为破坏点。以剪应力为纵坐标，法向应力为横坐标，在横坐标轴以破坏时的为圆心，以为半径，在应力平面上绘制破损应力圆，并绘制不同周围压力下破损应力圆的包线。9).数据记录根据不固结不排水剪三轴试训记录表填写实训数据并计算。不固结不排水剪三轴试训记录表：不固结不排水剪三轴试训记录表试样直径d0=cm试样高度h0=cm试样面积A0=cm试样体积V0=cm试样质量m0=g试样密度ρ=g/cm钢环系数C=N/0.01mm剪切速率=mm/min周围压力(kPa)量力环读数(0.01mm)轴向荷重(n)轴向变形(0.01mm)轴向应变(%)应变减量校正后试样面积()主应力差(kPa)轴向应力(kPa)4实践 通过以上训练，学生对土三轴剪切实训的实训理论、操作步骤、实训注意事项，学生对实训有了一定的了解，实训环节要分为两步。第一步：在讨论过程中，可以很好的对学生的学习有一个很好的了解，选取一组较好的学生，老师在旁边作指导，进行实训操作，重点关注实训设备的操作，并同时对实训的情况进行讲解，同时进行试训参数记录。第二步：在多次实训训练的基础上，以小组为单位，根据不同的实训责任分工进行实训，并做好实训数据处理，老师在这个地方的任务就是对实训中学生提出的问题进行讲解，并对实训数据进行检查，通过实训数据的准确性来定量观察学生是否很好掌握了实训的学习效果。5检查 检查通过多种方式进行：1）。实训数据的处理并形成实训报告，实训报告每个学生都需要完成，老师在这进行量化考核；2）。通过试训中的参数进行考核：实训预习情况、小组讨论情况、土试样的制