基于项目法的深基坑开挖与支护课程教学改革研究

Research on Teaching Reform of Deep Foundation Pit Excavation and Support Course Based on Project Method

摘要: 随着我国经济发展和城市化建设水平的提升，建筑行业在迎来发展契机的同时，也面临着一些挑战。在这种情况下，土木工程相关专业教学模式需要发生改变。从这一点来看，项目法可以成为教师优化教学方式的有效手段。项目法能够从案例介绍的层面帮助学生将理论知识和实践应用结合在一起，使其得以将丰富的知识、技术和方法内化于心。教师也能够凭借项目法的教学优势将学生培养成为更加全面的应用型人才。因此，以深基坑开挖与支护的课程教学改革为切入点，从项目法在土木工程教学中的特点、基于项目法的深基坑开挖与支护课程教学的案例分析、基于项目法的深基坑开挖与支护课程教学改革的策略等角度进行论述，以供参考。

Abstract: Amidst the rise in China’s economic and urban development, the construction sector is met with both promising prospects and formidable challenges. This situation demands an evolution in the pedagogical approaches within civil engineering disciplines. The project method emerges as a potent strategy for educators to enhance their instructional techniques. It facilitates the integration of theoretical insights with practical applications through case studies, thereby equipping students with a profound understanding of knowledge, techniques, and methodologies. This method not only aids in the internalization of information but also shapes students into versatile, applied-knowledge professionals. With this in mind, the forthcoming discourse centers on the pedagogical reform of Deep Foundation Pit Excavation and Support. It delves into the distinctive attributes of the project method within civil engineering education, scrutinizes case studies pertinent to the course content, and outlines strategic approaches to curriculum reform, all aimed at offering a reference for further academic and practical advancements.

1. 引言

当前，我国城市建筑已经朝向高空和地下发展，深基础工程成为大势所趋。深基础工程项目施工过程中深基坑开挖与支护能够发挥十分重要的作用，直接关系到建筑工程项目的整体质量。这项技术涉及多个学科的知识，如工程地质、土力学、基础工程学、结构力学、水力学、原位测试技术等。可见，想要在深基坑开挖与支护学习方面取得比较好的效果需要充分了解相关学科的知识，并且能够将这些知识融会贯通。为此，提出具有OBE教学理念的基于项目法的教学改革。

2. 项目法在土木工程教学中的特点

项目教学法是以学习、研究学科知识核心概念和原理为中心，组织学生通过项目研究和调查解决实际问题，完善知识体系的一种新型教学模式[1]。项目法在土木工程教学中可以取得比传统教学模式更好的效果，使学生得以有效培养自身的想象力、创新思维、发散思维、知识应用能力。项目法在土木工程教学中的特点主要表现在以下几方面：

一是引入了很多真实的工程案例。土木工程专业教学中使用项目教学法会引入很多实际工程案例，教师以工程案例作为开展项目教学活动的中心，引导学生在理论与实践结合的教学模式中理清重难点知识，解决实际问题[2]。

二是营造高效融洽的师生关系。教师使用项目教学法可以为学生引入一些实际的工程案例，并且与学生进行讨论和交流，从而营造良好的教学环境和氛围。学生在师生互动的过程中也能够更好地吸收教学知识，表达自己的观点和看法。

三是有更加完善科学的师生评价体制。项目式教学法有完整的教学流程，包括课前导入、教学设计、教学评价等环节[3]。教师利用项目教学法开展土木工程教学活动时能够凭借完善的师生评价体制明确教学活动中存在的不足和缺陷，有针对性进行优化[4]。

3. 基于项目法的深基坑开挖与支护课程教学案例分析

3.1. 项目工程概况

本次项目式教学活动选用了某市某建筑项目施工工程方案作为教学案例，该工程项目的深基坑开挖与支护的施工要求为最大开挖深度为−16 m，基坑设计等级为一级。一般来说，深基坑支护施工工作开展过程中会使用柱列式钻孔灌注桩、冻结排桩支护、SWM工法、地下连续墙等基坑围护方案以及平面支撑体系、竖向斜撑体系、混合支撑体系等基坑支撑方案。考虑到该工程施工项目深基坑施工的最大深度可以达到16 m左右，地下水位距地表1.2 m左右，为了保证施工效果决定采用地下连续墙的深基坑支护方案。在深基坑支撑体系施工方案选择方面，决定选择平面支撑体系比较合适。

3.2. 项目工程教学设计

3.2.1. 深基坑支护土压力计算教学

该工程项目所在的施工现场为粘性土层，结合相关参数和公式进行计算，可以得出主动土压力为−4.9 kN，被动土压力为58.5 kN。

第一步：教师在多媒体平台上为学生展示了土层分布位置的主动土压力系数和被动土压力系数的相关数据，如表1所示。

Table 1. Data of active and passive earth pressure coefficients

表1. 主动土压力系数和被动土压力系数数据

主动土压力系数	$\varphi$	ka	被动土压力系数	$\varphi$	kp
	0	1		0	1
	11.7	0.65		11.7	1.50
	8.6	0.73		8.6	1.35
	11.6	0.65		11.6	1.50
	14.1	0.60		14.1	1.64
	15.3	0.57

第二步：教师为学生提供了计算深基坑支护土压力水土合算的公式。

主动土压力公式：

$p_{ak}={\sigma }_{ak}{k}_p-2c\sqrt{k_p}$

被动土压力公式：

$p_{pk}={\sigma }_{pk}{k}_p+2c\sqrt{k_p}$

第三步：教师引导学生根据上述表格给出的数据和主动土压力公式、被动土压力公式计算结果，具体的过程如下所示。

主动土压力计算结果：$P_{ak}=40.5\times 0.66-2\times 19.5\times \sqrt{0.66}=-4.9\left(\text{kN}\right)$ ；

被动土压力计算结果：$P_{pk}=40.5\times 0.66+19.5\times \sqrt{0.66}=58.5\left(\text{kN}\right)$ 。

3.2.2. 整体稳定性验算教学

结合该工程施工图纸和方案规划可以确定深基坑支护施工将以最下层支点作为圆心、将最下层支点到桩底的距离作为半径，用CAD软件作图。根据生成的图形及相关公式和参数计算整体稳定性数值。

公式：$\min \left\{K_{s,1},K_{s,2},\cdots ,K_{s,i},\cdots \right\}\ge K_s$

$K_{s,i}=\frac{{\displaystyle \sum \left\{c_j{l}_j+\left[\left(q_j{l}_j+\Delta G_j\right)\cos {\theta }_j\right]\tan {\varphi }_j\right\}}}{{\displaystyle \sum \left(q_j{b}_j+\Delta G_j\right)\sin {\theta }_j}}$

第一步：教师为学生解释这一公式中每一个部分代表的含义。

Ks——圆弧滑动整体稳定安全系数；安全等级为一级、二级、三级的锚拉式支挡结构，K_s分别不应小于1.35、1.3、1.25；

K_s,i——第i个滑动圆弧的抗滑力矩与滑动力矩的比值；抗滑力矩与滑动力矩之比的最小值宜通过搜索不同圆心及半径的所有潜在滑动圆弧确定；

C_j、ϕ_j——第j土条滑弧面处土的粘聚力(kPa)、内摩擦角(˚)；

b_j——第j土条的宽度(m)；

θ_j——第j土条滑弧面中点处的法线与垂直面的夹角(˚)；

l_j——第j土条的滑弧段长度(m)，取l_j = b_j/cosθ_j；

q_j——作用在第j土条上的附加分布荷载标准值(kPa)；

∆G_j——第j土条的自重(kN)，按天然重度计算；

第二步：教师给出关于该施工工程项目整体稳定性验算的相关参数(如表2)。

Table 2. Related data of overall stability of deep foundation pit support engineering

表2. 深基坑支护工程整体稳定性相关数据

土条	$c_j/\text{kPa}$	${\theta }_j/˚$	$b_j/m$	$\cos {\theta }_j$	${\phi }_j/˚$	$\sin {\theta }_j$	$l_j/m$	$\tan {\phi }_j$	$q_j/\text{kPa}$	$\Delta G_j/\text{kN}$
1	23.5	71.0	2.3	0.3	15.4	0.9	6.9	0.3	234.7	162.6
2	32.3	63.0	2.5	0.5	19.6	0.9	5.5	0.4	234.7	229.2
3	32.3	45.0	2.5	0.7	19.6	0.7	3.5	0.4	234.7	285.4
4	32.3	36.0	2.5	0.8	19.6	0.6	3.1	0.4	234.7	291.3
5	32.3	28.0	2.5	0.9	19.6	0.5	2.8	0.4	234.7	326.2
6	32.3	20.0	2.5	0.9	19.6	0.3	2.7	0.4	234.7	351.4
7	32.3	13.0	2.5	1.0	19.6	0.2	2.6	0.4	234.7	368.9
8	32.3	6.0	2.5	1.0	19.6	0.1	2.5	0.4	234.7	380.5
−1	32.3	−3.0	2.5	1.0	19.6	−0.1	2.5	0.4	0.0	305.3
−2	32.3	−11.0	2.5	1.0	19.6	−0.2	2.5	0.4	0.0	293.7
−3	32.3	−18.0	2.5	1.0	19.6	−0.3	2.6	0.4	0.0	276.2
−4	32.3	−25.0	2.5	0.9	19.6	−0.4	2.8	0.4	0.0	251.0
−5	32.3	−33.0	2.5	0.8	19.6	−0.5	3.0	0.4	0.0	216.1
−6	32.3	−42.0	2.5	0.7	19.6	−0.7	3.4	0.4	0.0	210.3
−7	32.3	−52.0	2.5	0.6	19.6	−0.8	4.1	0.4	0.0	191.0
−8	23.5	−67.0	2.7	0.4	15.4	−0.9	6.9	0.3	0.0	154.0

第三步：教师引导学生根据公式和相关参数计算深基坑支护的整体稳定性。学生将相关参数输入公式得出2.3 > 2.2，判定深基坑的抗隆起稳定性符合要求。

3.2.3. 深基坑支护结构设计和内支撑设计

(1) 深基坑支护结构选择

由于该工程基坑开挖的深度达到16 m左右，对支护结构要求比较高，因此决定使用弹性法的设计方式。这种设计方法的特点在于将墙体作为弹性体，且横撑轴力和挡土结构弯矩会随基坑开挖和基坑支撑体系的建设而发生变化。

(2) 深基坑支护内支撑设计

教师在介绍该工程深基坑支护内支撑设计时需要引导学生考虑基坑的形状、开挖深度、施工现场的环境情况、施工工艺、施工流程等因素。学生在教师的引导下总结出以下几点：

一是深基坑支护施工中支撑杆件需要避开地下连续墙的竖向构件；

二是深基坑支护施工中水平支撑应当在同一平面内形成整体；

三是地下连续墙支持杆件的中心线应当处于同一竖向平面内。

4. 基于项目法的深基坑开挖与支护课程教学改革的策略

4.1. 选择适合使用项目法的教学项目

土木工程中深基坑开挖与支护课程教学内容比较复杂，且具有较强的实践性和理论性，学生必须掌握扎实的基础知识才能有效理解工程项目深基坑支护施工方案的流程[5]。教师需要在开展课堂教学活动之前充分分析教学内容、教学目标和学生实际情况，选择适合使用项目法的教学项目，在利用实际工程施工案例开展项目式教学活动的同时引导学生深入分析案例涉及的深基坑支护施工技术相关内容。

4.2. 基于项目法汇总和改革教学内容

从实际情况来看，教材内容偏重于理论性知识，对于实际工程案例的介绍比较浅显，导致学生无法根据教材内容将理论知识与实际工程案例结合在一起。针对这种情况，教师可以基于项目式教学法重新整合教材中与之相关的知识，整编和改革教材，在原有理论知识的基础上添加与其吻合的工程实践和行业规范的相关案例，使学生能够有针对性开展学习活动，进一步提升理论知识运用水平。

4.3. 科学开展项目式教学活动

教师利用项目教学法开展深基坑开挖与支护课程教学活动时可以按照如下流程进行：一是在课堂教学活动中为学生讲解深基坑支护的相关理论知识和技术施工流程；二是利用提前搜集的实际工程案例带领学生进行深入分析，为学生设计学习任务，要求学生查阅资料解决教师提出的问题；三是学生尝试设计施工方案，将自己设计的方案与实际施工方案进行对比，从中找出有待优化和调整的地方，通过这种方式加深对深基坑开挖与支护的认识，积累相关经验。

4.4. 全方位评估项目式教学的效果

教师基于项目法开展深基坑开挖与支护课程教学活动时从深基坑支护土压力计算教学、整体稳定性验算教学、深基坑支护结构设计和内支撑设计等方面入手，利用真实的工程案例引导学生进行分析和研究。最后，教师需要从各个角度对学生的学习成果进行评估。在这方面，教师可以利用教师评价、学生自评、小组互评等方式对项目教学的效果进行打分。

5. 结语

深基坑支护是高层和超高层建筑施工的必要环节之一，土木工程专业围绕深基坑开挖与支护开展课程教学活动时需要改变传统的教学方式，利用真实的工程施工案例引导学生进行系统化分析。教师围绕深基坑开挖与支护应用的实际案例开展项目式教学活动也能够帮助学生将行业标准、计算公式以及实际工程施工的技术参数整合在一起，尝试推导工程项目施工的流程和技术要点，确保其得以在交流和互动中充分掌握深基坑开挖与支护。

基金项目

吉林大学本科教学改革研究项目(2023XYB109)。