巖石實(shí)驗(yàn)在“4+0”應(yīng)用型本科工程地質(zhì)教學(xué)中的應(yīng)用

毛偉 如黑艷·木合買爾 馮哲 馬青青

[摘 要]不同巖石結(jié)構(gòu)對(duì)其力學(xué)性質(zhì)影響較大，為加深高職院校應(yīng)用型“4+0”本科學(xué)生對(duì)工程地質(zhì)課程中關(guān)于巖石應(yīng)力應(yīng)變特性的認(rèn)識(shí)和理解，教師利用單軸和三軸壓縮實(shí)驗(yàn)獲取巖石力學(xué)特性，并將巖石強(qiáng)度特征、變形特征和破壞等一般規(guī)律圖直觀展示給學(xué)生。該方法有助于開拓高職院校在缺乏實(shí)驗(yàn)設(shè)備時(shí)的應(yīng)用型“4+0”本科學(xué)生視野，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，幫助學(xué)生深入理解巖石物理力學(xué)性質(zhì)，取得了較好效果。

[關(guān)鍵詞]巖石實(shí)驗(yàn);課程教學(xué);工程地質(zhì);“4+0”應(yīng)用本科

[中圖分類號(hào)] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2020）10-0090-03

為加強(qiáng)培養(yǎng)絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶交通樞紐中心建設(shè)所需之高層次交通工程應(yīng)用型專業(yè)技術(shù)人才，以滿足人才導(dǎo)向和現(xiàn)實(shí)需求，新疆交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院與喀什大學(xué)、新疆交建集團(tuán)聯(lián)合申報(bào)了土木工程專業(yè)“4+0”模式應(yīng)用型人才培養(yǎng)試點(diǎn)項(xiàng)目。新教職成〔2016〕（15號(hào)）文件明確由新疆交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院和喀什大學(xué)聯(lián)合開展“4+0”模式土木工程專業(yè)應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)，按自治區(qū)下達(dá)的招生計(jì)劃在喀什大學(xué)本科專業(yè)同批次投檔錄取后，學(xué)生在新疆交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院就讀。通過聯(lián)合培養(yǎng)“4+0”應(yīng)用型本科人才，為新疆交通運(yùn)輸行業(yè)輸送復(fù)合型技術(shù)應(yīng)用型高端人才，為建設(shè)絲綢之路經(jīng)濟(jì)交通樞紐中心提供人才保障。

工程地質(zhì)課程是土木工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)核心課，主要研究與人類工程建設(shè)活動(dòng)相關(guān)的一些工程地質(zhì)問題，是一門應(yīng)用性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的課程，而課程中大部分章節(jié)均需要配套實(shí)驗(yàn)教學(xué)來加強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力和應(yīng)用分析能力。由于大土木類專業(yè)開設(shè)的地質(zhì)類課程相對(duì)較少，尤其作為職業(yè)院校，在以往課時(shí)比較緊張和試驗(yàn)設(shè)施缺乏的情況下，讓“4+0”本科專業(yè)學(xué)生能認(rèn)識(shí)常見的礦物、巖石，對(duì)常見巖土體的力學(xué)特性和工程地質(zhì)現(xiàn)象快速掌握，能積極調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性達(dá)到學(xué)以致用，仍存在較大的困難。

近年隨著應(yīng)用型人才需求增加和國家對(duì)職業(yè)技能人才的大力支持，許多高職院校開始聯(lián)合培養(yǎng)“4+0”應(yīng)用型本科人才，有學(xué)者也開展了一些培養(yǎng)實(shí)踐探索[1-3]，針對(duì)土木工程專業(yè)工程地質(zhì)課程實(shí)踐教學(xué)的需要，開展了一些應(yīng)用研究[4]。如原俊紅等就如何培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力等問題，提出了培養(yǎng)應(yīng)用型人才的土木工程專業(yè)工程地質(zhì)課程改革模式[5];張永杰等針對(duì)非地質(zhì)專業(yè)工程地質(zhì)課程實(shí)踐教學(xué)存在的問題，從教學(xué)課時(shí)安排調(diào)整、教學(xué)內(nèi)容注重結(jié)合實(shí)踐、實(shí)際工程討論式教學(xué)方法、結(jié)合工程實(shí)踐開展實(shí)驗(yàn)與校外實(shí)踐教學(xué)方法等5個(gè)方面提出了具體的教學(xué)改革思路[6]。而對(duì)于課程中的某一單元或某一節(jié)內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)教學(xué)也有學(xué)者開展了相應(yīng)的研究，如王章瓊等對(duì)微觀實(shí)驗(yàn)用于巖石力學(xué)課程教學(xué)進(jìn)行了探索[7]，杜明亮等將三維可視化技術(shù)應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中[8]，王曉明等將工程地質(zhì)數(shù)值法引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中[9]。如何將各類實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果引入實(shí)踐教學(xué)中是目前高職院校應(yīng)用型“4+0”本科教學(xué)所面臨的主要問題之一。

本文以巖石單軸和三軸試驗(yàn)獲取的力學(xué)特征圖結(jié)合理論教學(xué)普及到實(shí)踐教學(xué)中，以使應(yīng)用型本科學(xué)生在缺乏必備試驗(yàn)條件下可以直觀了解巖石力學(xué)性質(zhì)，加深課程理解程度。

一、巖石試樣的選取

選取較為典型的絹云母石英片巖為樣本。由于片巖具有巖體裂隙發(fā)育、變質(zhì)不均、巖體強(qiáng)度低、膠結(jié)程度差、遇水易軟化泥化且極易風(fēng)化等特點(diǎn)，因此通過試驗(yàn)了解片巖在不同片理結(jié)構(gòu)傾角時(shí)的巖體力學(xué)特征，可以更好地解釋巖石在受力后不同結(jié)構(gòu)面影響下的應(yīng)力應(yīng)變情況。

巖樣按照《公路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》加工成50×100mm標(biāo)準(zhǔn)圓柱樣，由于片巖特殊的片理特性控制著結(jié)構(gòu)面的形態(tài)，為了能更好地反映巖體的變形破壞情況，試樣按照片理面傾角0°（圖1a）、45°（圖1b）和90°（圖1c）三個(gè)角度加工后分別進(jìn)行天然狀態(tài)和飽和狀態(tài)的單軸與三軸壓縮試驗(yàn)，每一組試樣不少于6個(gè)。

二、巖石試驗(yàn)過程

對(duì)所選取巖樣在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行天然和飽和狀態(tài)下的試驗(yàn)，單軸試驗(yàn)時(shí)為保證巖樣完整和安全，試驗(yàn)時(shí)將試樣兩頭用可縮性膠帶包裹起來。三軸試驗(yàn)中加載的圍壓值根據(jù)巖石所在區(qū)地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果確定，以最大應(yīng)力20MPa來考慮，用INSTRON三軸試驗(yàn)儀進(jìn)行試驗(yàn)，加載的圍壓分別取5MPa、10MPa、15MPa、20MPa。在試驗(yàn)時(shí)按1MPa/s的加荷速率加載圍壓，軸向加載速率為0.01mm/s，直至試樣完全破壞。

三、巖石應(yīng)力應(yīng)變曲線教學(xué)

通過單軸和三軸壓縮試驗(yàn)，可以得到巖石在天然和飽和狀態(tài)下的最大應(yīng)力、最大應(yīng)變、彈性模量、變形模量和泊松比等試驗(yàn)力學(xué)參數(shù)（見表1）。由于篇幅所限，不同片理傾角和不同狀態(tài)下的巖石應(yīng)力應(yīng)變曲線只看傾角90°時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖（見圖2），在飽和狀態(tài)下巖石強(qiáng)度明顯變?nèi)酰▓D中曲線a表示單軸壓縮，b為圍壓5MPa，c為圍壓10MPa，d為圍壓15MPa，e為圍壓20MPa）。

通過對(duì)不同狀態(tài)巖石單軸和三軸試驗(yàn)可計(jì)算出相應(yīng)巖石不同結(jié)構(gòu)面傾角和不同受力條件下的最大應(yīng)力、應(yīng)變、模量值、泊松比等參數(shù)。通過單軸試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線，學(xué)生可直觀地看出巖石在不同結(jié)構(gòu)面傾角受力后的壓密階段、彈性變形階段、破壞階段等不同變形階段所表現(xiàn)出來的曲線特征，尤其對(duì)天然狀態(tài)和飽和狀態(tài)下的對(duì)比分析中可直觀了解地下水對(duì)巖石的影響程度，由此可以了解巖石受力后的曲線形態(tài)和巖石破壞的力學(xué)特征。

四、巖石破壞形態(tài)教學(xué)

通過對(duì)片巖巖樣進(jìn)行單軸和三軸壓縮試驗(yàn)后所形成的破壞形態(tài)見圖3和圖4。

根據(jù)巖樣形成的破壞形態(tài)觀察描述后發(fā)現(xiàn)，單軸和三軸壓縮試驗(yàn)下的巖石破壞形態(tài)主要有單剪破壞形態(tài)、多重剪切破壞形態(tài)、“V”型剪切破壞形態(tài)、剪切和劈裂組合破壞形態(tài)、剪切破壞、按片理面剪切破壞、軸向劈裂破壞等。可讓學(xué)生通過圖3和圖4直觀感受破壞面形態(tài)，在不同巖石傾角與受荷載之間的關(guān)系所表現(xiàn)出來的破壞面及天然狀態(tài)下和飽和狀態(tài)下的形態(tài)之間的差異性。

五、巖石微觀試驗(yàn)教學(xué)

單軸和三軸試驗(yàn)的微觀結(jié)構(gòu)破壞形態(tài)狀況可用巖石微觀試驗(yàn)加以分析，微觀試驗(yàn)用掃描電鏡進(jìn)行，通過掃描電鏡可以更清晰地看出巖石在不同片理傾角受荷載后所表現(xiàn)出來的微觀破壞形態(tài)，掃描電鏡圖片可以向?qū)W生展示肉眼無法清晰觀察到的巖石結(jié)構(gòu)表面形貌，包括片狀結(jié)構(gòu)、巖石斷口和斷口巖屑等。受力前結(jié)構(gòu)面（圖5a）和受力后的片里面斷口（圖5b）區(qū)別較為明顯，且在斷口有碎屑。

根據(jù)掃描電鏡試驗(yàn)總結(jié)出片巖微結(jié)構(gòu)破壞形態(tài)主要有片理面的彎曲折斷和剪切錯(cuò)動(dòng)而形成連續(xù)的微破裂面兩種類型，學(xué)生可直觀認(rèn)識(shí)微結(jié)構(gòu)巖石受力變化特征。

六、結(jié)論

本研究將巖石單軸和三軸試驗(yàn)成果應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)設(shè)施不全面的“4+0”應(yīng)用型本科工程地質(zhì)課程單元教學(xué)中，直觀、生動(dòng)地向?qū)W生展示不同狀態(tài)下的巖石力學(xué)特征，激發(fā)學(xué)生產(chǎn)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣。與傳統(tǒng)巖石各向異性和各向同性的理論講授相比，這種實(shí)驗(yàn)更能突出直觀試驗(yàn)帶來的視覺認(rèn)知，收到了良好的教學(xué)效果。假如在實(shí)際教學(xué)中學(xué)生能親自做實(shí)驗(yàn)掌握試驗(yàn)過程更有利于他們掌握巖石力學(xué)特征，但是實(shí)際上由于缺乏實(shí)驗(yàn)設(shè)備，很難實(shí)現(xiàn)相對(duì)應(yīng)的課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)，因此在教學(xué)過程中通過展示以往科研中所積累的實(shí)驗(yàn)圖片及結(jié)果，可作為工程地質(zhì)課程中巖石特性單元教學(xué)的優(yōu)異補(bǔ)充。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 陳培紅，王忠，袁健.“4+0”應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)模式的實(shí)踐探索[J].南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2018，17（2）：81-83.

[2] 范麗，陳培紅，茆沐嘉，等.應(yīng)用型本科“4+0”人才培養(yǎng)模式的實(shí)踐探索[J].武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2018，17（2）：15-19.

[3] 謝瓊，余永婷，李芳，等.高職本科“4+0”培養(yǎng)模式課程體系構(gòu)建方法探析[J].農(nóng)產(chǎn)品加工，2017（21）：83-85.

[4] 陳松，吳繼敏.夯實(shí)專業(yè)基礎(chǔ) 重實(shí)踐重引導(dǎo)：工科“工程地質(zhì)原理”課程教學(xué)體系建設(shè)[J].中國地質(zhì)教育，2005（4）：100-102+112.

[5] 原俊紅，張宏，南雪蘭.基于應(yīng)用型人才培養(yǎng)的工程地質(zhì)課程教學(xué)模式探討：以土木工程專業(yè)道路與橋梁方向?yàn)槔齕J].高等建筑教育，2017，26（5）：50-53.

[6] 張永杰，王桂堯，劉龍武，等.非地質(zhì)類專業(yè)工程地質(zhì)課程實(shí)踐教學(xué)探討[J].高等建筑教育，2013，22（5）：141-144.

[7] 王章瓊，王亞軍.微觀實(shí)驗(yàn)用于巖石力學(xué)課程教學(xué)的探索[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2018，35（1）：234-237.

[8] 杜明亮，吳彬.三維可視化技術(shù)在工程地質(zhì)教學(xué)中的應(yīng)用及效果評(píng)價(jià)[J].教育教學(xué)論壇，2017（37）：200-203.

[9] 王曉明，齊劍峰，吳鋒波.“工程地質(zhì)數(shù)值法”課程的哲學(xué)思考與教學(xué)啟發(fā)[J].教育教學(xué)論壇，2018（34）：213-214.

[責(zé)任編輯：鐘 嵐]