科研反哺教學的巖土與地下工程創(chuàng)新實驗設計與實踐

劉宗輝， 黃 震， 蔣劍青， 劉 瑩

（廣西大學土木建筑工程學院，土木建筑工程國家級實驗教學示范中心，南寧 530004）

0 引言

創(chuàng)新能力是我校土木工程“世界一流建設學科”人才培養(yǎng)的核心目標之一。廣西作為西部陸海新通道建設的主要戰(zhàn)場，港口、公路、鐵路、運河等關鍵基礎設施建設正在快速推進。在新形勢下，如何培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的行業(yè)領軍人才和行業(yè)骨干人才需要深入探索［1］。

巖土與地下工程是土木工程學科的一個方向，實驗作為專業(yè)課程學習中理論與實踐相結合的一個重要環(huán)節(jié)，有利于培養(yǎng)學生動手能力、創(chuàng)新能力和獨立分析解決實際問題的能力。實驗室同時承擔著教學和科研實驗，是教學和科研有機融合的最佳場所。在現(xiàn)有實驗教學體系的基礎上，基于科研反哺教學的理念，探索巖土與地下工程創(chuàng)新實驗，對實現(xiàn)教學與科研相統(tǒng)一、落實“雙一流”培養(yǎng)目標具有重要意義［2-3］。

1 現(xiàn)狀分析

目前，我校巖土與地下工程方向實驗教學項目主要為土質學與土力學、巖石力學、土木工程試驗與測試技術（巖土）3 門理論課的課內實驗。其中土質學與土力學實驗項目包括含水率、密度、顆粒分析、液塑限、固結以及直接剪切6 個實驗項目，實驗課時10 學時；巖石力學包括塊體密度試驗、單軸抗壓強度試驗、抗拉強度試驗（巴西法）、三軸剪切強度試驗4 個實驗項目，實驗課時6 學時；土木工程試驗與測試技術（巖土）包括靜力觸探、十字板剪切、動力觸探、扁鏟側脹、原位直剪、樁身完整性、樁基靜載7 個實驗項目，實驗課時16 學時。學生通過這3 門課程的課內實驗可以掌握巖土體的基本物理、力學性質指標測試和數(shù)據(jù)分析方法，增強對巖土與地下工程的基本理論知識理解。但現(xiàn)有實驗教學項目均以驗證性和演示性實驗類型為主，綜合性、設計性、創(chuàng)新性實驗項目很少涉及。同時，由于教學模式為傳統(tǒng)的教師講解演示后學生動手操作，學生處于被動學習狀態(tài)，缺乏獨立思考，也就難以培養(yǎng)創(chuàng)新能力。

另一方面，隨著我校土木工程“世界一流建設學科”不斷推進，巖土地下工程科研平臺得到快速提升，目前擁有教育部長江學者為學術帶頭人的科研團隊，新投入科研設備近2000 萬元，擁有多臺世界領先的科研設備，可以說硬件設備完全可滿足一流學科建設的需求。然而，前期調研發(fā)現(xiàn)，當前我校土木工程教學實驗與科研實驗完全分離，大量科研資源未能在本科教學過程中得到利用。因此，基于科研反哺教學的教學改革勢在必行［4-6］。

2 創(chuàng)新實驗設計

2.1 基本理念

如何從科研成果中提煉合適的實驗教學內容至關重要，“新穎性、綜合性、探索性、可行性”是創(chuàng)新實驗設計的核心理念。實驗項目內容應緊跟學科前沿發(fā)展動態(tài)和行業(yè)需求，能夠將已有的科研成果在實驗項目中體現(xiàn)；項目實施需要建立在已有的實驗教學條件基礎上，盡量選用通用設備，同時引入先進儀器，但并不是盲目追求高、精、尖；此外，創(chuàng)新實驗一般需要綜合多種常規(guī)實驗方法，并且能夠讓學生自由探索，培養(yǎng)綜合應用知識解決問題的能力［7-10］。

2.2 設計方案

以土質學與土力學和巖石力學兩門課程的膨脹土改良試驗、巖石聲發(fā)射試驗來介紹創(chuàng)新試驗設計思路和方案。

（1）膨脹土改良試驗。膨脹土是廣西地區(qū)廣泛存在的特殊性土，其遇水膨脹、失水收縮，膨脹土處治是邊坡工程、路基工程以及建筑地基基礎工程中經常遇到的難題［11］。在對某個工程現(xiàn)場的膨脹土進行處治之前首先需要對其膨脹性等級進行判別，然后有針對性地提出處治或改良措施。創(chuàng)新實驗涉及膨脹土改良方法選擇、改良前后的物理力學性能對比以及改良效果評價。我校對膨脹土研究始于上世紀70 年代，研究成果曾獲得國家科技進步二等獎和多項廣西科技進步獎，圍繞膨脹土處治提出了很多改良措施。該實驗項目設置不僅可以讓學生繼承已有科研成果形成探索創(chuàng)新思路，還能為今后工作中解決膨脹土問題打下基礎。

實驗內容分為3 個部分，第1 部分為膨脹土類型、膨脹性等級判別，主要包括根據(jù)取土場地資料（地貌、顏色、結構、土質等）、自由膨脹率、相對膨脹率、脹縮總率等指標判別膨脹土的成因類型和脹縮性等級；第2部分為膨脹土改良試驗，包括選取改良摻入材料（石灰、水泥粉煤灰、電石渣、離子改性劑等），設置摻入配比、含水率、養(yǎng)護齡期，通過自由膨脹率、脹縮總率評價改良效果；第3 部分為改良后膨脹土的物理力學特性研究，包括滲透性、抗剪強度、無側限抗壓強度。具體實驗項目設計如圖1 所示，從圖中可以看出，膨脹土改良試驗基本涵蓋了常規(guī)土工試驗教學的所有項目。在試驗過程中鼓勵學生采用先進的實驗設備，如：采用激光粒度儀測試細粒土粒徑組成，使用非飽和土三軸儀和壓力膜儀研究膨脹土滲透性和抗剪強度。

圖1 膨脹土改良創(chuàng)新試驗項目設計

（2）巖石聲發(fā)射試驗。隨著西部交通網(wǎng)絡快速推進，大量高速公路隧道、巖質邊坡在廣西地區(qū)建設。聲發(fā)射（微震）監(jiān)測技術是一種利用巖體破裂發(fā)射出的彈性波或應力波信號來監(jiān)測和評價巖體穩(wěn)定性的方法。近年來，該技術在隧道（洞）圍巖巖爆和塌方以及邊坡危巖垮塌等工程災害的預警方面得到廣泛應用。室內小尺度的巖樣破壞時傳感器所檢測到的信號頻率通常較大并且能量小，一般稱之為聲發(fā)射［12］，而現(xiàn)場大尺度的巖體破裂產生信號頻率相對低、能量較大，則稱之為微震。室內試驗作為研究巖石破裂損傷的有效手段，得到了學者們的廣泛研究，我校在這方面也取得了優(yōu)異的研究成果。因此，以聲發(fā)射試驗研究成果為基礎，結合巖石常規(guī)實驗項目設計創(chuàng)新實驗，將有利于學生深入理解巖石破壞損傷理論基礎、掌握微震監(jiān)測技術原理，從而培養(yǎng)創(chuàng)新思維和理論聯(lián)系實際的能力［13-15］。

根據(jù)不同的工程背景和巖石聲發(fā)射試驗所研究的內容，從巖石類型、加載方式以及環(huán)境條件等方面設計創(chuàng)新實驗項目。具體實驗項目名稱和試驗目的如表1所示，學生可以根據(jù)興趣愛好和知識背景選擇相應的實驗項目開展試驗。

表1 巖石聲發(fā)射試驗項目

3 實施方式和實踐案例

3.1 實施方式

由于創(chuàng)新性實驗涉及多個常規(guī)實驗項目，實驗設計往往以問題為導向，實驗過程具有較強的探索性，僅靠課內學時是很難完成的，學生和老師需要投入更多的時間，有效實施方式和管理機制十分關鍵。經過近幾年探索，我校初步形成了以項目為驅動的“導師制”課外個性培養(yǎng)創(chuàng)新訓練教學模式［16］。項目來源主要為大學生創(chuàng)新訓練計劃項目、開放實驗室基金、本科生導師科研課題等。學生也可以自主選擇研究方向，根據(jù)研究內容在本科實驗教學中心或科研實驗室完成相關研究。學生的畢業(yè)設計（論文）選題可以直接來源于大創(chuàng)項目或導師的科研項目，學生創(chuàng)新成果的評價與畢業(yè)或評優(yōu)直接相關。因此，本科生導師制的實施是激發(fā)學生自主學習意識的有效措施。

開放的實驗室管理制度以及全方位的考核評價體系是創(chuàng)新實驗能夠順利實施的基本保障。近年來我院實驗中心信息化管理平臺的運行為實驗室開放共享提供了支持，學生可在管理平臺上預約實驗室和實驗設備、學習實驗儀器設備的基本使用方法。此外，隨著土木工程世界一流學科建設不斷推進，我院實驗中心硬件設施和實驗教師團隊的綜合水平也得到了大幅提升，部分實驗教師也獨立指導了多項大學生創(chuàng)新項目，教學水平和工作能力均得到了良好的鍛煉與顯著提升。

3.2 實踐案例

圖2 ～4 所示是大學生進行“牡蠣粉改良膨脹土的裂隙與脹縮特性研究”創(chuàng)新項目的部分實踐成果。

圖2 牡蠣殼粉摻量與膨脹土自由膨脹率、膨脹力的關系

牡蠣在廣西沿海地區(qū)十分常見，該項目以牡蠣殼粉為添加材料對某工程現(xiàn)場膨脹土進行改良。試驗項目包括自由膨脹率、膨脹力、無荷膨脹率、干濕循環(huán)以及直剪試驗等。重塑試樣的制備過程如下：將取回的膨脹土切成小塊置于自然環(huán)境中風干，用碎土機將其打碎并過2 mm 篩；將不同牡蠣殼粉摻量（0%、3%、6%、9%、12%）的膨脹土混合均勻，邊噴水邊攪拌配置成含水率為18.3%的濕土；悶料24 h后采用靜壓法制樣，用液壓千斤頂將土樣一次性壓成干密度為1.5 g／cm3的環(huán)刀試樣，環(huán)刀直徑為61.8 mm，高為20 mm。試驗共制備環(huán)刀樣215 個，土樣誤差均控制在0.02 g／cm3之內。

圖2 所示為牡蠣殼粉摻量與膨脹土自由膨脹率、膨脹力的關系。圖3 所示為不同牡蠣殼粉摻量膨脹土的無荷膨脹率隨時間（5、10、20、30、60、120、180、360、720、1440 min）變化的規(guī)律曲線。圖4 所示為牡蠣殼粉摻量對膨脹土黏聚力的影響規(guī)律。從試驗結果可以看出，摻入牡蠣殼粉能較好地改良膨脹土膨脹特性，且摻量越大膨脹土的膨脹特性改良效果越好，但綜合考慮黏聚力試驗結果后，認為6% ～9%的摻量為最佳配比。

圖3 牡蠣殼粉摻量與膨脹土無荷膨脹率關系

圖4 牡蠣殼粉摻量與膨脹土黏聚力關系

4 結語

隨著土建行業(yè)的快速發(fā)展，社會對土木工程專業(yè)創(chuàng)新人才的需求不斷提升。如何通過科研來為教學提供反哺，形成教研相長機制是當前本科教學改革的趨勢。實驗室同時承擔著教學和科研任務，是兩者融合的一個切入點。我校土木工程專業(yè)的巖土與地下工程方向開展了科研反哺教學的創(chuàng)新實驗設計與實踐，卓有成效地實施了膨脹土改良試驗、巖石聲發(fā)射試驗兩個創(chuàng)新實驗。盡管近兩年我院“導師制”的深入實施后，科研反哺教學成效得到大幅提升，但創(chuàng)新實驗同樣也花費學生和老師大量的時間和精力，如何協(xié)調統(tǒng)一學習、實踐、科研相互之間的關系，建立合理的運行保障機制仍需不斷探索。

·名人名言·

偉大的事業(yè)，需要決心，能力，組織和責任感。

——易卜生