毛偉 如黑艷·木合買(mǎi)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(kāi)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(lèi)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(zhuān)業(yè)技術(shù)人才，以滿(mǎn)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(zhuān)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(kāi)展“4+0”模式土木工程專(zhuān)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(zhuān)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(guò)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(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)核心課，主要研究與人類(lèi)工程建設(shè)活動(dòng)相關(guān)的一些工程地質(zhì)問(wèn)題，是一門(mén)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(lái)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(lèi)專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)的地質(zhì)類(lèi)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(zhuān)業(yè)學(xué)生能認(rèn)識(shí)常見(jiàn)的礦物、巖石，對(duì)常見(jiàn)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(guó)家對(duì)職業(yè)技能人才的大力支持，許多高職院校開(kāi)始聯(lián)合培養(yǎng)“4+0”應(yīng)用型本科人才，有學(xué)者也開(kāi)展了一些培養(yǎng)實(shí)踐探索[1-3]，針對(duì)土木工程專(zhuān)業(yè)工程地質(zhì)課程實(shí)踐教學(xué)的需要，開(kāi)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(wèn)題，提出了培養(yǎng)應(yīng)用型人才的土木工程專(zhuān)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(zhuān)業(yè)工程地質(zhì)課程實(shí)踐教學(xué)存在的問(wèn)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(kāi)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(kāi)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(lèi)實(shí)驗(yàn)過(guò)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(wèn)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(guò)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(guò)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(lái)。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(lái)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(guò)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(jiàn)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(jiàn)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(guò)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(guò)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(lái)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(guò)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(jiàn)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?？勺寣W(xué)生通過(guò)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(lái)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(guò)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(lái)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(wú)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(lèi)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(lái)的視覺(jué)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(guò)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(guò)程中通過(guò)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) ]

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[責(zé)任編輯：鐘 嵐]