岩石实验在“4+0”应用型本科工程地质教学中的应用

毛伟 如黑艳·木合买尔 冯哲 马青青

[摘 要]不同岩石结构对其力学性质影响较大，为加深高职院校应用型“4+0”本科学生对工程地质课程中关于岩石应力应变特性的认识和理解，教师利用单轴和三轴压缩实验获取岩石力学特性，并将岩石强度特征、变形特征和破坏等一般规律图直观展示给学生。该方法有助于开拓高职院校在缺乏实验设备时的应用型“4+0”本科学生视野，激发学生的学习兴趣，帮助学生深入理解岩石物理力学性质，取得了较好效果。

[关键词]岩石实验;课程教学;工程地质;“4+0”应用本科

[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2020）10-0090-03

為加强培养丝绸之路经济带交通枢纽中心建设所需之高层次交通工程应用型专业技术人才，以满足人才导向和现实需求，新疆交通职业技术学院与喀什大学、新疆交建集团联合申报了土木工程专业“4+0”模式应用型人才培养试点项目。新教职成〔2016〕（15号）文件明确由新疆交通职业技术学院和喀什大学联合开展“4+0”模式土木工程专业应用型本科人才培养，按自治区下达的招生计划在喀什大学本科专业同批次投档录取后，学生在新疆交通职业技术学院就读。通过联合培养“4+0”应用型本科人才，为新疆交通运输行业输送复合型技术应用型高端人才，为建设丝绸之路经济交通枢纽中心提供人才保障。

工程地质课程是土木工程专业的专业基础核心课，主要研究与人类工程建设活动相关的一些工程地质问题，是一门应用性和实践性都很强的课程，而课程中大部分章节均需要配套实验教学来加强学生的动手能力和应用分析能力。由于大土木类专业开设的地质类课程相对较少，尤其作为职业院校，在以往课时比较紧张和试验设施缺乏的情况下，让“4+0”本科专业学生能认识常见的矿物、岩石，对常见岩土体的力学特性和工程地质现象快速掌握，能积极调动学生的学习积极性达到学以致用，仍存在较大的困难。

近年随着应用型人才需求增加和国家对职业技能人才的大力支持，许多高职院校开始联合培养“4+0”应用型本科人才，有学者也开展了一些培养实践探索[1-3]，针对土木工程专业工程地质课程实践教学的需要，开展了一些应用研究[4]。如原俊红等就如何培养学生的动手能力和创新能力等问题，提出了培养应用型人才的土木工程专业工程地质课程改革模式[5];张永杰等针对非地质专业工程地质课程实践教学存在的问题，从教学课时安排调整、教学内容注重结合实践、实际工程讨论式教学方法、结合工程实践开展实验与校外实践教学方法等5个方面提出了具体的教学改革思路[6]。而对于课程中的某一单元或某一节内容的实验教学也有学者开展了相应的研究，如王章琼等对微观实验用于岩石力学课程教学进行了探索[7]，杜明亮等将三维可视化技术应用到实验教学中[8]，王晓明等将工程地质数值法引入实验教学中[9]。如何将各类实验过程和结果引入实践教学中是目前高职院校应用型“4+0”本科教学所面临的主要问题之一。

本文以岩石单轴和三轴试验获取的力学特征图结合理论教学普及到实践教学中，以使应用型本科学生在缺乏必备试验条件下可以直观了解岩石力学性质，加深课程理解程度。

一、岩石试样的选取

选取较为典型的绢云母石英片岩为样本。由于片岩具有岩体裂隙发育、变质不均、岩体强度低、胶结程度差、遇水易软化泥化且极易风化等特点，因此通过试验了解片岩在不同片理结构倾角时的岩体力学特征，可以更好地解释岩石在受力后不同结构面影响下的应力应变情况。

岩样按照《公路工程岩石试验规程》加工成50×100mm标准圆柱样，由于片岩特殊的片理特性控制着结构面的形态，为了能更好地反映岩体的变形破坏情况，试样按照片理面倾角0°（图1a）、45°（图1b）和90°（图1c）三个角度加工后分别进行天然状态和饱和状态的单轴与三轴压缩试验，每一组试样不少于6个。

二、岩石试验过程

对所选取岩样在短时间内进行天然和饱和状态下的试验，单轴试验时为保证岩样完整和安全，试验时将试样两头用可缩性胶带包裹起来。三轴试验中加载的围压值根据岩石所在区地应力测试结果确定，以最大应力20MPa来考虑，用INSTRON三轴试验仪进行试验，加载的围压分别取5MPa、10MPa、15MPa、20MPa。在试验时按1MPa/s的加荷速率加载围压，轴向加载速率为0.01mm/s，直至试样完全破坏。

三、岩石应力应变曲线教学

通过单轴和三轴压缩试验，可以得到岩石在天然和饱和状态下的最大应力、最大应变、弹性模量、变形模量和泊松比等试验力学参数（见表1）。由于篇幅所限，不同片理倾角和不同状态下的岩石应力应变曲线只看倾角90°时的应力应变曲线图（见图2），在饱和状态下岩石强度明显变弱（图中曲线a表示单轴压缩，b为围压5MPa，c为围压10MPa，d为围压15MPa，e为围压20MPa）。

通过对不同状态岩石单轴和三轴试验可计算出相应岩石不同结构面倾角和不同受力条件下的最大应力、应变、模量值、泊松比等参数。通过单轴试验应力应变曲线，学生可直观地看出岩石在不同结构面倾角受力后的压密阶段、弹性变形阶段、破坏阶段等不同变形阶段所表现出来的曲线特征，尤其对天然状态和饱和状态下的对比分析中可直观了解地下水对岩石的影响程度，由此可以了解岩石受力后的曲线形态和岩石破坏的力学特征。

四、岩石破坏形态教学

通过对片岩岩样进行单轴和三轴压缩试验后所形成的破坏形态见图3和图4。

根据岩样形成的破坏形态观察描述后发现，单轴和三轴压缩试验下的岩石破坏形态主要有单剪破坏形态、多重剪切破坏形态、“V”型剪切破坏形态、剪切和劈裂组合破坏形态、剪切破坏、按片理面剪切破坏、轴向劈裂破坏等。可让学生通过图3和图4直观感受破坏面形态，在不同岩石倾角与受荷载之间的关系所表现出来的破坏面及天然状态下和饱和状态下的形态之间的差异性。

五、岩石微观试验教学

单轴和三轴试验的微观结构破坏形态状况可用岩石微观试验加以分析，微观试验用扫描电镜进行，通过扫描电镜可以更清晰地看出岩石在不同片理倾角受荷载后所表现出来的微观破坏形态，扫描电镜图片可以向学生展示肉眼无法清晰观察到的岩石结构表面形貌，包括片状结构、岩石断口和断口巖屑等。受力前结构面（图5a）和受力后的片里面断口（图5b）区别较为明显，且在断口有碎屑。

根据扫描电镜试验总结出片岩微结构破坏形态主要有片理面的弯曲折断和剪切错动而形成连续的微破裂面两种类型，学生可直观认识微结构岩石受力变化特征。

六、结论

本研究将岩石单轴和三轴试验成果应用于实验基础设施不全面的“4+0”应用型本科工程地质课程单元教学中，直观、生动地向学生展示不同状态下的岩石力学特征，激发学生产生浓厚的学习兴趣。与传统岩石各向异性和各向同性的理论讲授相比，这种实验更能突出直观试验带来的视觉认知，收到了良好的教学效果。假如在实际教学中学生能亲自做实验掌握试验过程更有利于他们掌握岩石力学特征，但是实际上由于缺乏实验设备，很难实现相对应的课程实验教学，因此在教学过程中通过展示以往科研中所积累的实验图片及结果，可作为工程地质课程中岩石特性单元教学的优异补充。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 陈培红，王忠，袁健.“4+0”应用型本科人才培养模式的实践探索[J].南通航运职业技术学院学报，2018，17（2）：81-83.

[2] 范丽，陈培红，茆沐嘉，等.应用型本科“4+0”人才培养模式的实践探索[J].武汉船舶职业技术学院学报，2018，17（2）：15-19.

[3] 谢琼，余永婷，李芳，等.高职本科“4+0”培养模式课程体系构建方法探析[J].农产品加工，2017（21）：83-85.

[4] 陈松，吴继敏.夯实专业基础 重实践重引导：工科“工程地质原理”课程教学体系建设[J].中国地质教育，2005（4）：100-102+112.

[5] 原俊红，张宏，南雪兰.基于应用型人才培养的工程地质课程教学模式探讨：以土木工程专业道路与桥梁方向为例[J].高等建筑教育，2017，26（5）：50-53.

[6] 张永杰，王桂尧，刘龙武，等.非地质类专业工程地质课程实践教学探讨[J].高等建筑教育，2013，22（5）：141-144.

[7] 王章琼，王亚军.微观实验用于岩石力学课程教学的探索[J].实验技术与管理，2018，35（1）：234-237.

[8] 杜明亮，吴彬.三维可视化技术在工程地质教学中的应用及效果评价[J].教育教学论坛，2017（37）：200-203.

[9] 王晓明，齐剑峰，吴锋波.“工程地质数值法”课程的哲学思考与教学启发[J].教育教学论坛，2018（34）：213-214.

[责任编辑：钟 岚]