基于“产学研用”理念的岩土工程综合性实验设计与应用

张连震，俞然刚，张艳美，杨文东

（中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院，山东 青岛 266580）

岩土工程专业是实践性很强的专业，岩土工程实验是岩土工程专业教学与科研的重要组成部分，不仅促进了岩土力学基本理论的发展，还为实际工程的设计、施工等提供了参数和依据[1-2]，是培养具有实践能力、创新能力和职业能力的岩土工程人才不可或缺的重要环节。

目前的岩土工程教学实验大多为验证性实验，验证性实验[2]主要是为了培养学生的实验仪器操作技能、加深对已有知识的认知与掌握，其实验程序大多是按照教材内容或标准规范设定好的步骤和方案验证已有的相关理论知识，但是这类实验大多只是简单重复规定的操作步骤，对于为什么要做相关实验以及做相关实验有什么用并没有清晰的认知，导致学生对不同实验方法及实验手段缺乏兴趣，难以全面掌握相关的试验原理、方法及应用场景。综合性实验偏重于学生自主确定一组或多组独立的实验方案并完成相关实验，由于这类实验全程以学生为主体，因此更有利于提高学生发现、分析和解决问题的综合能力，但是目前针对岩土工程专业的综合性实验开展的较少，不能满足岩土工程专业对学生培养的要求。

随着教育教学理念的发展，“产学研用”的理念[3-6]已逐步在各高等学校学生培养体系中引入并推广，该理念将生产、教学、科研与应用进行有机融合，符合“知识从实践中来，并应用到实践中去”的认知学习规律，这与岩土工程的专业特点非常契合。本文结合岩土工程实验教学的设置现状，将“产学研用”的理念引入到岩土工程实验中，提出了基于“产学研用”理念的岩土工程综合性实验设计思路，并以砂土隧道注浆工程中的注浆压力优化为例，进行了岩土工程综合性实验设计，加深了学生对岩土工程相关实验的理解，提高了学生综合分析、学习并解决问题的能力。

1 基于“产学研用”理念的岩土工程综合性实验设计思路

1.1 岩土工程中的“产学研用”理念

《国家中长期教育改革和发展规划纲要》明确提出：“高校要牢固树立主动为社会服务的意识，全方位开展服务。推进产学研用结合，加快科技成果转化”[7-8]。“产学研用”理念是把以课堂传授知识为主的学校教育与直接获取实际经验、实践能力为主的生产、科研实践有机结合，并将教学科研成果直接应用到工程实践中的教育培养理念。

“产学研用”理念反映在岩土工程专业的本科生及研究生培养中，其概念便具化为：岩土工程来源于生产实践，在学生培养过程中引导学生从生产实践中发现并提炼关键科学技术问题；通过学习实现对生产实践活动的全面理解与掌握，通过科学研究获得解决科学技术问题的理论与方法；最后将获得的理论与方法应用到生产实践中，实现“产学研用”的闭环式发展，最终推动社会发展与科技进步。

1.2 岩土工程综合性实验设计思路

本文将“产学研用”理念引入到岩土工程实验中，进而提出岩土工程综合性实验设计思路，如图1 所示。

以下针对图1 中的实验设计思路分别从产、学、研、用4 个方面展开说明：

（1）生产方面主要涉及2 个步骤，即工程问题整体分析与岩土力学关键问题提炼。首先结合一定的工程背景，选择某一特定的工程问题进行整体分析，对工程问题的工序、原理、主要施工参数等方面进行全面的了解学习，之后从所选工程问题中提炼岩土力学关键问题。工程问题的选择应根据教学内容和学科前沿由学生自主确定，为了提高实验效率，最好结合教师的科研课题开展自主选题，岩土力学关键问题的提炼应与教学内容及培养大纲相对应。在这个阶段，教师主要起引导作用，主要工作由学生自主完成。

图1 岩土工程综合性实验设计思路

（2）学习方面主要涉及2 个步骤，即实验项目确定与实验项目的实验原理、操作方法、数据分析方法的学习。在岩土力学关键问题确定之后，分析与该问题直接相关的岩土相关参数，进而选择与岩土相关参数相对应的实验项目，如固结实验、直剪实验、三轴实验、渗透系数实验等，在此之后，通过网络微课、查阅相关试验规范、教师讲解等方式对实验项目的实验原理、操作方法、数据分析方法进行学习，充分掌握相关实验技能。在这个阶段，教师主要发挥教学作用，并提供相应的实验设备及配套条件。

（3）研究方面主要涉及实验方案设计、实验方案实施、实验数据处理与实验结论总结4 个步骤，通过以上步骤最终获得岩土相关参数的变化规律，确定能解决所选工程问题的最优岩土相关参数。在这个阶段，教师主要审查实验方案的可行性，对实验方案不合理的地方指出并改正，在实验方案实施过程中不可避免地会遇到各种各样的问题，教师应对学生遇到的问题进行解答并引导学生寻找解决方案。

（4）实践方面主要是将获得的研究成果应用到工程实践中，验证所得实验结果是否适用于实际工程，能否解决选定的特定工程问题。在本阶段，教师应为学生提供相应的工程实践机会，并对实验结果的工程适用性进行点评，为下一步的实验工作给出建议。

通过上述实验流程，学生可从生产实践中发现问题，之后学习解决问题的方法，进而对所选问题进行深入研究，最后将研究成果应用到现场实践中去。学生不仅全面掌握相关的实验原理及方法，同时也对“为什么做实验”“做实验有什么用”等问题有了清晰的认识，学习状态从“单纯的机械式学习”转变为“学以致用”，极大提高了学生的综合能力。

2 岩土工程综合性实验设计与应用

本节以“砂土隧道注浆工程中的注浆压力优化”为案例对岩土工程综合性实验的全过程进行介绍。

2.1 工程背景

青岛地铁隧道建设过程中经常穿越富水砂土地层，由于富水砂土地层具有富水性强、黏接能力差等特性，隧道在施工扰动影响下极易诱发溃砂、塌方[9-10]等工程灾害事故，导致严重的人员伤亡与财产损失。注浆是加固富水砂土层的常用手段，注浆压力是影响注浆加固效果的重要参数[11]，因此在砂土隧道注浆工程中合理的确定注浆压力参数非常重要。本节依托青岛地铁 2 号线啤酒城~苗岭路区间隧道穿越富水砂土层段注浆加固工程作为现场实践场地，开展岩土工程综合性实验设计与应用。

2.2 综合性实验

1）生产方面。

在砂土隧道注浆工程中浆液大多以劈裂的形式在砂土层中扩散，最终形成浆脉骨架，浆脉骨架两侧的砂土层被注浆压力压密，压密后砂土层的力学性能及抗渗性能获得提升，不同的注浆压力导致不同的砂土层压密程度，进而导致砂土层被压密后性能的提升幅度不同。综合分析注浆压力对注浆加固效果的影响，可得到与工程相关的关键岩土力学问题中注浆压力对压密后砂土层性能的影响。

2）学习方面。

通过查阅相关文献，确定以砂土层的抵抗变形能力、抵抗破坏能力及抗渗能力来代表砂土层的性能（如图 2 所示），最终确定以压缩模量表征砂土层抵抗变形能力，以黏聚力、内摩擦角表征抵抗破坏能力，以渗透系数表征抗渗能力。为了确定不同注浆压力对压密后砂土层不同性能指标的影响，确定综合性实验项目为固结实验、直剪实验与渗透系数实验。

在确定实验项目后，通过网络微课、查阅相关试验规范、教师讲解等方式对固结实验、直剪实验、渗透系数实验等实验项目的实验原理、操作方法、数据分析方法进行学习，充分掌握相关实验技能。

图2 岩土工程实验与砂土层性能之间的对应关系

3）科研方面。

为研究注浆压力对被压密砂土层性能的影响，将注浆压力设定为自变量，注浆压力变化范围根据工程实践确定，最终确定为0~2 MPa。将压缩模量、黏聚力、内摩擦角、渗透系数设定为因变量。针对固结实验、直剪实验及渗透系数实验分别设计了实验方案，依托工程进行砂土取样，并测试不同砂土层含水率条件下注浆压力对被压密砂土层性能的影响，并对实验方案按照实验操作流程以分组形式进行了具体实施。在实验实施结束之后，采用Origin 软件对实验数据进行分析处理，获得了不同砂土层含水率条件下注浆压力对砂土层性能的影响曲线，如图3 所示。

从实验结果可以发现，随着注浆压力的增加，砂土层压缩模量、黏聚力与内摩擦角均增加，砂土层渗透系数持续减小，说明注浆压力的增加有利于提高砂土层的力学性能与抗渗性能。从曲线变化趋势上分析，在0~1.2 MPa 内，注浆压力的增加会引起砂土层性能的显著增加，但是在1.2~2 MPa 内，部分条件下的砂土层性能对压力的变化变得不敏感，注浆压力增加时部分砂土层性能增加不明显。因此，综合考虑注浆压力对砂土层性能的影响规律及现场注浆设备的机械性能，最终确定最优注浆压力为 1.2 MPa。注浆压力为1.2 MPa 时依托工程砂土层物理力学参数如表1所示。

4）实践方面。

为了验证实验研究成果的有效性，针对依托工程，应用有限元分析软件 COMSOL 研究注浆加固后的隧道稳定性，数值计算中砂层的物理力学参数采用表1 中的计算参数，其他地层的参数根据地质勘查报告选取，所创建的数值模型如图4 所示。

围岩稳定性计算结果如图5 所示。分析图5(a)可知，隧道开挖后的竖向沉降集中在隧道拱顶区域，由拱顶区域向隧道上方逐渐减小，拱顶最大竖向沉降量不超过10 cm，考虑到隧道所揭露地层较差，该数值可认为基本安全。图5(b)中红色区域为围岩塑性区，围岩塑性区主要集中在隧道拱肩位置，围岩塑性区范围有限，主要在注浆加固范围以内，并未深入到未加固的原状砂层区域，可认为围岩是比较稳定的。通过以上结果可判定采用实验所得最优注浆压力进行注浆加固后，隧道可满足稳定性要求。

图3 注浆压力对砂土层性能的影响曲线

表1 砂土层物理力学参数

图4 隧道稳定性数值计算模型

图5 围岩稳定性计算结果

在工程现场对注浆加固后的隧道稳定性进行了观察，如图6 所示，通过注浆使得砂土层稳定性得到极大提高，隧道掌子面整体稳定，劈裂浆脉密集分布于所揭露的砂土层中，隧道渗水量满足隧道开挖要求。综上，数值仿真及现场实践结果证明了综合性实验所得到的最优注浆压力是有效的，对于其他类似工程可起到借鉴作用。

图6 隧道掌子面开挖情况

针对“砂土隧道注浆工程中的注浆压力优化”这一特定工程案例，通过上述实验流程，学生从生产实践中经过分析发现了该工程案例中的关键问题，即注浆压力如何影响压密后砂土层的性能，进而针对该关键问题确定了固结实验、直剪实验及渗透系数实验 3个实验项目，并学习了相关实验技能，设计并实施了实验方案，得到了注浆压力对砂土层性能的影响规律并确定了最优注浆压力（1.2 MPa），最后将实验结果应用到工程实践中，通过数值仿真及现场实践验证了实验结果的正确性。通过上述岩土工程综合性实验，学生不仅全面掌握了固结实验、直剪实验、渗透系数实验的实验原理及方法，结合工程背景，也对“为什么做上述实验”“做上述实验有什么用”等问题有了清晰的认识，极大提高了学生的综合能力。

3 结语

“产学研用”理念遵循知识从实践中来，并应用到实践中去的认知学习规律，这与岩土工程专业实践性强的特点相契合，本文将“产学研用”理念引入到岩土工程综合性实验中，提出了相应的综合性实验设计思路，并依托特定工程案例对岩土工程综合性实验的全过程进行了详细介绍，这种综合性实验模式更有利于培养学生的实践能力、创新能力和职业能力。同时，综合性实验对教师也提出了更高的要求，其要求教师能够掌握和关注岩土工程研究方向的前沿热点问题，以便能够更好地指导学生完成基于“产学研用”理念的岩土工程综合性实验。