基于“產(chǎn)學研用”理念的巖土工程綜合性實驗設計與應用

張連震，俞然剛，張艷美，楊文東

（中國石油大學（華東）儲運與建筑工程學院，山東 青島 266580）

巖土工程專業(yè)是實踐性很強的專業(yè)，巖土工程實驗是巖土工程專業(yè)教學與科研的重要組成部分，不僅促進了巖土力學基本理論的發(fā)展，還為實際工程的設計、施工等提供了參數(shù)和依據(jù)[1-2]，是培養(yǎng)具有實踐能力、創(chuàng)新能力和職業(yè)能力的巖土工程人才不可或缺的重要環(huán)節(jié)。

目前的巖土工程教學實驗大多為驗證性實驗，驗證性實驗[2]主要是為了培養(yǎng)學生的實驗儀器操作技能、加深對已有知識的認知與掌握，其實驗程序大多是按照教材內(nèi)容或標準規(guī)范設定好的步驟和方案驗證已有的相關理論知識，但是這類實驗大多只是簡單重復規(guī)定的操作步驟，對于為什么要做相關實驗以及做相關實驗有什么用并沒有清晰的認知，導致學生對不同實驗方法及實驗手段缺乏興趣，難以全面掌握相關的試驗原理、方法及應用場景。綜合性實驗偏重于學生自主確定一組或多組獨立的實驗方案并完成相關實驗，由于這類實驗全程以學生為主體，因此更有利于提高學生發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題的綜合能力，但是目前針對巖土工程專業(yè)的綜合性實驗開展的較少，不能滿足巖土工程專業(yè)對學生培養(yǎng)的要求。

隨著教育教學理念的發(fā)展，“產(chǎn)學研用”的理念[3-6]已逐步在各高等學校學生培養(yǎng)體系中引入并推廣，該理念將生產(chǎn)、教學、科研與應用進行有機融合，符合“知識從實踐中來，并應用到實踐中去”的認知學習規(guī)律，這與巖土工程的專業(yè)特點非常契合。本文結(jié)合巖土工程實驗教學的設置現(xiàn)狀，將“產(chǎn)學研用”的理念引入到巖土工程實驗中，提出了基于“產(chǎn)學研用”理念的巖土工程綜合性實驗設計思路，并以砂土隧道注漿工程中的注漿壓力優(yōu)化為例，進行了巖土工程綜合性實驗設計，加深了學生對巖土工程相關實驗的理解，提高了學生綜合分析、學習并解決問題的能力。

1 基于“產(chǎn)學研用”理念的巖土工程綜合性實驗設計思路

1.1 巖土工程中的“產(chǎn)學研用”理念

《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要》明確提出：“高校要牢固樹立主動為社會服務的意識，全方位開展服務。推進產(chǎn)學研用結(jié)合，加快科技成果轉(zhuǎn)化”[7-8]?！爱a(chǎn)學研用”理念是把以課堂傳授知識為主的學校教育與直接獲取實際經(jīng)驗、實踐能力為主的生產(chǎn)、科研實踐有機結(jié)合，并將教學科研成果直接應用到工程實踐中的教育培養(yǎng)理念。

“產(chǎn)學研用”理念反映在巖土工程專業(yè)的本科生及研究生培養(yǎng)中，其概念便具化為：巖土工程來源于生產(chǎn)實踐，在學生培養(yǎng)過程中引導學生從生產(chǎn)實踐中發(fā)現(xiàn)并提煉關鍵科學技術問題；通過學習實現(xiàn)對生產(chǎn)實踐活動的全面理解與掌握，通過科學研究獲得解決科學技術問題的理論與方法；最后將獲得的理論與方法應用到生產(chǎn)實踐中，實現(xiàn)“產(chǎn)學研用”的閉環(huán)式發(fā)展，最終推動社會發(fā)展與科技進步。

1.2 巖土工程綜合性實驗設計思路

本文將“產(chǎn)學研用”理念引入到巖土工程實驗中，進而提出巖土工程綜合性實驗設計思路，如圖1 所示。

以下針對圖1 中的實驗設計思路分別從產(chǎn)、學、研、用4 個方面展開說明：

（1）生產(chǎn)方面主要涉及2 個步驟，即工程問題整體分析與巖土力學關鍵問題提煉。首先結(jié)合一定的工程背景，選擇某一特定的工程問題進行整體分析，對工程問題的工序、原理、主要施工參數(shù)等方面進行全面的了解學習，之后從所選工程問題中提煉巖土力學關鍵問題。工程問題的選擇應根據(jù)教學內(nèi)容和學科前沿由學生自主確定，為了提高實驗效率，最好結(jié)合教師的科研課題開展自主選題，巖土力學關鍵問題的提煉應與教學內(nèi)容及培養(yǎng)大綱相對應。在這個階段，教師主要起引導作用，主要工作由學生自主完成。

圖1 巖土工程綜合性實驗設計思路

（2）學習方面主要涉及2 個步驟，即實驗項目確定與實驗項目的實驗原理、操作方法、數(shù)據(jù)分析方法的學習。在巖土力學關鍵問題確定之后，分析與該問題直接相關的巖土相關參數(shù)，進而選擇與巖土相關參數(shù)相對應的實驗項目，如固結(jié)實驗、直剪實驗、三軸實驗、滲透系數(shù)實驗等，在此之后，通過網(wǎng)絡微課、查閱相關試驗規(guī)范、教師講解等方式對實驗項目的實驗原理、操作方法、數(shù)據(jù)分析方法進行學習，充分掌握相關實驗技能。在這個階段，教師主要發(fā)揮教學作用，并提供相應的實驗設備及配套條件。

（3）研究方面主要涉及實驗方案設計、實驗方案實施、實驗數(shù)據(jù)處理與實驗結(jié)論總結(jié)4 個步驟，通過以上步驟最終獲得巖土相關參數(shù)的變化規(guī)律，確定能解決所選工程問題的最優(yōu)巖土相關參數(shù)。在這個階段，教師主要審查實驗方案的可行性，對實驗方案不合理的地方指出并改正，在實驗方案實施過程中不可避免地會遇到各種各樣的問題，教師應對學生遇到的問題進行解答并引導學生尋找解決方案。

（4）實踐方面主要是將獲得的研究成果應用到工程實踐中，驗證所得實驗結(jié)果是否適用于實際工程，能否解決選定的特定工程問題。在本階段，教師應為學生提供相應的工程實踐機會，并對實驗結(jié)果的工程適用性進行點評，為下一步的實驗工作給出建議。

通過上述實驗流程，學生可從生產(chǎn)實踐中發(fā)現(xiàn)問題，之后學習解決問題的方法，進而對所選問題進行深入研究，最后將研究成果應用到現(xiàn)場實踐中去。學生不僅全面掌握相關的實驗原理及方法，同時也對“為什么做實驗”“做實驗有什么用”等問題有了清晰的認識，學習狀態(tài)從“單純的機械式學習”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皩W以致用”，極大提高了學生的綜合能力。

2 巖土工程綜合性實驗設計與應用

本節(jié)以“砂土隧道注漿工程中的注漿壓力優(yōu)化”為案例對巖土工程綜合性實驗的全過程進行介紹。

2.1 工程背景

青島地鐵隧道建設過程中經(jīng)常穿越富水砂土地層，由于富水砂土地層具有富水性強、黏接能力差等特性，隧道在施工擾動影響下極易誘發(fā)潰砂、塌方[9-10]等工程災害事故，導致嚴重的人員傷亡與財產(chǎn)損失。注漿是加固富水砂土層的常用手段，注漿壓力是影響注漿加固效果的重要參數(shù)[11]，因此在砂土隧道注漿工程中合理的確定注漿壓力參數(shù)非常重要。本節(jié)依托青島地鐵 2 號線啤酒城~苗嶺路區(qū)間隧道穿越富水砂土層段注漿加固工程作為現(xiàn)場實踐場地，開展巖土工程綜合性實驗設計與應用。

2.2 綜合性實驗

1）生產(chǎn)方面。

在砂土隧道注漿工程中漿液大多以劈裂的形式在砂土層中擴散，最終形成漿脈骨架，漿脈骨架兩側(cè)的砂土層被注漿壓力壓密，壓密后砂土層的力學性能及抗?jié)B性能獲得提升，不同的注漿壓力導致不同的砂土層壓密程度，進而導致砂土層被壓密后性能的提升幅度不同。綜合分析注漿壓力對注漿加固效果的影響，可得到與工程相關的關鍵巖土力學問題中注漿壓力對壓密后砂土層性能的影響。

2）學習方面。

通過查閱相關文獻，確定以砂土層的抵抗變形能力、抵抗破壞能力及抗?jié)B能力來代表砂土層的性能（如圖 2 所示），最終確定以壓縮模量表征砂土層抵抗變形能力，以黏聚力、內(nèi)摩擦角表征抵抗破壞能力，以滲透系數(shù)表征抗?jié)B能力。為了確定不同注漿壓力對壓密后砂土層不同性能指標的影響，確定綜合性實驗項目為固結(jié)實驗、直剪實驗與滲透系數(shù)實驗。

在確定實驗項目后，通過網(wǎng)絡微課、查閱相關試驗規(guī)范、教師講解等方式對固結(jié)實驗、直剪實驗、滲透系數(shù)實驗等實驗項目的實驗原理、操作方法、數(shù)據(jù)分析方法進行學習，充分掌握相關實驗技能。

圖2 巖土工程實驗與砂土層性能之間的對應關系

3）科研方面。

為研究注漿壓力對被壓密砂土層性能的影響，將注漿壓力設定為自變量，注漿壓力變化范圍根據(jù)工程實踐確定，最終確定為0~2 MPa。將壓縮模量、黏聚力、內(nèi)摩擦角、滲透系數(shù)設定為因變量。針對固結(jié)實驗、直剪實驗及滲透系數(shù)實驗分別設計了實驗方案，依托工程進行砂土取樣，并測試不同砂土層含水率條件下注漿壓力對被壓密砂土層性能的影響，并對實驗方案按照實驗操作流程以分組形式進行了具體實施。在實驗實施結(jié)束之后，采用Origin 軟件對實驗數(shù)據(jù)進行分析處理，獲得了不同砂土層含水率條件下注漿壓力對砂土層性能的影響曲線，如圖3 所示。

從實驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，隨著注漿壓力的增加，砂土層壓縮模量、黏聚力與內(nèi)摩擦角均增加，砂土層滲透系數(shù)持續(xù)減小，說明注漿壓力的增加有利于提高砂土層的力學性能與抗?jié)B性能。從曲線變化趨勢上分析，在0~1.2 MPa 內(nèi)，注漿壓力的增加會引起砂土層性能的顯著增加，但是在1.2~2 MPa 內(nèi)，部分條件下的砂土層性能對壓力的變化變得不敏感，注漿壓力增加時部分砂土層性能增加不明顯。因此，綜合考慮注漿壓力對砂土層性能的影響規(guī)律及現(xiàn)場注漿設備的機械性能，最終確定最優(yōu)注漿壓力為 1.2 MPa。注漿壓力為1.2 MPa 時依托工程砂土層物理力學參數(shù)如表1所示。

4）實踐方面。

為了驗證實驗研究成果的有效性，針對依托工程，應用有限元分析軟件 COMSOL 研究注漿加固后的隧道穩(wěn)定性，數(shù)值計算中砂層的物理力學參數(shù)采用表1 中的計算參數(shù)，其他地層的參數(shù)根據(jù)地質(zhì)勘查報告選取，所創(chuàng)建的數(shù)值模型如圖4 所示。

圍巖穩(wěn)定性計算結(jié)果如圖5 所示。分析圖5(a)可知，隧道開挖后的豎向沉降集中在隧道拱頂區(qū)域，由拱頂區(qū)域向隧道上方逐漸減小，拱頂最大豎向沉降量不超過10 cm，考慮到隧道所揭露地層較差，該數(shù)值可認為基本安全。圖5(b)中紅色區(qū)域為圍巖塑性區(qū)，圍巖塑性區(qū)主要集中在隧道拱肩位置，圍巖塑性區(qū)范圍有限，主要在注漿加固范圍以內(nèi)，并未深入到未加固的原狀砂層區(qū)域，可認為圍巖是比較穩(wěn)定的。通過以上結(jié)果可判定采用實驗所得最優(yōu)注漿壓力進行注漿加固后，隧道可滿足穩(wěn)定性要求。

圖3 注漿壓力對砂土層性能的影響曲線

表1 砂土層物理力學參數(shù)

圖4 隧道穩(wěn)定性數(shù)值計算模型

圖5 圍巖穩(wěn)定性計算結(jié)果

在工程現(xiàn)場對注漿加固后的隧道穩(wěn)定性進行了觀察，如圖6 所示，通過注漿使得砂土層穩(wěn)定性得到極大提高，隧道掌子面整體穩(wěn)定，劈裂漿脈密集分布于所揭露的砂土層中，隧道滲水量滿足隧道開挖要求。綜上，數(shù)值仿真及現(xiàn)場實踐結(jié)果證明了綜合性實驗所得到的最優(yōu)注漿壓力是有效的，對于其他類似工程可起到借鑒作用。

圖6 隧道掌子面開挖情況

針對“砂土隧道注漿工程中的注漿壓力優(yōu)化”這一特定工程案例，通過上述實驗流程，學生從生產(chǎn)實踐中經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)了該工程案例中的關鍵問題，即注漿壓力如何影響壓密后砂土層的性能，進而針對該關鍵問題確定了固結(jié)實驗、直剪實驗及滲透系數(shù)實驗 3個實驗項目，并學習了相關實驗技能，設計并實施了實驗方案，得到了注漿壓力對砂土層性能的影響規(guī)律并確定了最優(yōu)注漿壓力（1.2 MPa），最后將實驗結(jié)果應用到工程實踐中，通過數(shù)值仿真及現(xiàn)場實踐驗證了實驗結(jié)果的正確性。通過上述巖土工程綜合性實驗，學生不僅全面掌握了固結(jié)實驗、直剪實驗、滲透系數(shù)實驗的實驗原理及方法，結(jié)合工程背景，也對“為什么做上述實驗”“做上述實驗有什么用”等問題有了清晰的認識，極大提高了學生的綜合能力。

3 結(jié)語

“產(chǎn)學研用”理念遵循知識從實踐中來，并應用到實踐中去的認知學習規(guī)律，這與巖土工程專業(yè)實踐性強的特點相契合，本文將“產(chǎn)學研用”理念引入到巖土工程綜合性實驗中，提出了相應的綜合性實驗設計思路，并依托特定工程案例對巖土工程綜合性實驗的全過程進行了詳細介紹，這種綜合性實驗模式更有利于培養(yǎng)學生的實踐能力、創(chuàng)新能力和職業(yè)能力。同時，綜合性實驗對教師也提出了更高的要求，其要求教師能夠掌握和關注巖土工程研究方向的前沿熱點問題，以便能夠更好地指導學生完成基于“產(chǎn)學研用”理念的巖土工程綜合性實驗。