“雙碳”背景下巖石力學(xué)教學(xué)改革

王斐笠 孟凡震 楊勇 修占國 王在泉 韓建華

摘? 要：為讓學(xué)生深入理解“雙碳”目標(biāo)，探索巖石力學(xué)中蘊(yùn)含的“雙碳”問題，該文基于巖石實時高溫剪切實驗系統(tǒng)，創(chuàng)新性地將“雙碳”戰(zhàn)略實施過程中涉及到的地?zé)豳Y源開發(fā)、干熱巖開采等問題融入巖石力學(xué)教學(xué)中。巖石力學(xué)課程中該實驗系統(tǒng)的引入，可以幫助學(xué)生更好地理解地?zé)豳Y源的特性和行為，熟悉高溫高壓下巖石的物理特性和力學(xué)行為，掌握高應(yīng)力環(huán)境下節(jié)理巖體的剪切力學(xué)特性及破壞特征。同時，以新的實驗系統(tǒng)為載體，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新思維，進(jìn)而加深學(xué)生對理論知識的理解。另外，通過實驗可提高學(xué)生的實踐水平，將所學(xué)知識充分應(yīng)用到工程實際中。

關(guān)鍵詞：“雙碳”；巖石力學(xué)；教學(xué)改革；巖石實時高溫剪切；實驗系統(tǒng)

中圖分類號：G642? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）11-0121-04

Abstract： This study innovatively integrates the carbon peaking and carbon neutrality into the teaching of Rock Mechanics， which promotes a deeper understanding of the carbon peaking and carbon neutrality for students. Based on the real-time high-temperature shear system of rock， this teaching reform explore the "carbon peaking and carbon neutrality" issues embedded in Rock Mechanics， which mainly include the geothermal resource development and dry heat rock mining. The introduction of this experimental system in Rock Mechanics can help students better understand the properties and behavior of geothermal resources， familiarize themselves with the physical properties and mechanical behavior of rocks under high temperature and pressure conditions， and master the shear mechanical properties and damage characteristics of rock joints under the high stress loadings. Moreover， the new experimental system can stimulate the learning interest of students， cultivate their hands-on ability and innovative thinking， and then deepen their understanding of theoretical knowledge. In addition， the experiments can improve students' practical level and fully apply the knowledge they have learned to engineering practice.

Keywords： "carbon peaking and carbon neutrality"; Rock Mechanics; teaching reform; real-time high-temperature shear of rock; experiment system

2020年9月22日，國家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上宣布“雙碳”目標(biāo)（即二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和）[1-2]。此后，在“雙碳”背景的推動下和化石能源向非化石能源轉(zhuǎn)型的戰(zhàn)略要求下，深層地?zé)崮芤蚱鋬α控S富、利用效率高、運(yùn)行成本低和節(jié)能減排等優(yōu)點被廣泛關(guān)注[3-4]。中國地質(zhì)調(diào)查局的研究顯示中國大陸3～10 km深處存在豐富的干熱巖資源，其儲量相當(dāng)于860萬億噸標(biāo)準(zhǔn)煤[5]。干熱巖因此被認(rèn)為是未來煤炭、石油等化石能源枯竭后，最具潛力的戰(zhàn)略接替能源，干熱巖資源的有效利用和高效開采對保障我國能源安全、降低對化石燃料的依賴、實現(xiàn)我國的碳中和、碳達(dá)峰目標(biāo)具有重要戰(zhàn)略意義。但如何讓學(xué)生深入理解“雙碳”目標(biāo)，如何從巖石力學(xué)角度研究“雙碳”目標(biāo)，值得去實踐探索。

干熱巖是一種不含或含極少量地下流體、埋深3～10 kmm、溫度大于180 ℃的致密巖體。干熱巖地?zé)豳x存于火成巖中，屬于脆、硬性巖石，且是力學(xué)強(qiáng)度較高的基底花崗巖，埋藏深度一般在3 km以上，在構(gòu)造應(yīng)力和局部斷層的影響下巖體處于高應(yīng)力和高溫度的地下環(huán)境[6-7]。如何讓學(xué)生充分理解高應(yīng)力高地溫條件下深部復(fù)雜巖體的力學(xué)響應(yīng)，并如何將所研究成果應(yīng)用到“雙碳”目標(biāo)建設(shè)。

一? 巖石力學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀分析

在教學(xué)內(nèi)容上，實驗教學(xué)環(huán)節(jié)主要包括巖石的抗壓、抗拉、抗剪及密度測試等傳統(tǒng)的巖石力學(xué)實驗。這些實驗可以增強(qiáng)學(xué)生對巖石基本力學(xué)特性的理解，對不同荷載下巖石破壞模式的識別及對巖石物理性質(zhì)的掌握。但目前教學(xué)中所涉及的這些實驗大多屬于驗證性實驗，實驗方法和實驗內(nèi)容較單一，并且不需要學(xué)生自主設(shè)計實驗方案，只是對前人方法的驗證和再現(xiàn)。相反，需要學(xué)生自主探究、創(chuàng)新設(shè)計的實驗較少。

在教學(xué)設(shè)計上，普遍存在學(xué)時短但教學(xué)內(nèi)容多的問題。為完成教學(xué)任務(wù)，課堂教學(xué)只能講授書本上的理論知識，不能很好地向?qū)嶒炁c工程實際延伸。而進(jìn)入實驗課環(huán)節(jié)時，教師仍需要利用大量的時間進(jìn)行實驗內(nèi)容的講解和實驗操作過程的介紹。因此，使得學(xué)生自己動手實踐的時間大大減少，甚至有時采取老師操作學(xué)生觀摩的形式。所以在大多數(shù)的實驗中，學(xué)生缺乏動手參與，更缺少自己的思考和對實驗的分析，進(jìn)而無法將所學(xué)內(nèi)容與工程實際相聯(lián)系。同樣，這種模式未能充分調(diào)動學(xué)生自身的積極性，導(dǎo)致學(xué)生依賴性強(qiáng)而參與意識差，不利于學(xué)生創(chuàng)新意識和能力的培養(yǎng)。

在考核方式方面，巖石力學(xué)課目前主要通過期末閉卷考試的形式進(jìn)行考核。學(xué)生往往為了順利通過考試，把更多的時間用來學(xué)習(xí)課本理論知識，而忽略實驗和工程應(yīng)用等實踐能力的培養(yǎng)和鍛煉。使學(xué)生很難將自身學(xué)習(xí)的內(nèi)容與國家重大戰(zhàn)略工程或國家建設(shè)方針相聯(lián)系。

巖石力學(xué)作為力學(xué)類和土木類專業(yè)的核心課，在學(xué)生的學(xué)習(xí)和以后的工作中都起著重要的作用。力學(xué)和土木類專業(yè)的學(xué)生一方面需要掌握扎實的理論基礎(chǔ)，另一方面需要將理論與實踐相結(jié)合，培養(yǎng)應(yīng)用理論知識解決實際工程問題的能力。國家重大戰(zhàn)略調(diào)整和現(xiàn)代工程建設(shè)的快速發(fā)展，對巖石力學(xué)課程提出了新的教學(xué)要求，傳統(tǒng)的教學(xué)方式難以滿足“教”與“學(xué)”的時代要求，難以達(dá)到對學(xué)生的培養(yǎng)要求。因此，對巖石力學(xué)課程的教學(xué)改革勢在必行。

二? 巖石實時高溫剪切系統(tǒng)

巖石高溫高壓直剪實驗系統(tǒng)（圖1）的研發(fā)是為了更好地模擬和研究高溫高壓環(huán)境下巖石或巖石結(jié)構(gòu)面的物理特性和力學(xué)行為，進(jìn)而揭示深部巖體復(fù)雜環(huán)境下的破壞機(jī)制，保障深部巖體工程的施工和運(yùn)營安全。巖石力學(xué)課程中該實驗系統(tǒng)的引入，可以幫助學(xué)生更好地理解地?zé)豳Y源的特性和行為，熟悉高溫高壓下巖石的物理特性和力學(xué)行為，掌握高應(yīng)力環(huán)境下巖石結(jié)構(gòu)面的剪切力學(xué)特性及破壞特征。

（一）? 高應(yīng)力加載系統(tǒng)

高應(yīng)力加載系統(tǒng)用于施加高壓到巖石樣品上，通常包括高壓油缸、液壓系統(tǒng)和應(yīng)力傳感器。法向與切向設(shè)計最大荷載700 kN，加載液壓缸作動器最大行程100 mm，測量控制精度達(dá)到最大力值的0.5%，均可實現(xiàn)力、位移控制平滑轉(zhuǎn)換，法向還可實現(xiàn)剛度控制加載，可長時間加載及長時間穩(wěn)壓等。法向加載液壓缸，安裝于主框架的上部反力橫梁，水平加載液壓缸，安裝在水平反力框架內(nèi)部，于水平反力框架形成自反力結(jié)構(gòu)，活塞內(nèi)部均安裝位移傳感器，活塞桿前端連接壓力傳感器及壓頭等。高應(yīng)力的精準(zhǔn)施加需要液壓伺服控制系統(tǒng)。本設(shè)備液壓伺服控制系統(tǒng)由交流電機(jī)、液壓泵、伺服閥、溢流閥、過濾器、減壓閥、單向閥、冷卻器、加熱器、高壓管路和油箱等組成，用于提供實驗設(shè)備工作的動力。

（二）? 實時高溫系統(tǒng)

用于控制和維持實驗過程中的高溫環(huán)境，以模擬巖石內(nèi)部的高溫條件。高溫加熱系統(tǒng)及恒溫控系統(tǒng)，設(shè)計實驗盒最高加載溫度為400 ℃，通過檢測熱電偶傳感器的溫度，來控制陶瓷加熱器，調(diào)整高溫腔內(nèi)溫度的高低及系統(tǒng)的加熱功率，加熱信號通過高精度的通信傳感器輸出信號傳輸給計算機(jī)，從而實現(xiàn)數(shù)字化控制和面板式控制的多功能控制方式。

（三）? 巖石實時高溫剪切系統(tǒng)的工作原理

巖石實時高溫剪切系統(tǒng)可實現(xiàn)巖石或巖石結(jié)構(gòu)面的剪切力學(xué)特性研究，包括抗剪強(qiáng)度、切向變形和法向變形等。剪切實驗過程中可通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取施加在試樣上的法向力和承受的剪切力，同時，通過LVDT可監(jiān)測試樣的法向和切向變形。另外，該系統(tǒng)可實時獲取巖樣溫度。根據(jù)獲得的應(yīng)力和其相應(yīng)的位移數(shù)據(jù)，可繪制實驗試樣的應(yīng)力-位移曲線，根據(jù)公式（1）可計算巖石或巖石結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度[8]。

三? 基于巖石實時高溫剪切系統(tǒng)的教學(xué)實驗設(shè)計與實踐

講解“雙碳”目標(biāo)中涉及到的巖石力學(xué)內(nèi)容，以實時高溫下巖石結(jié)構(gòu)面的剪切為例，闡述實驗教學(xué)的開展和實施。

第一，為學(xué)生講解巖石剪切實驗中涉及到巖石力學(xué)知識，包括巖石的抗剪強(qiáng)度、剪切應(yīng)力-位移曲線以及抗剪強(qiáng)度準(zhǔn)則等。然后讓學(xué)生以小組為單位自主探索實時高溫下巖石剪切實驗的開展背景和實驗?zāi)康?，并制定相?yīng)實驗方案。

第二，審閱學(xué)生的實驗方案，指出問題，并給出具體的實驗設(shè)計方案：根據(jù)目前深部資源賦存的深度，結(jié)合應(yīng)力隨深度的變化情況（一般認(rèn)為地下深度增加1 000 m，應(yīng)力增加約20 MPa），實驗中法向應(yīng)力分別設(shè)定為20、30、40 MPa；同時，結(jié)合干熱巖在地下的賦存溫度環(huán)境，將實驗溫度分別設(shè)置為100、200、300 ℃用于分析不同高溫下干熱巖的力學(xué)特性。

第三，講解實驗方法并展示具體的實驗操作流程。①準(zhǔn)備實驗樣品，選擇具有代表性、取自同一母巖相同或相近位置的巖石樣品，并根據(jù)實驗需要進(jìn)行切割和準(zhǔn)備，按照一定規(guī)格的尺寸和形狀，對樣品進(jìn)行加工和磨削，確保表面平整。試樣加工完畢后進(jìn)行清潔和干燥巖石樣品，以去除碎屑雜質(zhì)和表面污染。按照實驗方案制備具有粗糙度的結(jié)構(gòu)面試樣（100 mm×100 mm×100 mm），完成前期準(zhǔn)備工作。②安裝試樣到實驗裝置，將巖石結(jié)構(gòu)面試樣放置在實驗系統(tǒng)的剪切裝置中，確保良好的接觸和固定。接通總電源，啟動控制程序后，打開溢流閥，進(jìn)行法向和切向油缸的位置調(diào)整，可對試樣進(jìn)行適當(dāng)預(yù)壓，并確保試樣位于設(shè)備框架中部，使其受力均勻。③施加壓力和溫度，依據(jù)實驗方案，設(shè)定剪切系統(tǒng)程序的工作參數(shù)，例如法向壓力、剪切速度、目標(biāo)溫度和升溫速率等。程序設(shè)定完成后，系統(tǒng)按照設(shè)定的加載速率施加目標(biāo)壓力到試樣表面，溫度控制系統(tǒng)按照設(shè)定的加溫速率進(jìn)行加溫，直至目標(biāo)溫度。④開始剪切實驗，設(shè)定的法向力和溫度到達(dá)目標(biāo)值后，切換程序，施加剪切力巖石試樣上?？梢院愣ㄋ俣然蛘咦兯俾蔬M(jìn)行剪切加載。

第四，學(xué)生以小組為單位進(jìn)行實驗，并處理實驗結(jié)果，自主探索實驗結(jié)果的應(yīng)用。剪切實驗采集系統(tǒng)可以實時記錄實驗過程中的應(yīng)力、位移、溫度和變形等測量數(shù)據(jù)。程序控制面板可以根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)實時繪制應(yīng)力-變形曲線、時間-變形曲線、溫度變化曲線等。

第五，得出實驗結(jié)果，如圖2所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著法向力的升高，巖石的抗剪強(qiáng)度增大，同時，隨著溫度的升高，巖石的抗剪強(qiáng)度升高。通過實驗結(jié)果說明，干熱巖的賦存環(huán)境顯著影響其力學(xué)特性，進(jìn)而影響干熱巖資源的開采。

四? 實驗結(jié)果在教學(xué)改革中的應(yīng)用

（一）? 以實驗促進(jìn)理論理解

實驗是學(xué)習(xí)巖石力學(xué)的基礎(chǔ)，由于巖石物理和力學(xué)性質(zhì)的復(fù)雜性，沒有細(xì)致的實驗，很難使學(xué)生理解巖石或巖石結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度準(zhǔn)則或損傷本構(gòu)等理論[9-11]。以實驗為載體，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和動手能力，進(jìn)而加深學(xué)生對理論知識的理解，更好地了解巖石或巖石結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度和變形特性，深入理解巖石破裂的機(jī)理與本質(zhì)[12-13]。

通過本實驗可以促進(jìn)學(xué)生對以下理論知識的進(jìn)一步理解：①應(yīng)力-應(yīng)變理論，巖石高溫高壓直剪實驗系統(tǒng)可以測量應(yīng)力和應(yīng)變，這兩個參數(shù)是分析巖石力學(xué)性質(zhì)的基礎(chǔ)。根據(jù)所學(xué)知識可以計算得出巖石樣品的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，用于評估其變形和破裂特性。②剪切強(qiáng)度理論，根據(jù)巖石力學(xué)理論，通過施加剪切力并測量巖石樣品的剪切應(yīng)力，可以得出巖石的剪切強(qiáng)度。這是評估巖石抗剪強(qiáng)度和穩(wěn)定性的重要參數(shù)。③溫度效應(yīng)，高溫環(huán)境可能會改變巖石的物理性質(zhì)和力學(xué)行為。通過實驗中的溫度控制系統(tǒng)，可以研究不同溫度下巖石的力學(xué)性質(zhì)，如蠕變行為、塑性變形和剪切強(qiáng)度的變化。

（二）? 基于實驗探究的工程實際應(yīng)用

巖石力學(xué)是一門與工程實踐密切相關(guān)的課程。巖石廣泛賦存于國家重大建設(shè)工程中，巖石結(jié)構(gòu)面的力學(xué)特性影響著工程的穩(wěn)定性，如川藏鐵路沿線地質(zhì)災(zāi)害受活動斷裂影響顯著，很多大型-巨型滑坡由活動斷裂誘發(fā)（如沿鮮水河斷裂帶滑坡、沿金沙江斷裂帶和雅魯藏布江斷裂帶滑坡等），造成巨大經(jīng)濟(jì)損失；錦屏水電站左岸壩肩分布的結(jié)構(gòu)面對高拱壩壩肩變形穩(wěn)定、抗滑穩(wěn)定及滲透穩(wěn)定帶來嚴(yán)重影響；三峽庫區(qū)望霞危巖體兩次發(fā)生大面積破壞，研究人員認(rèn)為巖體結(jié)構(gòu)面對危巖變形有控制性作用[14-15]。所以，只有扎實掌握巖石力學(xué)理論知識并熟悉各知識點在工程實際中的應(yīng)用，才能及時分析誘發(fā)災(zāi)害問題的內(nèi)在原因，并給出有效的減災(zāi)防災(zāi)措施。然而在當(dāng)前的巖石力學(xué)課程中，教學(xué)與工程的結(jié)合度很低。學(xué)生無法將所學(xué)知識應(yīng)用到具體的工程分析中。

通過實驗可提高學(xué)生的實踐水平，讓學(xué)生把課本上學(xué)到的知識轉(zhuǎn)變?yōu)榭捎糜诠こ虒嵺`的能力，培養(yǎng)學(xué)生解決實際工程問題的意識。比如，通過不同法向力下巖石結(jié)構(gòu)面剪切實驗，使學(xué)生認(rèn)識到實驗中獲得的不同法向力對巖石剪切特性的影響可反映剪切荷載下不同深部賦存環(huán)境內(nèi)巖石的力學(xué)特性，進(jìn)而可掌握不同深部下工程穩(wěn)定性的演變規(guī)律[16-18]。同樣，學(xué)生通過開展不同溫度下巖石結(jié)構(gòu)面的剪切實驗，不同地?zé)衢_采環(huán)境下結(jié)構(gòu)面的存在對干熱巖開采的影響。

五? 結(jié)束語

隨著“雙碳”戰(zhàn)略的推進(jìn)和國家能源戰(zhàn)略的實施，有必要讓當(dāng)代大學(xué)生充分了解“雙碳”戰(zhàn)略，并培養(yǎng)學(xué)生利用所學(xué)知識推進(jìn)“雙碳”目標(biāo)建設(shè)的意識。本文基于巖石實時高溫剪切實驗系統(tǒng)，還原深部干熱巖高溫高壓的賦存環(huán)境，幫助學(xué)生理解地?zé)豳Y源的特性。同時，通過巖石結(jié)構(gòu)面剪切實驗，使學(xué)生熟悉高溫高壓下巖石結(jié)構(gòu)面的物理特性和力學(xué)行為，掌握高應(yīng)力環(huán)境下結(jié)構(gòu)面的剪切力學(xué)特性及破壞特征，深入理解剪切應(yīng)力、法向變形、剪切變形和抗剪強(qiáng)度等理論知識。

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