科研反哺教学的岩土与地下工程创新实验设计与实践.pdf

第卷 第期 年月：科 研 反 哺 教 学 的 岩 土 与 地 下 工 程创 新 实 验 设 计 与 实 践刘 宗 辉，黄震，蒋 剑 青，刘莹（广 西 大 学 土 木 建 筑 工 程 学 院，土 木 建 筑 工 程 国 家 级 实 验 教 学 示 范 中 心，南 宁）摘要：围 绕 岩 土 与 地 下 工 程 实 验 教 学 改 革，分 析 了 广 西 大 学 岩 土 与 地 下 工 程 方 向实 验 教 学 存 在 教 学 实 验 与 科 研 实 验 分 离、教 学 模 式 陈 旧 的 问 题，提 出 了 科 研 反 哺 教学 的 创 新 实 验 设 计 理 念，并 分 别 以 土 质 学 与 土 力 学 和 岩 石 力 学 两 门 课 程 的 膨 胀 土改 良 试 验、岩 石 声 发 射 试 验 两 个 实 验 项 目 为 例 介 绍 了 创 新 实 验 设 计 方 案、实 施 措 施和 实 践 成 效。科 研 成 果 反 哺 教 学 对 培 养 高 水 平 创 新 人 才 开 辟 了 一 条 新 路。关 键 词：科 研 反 哺 教 学；创 新 实 验；膨 胀 土 改 良；岩 石 声 发 射中 图 分 类 号：文 献 标 志 码：文 章 编 号：（），（，（），）：，“”“”，：；收 稿 日 期：基 金 项 目：广 西 高 等 教 育 本 科 教 学 改 革 工 程 项 目（）；广西 研 究 生 教 育 创 新 计 划 资 助 项 目（）作 者 简 介：刘 宗 辉（），男，湖 南 邵 阳 人，博 士，高 级 工 程 师，主要 从 事 岩 土 与 地 下 工 程 方 向 实 验 教 学 和 相 关 科 研 工 作。：引言创 新 能 力 是 我 校 土 木 工 程“世 界 一 流 建 设 学 科”人 才 培 养 的 核 心 目 标 之 一。广 西 作 为 西 部 陆 海 新 通 道建 设 的 主 要 战 场，港 口、公 路、铁 路、运 河 等 关 键 基 础 设施 建 设 正 在 快 速 推 进。在 新 形 势 下，如 何 培 养 具 有 创新 能 力 的 行 业 领 军 人 才 和 行 业 骨 干 人 才 需 要 深 入探 索。岩 土 与 地 下 工 程 是 土 木 工 程 学 科 的 一 个 方 向，实验 作 为 专 业 课 程 学 习 中 理 论 与 实 践 相 结 合 的 一 个 重 要环 节，有 利 于 培 养 学 生 动 手 能 力、创 新 能 力 和 独 立 分 析解 决 实 际 问 题 的 能 力。实 验 室 同 时 承 担 着 教 学 和 科 研第卷实 验，是 教 学 和 科 研 有 机 融 合 的 最 佳 场 所。在 现 有 实验 教 学 体 系 的 基 础 上，基 于 科 研 反 哺 教 学 的 理 念，探 索岩 土 与 地 下 工 程 创 新 实 验，对 实 现 教 学 与 科 研 相 统 一、落 实“双 一 流”培 养 目 标 具 有 重 要 意 义。现 状 分 析目 前，我 校 岩 土 与 地 下 工 程 方 向 实 验 教 学 项 目 主要 为 土 质 学 与 土 力 学、岩 石 力 学、土 木 工 程 试 验 与 测 试技 术（岩 土）门 理 论 课 的 课 内 实 验。其 中 土 质 学 与土 力 学 实 验 项 目 包 括 含 水 率、密 度、颗 粒 分 析、液 塑 限、固 结 以 及 直 接 剪 切个 实 验 项 目，实 验 课 时学 时；岩 石 力 学 包 括 块 体 密 度 试 验、单 轴 抗 压 强 度 试 验、抗 拉强 度 试 验（巴 西 法）、三 轴 剪 切 强 度 试 验个 实 验 项目，实 验 课 时学 时；土 木 工 程 试 验 与 测 试 技 术（岩土）包 括 静 力 触 探、十 字 板 剪 切、动 力 触 探、扁 铲 侧 胀、原 位 直 剪、桩 身 完 整 性、桩 基 静 载个 实 验 项 目，实 验课 时学 时。学 生 通 过 这门 课 程 的 课 内 实 验 可 以掌 握 岩 土 体 的 基 本 物 理、力 学 性 质 指 标 测 试 和 数 据 分析 方 法，增 强 对 岩 土 与 地 下 工 程 的 基 本 理 论 知 识 理 解。但 现 有 实 验 教 学 项 目 均 以 验 证 性 和 演 示 性 实 验 类 型 为主，综 合 性、设 计 性、创 新 性 实 验 项 目 很 少 涉 及。同 时，由 于 教 学 模 式 为 传 统 的 教 师 讲 解 演 示 后 学 生 动 手 操作，学 生 处 于 被 动 学 习 状 态，缺 乏 独 立 思 考，也 就 难 以培 养 创 新 能 力。另 一 方 面，随 着 我 校 土 木 工 程“世 界 一 流 建 设 学科”不 断 推 进，岩 土 地 下 工 程 科 研 平 台 得 到 快 速 提 升，目 前 拥 有 教 育 部 长 江 学 者 为 学 术 带 头 人 的 科 研 团 队，新 投 入 科 研 设 备 近 万 元，拥 有 多 台 世 界 领 先 的科 研 设 备，可 以 说 硬 件 设 备 完 全 可 满 足 一 流 学 科 建 设的 需 求。然 而，前 期 调 研 发 现，当 前 我 校 土 木 工 程 教 学实 验 与 科 研 实 验 完 全 分 离，大 量 科 研 资 源 未 能 在 本 科教 学 过 程 中 得 到 利 用。因 此，基 于 科 研 反 哺 教 学 的 教学 改 革 势 在 必 行。创 新 实 验 设 计 基 本 理 念如 何 从 科 研 成 果 中 提 炼 合 适 的 实 验 教 学 内 容 至 关重 要，“新 颖 性、综 合 性、探 索 性、可 行 性”是 创 新 实 验设 计 的 核 心 理 念。实 验 项 目 内 容 应 紧 跟 学 科 前 沿 发 展动 态 和 行 业 需 求，能 够 将 已 有 的 科 研 成 果 在 实 验 项 目中 体 现；项 目 实 施 需 要 建 立 在 已 有 的 实 验 教 学 条 件 基础 上，尽 量 选 用 通 用 设 备，同 时 引 入 先 进 仪 器，但 并 不是 盲 目 追 求 高、精、尖；此 外，创 新 实 验 一 般 需 要 综 合 多种 常 规 实 验 方 法，并 且 能 够 让 学 生 自 由 探 索，培 养 综 合应 用 知 识 解 决 问 题 的 能 力。设 计 方 案以 土 质 学 与 土 力 学 和 岩 石 力 学 两 门 课 程 的 膨 胀 土改 良 试 验、岩 石 声 发 射 试 验 来 介 绍 创 新 试 验 设 计 思 路和 方 案。（）膨 胀 土 改 良 试 验。膨 胀 土 是 广 西 地 区 广 泛 存在 的 特 殊 性 土，其 遇 水 膨 胀、失 水 收 缩，膨 胀 土 处 治 是边 坡 工 程、路 基 工 程 以 及 建 筑 地 基 基 础 工 程 中 经 常 遇到 的 难 题。在 对 某 个 工 程 现 场 的 膨 胀 土 进 行 处 治之 前 首 先 需 要 对 其 膨 胀 性 等 级 进 行 判 别，然 后 有 针 对性 地 提 出 处 治 或 改 良 措 施。创 新 实 验 涉 及 膨 胀 土 改 良方 法 选 择、改 良 前 后 的 物 理 力 学 性 能 对 比 以 及 改 良 效果 评 价。我 校 对 膨 胀 土 研 究 始 于 上 世 纪年 代，研 究成 果 曾 获 得 国 家 科 技 进 步 二 等 奖 和 多 项 广 西 科 技 进 步奖，围 绕 膨 胀 土 处 治 提 出 了 很 多 改 良 措 施。该 实 验 项目 设 置 不 仅 可 以 让 学 生 继 承 已 有 科 研 成 果 形 成 探 索 创新 思 路，还 能 为 今 后 工 作 中 解 决 膨 胀 土 问 题 打 下 基 础。实 验 内 容 分 为个 部 分，第部 分 为 膨 胀 土 类 型、膨 胀 性 等 级 判 别，主 要 包 括 根 据 取 土 场 地 资 料（地 貌、颜 色、结 构、土 质 等）、自 由 膨 胀 率、相 对 膨 胀 率、胀 缩总 率 等 指 标 判 别 膨 胀 土 的 成 因 类 型 和 胀 缩 性 等 级；第部 分 为 膨 胀 土 改 良 试 验，包 括 选 取 改 良 掺 入 材 料（石灰、水 泥 粉 煤 灰、电 石 渣、离 子 改 性 剂 等），设 置 掺 入 配比、含 水 率、养 护 龄 期，通 过 自 由 膨 胀 率、胀 缩 总 率 评 价改 良 效 果；第部 分 为 改 良 后 膨 胀 土 的 物 理 力 学 特 性研 究，包 括 渗 透 性、抗 剪 强 度、无 侧 限 抗 压 强 度。具 体实 验 项 目 设 计 如 图所 示，从 图 中 可 以 看 出，膨 胀 土 改良 试 验 基 本 涵 盖 了 常 规 土 工 试 验 教 学 的 所 有 项 目。在试 验 过 程 中 鼓 励 学 生 采 用 先 进 的 实 验 设 备，如：采 用 激光 粒 度 仪 测 试 细 粒 土 粒 径 组 成，使 用 非 饱 和 土 三 轴 仪和 压 力 膜 仪 研 究 膨 胀 土 渗 透 性 和 抗 剪 强 度。图膨 胀 土 改 良 创 新 试 验 项 目 设 计（）岩 石 声 发 射 试 验。随 着 西 部 交 通 网 络 快 速 推第期刘 宗 辉，等：科 研 反 哺 教 学 的 岩 土 与 地 下 工 程 创 新 实 验 设 计 与 实 践进，大 量 高 速 公 路 隧 道、岩 质 边 坡 在 广 西 地 区 建 设。声发 射（微 震）监 测 技 术 是 一 种 利 用 岩 体 破 裂 发 射 出 的弹 性 波 或 应 力 波 信 号 来 监 测 和 评 价 岩 体 稳 定 性 的 方法。近 年 来，该 技 术 在 隧 道（洞）围 岩 岩 爆 和 塌 方 以 及边 坡 危 岩 垮 塌 等 工 程 灾 害 的 预 警 方 面 得 到 广 泛 应 用。室 内 小 尺 度 的 岩 样 破 坏 时 传 感 器 所 检 测 到 的 信 号 频 率通 常 较 大 并 且 能 量 小，一 般 称 之 为 声 发 射，而 现 场大 尺 度 的 岩 体 破 裂 产 生 信 号 频 率 相 对 低、能 量 较 大，则称 之 为 微 震。室 内 试 验 作 为 研 究 岩 石 破 裂 损 伤 的 有 效手 段，得 到 了 学 者 们 的 广 泛 研 究，我 校 在 这 方 面 也 取 得了 优 异 的 研 究 成 果。因 此，以 声 发 射 试 验 研 究 成 果 为基 础，结 合 岩 石 常 规 实 验 项 目 设 计 创 新 实 验，将 有 利 于学 生 深 入 理 解 岩 石 破 坏 损 伤 理 论 基 础、掌 握 微 震 监 测技 术 原 理，从 而 培 养 创 新 思 维 和 理 论 联 系 实 际 的能 力。根 据 不 同 的 工 程 背 景 和 岩 石 声 发 射 试 验 所 研 究 的内 容，从 岩 石 类 型、加 载 方 式 以 及 环 境 条 件 等 方 面 设 计创 新 实 验 项 目。具 体 实 验 项 目 名 称 和 试 验 目 的 如 表所 示，学 生 可 以 根 据 兴 趣 爱 好 和 知 识 背 景 选 择 相 应 的实 验 项 目 开 展 试 验。表岩 石 声 发 射 试 验 项 目实 验 项 目实 验 目 的实 验 仪 器不 同 类 型 岩 石 单 轴 压 缩 破 坏 声发 射 特 性 试 验研 究 单 轴 压 缩 下 不 同 类 型 岩 石（花 岗 岩、砂 岩、灰 岩、大理 岩 等）破 坏 的 声 发 射 信 号 特 性 和 演 变 规 律多 功 能 岩 石 力 学 试 验 机通 道 声 发 射 仪不 同 加 载 方 式 岩 石 破 坏 声 发 射特 性 试 验研 究 同 一 种 岩 石 在 围 压 条 件、加 载 速 度 等 变 量 条 件 下 的岩 石 破 坏 声 发 射 信 号 特 性 和 演 变 规 律岩 石 常 规 三 轴 试 验 机通 道 声 发 射 仪不 同 渗 透 水 压 下 饱 和 砂 岩 破 坏声 发 射 特 性 试 验研 究 砂 岩 在 不 同 渗 透 水 压 下 破 坏 的 声 发 射 信 号 特 性 和 演变 规 律岩 石 渗 流 三 轴 试 验 机通 道 声 发 射 仪不 同 温 度 岩 石 破 坏 声 发 射 特 性试 验研 究 同 一 种 岩 石 在 不 同 高 温 条 件 下 破 坏 的 声 发 射 信 号 特性 和 演 变 规 律岩 石 高 温 三 轴 试 验 机通 道 声 发 射 仪真 三 轴 岩 爆 过 程 声 发 射 特 性试 验研 究 真 三 轴 加 载 条 件 下 岩 爆 过 程 的 声 发 射 特 征 和 演 化规 律真 三 轴 岩 爆 试 验 系 统通 道 声 发 射 仪实 施 方 式 和 实 践 案 例 实 施 方 式由 于 创 新 性 实 验 涉 及 多 个 常 规 实 验 项 目，实 验 设计 往 往 以 问 题 为 导 向，实 验 过 程 具 有 较 强 的 探 索 性，仅靠 课 内 学 时 是 很 难 完 成 的，学 生 和 老 师 需 要 投 入 更 多的 时 间，有 效 实 施 方 式 和 管 理 机 制 十 分 关 键。经 过 近几 年 探 索，我 校 初 步 形 成 了 以 项 目 为 驱 动 的“导 师 制”课 外 个 性 培 养 创 新 训 练 教 学 模 式。项 目 来 源 主 要为 大 学 生 创 新 训 练 计 划 项 目、开 放 实 验 室 基 金、本 科 生导 师 科 研 课 题 等。学 生 也 可 以 自 主 选 择 研 究 方 向，根据 研 究 内 容 在 本 科 实 验 教 学 中 心 或 科 研 实 验 室 完 成 相关 研 究。学 生 的 毕 业 设 计（论 文）选 题 可 以 直 接 来 源于 大 创 项 目 或 导 师 的 科 研 项 目，学 生 创 新 成 果 的 评 价与 毕 业 或 评 优 直 接 相 关。因 此，本 科 生 导 师 制 的 实 施是 激 发 学 生 自 主 学 习 意 识 的 有 效 措 施。开 放 的 实 验 室 管 理 制 度 以 及 全 方 位 的 考 核 评 价 体系 是 创 新 实 验 能 够 顺 利 实 施 的 基 本 保 障。近 年 来 我 院实 验 中 心 信 息 化 管 理 平 台 的 运 行 为 实 验 室 开 放 共 享 提供 了 支 持，学 生 可 在 管 理 平 台 上 预 约 实 验 室 和 实 验 设备、学 习 实 验 仪 器 设 备 的 基 本 使 用 方 法。此 外，随 着 土木 工 程 世 界 一 流 学 科 建 设 不 断 推 进，我 院 实 验 中 心 硬件 设 施 和 实 验 教 师 团 队 的 综 合 水 平 也 得 到 了 大 幅 提升，部 分 实 验 教 师 也 独 立 指 导 了 多 项 大 学 生 创 新 项 目，教 学 水 平 和 工 作 能 力 均 得 到 了 良 好 的 锻 炼 与 显 著提 升。实 践 案 例图 所 示 是 大 学 生 进 行“牡 蛎 粉 改 良 膨 胀 土的 裂 隙 与 胀 缩 特 性 研 究”创 新 项 目 的 部 分 实 践 成 果。牡 蛎 在 广 西 沿 海 地 区 十 分 常 见，该 项 目 以 牡 蛎 壳粉 为 添 加 材 料 对 某 工 程 现 场 膨 胀 土 进 行 改 良。试 验 项目 包 括 自 由 膨 胀 率、膨 胀 力、无 荷 膨 胀 率、干 湿 循 环 以及 直 剪 试 验 等。重 塑 试 样 的 制 备 过 程 如 下：将 取 回 的膨 胀 土 切 成 小 块 置 于 自 然 环 境 中 风 干，用 碎 土 机 将 其打 碎 并 过 筛；将 不 同 牡 蛎 壳 粉 掺 量（、）的 膨 胀 土 混 合 均 匀，边 喷 水 边 搅 拌 配置 成 含 水 率 为 的 湿 土；闷 料 后 采 用 静 压 法制 样，用 液 压 千 斤 顶 将 土 样 一 次 性 压 成 干 密 度 为 的 环 刀 试 样，环 刀 直 径 为 ，高 为。试 验 共 制 备 环 刀 样个，土 样 误 差 均 控 制 在 之 内。图所 示 为 牡 蛎 壳 粉 掺 量 与 膨 胀 土 自 由 膨 胀 率、膨 胀 力 的 关 系。图所 示 为 不 同 牡 蛎 壳 粉 掺 量 膨 胀 土的 无 荷 膨 胀 率 随 时 间（、）变 化 的 规 律 曲 线。图所 示 为 牡 蛎 壳粉 掺 量 对 膨 胀 土 黏 聚 力 的 影 响 规 律。从 试 验 结 果 可 以看 出，掺 入 牡 蛎 壳 粉 能 较 好 地 改 良 膨 胀 土 膨 胀 特 性，且掺 量 越 大 膨 胀 土 的 膨 胀 特 性 改 良 效 果 越 好，但 综 合 考第卷虑 黏 聚 力 试 验 结 果 后，认 为 的 掺 量 为 最 佳配 比。图牡 蛎 壳 粉 掺 量 与 膨 胀 土 自 由 膨 胀 率、膨 胀 力 的 关 系图牡 蛎 壳 粉 掺 量 与 膨 胀 土 无 荷 膨 胀 率 关 系图牡 蛎 壳 粉 掺 量 与 膨 胀 土 黏 聚 力 关 系结语随 着 土 建 行 业 的 快 速 发 展，社 会 对 土 木 工 程 专 业创 新 人 才 的 需 求 不 断 提 升。如 何 通 过 科 研 来 为 教 学 提供 反 哺，形 成 教 研 相 长 机 制 是 当 前 本 科 教 学 改 革 的 趋势。实 验 室 同 时 承 担 着 教 学 和 科 研 任 务，是 两 者 融 合的 一 个 切 入 点。我 校 土 木 工 程 专 业 的 岩 土 与 地 下 工 程方 向 开 展 了 科 研 反 哺 教 学 的 创 新 实 验 设 计 与 实 践，卓有 成 效 地 实 施 了 膨 胀 土 改 良 试 验、岩 石 声 发 射 试 验 两个 创 新 实 验。尽 管 近 两 年 我 院“导 师 制”的 深 入 实 施后，科 研 反 哺 教 学 成 效 得 到 大 幅 提 升，但 创 新 实 验 同 样也 花 费 学 生 和 老 师 大 量 的 时 间 和 精 力，如 何 协 调 统 一学 习、实 践、科 研 相 互 之 间 的 关 系，建 立 合 理 的 运 行 保障 机 制 仍 需 不 断 探 索。参 考 文 献（）：苏成，王湛，陈 庆 军，等培 养 土 木 工 程 卓 越 工 程 师 的 实 践教 学 模 式 探 索 实 验 技 术 与 管 理，（）：陈 光 宋，张 弘 钧“双 一 流”背 景 下 科 研 反 哺 教 学 的 困 境、对 策 与实 践 南 京 理 工 大 学 学 报（社 会 科 学 版），（）：张 艳 美，栾 雅 琳，王斌基 于 能 力 培 养 的 土 力 学 综 合 性 实 验设 计 与 实 践 实 验 技 术 与 管 理，（）：王芳，林 妍 敏，何俊基 于 科 研 反 哺 教 学 的 环 境 类 创 新 人才 培 养 模 式 探 索以“环 境 土 壤 学”课 程 为 例 教 育 教 学 论坛，（）：崔 圣 爱，符飞，陈振，等土 木 工 程 材 料 课 程 科 研 反 哺 教 学研 究以 川 藏 铁 路 高 地 温 喷 射 混 凝 土 创 新 性 实 验 研 究 为 例 实 验 室 研 究 与 探 索，（）：雷鸣，唐 仁 华，邓鸣，等土 木 工 程 一 流 本 科 专 业 建 设 中 土力 学 课 程 教 学 改 革 研 究 及 实 践 长 沙 大 学 学 报，（）：程鹏，李 锦 辉，王 海 洋扁 铲 侧 胀 试 验 新 模 式 教 学 的 探 索 实践 实 验 室 研 究 与 探 索，（）：刘 宗 辉，周东，胡旭，等岩 石 力 学 三 层 次 实 验 教 学 体 系 探索 实 验 室 研 究 与 探 索，（）：张 季 如，曹 承 品渗 透 固 结 装 置 的 研 制 及 在 实 践 教 学 中 的 应 用实 验 技 术 与 管 理，（）：杨阳，毛 无 卫，王琼基 于 科 研 思 维 启 发 的 土 力 学 实 验 教学 改 革 研 究 实 验 室 科 学，（）：许 英 姿，黄 政 棋，苏超，等掺 碎 石 改 良 宽 度 对 膨 胀 土 侧 向 膨胀 力 影 响 研 究 铁 道 科 学 与 工 程 学 报，（）：张 立 军，张 德 潇，韩琳，等基 于 声 发 射 的 棒 料 磨 损 监 测 教 学实 验 平 台 开 发 实 验 技 术 与 管 理，（）：储 超 群，吴 顺 川，曹 振 生，等基 于 声 发 射 技 术 的 花 岗 岩 破 裂 特征 试 验 研 究 中 南 大 学 学 报（自 然 科 学 版），（）：于洋，洪鹏，刁 心 宏声 发 射 技 术 在 岩 土 工 程 研 究 生 实 验教 学 过 程 中 的 应 用 实 验 室 研 究 与 探 索，（）：王强，杨 成 祥，陈 天 宇，等岩 石 力 学 真 三 轴 虚 拟 仿 真 平 台 搭建 与 实 验 教 学 应 用 实 验 技 术 与 管 理，（）：刘 勇 健，邓 浒 标，梁 文 添，等土 力 学 实 验 教 学 与 考 核 模 式 改 革探 析 高 等 建 筑 教 育，（）：檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿殨殨殨殨 名 人 名 言 伟 大 的 事 业，需 要 决 心，能 力，组 织 和 责 任 感。易 卜 生