地质工程专业教学中土工离心模型试验的探索与实践

郑 光, 许 强, 蔡国军, 刘汉香， 刘 洋

(1. 成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室, 四川 成都 610059；2. 成都理工大学 环境与土木工程学院, 四川 成都 610059)

地质工程专业教学中土工离心模型试验的探索与实践

郑 光, 许 强, 蔡国军, 刘汉香， 刘 洋

(1. 成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室, 四川 成都 610059；2. 成都理工大学 环境与土木工程学院, 四川 成都 610059)

土工离心模型试验因能再现自重应力场以及与自重有关的变形过程,直观揭示变形破坏机理,并能为其他分析方法提供真实可靠的参数依据,而得到越来越广泛的应用。利用成都理工大学建成的TLJ-500型土工离心机开展了土工离心模型教学实验,在缩尺小模型中再现大规模地质原型的变形过程,能有效引导和培养学生宏观把握岩土体变形的分期配套特性的能力,是一种有效的专业教学手段。

实验教学； 土工离心模型试验； 地质工程

地质工程学科相关专业都是实践性很强的专业,仅通过课堂理论教学很难使学生对复杂岩土体的宏观变形有深刻的认识,特别是对抽象的专业理论,更需要学生在实践中不断积累才能有深入的理解[1-2]。鉴于此,我国地质工程专业本科阶段普遍开设了材料力学实验、岩土力学实验、水力学实验(有些学校还开设地下水渗流过程演示实验)、工程结构实验、工程勘察实习等课程,有条件的高校还开设了地质力学模型实验、现场滑坡勘察实习、深基坑现场认识实习等[3]。

但我国相关专业教学大多沿用以书本理论为中心、课堂灌输为中心、教师讲解为中心的模式,使得学生过于依赖教师。[4]。为了激发学生的学习兴趣,培养学生主动发现问题、解决问题的能力,我校组建了具有专业特色的地质工程创新实验班,让大学生在本科学习阶段就能参与到更多的工程和科研实践中,通过广泛的专业接触和新颖的教学手段提高学生专业素养。土工离心模型实验课程是为创新班开设的众多特色课程之一。

1 土工离心模型试验在专业教学中的应用

土工离心模型试验是将缩尺1/n倍的模型置于离心机中,在ng(n>1,g=9.8m/s2)离心加速度条件下进行试验。由于惯性力与重力绝对等效,且高加速度不会改变工程材料的性质,从而使模型和原型的应力—应变相等、变形相似、塑性区发展和破坏过程相似,以获取原型变形破坏机理和变形破坏过程的物理模拟试验技术[5-6]。土工离心机模型试验理论诞生至今已愈百年,相关理论体系日趋完善,特别是近年来土工离心机的建设得到快速发展,并成为地质工程相关领域解决工程问题和开展科学研究的重要手段[7]。

从20世纪中期开始,国外很多高校和科研院所开始建设不同规模的土工离心机,而我国则是从20世纪80年代开始建设[8],其后土工离心模型试验体系在国内逐渐建设完备起来[9-10]。但是如何利用土工离心模型试验的优势,将其引入到相关专业本科教学中,还是当前需要探索的问题。

英国学者Schofield(1969)最早开始将离心模型实验室向本科生开放,并引导他们参与到离心模型试验中。曼彻斯特大学的Craig教授(1989)是最早提出将物理模型引入到岩土工程教学中的学者之一[11],他用小型教学土工离心机开展面向大学生的模型演示试验,演示内容包括荷载条件下地基土的剪切破坏、斜坡失稳、隧道破坏以及斜坡失稳对下部隧道变形的影响等。日本自1983年就开始开展本科生离心模型实验课程[11]。科罗拉多大学博尔德分校研制了用于本科专业教学的小型土工离心机[12],直径仅1.22 m,能在2个小时的课程中轻松重复试验4～5次。该设备结构简单,没有复杂的测试系统,但是足够开展斜坡稳定分析和朗肯或库仑土压力理论的验证性演示试验。Wartman(2006)在库伯体验式学习理论的基础上提出了离心模型试验教学的4步方法[13]:通过离心模型实验让学生获得具体的经验(CE),引导学生进行观察、反思(RO),形成抽象概念(AC),再让学生在不同条件下开展试验加深印象(AE)。Airey等(2010)采用Wartman提出的方法进行了教学实践[14],认为该方法切实可行。El Shamy等(2013)探讨了在偏远校区开展本科岩土工程专业离心模型试验课程的问题[15],他们利用互联网技术使学生能够通过远程操作实时观察和进行专业离心模型试验。孔令刚等(2013)利用大型土工离心机开展了初步教学尝试[16],认为通过让学生全面参与土工离心模型试验过程,能增强学生对土力学的直观认识。

通过模型实验教学,能够使学生在实验操作、数据分析与处理、沟通和团队合作等各方面获得专业技能锻炼。除此之外,物理模型实验还能够在工程教学中发挥其独特的优势,这些优势列举如下:

(1) 物理模型实验能够明确演示复杂的、非线性的岩土体力学机理和变形现象,而这些机理和现象是难以用其他方法可视化再现的[13]；

(2) 通过直接观察岩土体模型,培养学生对岩土体基本力学机理的物理宏观感官认识；

(3) 小尺度的缩尺模型,而不是现场大规模调查,使得学生能够较容易、较全面地直接观察到岩土体的变形过程,体会到岩土体失稳的机理,而这些在传统土力学实验中是很难实现的；

(4) 学生在实验开始之前先对模型变形趋势进行预测分析,实验之后将预测与模型实际表现进行对比,能通过反分析找出自身知识点的不足。

2 土工离心模型实验教学中的探索与实践

土工离心模型试验能再现自重应力场以及与自重有关的变形过程,克服1 g重力条件下小模型的尺寸效应,直观揭示变形破坏机理,并能为其他分析方法提供真实可靠的参数依据,这些优点是其他普通地质力学模型试验所不具备的。

2.1 离心模型试验教学的目的和内容

我校环境与土木工程学院为地质工程创新实验班开设了土工离心机模型实验课,进行土工离心模型实验教学的探索。实验教学使用了成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室的TLJ-500型大型土工离心机。实验课内容为4学时的离心模型试验原理与相似理论教学、8学时的模型实验以及4学时的实验现象分析。实验内容为边坡失稳机理的离心模型试验。由于本课程是在探索阶段,学时相对紧张,且制备离心模型需要消耗较多的时间成本和经济成本,故在课程设置时,将创新实验班的教学课程安排在学年的第2学期,使其与研究生的毕业实验相结合开展。课程开设目的为:使学生了解相似理论和土工离心模型试验的原理,认识离心模型试验在研究岩土体变形破坏机理中的优势,学习离心模型试验的设计原则和方法,使学生能通过物理模型试验结果的反分析认识岩土体变形破坏机理。

TLJ-500型土工离心机的有效半径为4.5 m,采用单吊篮不对称臂形式,最大有效容量为500 g·t,最大离心加速度为250 g,吊篮空间为1.5 m×1.3 m×1.5 m。实验课程模型箱尺寸为1.2 m×1 m×0.8 m,模型箱长边侧为有机玻璃窗口,可以用来观测模型的变形过程。

2.2 离心模型试验的具体过程

课程实验具体内容为河谷下切导致江岸滑坡的成因机理模拟,所模拟的不同地层岩性的材料采用不同配比的重晶石粉、粗石英砂、石膏、水、甘油、石蜡油等混合制备。制备后的模型如图1所示,图2所示为模型断面及模拟河谷下切步骤示意图。

图1 离心模型试验开展前

图2 模型断面及模拟下切示意图

整个实验过程分为4步:

(1) 模型固结：在20 g的离心场条件下固结模型,固结时间为30 min；

(2) 模拟河谷第一次下蚀:在30 g的离心场条件下对模型进行开挖；

(3) 模拟河谷第二次下蚀:第一次开挖完成20 min后,进行第二次开挖；

(4) 模拟河谷第三次下蚀:第二次开挖完成20 min后,进行第三次开挖。

从第(2)步开始，整个模拟下蚀过程均在30 g(g=9.8 m/s2)条件下进行，并采用数字相机采集记录试验过程中模型变形破坏的现象和特征。

图3所示为第三次模拟下切后观察到的模型边坡变形破坏过程。从图中可以看出,河谷下切导致原有岸坡岩体卸荷回弹,并在坡顶形成拉裂缝,在重力作用下裂缝逐渐向斜坡内部延伸,使得斜坡前部岩体与原始边坡逐渐脱离(图3a、b、c)。岩体沿软弱的T2b2薄层砂泥岩层向临空面蠕滑变形。当后缘拉裂缝向下延伸到一定程度,在上部岩体重力作用下做蠕变变形的砂泥岩层进入累进性破坏(图3e、f),导致滑面最终贯通,变形岩体完全滑出,形成滑坡(图3g)。

图3 第三次模拟下切后岸坡失稳过程(30 g条件下)

试验结果较为真实地再现了河流下蚀造成河谷岸坡失稳的全过程,这一过程在普通1 g模型试验环境中是难以实现的,土工离心模型试验很好地模拟了硬质岩体的脆性变形和软岩的先垂向压缩、再侧向蠕滑变形过程。这既表明离心模型试验在解决岩土和地质工程问题中具有独特优势,也向学生展示了岸坡岩土体变形的复杂性,并再一次说明对岩土体的认识不能停留在均质材料的协调性变形这一认知上。

模型试验结束后,教师利用所采集图像数据向学生讲解不同阶段岸坡的变形过程和相应的力学机理,再引导学生自己总结河流下切对岸坡稳定性的影响,并作专题发言,实现学生由被动式学习到主动思考、主动发现问题、主动学习的过程。

2.3 离心模型试验教学效果分析

课程结束后,学生按要求提交一份“对河流下切造成河谷岸坡失稳的机理认识”的分析报告,在分析报告中利用图文展示自己的认识。很多学生综合运用“外动力地质学”“河流动力学”以及“岩体力学”等学科的知识对岸坡变形机理进行了分析。本次实验课程的探索取得了较好的效果。

(1) 对斜坡岩土体边坡变形分析能力的培养。在缩尺小模型中再现大规模地质原型的变形过程,使学生能在小范围模型中见识到岩土体变形所具有的分期配套特性,使知识点更加集中,提高了学生综合分析岩土体变形机理的能力。

(2) 实验报告编写能力的培养。以往学生提交的实验报告内容多是从实验指导书中摘录下来的,本次实验课要求学生在小组专题发言的基础上,根据具体实验内容和现象进行总结,完成实验报告。学生在课堂上积极发言,课下通过查阅资料、丰富发言内容完成报告,进一步加深了对专业知识的认识。

3 取得的成果和经验

为岩土和地质工程相关专业研究生开展离心模型实验教学工作在我国早已有之,但是针对本科生进行教学则还处于起步阶段。本次采用大型土工离心机开展的河流下切导致江岸滑坡的成因机理模型试验,给学生提供了一个新颖的认识手段,增加了学生的兴趣,获得了好评,同时也提高了学生进行专业学习的积极性,取得了如下的成果和经验:

(1) 土工离心模型试验以其特有的优势为学生展示了普通1 g模型试验所难以实现的试验效果,增加了学生的探索兴趣,且其能在缩尺小模型中再现大规模地质原型的变形过程,能引导和培养学生宏观把握岩土体细部变形的能力,是一种有效的实验教学手段。

(2) 本科教学课时安排相对紧张,没有充裕的时间进行前期模型制作,故在进行探索性教学时,采用本科生观摩研究生制模和试验的方法,将科研活动与本科教学相结合，因此造成不同年级学生所观察、分析的物理模型不同,使每学期的教学细节不能完全重现。

(3) 土工离心模型试验是一种高消耗性试验,不仅设备价值高昂,而且制作一个完备的岩土体模型也价值不菲,这需要开设相关课程的教学部门进行较大的经济投入。

(4) 采用大型土工离心机进行本科教学多有不便,建议有条件的教学单位建造专门的教学用微型土工离心机,使模型制备简便化、模块化,以便于实验教学常规化,进而达到能满足学生独立设计实验方案、独立制模、独立分析的条件,从而摆脱大型土工离心机在实验经费和实验时间等方面对教学活动的制约。

References)

[1] 黄润秋,许强,陈礼仪,等.重视实践教学 培养地质工程创新人才[J].中国地质教育,2008(4):17-21.

[2] 巨能攀,许强,陈礼仪,等.传统优势工科专业人才培养质量体系的构建与实践[J].成都理工大学学报(社会科学版),2008,16(4):97-100.

[3] 田管凤,张小萍,于国友,等.土工模型试验在教学中的应用探索[J].东莞理工学院学报, 2009,16(5):115-118.

[4] 王述红,吴迪,宋建,等.岩土力学实验教学优质资源建设与共享研究[J].实验室研究与探索,2011,30(8):135-138.

[5] Taylor RN.Centrifuges in modelling: principles and scale effects[M].London: Geotechnical Centrifuge Technology,Blackie Academic and Professional,1995:19-33.

[6] Madabhushi G.Centrifuge Modelling for Civil Engineers[M].New York:CRC press,2014:1-6.

[7] 濮家骝.土工离心模型试验及其应用的发展趋势[J].岩土工程学报,1996,18(5):92-94.

[8] 朱维新.土工离心模型试验研究状况[J].岩土工程学报,1986,8(2):82-95.

[9] 包承纲,饶锡保,李玫.岩土工程中离心模型试验的现状和若干技术问题[J].土工基础, 1990,4(1):22-29.

[10] 冯振,殷跃平.我国土工离心模型试验技术发展综述[J].工程地质学报,2011,19(3):323-331.

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[12] Suits L D,Sheahan T C, Dewoolkar M M， et al.Centrifuge Modelling for Undergraduate Geotechnical Engineering Instruction[J].Geotechnical Testing Journal,2003,26(2):201-209.

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[14] Airey D W,Barker R.Development of a low cost teaching centrifuge[C]//Proc.Physical modeling in Geotechnics.London: Taylor and Francis Group,2010: 205-210.

[15] Shamy U E,Abdoun T, McMartin F,et al.Integration of centrifuge testing in undergraduate geotechnical engineering education at remote campuses[J]. European Journal of Engineering Education, 2013, 38(3):268-280.

[16] 孔令刚,蔡海强,衡慈文,等.土工离心机在岩土工程教学中的应用[J].实验室研究与探索, 2013,32(4):121-123,182.

Exploration and practice of geotechnical centrifuge model test in Geological Engineering professional teaching

Zheng Guang, Xu Qiang, Cai Guojun, Liu Hanxiang， Liu Yang

(1. State Key Laboratory of Gehazard Prevention and Geoenvironment Protection,Chengdu University of Technology, Chengdu 610059,China； 2. College of Environment and Civil Engineering, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China)

With geotechnical centrifuge technique, self weight stresses and gravity dependent processes are correctly reproduced and observed from small scale models, which can be related to the full scale prototype situation by using well established scaling laws. In that case, a first attempt is made to bring the geotechnical centrifuge modeling into education for the undergraduate students in Geological Engineering major. In the test, the deformation process of the large-scale geological prototype is reproduced based on the scaled model. The teaching results show that students are encouraged to take part in the whole test process, including finding and solving problems, and the assorted characteristics of cracks spatial evolution in different deformation periods are shown. The geotechnical centrifuge model test provides a valuable means for the professional teaching.

experimental teaching; geotechnical centrifuge model test; geological engineering

10.16791/j.cnki.sjg.2017.03.052

2016-09-23

地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室自主研究课题(SKLGP2015Z023)；成都理工大学人才培养质量和教学改革项目(201610)；四川省专业综合改革与实践教学项目(SZH1103ZX08)；四川省高等教育人才培养质量和教学改革项目(Z11074)

郑光(1981—),男,山东临沭,博士，实验师,主要从事土工离心模型实验相关科研和教学工作

E-mail：flywing140@foxmail.com

许强(1968—),男,四川南江,博士,教授,主要从事地质灾害预测评价及防治处理方面的教学与研究工作.

E-mail：xq-68@qq.com

TU 411.99

B

1002-4956(2017)3-0202-04